发明内容
[0010] 为了克服上述常见发动机的一些缺点，如内燃机的燃料燃烧不充分，尾气污染严重，变工况效率差，发动机磨损，对燃料质量要求高，爆燃以及噪音振动等缺点；燃气轮机对燃料要求高，外燃式燃气轮机对燃料要求性降低，但两者都需要较大功率以及很高的工质温度才能有较高的热效率，对材料要求较高，制造成本高等缺点，本发明提出了一种新型的外燃式发动机及其工作方法，能够为中低功率要求的场合提供动力。其目的是通过如下技术方案实现的。
[0011] 该外燃式发动机包括压缩冷却部分、加热膨胀部分、回热器和燃烧器，其结构要点在于所述压缩冷却部分包括至少两台以串联形式连接的双作用压缩机，即前一级双作用压缩机的排气口连接后一级双作用压缩机的进气口，且相邻两台双作用压缩机之间的通路上设置冷却器用以冷却从前一级双作用压缩机排气口出来的压缩空气；所述膨胀部分包括至少两台以串联形式连接的双作用膨胀机，即前一级双作用膨胀机的排气口连接后一级双作用膨胀机的进气口，且每台双作用膨胀机的进气口前连接加热器用以加热进入双作用膨胀机进气口的压缩空气；最后一级所述双作用压缩机排气口与第一级所述双作用膨胀机前的加热器的冷流体侧入口之间连接回热器用以加热进入加热器的压缩空气；所述加热器的热源由所述燃烧器的高温燃气提供，且流经加热器后的高温燃气进一步为所述回热器提供热源，经过回热器后的燃气通过发动机排气口排出；所述燃烧器入口与最后一级所述双作用膨胀机的排气口相通，燃烧器的燃料由外部输入。
[0012] 上述燃烧器、加热器、回热器的连接结构有以下两种方案：
[0013] 方案一：各所述加热器的热流体侧管路之间并联，再与燃烧器、回热器串联连接，即燃烧器出口管路分成支路分别接入各级加热器的热流体侧入口，各级加热器的热流体侧管路出口再接入回热器的热流体侧管路入口。
[0014] 方案二：所述的燃烧器数量增加至与加热器同样多，燃烧器与加热器热流体侧的管路串联，即在每个加热器前连接一个燃烧器，前一级加热器热流体侧管路出口接入后一级加热器前所连接的燃烧器的入口，所述后一级加热器的热流体侧管路的入口连接该级加热器对应的燃烧器出口，最后一级加热器的热流体侧管路的出口与所述回热器的热流体侧管路相通。
[0015] 该外燃式发动机工作的基本原理是，从外界吸空气，空气经过双作用压缩机压缩，两个相邻双作用压缩机之间设有冷却器冷却，从末级双作用压缩机出来的压缩空气进入回热器并与从加热器排出的高温燃气换热，从回热器出来的压缩空气进入加热器并与从燃烧室出来的高温燃气换热，压缩空气进入双作用膨胀机膨胀做功，空气工质从最后一级双作用膨胀机排出后进入燃烧器并与进入燃烧器的燃料混合燃烧产生高温燃气，高温燃气进入各加热器热流体侧与冷流体侧的压缩空气换热，从加热器出来的燃气进入回热器热流体侧与从末级双作用压缩机出来的压缩空气换热，最后燃气排出发动机。
[0016] 通过采用多级压缩中间冷却以及多级膨胀中间加热可以有效降低发动机低温端放热以及高温端吸热时的温差，降低了系统熵产，提高系统的效率。此外压缩过程中的中间冷却可以较少该过程中外界对气体做的功。这意味着可以降低工质的温度(可以减少高温合金的使用，降低成本)而保证有较高的热效率。这种串联形式不同于将多个简单的单级压缩膨胀且具有回热过程的外燃式发动机并联，并联后每个外燃式热机都各自需要一个回热器，但此处整个发动机只需要一个回热器，减少了发动机结构，减轻了重量，节省了材料。此外，从热力循环角度来讲本发明的外燃式发动机的热力循环与简单的单级压缩膨胀具有回热过程的外燃式发动机的热力循环有着本质区别。
[0017] 本发明中采用的双作用往复式压缩机和双作用往复式膨胀机具有活塞-气缸结构。所谓的双作用活塞-气缸结构是指，气缸被活塞分成上下两个气缸空间，当活塞上行和下行的时候，都有工质在上下两个气缸中，都能完成有效的工作过程。单作用活塞-气缸结构就只能在活塞完成下行和上行两个冲程才完成吸气压缩过程或者膨胀排气过程。本发明中使用双作用活塞-气缸结构不仅可以提高功率密度，还有一个重要作用就是通过将从双作用气缸两端排气管路合并再连接到换热器(冷却器，回热器以及加热器)以及燃烧器，当活塞下行和上行的时候都有气流流出，能够对换热器以及燃烧室提供一个准连续的气流，强化了换热效果，和燃烧的连续性。单作用气缸在曲轴旋转一周时，只有活塞上行或下行时有工质进入气缸或排出气缸，气流是间歇性的，有一半时间以上气流是停滞的，这对换热器换热效果以及燃烧室燃烧都有很大不利影响。因此本发明采用双作用气缸较好的解决了这个问题，强化了换热器的换热效果，使得燃烧室的气流尽可能连续，燃烧更完全，避免了单作用气缸形式的外燃发动机的弊端。双作用气缸的两端各有进气口和排气口，通过阀门控制气流的进出。阀门开关的时间可以按照传统的内燃机的凸轮结构进行控制。活塞杆的直线运动可以通过曲柄连杆结构或者斜盘结构转为旋转运动输出，方便后续利用。
[0018] 本发明中采用排气后的燃烧过程，由于从膨胀机出来的空气压力已经较低了，但是温度还是很高，将此排气通入燃烧室，和燃料混合，提高了燃烧过程的初始温度，可以使得燃料量减少，燃烧较充分，减少不完全燃烧污染物。此外还可以配合加热器个数，在高温燃气进入每个加热器前都设置一个燃烧器，即将原先的燃料分配到每个燃烧器中，与来流燃气混合燃烧，提高燃气温度，在进入加热器中加热冷流体侧的压缩空气。由于每个燃烧器的燃料量减少，使得每个燃烧器中的燃烧温度降低，减少了氮氧化物NOx的排放，并且也降低了燃烧室材料所承受的高温，可以选用更加廉价的材料，降低成本。
[0019] 本发明的外燃式发动机的功率调节可以通过在进气口增设一个空气阀根据发动机的功率需要调节空气进入量的大小。燃料阀门控制燃料进入量的大小，并配合进气量的大小，保证发动机所需的热量输入。
[0020] 本发明相比于现有技术的优点是：
[0021] 与传统内燃机相比较，有较高的热力循环效率以及功率密度；使用寿命长，由于不像内燃机高温火焰直接作用于气缸，活塞以及气阀上，这些部件寿命更长，采用外燃式燃烧避免了爆震，积炭等不利影响，运动部件只与干净的空气接触，也使得运动部件寿命增加；稳定的外部燃烧室燃烧使得燃料的可以充分燃烧，减少污染物排放，发动机噪音和振动小；
可以使用多种燃料，气体、液体、固体、生物质以及沼气等；进一步改进中间加热器的形式，可以利用太阳能、核能、地热能以及其他易于得到的热源产生机械能。
[0022] 与斯特林机为代表的外燃机相比较，避免了斯特林机中加热器、回热器、冷却器等造成的死体积的影响，使得发动机设计优化更易实现较理想效果；提高了发动机效率及功率密度，使得外燃机功率性能更加接近内燃机；发动机许多部件以及控制和现在的内燃机有很多共同点，增加了实际可行性，降低研发生产成本。
