具有顺序活塞驱动器的外燃发动机的利记博彩app
【专利摘要】用于从具有外燃发动机的热源有效地回收能量的系统和方法，本发明包括用于伽马型斯特林发动机的位移活塞和动力活塞的顺序运行驱动机构，并提供了近乎理想的活塞运行顺序。在高压级期间，该斯特林发动机补充了工作流动流体控制以及位于工作流体再加热器和发动机的其余部分之间的分隔构件。工作流体在被再加热之前在流动控制下流通经过一个或多个连续的位移气缸级/动力气缸级。控制系统将工作流体从入口端口引导至第一位移气缸，并进一步将工作流体引导至第一动力气缸，并且在膨胀之后，进行再加热或者引导至下一个位移气缸。低温工作流体最终被引导返回至逆流型再加热器。
【专利说明】
具有顺序活塞驱动器的外燃发动机
技术领域
[0001 ]本发明涉及外燃发动机。更具体地涉及改进的伽马型斯特林发动机(gamma typeStirling engine)，该伽马型斯特林发动机具有工作流体流量控制系统，并能够连接呈连续的行的多个单元，以在再次加热之前使工作流体穿过所述行流通，本发明对于动力活塞和位移活塞的工作提供了近乎理想的时间控制，从而导致低温工作流体流(stream)被输出到外部的再加热器，外部的再加热器用于有效的热源能量回收。通过使用混合阀系统和各种温度工作流体部分(f r a c t i ο η)来改善动力控制响应时间，以用于工作流体的动力输入控制和/或中间再加热，以在轴功率效率/总效率之间进行优化。
【背景技术】
[0002]现有的用于发电的CHP单元在如下的典型温度参数范围内运行:
[0003]-燃烧器之后的1250°C的烟气温度。构建材料的耐久性以及导致加热器表面结垢的灰分(ash)软化将限制温度的进一步增加。
[0004]-斯特林发动机之后的820°C的烟气温度。斯特林发动机工作流体的平均温度处于650 0C -750 °C的范围内，并且考虑到从烟气到工作流体的热通量所需的温度差，不损失发动机动力输出而对烟气进行冷却是不可能的。
[0005]-燃烧空气预加热器之后的650°C的烟气温度。
[0006]由于上述参数，现有的用于发电的技术将烟气能量从1250°C向下恢复至650°C，而其余的能量将被浪费(除非用于其他目的)。因此，将烟气和工作流体之间的温度限度最小化以及将用于烟气冷却的工作流体温度最小化对轴功率效率来说是必要的。
[0007]像通道和再加热器管道的内部容积之类的死容积(deadvolume)应当被减到最小，以避免它们对发动机轴功率输出的负面影响。然而，再加热器中所需的高热通量进而需要在再加热器管道内的较大的表面积，这与将死容积保持到最小的需求相冲突。在减小死容积方面或减小热源和工作流体之间的温度差方面的折衷是不可避免的。
[0008]伽马型斯特林发动机活塞的理想的工作顺序为:在整个膨胀周期的过程中将位移活塞保持在气缸的冷端，并且在动力活塞返回冲程开始之前将位移活塞移动到另一端并将其保持该处直到冲程结束。该伽马斯特林发动机结构将使用曲轴驱动/两个活塞的连续运动，导致了工作流体压力到机械功的转换的能力的大量损失。
[0009]斯特林发动机功率控制以缓慢著称，这是因为再加热器管道和气缸材料中的热能与功率输出相比的比例较高，并且当需要减小功率控制时，没有可用的实用方法来加速管道和气缸的冷却。
【发明内容】
[0010]本发明涉及用于外燃发动机的系统和方法，包括过程阶段和名为伽马型斯特林发动机的组件，该伽马型斯特林发动机具有附加的工作流体分流系统、新的活塞驱动机构以及改进的动力控制方法。新的工作流体分流系统将再加热器系统与发动机的其余部分隔开，同时，连接有再加热器的气缸处于过压级/负压级。
[0011 ]此外，分流系统将工作流体从第一位移气缸引导至第一动力气缸，并且在膨胀阶段之后，进一步将工作流体引导至下一个相继的位移气缸等，直到到达再加热器排出端口。在经过槽式(trough)多重增压/膨胀级时，工作流体中的热能转变成机械能(以及损失)，导致低温工作流体流流至再加热器，其中，通过使用逆流型热交换器取得了工作流体与热源之间的较小的温度差以及高热通量。
[0012]本发明提供了两种针对动力控制响应时间的改进。通过使用多端口控制阀(图6，阀D，端口 C)，低温工作流体能够引导返回至第一级入口而不被再加热，这导致中间热能供应减少或导致过热流体部分能够从再加热器取出，以在需要额外的功率时给予为发动机升压(boost)。另一选项在于，用功率控制歧管(manifold)(图7)替代歧管(图1，项300)，并在正常流动路径的中间处增加工作流体温度。
[0013]新的活塞驱动机构基于旋转异形(profiled)盘(图1，项150-152)，以及与异形边缘表面(图1，项140-142)接触的轮。盘剖面被划分为主区段和主区段之间的过渡区段。主区段的数量必须为四的倍数。主区段控制活塞的位置和移动，具体如下(图3):
[0014]区段I活塞停止于上部位置；
[0015]区段2活塞以恒速向下移动；
[0016]区段3活塞停止于下部位置；以及
[0017]区段4活塞以恒速向上移动。
[0018]过渡区段用于对具有恒定g值的活塞速度进行加速和减速。位移活塞的驱动异形盘在动力活塞的驱动异形盘旋转之前先旋转四分之一周期(cycle)。活塞和驱动机构移动部件以及g值被选择成:使得沿冲程方向移动的位移活塞以及相关的辅助设备和驱动机构部件的质量乘以位移活塞驱动器的g值等于沿冲程的方向移动的动力活塞以及驱动机构和相关的辅助设备的质量乘以动力活塞驱动器的g值的所得的值的负值(negativeproduct)。沿冲程方向移动的位移活塞以及相关的辅助设备和驱动部件质量的重心与沿冲程方向移动的动力活塞以及相关的辅助设备和驱动部件质量的重心位于同一条线上。因此，使质量移动的加速力和减速力互相补偿，并且减速质量的动能经由主轴到达加速质量。本发明提供了近乎理想的活塞运行顺序并且移动部件不会引起动态地振动。
【附图说明】
[0019]现结合附图并参照以下说明以更完整地理解本发明，在附图中:
[0020]图1公开了本发明的一个实施例，其中，与本发明相关的主要实体以侧视图示出；
[0021]图2为本发明的一个实施例的截面示图，其中，活塞驱动异形盘和轮以端视图示出；
[0022]图3为活塞驱动盘和轮的示意性示图，其中，区段的位置和范围被详细地示出，并且外端是异形的；
[0023]图4为替代性的异形表面位置，其中，盘的表面是异形的；
[0024]图5为动力活塞向上移动以及动力活塞向下移动时的工作流体流动路径的示图；
[0025]图6为本发明的具有两个高压/膨胀级的替代性实施例的示意性视图，以及通过使用多端口控制阀系统来控制功率的示意性示图；
[0026]图7为歧管(图1，项目300)的替换，以使中间工作流体能够再加热以便优化功率/效率;以及
[0027]图8为以侧视图示出的本发明的替代性构型。
【具体实施方式】
[0028]本发明的具有顺序活塞驱动器(100)的多级外燃发动机的两个实施例在图1、图8和图2中公开。可设想具有不同数量和位置的增压气缸(210、220、230、240、710和720)、动力气缸(250和720)、位移活塞驱动器(120、130、140、150和121、131、141、151)以及动力活塞驱动器(122、132、142、152和502、531)的其他的构型。每个增压气缸(210、220、230、240和710、720)包括位移活塞(分别为211、221、231、241和231、141)以及回热器(图2，位于气缸的左侧)。位移活塞被联接到具有活塞杆(110、111)的位移活塞驱动器，并而动力活塞被联接到具有活塞杆(112)的动力活塞驱动器。动力气缸包括动力活塞。图1和图8中的动力活塞为双动作(dual act1n)型。
[0029]增压气缸的工作和热力学原理与伽马型斯特林发动机的热力学相同，具有活塞中的附加通道以及气缸壁中的开口，该开口用于将工作流体流转移到气缸中部以及将工作流体流转移出气缸，并进一步转移到下一个气缸或槽式再加热器。移动到增压气缸的冷端的位移活塞驱使工作流体穿过回热器流至气缸的热端。工作流体在穿过槽式回热器时被加热，导致气缸内的压力由于半绝热过程而增加。增压的工作流体被引导穿过阀端口流至:动力气缸，在动力气缸处，绝热膨胀导致工作流体PV(压强*体积)势能部分地转换成机械功，并导致工作流体的压力和温度的减小;或者流至下一个增压气缸(其中，位移活塞位于气缸的热端)使得能够在位移活塞移动至气缸的冷端之后从该增压气缸输出增加的压力。
[0030]在位移活塞冲程的一个止点处，一组流动路径槽式活塞通道和气缸壁开口被关闭，而其他流动路径槽活塞通道和气缸壁开口被打开。在活塞冲程的另一止点处，另一组流动路径被打开而其他流动路径被关闭(图5)。在动力活塞冲程的止点附近，其活塞速度减速至完全停止，而位移活塞的移动同时加速至全速。在位移活塞冲程的止点附近，这将以逆顺序发生，其中，位移活塞将减速至完全停止，而动力活塞冲程瞬间加速至全速。
[0031]每个活塞驱动包括:径向型异形盘(150、151和152)或者替代性的轴向型异形盘(图4);与异形表面接触的轮，一个或多个轮位于上方并且一个或多个轮位于下方。轮被连接至具有轴承的活塞驱动框架(130、131、132和531)。活塞驱动框架的移动和旋转由导轨(120、121和122)限制，以仅允许沿活塞冲程方向移动。异形盘被附接至主轴(101和501)。
[0032]异形盘和轮的布置在图3中示出。主区段1、2、3和4针对以恒定速度移动或者停止于最大或最小的冲程位置处的活塞。
[0033]加速/减速区段用于同时发生的位移活塞的加速和动力活塞的减速，或者用于同时发生的位移活塞的减速和动力活塞的加速。加速/减速区段的时间控制被设置成相匹配，并且重力(g-force)方向和动力活塞驱动器、位移活塞驱动器和活塞的尺寸以及相关质量是彼此对立的(opposite)，以便相互抵消从而避免产生振动的动态力。在加速/减速区段的外部，始终是位移活塞以恒定速度移动而动力活塞不移动，或者始终是动力活塞以恒定速度移动而位移活塞不移动。
[0034]除了具有位于盘的外表面上的异形表面的异形盘之外，以上的所有对于盘中的环或凹部来说均是有效的，其中，异形表面位于环或凹部的内表面上。
[0035]活塞(211、221、131、241和711、721)的圆柱形表面上的开口以及气缸壁中的开口被作为关闭阀。工作流体流动路径和流动的方向如图5所示。附图的上部为动力活塞向下移动时的工作流体的流动，附图的下部为动力活塞向上移动时的工作流体的流动。热工作流体从再加热器进入被标记为“来自再加热器的流体”的连接器，并且冷却下来的工作流体直接从被标记为“到再加热器的流体”的连接器返回到再加热器。
[0036]图6公开了用于功率控制的混合阀系统(D)。图中的逆流型再加热器具有两个出口和一个入口。然而，可以设想具有更多的出口端口的系统。流至混合阀端口(A)的工作流体偶尔被用于发动机的快速加热。在正常运行期间，如果温度控制需要的话，那么工作流体的主流被引导至混合阀系统端口(B)并且一小部分被引导至端口(A)。为了使发动机快速地冷却，低温工作流体被引导至混合阀系统端口(C)。
[0037]图7公开了替代性的歧管来替换气缸连接部件(300)。歧管包括三通阀和两个附加连接器。在完全关闭位置，阀将来自增压气缸210的所有的工作流体流向增压气缸220。在阀的完全打开位置，所有的工作流体被引导至再加热器，而从再加热器返回的工作流体被引导至增压气缸220。在阀的部分打开位置，小部分的工作流体被引导至增压气缸220，而剩余的所有工作流体被引导至再加热器，工作流体从再加热器返回并进一步被引导至增压气缸220。被引导至再加热器的小部分工作流体被加热，导致轴功率增加而总体轴功率效率减小。当需要较高的轴功率时，将使用控制以加快功率的增加并且用于缩短时间周期。
[0038]在图1中公开的本发明的构型中，存在两组连续的工作顺序如下:
[0039]1.第一增压气缸，流体从热源流入并流出至第一动力气缸。
[0040]2.第一动力气缸，流体从第一增压气缸流入并流出至第二增压气缸。
[0041]3.第二增压气缸，流体从第一动力气缸流入并流出至热源或流至下一个增压气缸。
[0042]在动力活塞下行冲程的止点处(图5)，第二增压气缸和第三增压气缸内的工作流体团(mass)的量正比于每个热端、冷端以及死容积的容积/温度的商值。由于第二增压气缸中的大多数工作流体团处于高温，并且第三气缸中的大多数工作流体处于冷温，因此，在增压气缸活塞冲程的止点处，大多数工作流体团将位于第三增压气缸中。将工作流体团从第二增压气缸移动至第三增压气缸将减小动力活塞返回冲程需要消耗的能量，并且将补偿进入第二组连续过程阶段的工作流体的低温。
[0043]以上的所有的工作说明可将本发明作为斯特林冷却器使用，其中，气缸的冷端被用作冷却剂源并且再加热器被用作散热器。
【主权项】
1.一种基于改进的伽马型斯特林发动机(图1，图8)的发动机单元实施例，所述改进的伽马型斯特林发动机通过使用位移活塞中的通道以及增压气缸壁中的开口(图1，图8)以及按顺序运行的顺序运行活塞驱动器(图3)而具有附加的工作流体流动控制系统，所述顺序运行活塞驱动器为每个工作流体流动时机提供了的近乎理想的时间控制，其特征在于:活塞中的流动通道与气缸壁中的开口能够使工作流体流动或不流动;并且位移活塞组和动力活塞组的交替移动使得:在所述位移活塞组和所述动力活塞组中的一个以全速移动时，所述位移活塞组和所述动力活塞组中的另一个停止在活塞冲程位置的止点处。2.顺序运行活塞驱动器系统，包括:具有导轨的活塞驱动框架(图2，项130);轮(图2，项1);以及具有异形表面的旋转构件(图2，项150，或图4，或在任何物体或盘中的凹部或环的异形内表面)，所述旋转构件被附接在主轴(图1，项101，或图8，项501)上;位移活塞旋转构件在工作活塞旋转构件旋转之前按顺序旋转整圈的四分之一，其特征在于，异形表面的形状为主轴旋转角度同步化的主区段和过渡区段的组合，所述主区段与接触轮和往复运动的辅助设备一同产生单向且速度不变的移动以及交替的移动，使得在相关的活塞以全速移动时，其他活塞停止在冲程位置的止点处，所述过渡区段用于同时发生的相关活塞的速度加速以及另一活塞或其他活塞的速度减速。3.根据权利要求2所述的顺序运行活塞驱动器，其中，通过将往复部件诱发的在活塞速度改变期间出现的动态力设置成彼此对立而将动态力消除，其特征在于:所诱发的力矢量的方向相反;动态力矢量位于公共线上;并且，沿相关冲程的方向移动的活塞以及相关辅助设备和组件的质量乘以相关的加速度/减速度值所得的绝对力值是彼此相同的。4.用于权利要求1的发动机单元的快速热通量控制(图6)的方法，其特征在于，通过使用被连接至不同温度的工作流体源的多端口控制阀(图6，多端口控制阀)来提供:用于连续的全功率运行的常温工作流体(B);用于快速增加功率的过热的工作流体(A);用于快速减小功率的低温工作流体(C);以及用于部分功率运行的常温流体与低温流体(B和C)的混合物。5.发动机单元(图1)，在所述发动机单元中，两个增压气缸和一个动力气缸的组被连接以用于序列模式运行，其特征在于，用于一个组的工作流体流动路径从第一增压气缸入口端口开始，然后继续到达动力气缸并且最终到达第二增压气缸出口端口。6.发动机单元(图1)的功率控制的方法，所述方法通过将权利要求5所述的用于序列模式运行的两组气缸与中间加热歧管(图7)连接来进行，其特征在于，具有三通阀的歧管连接管将第一组气缸和第二组气缸连接并且在进入第二组气缸之前使所有或部分的工作流体流流通经过再加热器。
【文档编号】F02G1/043GK106030086SQ201480075662
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2014年12月3日
【发明人】西普·莱蒂宁
【申请人】西普·莱蒂宁