具有順序活塞驅動器的外燃發動機的制作方法
【專利摘要】用于從具有外燃發動機的熱源有效地回收能量的系統和方法，本發明包括用于伽馬型斯特林發動機的位移活塞和動力活塞的順序運行驅動機構，并提供了近乎理想的活塞運行順序。在高壓級期間，該斯特林發動機補充了工作流動流體控制以及位于工作流體再加熱器和發動機的其余部分之間的分隔構件。工作流體在被再加熱之前在流動控制下流通經過一個或多個連續的位移氣缸級/動力氣缸級。控制系統將工作流體從入口端口引導至第一位移氣缸，并進一步將工作流體引導至第一動力氣缸，并且在膨脹之后，進行再加熱或者引導至下一個位移氣缸。低溫工作流體最終被引導返回至逆流型再加熱器。
【專利說明】
具有順序活塞驅動器的外燃發動機
技術領域
[0001 ]本發明涉及外燃發動機。更具體地涉及改進的伽馬型斯特林發動機(gamma typeStirling engine)，該伽馬型斯特林發動機具有工作流體流量控制系統，并能夠連接呈連續的行的多個單元，以在再次加熱之前使工作流體穿過所述行流通，本發明對于動力活塞和位移活塞的工作提供了近乎理想的時間控制，從而導致低溫工作流體流(stream)被輸出到外部的再加熱器，外部的再加熱器用于有效的熱源能量回收。通過使用混合閥系統和各種溫度工作流體部分(f r a c t i ο η)來改善動力控制響應時間，以用于工作流體的動力輸入控制和/或中間再加熱，以在軸功率效率/總效率之間進行優化。
【背景技術】
[0002]現有的用于發電的CHP單元在如下的典型溫度參數范圍內運行:
[0003]-燃燒器之后的1250°C的煙氣溫度。構建材料的耐久性以及導致加熱器表面結垢的灰分(ash)軟化將限制溫度的進一步增加。
[0004]-斯特林發動機之后的820°C的煙氣溫度。斯特林發動機工作流體的平均溫度處于650 0C -750 °C的范圍內，并且考慮到從煙氣到工作流體的熱通量所需的溫度差，不損失發動機動力輸出而對煙氣進行冷卻是不可能的。
[0005]-燃燒空氣預加熱器之后的650°C的煙氣溫度。
[0006]由于上述參數，現有的用于發電的技術將煙氣能量從1250°C向下恢復至650°C，而其余的能量將被浪費(除非用于其他目的)。因此，將煙氣和工作流體之間的溫度限度最小化以及將用于煙氣冷卻的工作流體溫度最小化對軸功率效率來說是必要的。
[0007]像通道和再加熱器管道的內部容積之類的死容積(deadvolume)應當被減到最小，以避免它們對發動機軸功率輸出的負面影響。然而，再加熱器中所需的高熱通量進而需要在再加熱器管道內的較大的表面積，這與將死容積保持到最小的需求相沖突。在減小死容積方面或減小熱源和工作流體之間的溫度差方面的折衷是不可避免的。
[0008]伽馬型斯特林發動機活塞的理想的工作順序為:在整個膨脹周期的過程中將位移活塞保持在氣缸的冷端，并且在動力活塞返回沖程開始之前將位移活塞移動到另一端并將其保持該處直到沖程結束。該伽馬斯特林發動機結構將使用曲軸驅動/兩個活塞的連續運動，導致了工作流體壓力到機械功的轉換的能力的大量損失。
[0009]斯特林發動機功率控制以緩慢著稱，這是因為再加熱器管道和氣缸材料中的熱能與功率輸出相比的比例較高，并且當需要減小功率控制時，沒有可用的實用方法來加速管道和氣缸的冷卻。
【發明內容】
[0010]本發明涉及用于外燃發動機的系統和方法，包括過程階段和名為伽馬型斯特林發動機的組件，該伽馬型斯特林發動機具有附加的工作流體分流系統、新的活塞驅動機構以及改進的動力控制方法。新的工作流體分流系統將再加熱器系統與發動機的其余部分隔開，同時，連接有再加熱器的氣缸處于過壓級/負壓級。
[0011 ]此外，分流系統將工作流體從第一位移氣缸引導至第一動力氣缸，并且在膨脹階段之后，進一步將工作流體引導至下一個相繼的位移氣缸等，直到到達再加熱器排出端口。在經過槽式(trough)多重增壓/膨脹級時，工作流體中的熱能轉變成機械能(以及損失)，導致低溫工作流體流流至再加熱器，其中，通過使用逆流型熱交換器取得了工作流體與熱源之間的較小的溫度差以及高熱通量。
[0012]本發明提供了兩種針對動力控制響應時間的改進。通過使用多端口控制閥(圖6，閥D，端口 C)，低溫工作流體能夠引導返回至第一級入口而不被再加熱，這導致中間熱能供應減少或導致過熱流體部分能夠從再加熱器取出，以在需要額外的功率時給予為發動機升壓(boost)。另一選項在于，用功率控制歧管(manifold)(圖7)替代歧管(圖1，項300)，并在正常流動路徑的中間處增加工作流體溫度。
[0013]新的活塞驅動機構基于旋轉異形(profiled)盤(圖1，項150-152)，以及與異形邊緣表面(圖1，項140-142)接觸的輪。盤剖面被劃分為主區段和主區段之間的過渡區段。主區段的數量必須為四的倍數。主區段控制活塞的位置和移動，具體如下(圖3):
[0014]區段I活塞停止于上部位置；
[0015]區段2活塞以恒速向下移動；
[0016]區段3活塞停止于下部位置；以及
[0017]區段4活塞以恒速向上移動。
[0018]過渡區段用于對具有恒定g值的活塞速度進行加速和減速。位移活塞的驅動異形盤在動力活塞的驅動異形盤旋轉之前先旋轉四分之一周期(cycle)。活塞和驅動機構移動部件以及g值被選擇成:使得沿沖程方向移動的位移活塞以及相關的輔助設備和驅動機構部件的質量乘以位移活塞驅動器的g值等于沿沖程的方向移動的動力活塞以及驅動機構和相關的輔助設備的質量乘以動力活塞驅動器的g值的所得的值的負值(negativeproduct)。沿沖程方向移動的位移活塞以及相關的輔助設備和驅動部件質量的重心與沿沖程方向移動的動力活塞以及相關的輔助設備和驅動部件質量的重心位于同一條線上。因此，使質量移動的加速力和減速力互相補償，并且減速質量的動能經由主軸到達加速質量。本發明提供了近乎理想的活塞運行順序并且移動部件不會引起動態地振動。
【附圖說明】
[0019]現結合附圖并參照以下說明以更完整地理解本發明，在附圖中:
[0020]圖1公開了本發明的一個實施例，其中，與本發明相關的主要實體以側視圖示出；
[0021]圖2為本發明的一個實施例的截面示圖，其中，活塞驅動異形盤和輪以端視圖示出；
[0022]圖3為活塞驅動盤和輪的示意性示圖，其中，區段的位置和范圍被詳細地示出，并且外端是異形的；
[0023]圖4為替代性的異形表面位置，其中，盤的表面是異形的；
[0024]圖5為動力活塞向上移動以及動力活塞向下移動時的工作流體流動路徑的示圖；
[0025]圖6為本發明的具有兩個高壓/膨脹級的替代性實施例的示意性視圖，以及通過使用多端口控制閥系統來控制功率的示意性示圖；
[0026]圖7為歧管(圖1，項目300)的替換，以使中間工作流體能夠再加熱以便優化功率/效率;以及
[0027]圖8為以側視圖示出的本發明的替代性構型。
【具體實施方式】
[0028]本發明的具有順序活塞驅動器(100)的多級外燃發動機的兩個實施例在圖1、圖8和圖2中公開。可設想具有不同數量和位置的增壓氣缸(210、220、230、240、710和720)、動力氣缸(250和720)、位移活塞驅動器(120、130、140、150和121、131、141、151)以及動力活塞驅動器(122、132、142、152和502、531)的其他的構型。每個增壓氣缸(210、220、230、240和710、720)包括位移活塞(分別為211、221、231、241和231、141)以及回熱器(圖2，位于氣缸的左側)。位移活塞被聯接到具有活塞桿(110、111)的位移活塞驅動器，并而動力活塞被聯接到具有活塞桿(112)的動力活塞驅動器。動力氣缸包括動力活塞。圖1和圖8中的動力活塞為雙動作(dual act1n)型。
[0029]增壓氣缸的工作和熱力學原理與伽馬型斯特林發動機的熱力學相同，具有活塞中的附加通道以及氣缸壁中的開口，該開口用于將工作流體流轉移到氣缸中部以及將工作流體流轉移出氣缸，并進一步轉移到下一個氣缸或槽式再加熱器。移動到增壓氣缸的冷端的位移活塞驅使工作流體穿過回熱器流至氣缸的熱端。工作流體在穿過槽式回熱器時被加熱，導致氣缸內的壓力由于半絕熱過程而增加。增壓的工作流體被引導穿過閥端口流至:動力氣缸，在動力氣缸處，絕熱膨脹導致工作流體PV(壓強*體積)勢能部分地轉換成機械功，并導致工作流體的壓力和溫度的減小;或者流至下一個增壓氣缸(其中，位移活塞位于氣缸的熱端)使得能夠在位移活塞移動至氣缸的冷端之后從該增壓氣缸輸出增加的壓力。
[0030]在位移活塞沖程的一個止點處，一組流動路徑槽式活塞通道和氣缸壁開口被關閉，而其他流動路徑槽活塞通道和氣缸壁開口被打開。在活塞沖程的另一止點處，另一組流動路徑被打開而其他流動路徑被關閉(圖5)。在動力活塞沖程的止點附近，其活塞速度減速至完全停止，而位移活塞的移動同時加速至全速。在位移活塞沖程的止點附近，這將以逆順序發生，其中，位移活塞將減速至完全停止，而動力活塞沖程瞬間加速至全速。
[0031]每個活塞驅動包括:徑向型異形盤(150、151和152)或者替代性的軸向型異形盤(圖4);與異形表面接觸的輪，一個或多個輪位于上方并且一個或多個輪位于下方。輪被連接至具有軸承的活塞驅動框架(130、131、132和531)。活塞驅動框架的移動和旋轉由導軌(120、121和122)限制，以僅允許沿活塞沖程方向移動。異形盤被附接至主軸(101和501)。
[0032]異形盤和輪的布置在圖3中示出。主區段1、2、3和4針對以恒定速度移動或者停止于最大或最小的沖程位置處的活塞。
[0033]加速/減速區段用于同時發生的位移活塞的加速和動力活塞的減速，或者用于同時發生的位移活塞的減速和動力活塞的加速。加速/減速區段的時間控制被設置成相匹配，并且重力(g-force)方向和動力活塞驅動器、位移活塞驅動器和活塞的尺寸以及相關質量是彼此對立的(opposite)，以便相互抵消從而避免產生振動的動態力。在加速/減速區段的外部，始終是位移活塞以恒定速度移動而動力活塞不移動，或者始終是動力活塞以恒定速度移動而位移活塞不移動。
[0034]除了具有位于盤的外表面上的異形表面的異形盤之外，以上的所有對于盤中的環或凹部來說均是有效的，其中，異形表面位于環或凹部的內表面上。
[0035]活塞(211、221、131、241和711、721)的圓柱形表面上的開口以及氣缸壁中的開口被作為關閉閥。工作流體流動路徑和流動的方向如圖5所示。附圖的上部為動力活塞向下移動時的工作流體的流動，附圖的下部為動力活塞向上移動時的工作流體的流動。熱工作流體從再加熱器進入被標記為“來自再加熱器的流體”的連接器，并且冷卻下來的工作流體直接從被標記為“到再加熱器的流體”的連接器返回到再加熱器。
[0036]圖6公開了用于功率控制的混合閥系統(D)。圖中的逆流型再加熱器具有兩個出口和一個入口。然而，可以設想具有更多的出口端口的系統。流至混合閥端口(A)的工作流體偶爾被用于發動機的快速加熱。在正常運行期間，如果溫度控制需要的話，那么工作流體的主流被引導至混合閥系統端口(B)并且一小部分被引導至端口(A)。為了使發動機快速地冷卻，低溫工作流體被引導至混合閥系統端口(C)。
[0037]圖7公開了替代性的歧管來替換氣缸連接部件(300)。歧管包括三通閥和兩個附加連接器。在完全關閉位置，閥將來自增壓氣缸210的所有的工作流體流向增壓氣缸220。在閥的完全打開位置，所有的工作流體被引導至再加熱器，而從再加熱器返回的工作流體被引導至增壓氣缸220。在閥的部分打開位置，小部分的工作流體被引導至增壓氣缸220，而剩余的所有工作流體被引導至再加熱器，工作流體從再加熱器返回并進一步被引導至增壓氣缸220。被引導至再加熱器的小部分工作流體被加熱，導致軸功率增加而總體軸功率效率減小。當需要較高的軸功率時，將使用控制以加快功率的增加并且用于縮短時間周期。
[0038]在圖1中公開的本發明的構型中，存在兩組連續的工作順序如下:
[0039]1.第一增壓氣缸，流體從熱源流入并流出至第一動力氣缸。
[0040]2.第一動力氣缸，流體從第一增壓氣缸流入并流出至第二增壓氣缸。
[0041]3.第二增壓氣缸，流體從第一動力氣缸流入并流出至熱源或流至下一個增壓氣缸。
[0042]在動力活塞下行沖程的止點處(圖5)，第二增壓氣缸和第三增壓氣缸內的工作流體團(mass)的量正比于每個熱端、冷端以及死容積的容積/溫度的商值。由于第二增壓氣缸中的大多數工作流體團處于高溫，并且第三氣缸中的大多數工作流體處于冷溫，因此，在增壓氣缸活塞沖程的止點處，大多數工作流體團將位于第三增壓氣缸中。將工作流體團從第二增壓氣缸移動至第三增壓氣缸將減小動力活塞返回沖程需要消耗的能量，并且將補償進入第二組連續過程階段的工作流體的低溫。
[0043]以上的所有的工作說明可將本發明作為斯特林冷卻器使用，其中，氣缸的冷端被用作冷卻劑源并且再加熱器被用作散熱器。
【主權項】
1.一種基于改進的伽馬型斯特林發動機(圖1，圖8)的發動機單元實施例，所述改進的伽馬型斯特林發動機通過使用位移活塞中的通道以及增壓氣缸壁中的開口(圖1，圖8)以及按順序運行的順序運行活塞驅動器(圖3)而具有附加的工作流體流動控制系統，所述順序運行活塞驅動器為每個工作流體流動時機提供了的近乎理想的時間控制，其特征在于:活塞中的流動通道與氣缸壁中的開口能夠使工作流體流動或不流動;并且位移活塞組和動力活塞組的交替移動使得:在所述位移活塞組和所述動力活塞組中的一個以全速移動時，所述位移活塞組和所述動力活塞組中的另一個停止在活塞沖程位置的止點處。2.順序運行活塞驅動器系統，包括:具有導軌的活塞驅動框架(圖2，項130);輪(圖2，項1);以及具有異形表面的旋轉構件(圖2，項150，或圖4，或在任何物體或盤中的凹部或環的異形內表面)，所述旋轉構件被附接在主軸(圖1，項101，或圖8，項501)上;位移活塞旋轉構件在工作活塞旋轉構件旋轉之前按順序旋轉整圈的四分之一，其特征在于，異形表面的形狀為主軸旋轉角度同步化的主區段和過渡區段的組合，所述主區段與接觸輪和往復運動的輔助設備一同產生單向且速度不變的移動以及交替的移動，使得在相關的活塞以全速移動時，其他活塞停止在沖程位置的止點處，所述過渡區段用于同時發生的相關活塞的速度加速以及另一活塞或其他活塞的速度減速。3.根據權利要求2所述的順序運行活塞驅動器，其中，通過將往復部件誘發的在活塞速度改變期間出現的動態力設置成彼此對立而將動態力消除，其特征在于:所誘發的力矢量的方向相反;動態力矢量位于公共線上;并且，沿相關沖程的方向移動的活塞以及相關輔助設備和組件的質量乘以相關的加速度/減速度值所得的絕對力值是彼此相同的。4.用于權利要求1的發動機單元的快速熱通量控制(圖6)的方法，其特征在于，通過使用被連接至不同溫度的工作流體源的多端口控制閥(圖6，多端口控制閥)來提供:用于連續的全功率運行的常溫工作流體(B);用于快速增加功率的過熱的工作流體(A);用于快速減小功率的低溫工作流體(C);以及用于部分功率運行的常溫流體與低溫流體(B和C)的混合物。5.發動機單元(圖1)，在所述發動機單元中，兩個增壓氣缸和一個動力氣缸的組被連接以用于序列模式運行，其特征在于，用于一個組的工作流體流動路徑從第一增壓氣缸入口端口開始，然后繼續到達動力氣缸并且最終到達第二增壓氣缸出口端口。6.發動機單元(圖1)的功率控制的方法，所述方法通過將權利要求5所述的用于序列模式運行的兩組氣缸與中間加熱歧管(圖7)連接來進行，其特征在于，具有三通閥的歧管連接管將第一組氣缸和第二組氣缸連接并且在進入第二組氣缸之前使所有或部分的工作流體流流通經過再加熱器。
【文檔編號】F02G1/043GK106030086SQ201480075662
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年12月3日
【發明人】西普·萊蒂寧
【申請人】西普·萊蒂寧