一种吸收碳排放的发动机及其系统

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种吸收碳排放的发动机及其系统。

背景技术

能源是人类文明发展的动力，能源中化石能的消费占比70%以上，据科技日报2021年6月24日引用《华盛顿邮报》消息，2005年至2019年间，地球热量失衡，“困住”的热量大约增加了一倍，导致海洋、空气和陆地更加迅速地变暖。严重地威胁着人类赖以生存的环境。碳排放是关于温室气体排放的一个总称或简称，火力发电厂是碳排放的大户，热电厂排出的废热量非常巨大，钢铁、化工等工业的热排放也是巨大的。大约锅炉或反应堆产生热量的40%以上要通过冷却塔排放至大气，在建的火力发电厂仍然使用对大气散热的凉水塔。温室效应存在于大气、土壤、河流、海洋，获取热能是用之不竭的。

发明内容

本发明的发明目的在于：改善人类赖以生存的地球热量失衡的问题，发明一种吸收碳排放的发动机及其系统，第一，用来吸收热电厂或者工业产生的巨大乏热转化为机械能，更进一步的，吸收大气或者海洋或者土壤中的热能转化成机械能；第二，降低温室效应，阻止人类生存环境恶化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种吸收碳排放的发动机及其系统，所述发动机包括曲柄连杆机构、配气机构、润滑系、冷却系、启动系；曲柄连杆机构包括气缸体、曲轴箱、缸盖、活塞、连杆、由轴、飞轮；所述配气机构包括进气门、排气门、凸轮轴、正时轮、正时带；所述润滑系包括机油、机油泵、机油滤清器、润滑油道；所述冷却系包括水泵、散热器、风扇、水套；所述启动系包括启动电机、电瓶、充电用发电机。

所述发动机的气缸是成对设置的，其中一个称为压气气缸，另一个称为做功气缸；与所述压气气缸连接的有压气活塞、压气连杆、压气曲轴，所述压气活塞上有活塞环，所述压气气缸上方的缸盖上有压气进气门、压气排气门，所述压气进气门的气道前方有空气滤清器、进气口。与所述做功气缸连接的有做功活塞、做功连杆、做功曲轴，所述做功活塞上有活塞环；所述做功气缸分为上气缸和下气缸两部分，两部分的交界圆环间呈凸凹结构的摞在一起的，交界圆环间有绝热垫片；所述下气缸的外围有贮存循环水的空间，所述循环水的外围是内机体；所述下气缸外表面有散热片，所述散热片的周围有循环水；所述上气缸和下气缸的外围交界的地方是绝热的隔水的密闭的刚体片。

所述做功气缸上方的缸盖上有做功进气门，在所述压气进气门向外有一气体管道，在所述做功进气门向外有一气体管道，所述压气进气门外的气体管道与所述做功进气门外的气体管道之间连接有一个高压储气罐，所述高压储气罐有另一气体管道联通至做功进气门，所述压气气缸、缸盖、气体管道、高压储气罐、另一气体管道、做功气缸的上气缸的外围都包裹或者涂覆有保温材料；所述压气气缸的压缩空气输送到所述高压储气罐，所述高压储气罐的进气口有阀门，阀门受一个弹簧压力，使得进气有一个阈值，进气口气体压力低于该阈值时不能进入，并且进气口的气体不回流。

所述下气缸的圆周上有若干排气口，若干所述排气口的中心分布在同一个径向平面内，所述排气口的位置是：当所述做功活塞移动至下止点时露出所述排气口的全部。若干所述排气口沿气缸径向外表面连接有排气支管，所述排气支管末端与集气管接到一起，所述集气管再向外连接至主排气管；若干所述排气口向外有排气支管像辐条似的沿所述做功气缸径向穿过循环水向外延伸，向外延伸热管可以加散热翅片，排气支管的形状可以为管状或者喇叭状，所述成对的压气气缸与做功气缸的对数有1——25对，所述排气口有1——5个。

所述做功活塞下方与所述排气口接触的位置有堵塞块，使得所述做功活塞移动至上止点时不露出所述排气口，所述堵塞块与所述做功活塞接触表面是紧贴着的圆弧，所述圆弧上有适应其圆弧形状的活塞环。

所述成对的压气气缸与做功气缸的排列形式是直列式、V型、W型、对置型，所述直列式、V型、W型式的排列压气气缸与做功气缸的曲轴是同一个曲轴，所述曲轴的外侧有曲轴正时轮，所述曲轴正时轮跨过正时带连接到缸盖正时轮，所述缸盖正时轮中间连接有凸轮轴，所述凸轮轴通过若干凸轮轴支架进行轴固定，在所述凸轮轴上有压气气缸的进气凸轮、压气气缸的出气凸轮、做功气缸的进气凸轮，分别控制着所辖的压气进气门、压气排气门、做功进气门；所述V型排列式有两个缸盖、两个缸盖正时轮、两个凸轮轴；所述W型排列式有三个缸盖、三个缸盖正时轮、三个凸轮轴，凸轮轴上的凸轮控制所辖的压气进气门、压气排气门、做功进气门的开合；所述压气气缸与做功气缸的对置型排列为只有一个缸盖，将两个气缸分列缸盖的两边，两个曲轴分列缸盖的两边，两个曲轴的同侧有链轮、链条将两个曲轴的转动同步，活塞从两个方向同时撞击缸盖，缸盖内部有进气、排气管路，所述压气进气门、压气排气门、做功进气门斜着分布在所述缸盖圆周外侧、气门通过摇臂、推杆、挺柱连接到凸轮。所述压气曲轴与做功曲轴的移动初相角相同，即所述压气曲轴与做功曲轴同时到达上止点，同时到达下止点。所述做功曲轴与做功连杆长度之和比压气曲轴与压气连杆长度之和短，由此引起的结果是：当所述压气活塞到达上止点时，所述压气活塞与压气气缸包围的体积为零，气体全部充到了高压储气罐，所述做功活塞与做功气缸包围的体积不为零，接受高压储气罐的气体。

在所述压气排气门与做功进气门的气体管道之间串接了一个高压绝热的高压储气罐，所述高压储气罐的进气口有阀门，阀门受一个弹簧压力，使得进气有一个阈值，当进气口气体压力低于该阈值时不能进入，并且进气口的气体不回流。所述凸轮配气机构的启闭顺序是：当所述压气活塞与做功活塞从下止点往上移动至接近上止点时，所述压气进气门关闭、压气排气门开启，所述做功进气门关闭，此过程压气气缸压气、做功气缸压气，当压气气缸的压力高于所述高压储气罐的进气口阀门阈值时就向所述高压储气罐充气，当做功活塞接近上止点时做功进气门开启接着充气，当所述压气活塞与做功活塞处于上止点时位置时，所述压气进气门关闭、压气排气门开启，所述做功进气门开启着继续充气，当所述压气活塞与做功活塞从上止点移动使做功曲轴产生15°转角内的某一时刻，做功气缸充气到额定值了，做功进气门关闭，直到移动到下止点结束，此过程是压气气缸吸气、做功气缸做功；

所述压气气缸或者做功气缸的长度是通常典型发动机的气缸长度的1——5倍。加长了的所述压气气缸、做功气缸对应的所述连杆、曲轴半径相应加长，所述连杆还可以由两节构成，称为第一节连杆和第二节连杆，与缸盖相对的气缸的另一端安装有支架，所述支架的中心为气缸的圆心，所述支架的末端固定在所述内机体上，在所述支架的中心布置有导轨轴承，所述第二节连杆中间段的大小形状为圆形的长轴正好穿过所述导轨轴承，所述第二节连杆的一端与气缸内的活塞轴固定，另一端通过滚轴与第一节连杆的一端连接，所述第一节连杆的另一端轴接到曲轴上。本发明还包括热泵机组、发电机，所述发动机进气口有所述热泵机组的热端（冷凝器）盘管，所述吸收碳排放的发动机的动力驱动一个发电机，所述发电机发出的部分电力供给所述热泵机组，所述热泵机组的冷端（蒸发器）盘管放置在环境温度较高的位置，所述发动机的排气口放置在环境温度较低的位置。

本发明的工作原理为：设置了两个气缸同步同初位相工作，其中一个称为压缩气缸，另一个称为做功气缸。压缩气缸完成四冲程的吸、压冲程，从热源将温度较低的气体压缩成温度高的气体，这种压缩是能实现的，例如：柴油机压缩后的温度至少达到了600—700℃。做功气缸设计有两个排气口，完成四冲程的爆、排冲程，做功气门的的排气口仅排出气缸剩余的少量气体，主排气口在活塞运行到下止点刚露出。将压缩气缸周围、气体管道、高压储气罐、上气缸都做好保温，将主排气口附近有较强的降温措施，例如有意的加长了做功气缸的长度，采取将做功气缸分成两段、上气缸保温、下气缸循环水降温、多排气口、排气支管加热管、热管加散热翅片、排气支管呈喇叭状等手段，使得排气口温度比原四冲程内燃机温度非常大的降低，例如使得主排气口附近的温度不超过200℃，增大了上止点高温区Th与下止点低温区Tc的温差，根据热机效率公式：η=1-Tc/Th=1-（200+273）/（600+273）=0.54，热机效率较高。在高水位与低水位两端加一个输水管道，输水管道内的水就有了动能，在输水管道内加一个驱动装置就能够输出动能；同理，在高温区与低温区两端加一个输气管道，输气管道内的气体就有了动能，在输气管道内加一个驱动装置就能够输出动能。将本发明的进气口放置在高温环境中，将本发明的排气口放置在低温环境中，使得本发明就产生了动能。如果进气口热源不是空气，是液体、固体，可以添加换热器交换出热空气来，换热器的出口接到本发明的进气口加以应用，本发明靠电瓶启动。热力学第二定律指出：“没有某种动力的消耗或其他变化，可能使热从低温转移到高温。”本发明将热量从高温转移到低温，获得了动力，不违背该规律。地球上存在高温和低温的现象无处不在，除了火力发电厂、造纸厂、化工厂的高温外，太阳下的阳面与阴面、地面的表面与地内层、海水的表面与深处都会有。从理论上讲，只要把本发明的摩擦力做的很小，本发明可以在任何地方一直运转。考虑到实际应用，本发明的输出的功W=(吸收的热量Q1-放出的热量Q2) ×热机效率η-机械损失，只要将本发明制造的足够大，就能输出满意的功率。

进一步的，在所述发动机的进气口加入一个热泵机组的热端（冷凝器）盘管，所述热泵机组的冷端（蒸发器）盘管放在环境中。由于热泵的COP为3——6，假设按4估算，则：输入1kwh的电能就产生4kwh的热能。根据热机效率公式得出的本发明的机械效率为0.54，按0.5计，可以产生Qη=4kwh×0.5 =2kwh的动力，将该动力带动发电机，就可以产生大约2kwh的电力。所以，热泵机组输入1kwh的电能产生4kwh的能量、本发明η=0.5发动机能够产生2kwh的电力——输入1kw的电能就能产生2kwh的电力——拿出1kw的电力回馈到热泵发动机的压缩机，剩余的1kwh就没有耗费外界能量，是吸收了环境温度的能量，就输出了动力——吸收大气中的储热了，使得环境温度降低了。

本发明的有益效果是，本发明的效果是神奇的：只要造好吸收碳排放的发动机与热泵机组、发电机结合的发动机系统，就能输出动力了，耗材不花钱，仅吸收周围热量，即节能减排，又获得能量——这样的设备是前所未有的，应该大力提倡的。由于热泵机组的存在，只要环境不是一个小的热力学孤立系统，只要环境温度变化不大，就能够提取环境热量使其转化为机械能，吸收大气环境中存在温差的热排放能量，将热量转化为机械能为人类服务，获得的机械能是免费的。

附图说明

图1为本发明活塞处于上止点的结构示意图。

图2为本发明活塞处于下止点的结构示意图。

图3为本发明的做功气缸分为上气缸和下气缸两部分的结合部结构示意图。

图4为本发明的气缸为对置排列时的结构示意图。

图5为本发明的两对长气缸直列式排列时的结构原理示意图。

图6为本发明的加长的气缸应用两节连杆的结构原理示意图。

图7为本发明有堵塞块的做功活塞的部分结构原理示意图。

图8为本发明的下气缸加入扩充排气口的结构原理示意图。

图9为本发明的系统结构原理示意图。

图中：1.机体，2.缸盖，3.压气曲轴，4.压气连杆，5.压气活塞，6.活塞环，7.飞轮，8.正时带，9.曲轴正时轮，10.缸盖正时轮，11.压气气缸，12.内机体，13.上气缸，14.保温材料，15.下气缸，16.散热片，17.热管，18.主排气管，19.堵塞块，20.做功曲轴，21.做功连杆，22.做功活塞，23.凸轮轴，24.凸轮轴支架，25.压气气缸的进气凸轮，26.压气气缸的出气凸轮，27.做功气缸的进气凸轮，28.高压储气罐，29.曲轴轴承，30.机油，31.循环水，32.做功进气门摇臂，33.压气进气门，34.压气排气门，35.做功进气门，36.阀门，37.小活塞环，38.集气管，39.弹簧，40.压气进气门摇臂，41. 压气出气门摇臂，42.散热翅片，43.压气第二连杆，44.做功第二连杆，45.排气口，46.压气支架，47.做功支架，48. 压气滚轴，49.做功滚轴， 50.通气孔，51. 出气口，52. 发电机，53. 压缩机，54. 膨胀阀，55.发动机，56.进气口,57.热端（冷凝器）盘管，58.冷端（蒸发器）盘管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。本实施例提供一种吸收碳排放的发动机及其系统，图1为本发明活塞处于上止点的结构示意图，此时做功活塞22上的堵塞块19将下气缸上的排气口45堵塞了；也就是，只有当做功活塞22处于下止点时才暴露出排气口45，图2为做功活塞22处于下止点的结构示意图，此时排气口45是暴露的。图1、2中机体1有两个平行直列式气缸——压气气缸11和做功气缸，曲轴箱内有机油30，飞轮7的惯性保持曲轴运行的连贯性，压气气缸11连接的有压气活塞5、压气连杆4、压气曲轴3，压气活塞5上有活塞环6，压气气缸11上方有缸盖2，缸盖2上有压气气缸的进气凸轮25、压气气缸的出气凸轮26、做功气缸的进气凸轮27、做功气缸的出气凸轮28，上述凸轮分别控制着各自的压气进气门33、压气排气门34、做功进气门35的动作，机体1通过曲轴轴承29轴固定着压气曲轴3与做功曲轴20。

与所述做功气缸连接有做功活塞22、做功连杆21、做功曲轴20，做功活塞22上有活塞环，所述做功气缸可以是一体的，与普通气缸相似。图1、2中的做功气缸分为上气缸13和下气缸15两部分，外围是贮存循环水31的空间，循环水31的外围是内机体12；上气缸13和下气缸15交界圆环间呈凸凹结构的摞在一起的，见图3所示，图3的上气缸13的标注直线指的是上气缸13凸圆位置，下气缸15的标注直线指的是下气缸15凹圆位置，在凸圆凹与圆的交界圆环间有绝热垫片，交界圆环的径向外侧有支撑内机体12镶嵌，交界圆环位置有形状与其适应的绝热垫，这样保持上气缸13和下气缸15的温度差大，进而使热机高温端温度Th与热机低温端温度Tc增大，提高热机效率。

图1、2中的上气缸13外围是保温材料14，其目的是为了使高温压缩气体热量不通过内机体12向外传递，全部应用在做功上。保温材料14的外围是空气，空气的外围是内机体12。所述做功气缸的下气缸15的外围是贮存循环水31的空间，所述循环水31的外围是内机体12；下气缸15外表面是散热片16，散热片16周围有循环水31；上气缸13和下气缸15的外围交界的地方是绝热的隔水的密闭的刚体片。上气缸13的缸盖2上有做功进气门35。压气排气门34向外有一气体管道，所述气体管道连接到高压储气罐28，高压储气罐28的进气口有阀门36，阀门36受一个弹簧39压力，使得进气有一个阈值，当进气口气体压力低于该阈值时不能进入，并且进气口的气体不回流。高压储气罐28有另一气体管道联通至做功进气门35，下气缸15的圆周上有若干排气口45，图1、2中分布着左右两个，由于空间标线不方便，仅标注了左面的一个口。排气口45的中心分布在同一个径向平面内，排气口45的位置是：当做功活塞22移动至下止点时露出所述排气口45的全部；所述排气口45外侧的排气支管像辐条似的沿下气缸15径向穿过循环水31向外延伸，最末的管道延伸至水平圆周的集气管38接到一起，图1、2中的集气管38有左右两个截面。集气管38向外连接到有主排气管18。若干所述排气支管内有盘旋的热管17，热管17的另一端密封穿过所述排气支管后浸入所述排气支管外围的循环水31里。

图1、2中的压气曲轴3与做功曲轴20的移动初相角相同，做功曲轴20比压气曲轴3长度长，大出的具体尺寸是：当压气活塞5到达上止点时，压气活塞5与压气气缸11包围的体积为零，所述凸轮配气机构的启闭顺序是：当压气活塞5与做功活塞22从下止点往上移动至接近上止点时，压气进气门33关闭、压气排气门34开启，做功进气门35关闭，此过程压气气缸11压气，当压气气缸11的压力高于高压储气罐28的进气口阀门36阈值时就向所述高压储气罐28充气，当做功活塞22接近上止点时，做功进气门35开启充高压储气罐28的气，当压气活塞5与做功活塞22处于上止点时位置时，压气进气门33关闭、压气排气门34开启，做功进气门35开启着继续充气，当压气活塞5与做功活塞22从上止点移动使做功曲轴产生15°转角内的某一时刻，做功气缸充气到额定值了，做功进气门35关闭，直到移动到下止点结束，此过程是压气气缸11吸气、做功气缸做功。

图1、2中的压气气缸11与做功气缸仅有1对，沿着两缸的排列方向可以继续添加成对的缸，随之曲轴等附件同等增加。图1、图2的压气气缸11与做功气缸排列是直列式，V型排列是将多个气缸分成两个角度，W型排列是将多个气缸分成三个角度，结构与直列式相似。直列式、V型、W型式的排列压气气缸11与做功气缸的曲轴是同一个曲轴，如图1中，压气曲轴3与做功曲轴20是同轴的。所述V型排列式有两个缸盖2、两个缸盖正时轮、两个凸轮轴23；所述W型排列式有三个缸盖2、三个缸盖正时轮、三个凸轮轴23，凸轮轴23上的凸轮控制所辖的压气进气门33、压气排气门34、做功进气门35的开合。在压气曲轴3的外侧有曲轴正时轮9，曲轴正时轮9跨过正时带8连接到缸盖正时轮10，缸盖正时轮10中间连接有凸轮轴23，凸轮轴23通过若干凸轮轴支架24进行轴固定，在凸轮轴23上有压气气缸11的进气凸轮25、压气气缸11的出气凸轮26、做功气缸的进气凸轮27，分别控制着所辖的压气进气门33、压气排气门34、做功进气门35的开合。在压气进气门33的气道前方有空气滤清器、进气口，与普通内燃机设计类似，图中没有标出。

图4是对置排列气缸的结构示意图，零部件的命名与图1、2相同，只有一个缸盖2，将压气气缸11和做功气缸分成两边，压气曲轴3和做功曲轴20分列缸盖2的两边，两个曲轴的同侧有链轮43、链条44将压气曲轴3和做功曲轴20的转动同步，压气活塞5与做功活塞22从两个方向同时撞击缸盖2，缸盖2内部有进气、排气管路，压气进气门33、压气排气门34、做功进气门35斜着分布在所述缸盖2圆周外侧，有压气进气门摇臂40、压气出气门摇臂41、做功进气门摇臂32，各摇臂的一端（或者通过推杆）接到各自的凸轮，另一端接到各自的气门。图4中的凸轮轴23、凸轮轴支架24及其控制的所有凸轮、气门、摇臂等整个配气机构的位置并不是处于气缸的剖面中心，而是在垂直于图4纸面向外的气缸圆周外的缸盖2的侧表面上。考虑到在本发明仅有一对气缸时，当活塞压缩气体时，活塞与气缸包围的体积减少，气缸内气体被压缩；同时，活塞外气体膨胀，气压降低；当活塞与气缸包围的体积最大时，活塞外气体又被压缩。活塞外气压的变化对活塞有阻碍作用，为了减少这种作用，可以在每一个气缸下方对外界大气设计一个通气孔50，通气孔50的大小以实验得出。两对或者以上的气缸直由于活塞有相位差，各活塞其对内形成的气压互相抵消了。图4的压气气缸11的气体压缩后直接通过缸盖2上的气体通道直接到达做功气缸了。

图5为本发明的两对长气缸直列式排列时的结构原理示意图。为了稳定，在左右两侧分布着一对压气气缸11与上气缸13和下气缸15，两气缸距离较远，更适用于加一个高压储气罐28，高压储气罐28内的气体是高压气体，大约是进气压强的1/10倍左右（压缩比的倒数），所以不到一个气缸容积就够用，就能够储存几个做功气缸额定压缩比下的体积。而且，添加高压储气罐28后，压气排气门34与做功进气门35独立工作，互不影响。

图6为本发明的加长的气缸应用两节连杆的结构原理示意图。第二压气连杆43的一端轴固定在压气活塞5上，另一端从压气气缸11的末端的压气缸支架46的导轨轴承中伸出，与压气第一连杆（即为图1、2、4、5、6中的压气连杆4）通过压气滚轴48连接，压气连杆4的另一端连接到曲轴上。第二做功连杆44的一端轴固定在做功活塞22上，另一端从下气缸15的末端的做功支架47的导轨轴承中伸出，与做功第一连杆（即为图1、2、4、5、6中的做功连杆21）通过做功滚轴49连接，做功连杆21的另一端连接到曲轴上。

图7为本发明有堵塞块的做功活塞的部分结构原理示意图。做功活塞22下方与所述排气口接触的位置有堵塞块19，使得做功活塞22移动至上止点时不露出所述排气口，堵塞块19的与做功活塞22接触部分是圆弧，在所述圆弧上有适应其大小的小活塞环37，其目的是避免机油30进入所述排气口。压气气缸11、缸盖2、高压储气罐28、气体管道、压气活塞5的上圆表面、做功活塞22的上圆表面也包裹或者涂覆有保温材料14。

图8为本发明的下气缸加入扩充排气口的结构原理示意图。下气缸15有两个排气口45，排气口45外侧的排气支管有两个，呈喇叭状，像辐条似的沿下气缸15径向穿过循环水向外延伸，最末的管道延伸至水平圆周的集气管38接到一起，图1、2中的集气管38有左右两个截面。集气管38向外连接到有主排气管18，集气管38呈方环状。喇叭状排气支管内有直的热管17，热管17的另一端密封穿过所述排气支管后浸入所述排气支管外围的循环水里。为了进一步增强散热效果，在热管17上加有散热翅片42。

图9为本发明系统的结构原理示意图。在发动机55的进气口56内加入了一个热泵机组的热端（冷凝器）盘管57，热泵机组的冷端（蒸发器）盘管58放在温度较高的环境中，发动机55的出气口51仍然放在温度较低的环境中，发动机55输出的动力驱动一个发电机52，发电机52发出的电力供给热泵机组的压缩机53使用，热泵机组还包括有膨胀阀54、工质、管路和其它附件。

以上所述仅为本发明的较佳的实施例，所述实施例并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。