蓄能式外燃熱力機制造方法
【專利摘要】一種將熱能儲蓄轉換做功的外燃閉循環活塞式原動機的制造方法，涉及熱能轉換【技術領域】。解決了內燃機能源單一、污染嚴重，斯特林熱機造價高效率低和蓄能器能量釋放慢的問題。由儲存了可壓縮工作介質的氣缸1，隔板2，活塞3，活塞鎖止裝置6，動力輸出裝置4、5組成。活塞在活塞鎖止裝置作用下按照預先設定的條件在鎖止蓄能和自由運動兩種模式間快速切換使低溫熱源能量蓄積，在蓄積能量達到需要的輸出功率時集中釋放，低品位熱源得到利用。主要用于外燃式熱力發動機制造。
【專利說明】蓄能式外燃熱力機制造方法
【技術領域】
[0001]蓄能式外燃熱力機制造方法是一種原動機制造技術，涉及熱能轉換【技術領域】。關系到多種能源節約利用和環保問題。特別適用于要求低噪音的特殊軍事工業中(如潛艇)。
【背景技術】
[0002]原動機的制造水平是生產力水平的標志。內燃機是應用最廣泛的原動機，其缺點是:由配氣機構、供油系統、潤滑系統、冷卻系統、起動裝置組成，構造復雜、精度高、造價高、操作維護技能要求高。高熱值液相燃料在氣缸內不完全燃燒，產生有害氣體，污染嚴重。對燃料要求極為單一，只能使用液相石油制品，其他類低熱值固態燃料、低品位余熱以及太陽能，化學能和核能等特種能源均不可利用，造成能源緊缺。而且出力和效率受海拔高度影響。燃料在氣缸中的燃燒爆炸和廢氣排氣波，配氣機構的機械撞擊，形成很大的振動和噪音，在特殊軍事工業中(如潛艇)無法應用。外燃機是可以利用多種燃料和其他熱能的原動機，主要有開式循環的蒸汽發動機和閉式循環的斯特林熱機。蒸汽發動機因結構笨重、熱效率低已無法滿足現有生產需求。斯特林熱機的缺點是:工作需要高溫(700°C )高壓氣體，工質密封困難，活塞無法潤滑。這使斯特林熱機的膨脹室、壓縮室、加熱器、冷卻室、再生器等部件制造成本高。其工作循環分為定溫壓縮、定容回熱、定溫膨脹、定容儲熱四個過程，但四個過程并無明顯界限，熱量損失是內燃發動機的2-3倍，效率較低。斯特林熱機的比容積和比質量很大。輸出功率基本恒定也是斯特林發動機的弊端。
[0003]蓄能器是機械系統中的一種能量儲蓄裝置。它在適當的時機將系統中的能量轉變為壓縮能或位能儲存起來，當系統需要時將壓縮能或位能釋放出來，重新補供給系統，主要分為彈簧類和壓縮氣體類。彈簧類蓄能器把系統中的過剩壓力能轉化為彈簧勢能存儲起來，需要時釋放出去。壓縮氣體類蓄能器通過壓縮氣體把壓力能轉化為氣體內能，壓縮氣體類蓄能器使用時首先充入預定壓力的氣體，當系統壓力超過其內部壓力時系統中的壓力能轉化為氣體內能；當系統壓力低于其內部壓力時釋放能量。兩種類型的蓄能器共同缺點是以系統中的壓力能為主要吸收對象，對于吸收的能量釋放過程緩慢，沒有瞬間的爆發力。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種蓄積低溫熱源能量后將蓄積能量集中釋放的制造外燃熱力原動機的新方法，以解決內燃機的污染、噪音、能源利用單一問題，解決斯特林熱機造價高、效率低、比容積和比質量大的問題。以熱能為主要吸收對象，解決蓄能器能量釋放過程緩慢的問題。
[0005]本發明要解決的上述技術問題所采用的技術方案是這樣的:蓄能式外燃熱力機主要由氣缸、隔板、活塞、活塞鎖止裝置、壓力調節缸、壓力調節栓、曲軸、連桿構成。隔板固定安裝在氣缸內將氣缸分為蓄積能量的熱區和供活塞往復運動做功的冷區。隔板設有開口供工作介質通過，改變開口的大小可以調整活塞和隔板分離時所需分離壓強，熱區和冷區不同的壓強比可以滿足不同溫度的熱源工況和不同的功率輸出要求。活塞鎖止裝置具有使活塞按照預先設定的條件在鎖止蓄能和自由運動兩種模式間快速切換的能力。
[0006]在形狀構造及其結合上，本發明的蓄能式外燃熱力機制造方法與最接近的現有技術共有的技術特征是:同內燃機相同的是利用熱能使氣缸內產生高壓氣體，氣體膨脹推動活塞作功，再通過曲軸連桿機構或其他機構將機械功輸出，驅動從動機械工作。和斯特林熱機相同的是都采用閉循環活塞式結構。發動機內的工作介質處于封閉中，本身不參與任何形式的能量轉換。與壓縮氣體類蓄能器一樣有可壓縮的工作介質和密封工作介質的耐壓容器。
[0007]在形狀構造及其結合上，本發明的蓄能式外燃熱力機制造方法與最接近的現有技術不同的技術特征是:沒有內燃機的配氣機構、供油系統、冷卻系統、起動裝置。沒有斯特林熱機的配氣活塞、蓄熱器、再生器。使用隔板將氣缸分為冷區和熱區，隔板設有開口供工作介質通過，活塞完全控制工作介質在冷區和熱區的位置。工作介質不可以在蓄能式外燃熱力機的冷區和熱區之間自由流動，工作行程分明，熱區的工作介質有一個蓄熱的短暫過程，使得蓄能式外燃熱力機可以利用低溫熱源，工作溫度降低。與壓縮氣體類蓄能器不同的是以熱能為主要吸收對象。活塞鎖止裝置可以使活塞鎖定在隔板位置，使工作介質的能量得到積蓄。活塞鎖止裝置還可以突然釋放活塞，積蓄的能量形成瞬間的爆發力將熱能轉化為機械動能對外輸出。
[0008]本發明的蓄能式外燃熱力機制造方法特點是由于活塞鎖止裝置起到的蓄能作用，低品位熱源也得到利用。低品位熱源采用低沸點的低壓液化氣體作為工作介質，所以蓄能式外燃熱力機工作溫度降低，有利于機件潤滑和壽命延長，制造成本降低。蓄能式外燃熱力機的活塞完全避免了斯特林熱機中工作介質在冷區和熱區自由流動的弊端，這使低溫熱源的熱量能夠蓄積到可以利用的程度再對外做功。在壓縮回熱行程中，低溫低壓的工作介質重新被壓縮，做功后的殘余熱能得到回收，提高了熱轉換效率。
[0009]蓄能式外燃熱力機動態結構是這樣的:氣缸內預先充滿工作工質。第一個行程是蓄能膨脹行程，隔板和活塞在活塞鎖止裝置作用下觸合，將工作介質封堵在熱區。工作介質吸收外來熱源熱量產生飽和蒸汽壓，活塞受活塞鎖止裝置鎖定不能移動，承受工作介質吸收外來熱量后不斷增大的壓力。當工作介質產生的壓力大于預先設定的活塞鎖止裝置的解鎖壓力時，活塞鎖止裝置突然解鎖，活塞由鎖止蓄能變為自由自由運動狀態，工作介質穿過隔板使活塞與隔板分離，蓄積的飽和蒸汽以類似于內燃機氣缸的燃氣爆燃方式快速釋放到冷區推動活塞通過連桿曲軸裝置對外輸出動力。第二個行程是壓縮回熱過程，工作介質膨脹做功后溫度和壓力下降，活塞處于距離隔板最遠位置，在曲柄連桿機構的慣性力作用下活塞回移，低溫低壓的工作介質被壓縮回熱區，隔板和活塞達到預先設定的鎖止位置，活塞開始鎖止蓄能，完成一個工作循環。原理示意圖見圖1:1氣缸，2隔板，3活塞，4連桿，5曲軸，6活塞鎖止裝置，11壓力調節缸，12壓力調節栓。
[0010]本發明的蓄能式外燃熱力機制造方法包括蓄能式外燃熱力機在熱源與工作環境的溫差較小時，可以增大熱區和冷區的容積比例，使蓄能式外燃熱力機達到需要的輸出功率。理論上，只要熱源溫度大于工作環境溫度即可工作。
[0011]本發明的蓄能式外燃熱力機制造方法包括蓄能式外燃熱力機有壓力調節缸與氣缸熱區連通，壓力調節缸儲存備用工作介質。推拉壓力調節栓，增減氣缸內工作介質的質量，達到調節輸出功率的目的。
[0012]本發明的蓄能式外燃熱力機制造方法包括蓄能式外燃熱力機的冷區和熱區以隔板為界連體設計、分體設計均可，可適應不同的安裝要求。
[0013]本發明的有益效果是
[0014]I多種熱源的高度適應性
[0015]由于是外燃機，可利用多種液相、固相燃料、低品位余熱以及太陽能，化學能和核能等特種能源。可以蓄積低溫熱源能量，在適合條件下將蓄積能量集中釋放，形成瞬間沖擊力，理論上任何大于工作環境溫度的熱源都可以利用。
[0016]2高效率長壽命
[0017]與內燃機相比取消了配氣機構、供油系統、冷卻系統、起動裝置，沒有斯特林熱機的配氣活塞、蓄熱器、再生器，工作溫度低，結構簡單體積小造價低。影響壽命的主要是活塞密封，潤滑系統簡單，維修需求較低。
[0018]3、低污染，噪音和振動小
[0019]由于外燃是在大氣壓下連續完全燃燒,排煙污染較小，內部的壓力變化平穩,運轉平穩振動小，噪音低。
[0020]4超負荷能力強
[0021]屬于低速扭矩，扭矩變動特性好。通過采用不同的活塞形式、汽缸組數和不同的驅動機構可組合成多種發動機型式。
[0022]5多用途
[0023]適合分散能源，用于機車、運輸車輛、船舶潛艇及航天等領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]原理不意圖見圖1,圖中I氣缸,2隔板,3活塞,4連桿,5曲軸,6活塞鎖止裝置，11壓力調節缸，12壓力調節栓。
[0025]實施方式2方案的活塞鎖止裝置結構示意圖見圖2。圖中22解鎖氣缸、23解鎖栓、21復位彈簧、24杠桿、25活動軸、26杠桿支架、27鎖舌密封套、28鎖舌、29活塞鎖舌孔。
【具體實施方式】
[0026]本發明的蓄能式外燃熱力機制造方法的【具體實施方式】是這樣的:
[0027]方式I在本優化方案中使用具有磁吸引力的隔板和活塞作為活塞鎖止裝置。具體要求是隔板和活塞兩個部件其中有一個部件必須具有磁吸引力同時另一個部件必須具有可以被磁吸引力吸引的性質；兩個部件也可以全部具有磁吸引力并且兩個部件異極面對安裝。在本優化方案中，隔板、活塞的磁吸引力可以由永磁鐵產生，也可以由非永久磁鐵產生。
[0028]工作實施過程如下:在金屬或其他有足夠機械強度的材料制成的氣缸內預先充入飽和的低沸點氣體工質(如丁烷)。隔板和活塞在磁吸引力作用下吸合，將工作介質封堵在熱區。工作介質吸收外來熱源熱量產生飽和蒸汽壓，隔板和活塞間的磁吸引力克服工作介質吸收外來熱量后產生的壓力，活塞暫時靜止不動。當工作介質產生的壓力大于隔板和活塞間的磁吸引力時，高溫高壓的工作介質穿過隔板開口推壓活塞使其與隔板分離，蓄積的飽和蒸汽以類似于內燃機氣缸的燃氣爆燃方式進入冷區快速膨脹推動活塞通過連桿曲軸裝置對外做功。活塞移動到距離隔板最遠處的氣缸頂端時，工作介質做功完畢充滿冷區，溫度和壓力降低。在連桿曲軸裝置的慣性力和隔板活塞間的磁吸引力共同作用下回移，低溫低壓的工作介質被壓縮回熱區，隔板和活塞吸合，完成一個蓄能轉換并做功的周期。
[0029]方式2
[0030]在本優化方案中使用缸外式鎖舌結構作為活塞鎖止裝置，下面結合附圖2說明具體要求。鎖舌結構由和熱區連通的解鎖氣缸(22)、解鎖栓(23)、復位彈簧(21)、杠桿(24)、活動軸(25)、杠桿支架(26)、鎖舌密封套(27)、鎖舌(28)、活塞鎖舌孔(29)組成。鎖舌頂端斜面面向活塞方向安裝，杠桿支架將杠桿固定在氣缸壁上，解鎖栓與鎖舌安裝在杠桿兩邊呈Z型結構，鎖舌在鎖舌密封套中往復滑動，鎖舌密封套密封工作介質使其不外泄。根據輸出功率的要求設計復位彈簧的彈力，復位彈簧的彈力決定熱區的工作壓力。
[0031]工作實施過程如下:在金屬或其他有足夠機械強度的材料制成的氣缸內預先充入飽和的低沸點氣體工質(如丁烷)。隔板和活塞觸合，鎖舌接受杠桿傳遞的復位彈簧作用力彈入活塞鎖舌孔，活塞停止移動將工作介質封堵在熱區鎖止蓄能。工作介質吸收外來熱源熱量產生飽和蒸汽壓，飽和蒸汽壓達到設計要求的壓力后通過和熱區連通的解鎖氣缸推動解鎖栓，壓縮復位彈簧通過杠桿將壓力改變方向作用在鎖舌上，使其從活塞鎖舌孔彈出，活塞解鎖。高溫高壓的工作介質穿過隔板開口推壓活塞使其與隔板分離，蓄積的飽和蒸汽以類似于內燃機氣缸的燃氣爆燃方式進入冷區快速膨脹推動活塞通過連桿曲軸裝置對外做功。活塞移動到距離隔板最遠處的氣缸頂端時，工作介質做功完畢充滿冷區，溫度和壓力降低。在連桿曲軸裝置的慣性力作用下回移，活塞頂端推壓鎖舌斜面使鎖舌克服由杠桿傳遞的復位彈簧作用力縮入鎖舌密封套中，活塞繼續回移，隔板和活塞觸合時鎖舌和活塞鎖舌孔正對，鎖舌接受杠桿傳遞的復位彈簧作用力彈入活塞鎖舌孔。低溫低壓的工作介質被壓縮回熱區，完成一個蓄能轉換并做功的周期。
【權利要求】
1.一種把能量儲蓄轉換做功的原動機制造方法，由儲存了可壓縮工作介質的氣缸、隔板、活塞、活塞鎖止裝置組成，其特征在于使用活塞鎖止裝置使活塞按照預先設定的條件在鎖止蓄能和自由運動兩種模式間快速切換。
2.權利要求1中所述的活塞鎖止裝置由具有磁吸引力的隔板和活塞構成，其特征是隔板和活塞兩個部件其中一個部件必須具有磁吸引力同時另一個部件必須具有可以被磁吸引力吸引的性質；兩個部件也可以全部具有磁吸引力并且兩個部件異極面對安裝。
3.權利要求1中所述的活塞鎖止裝置由缸外式鎖舌結構組成，其特征是解鎖栓與鎖舌安裝在杠桿兩邊呈Z型結構，將氣缸壓力改變為拉力使鎖舌解鎖活塞。
【文檔編號】F02G1/053GK104234863SQ201310237911
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月17日 優先權日:2013年6月17日
【發明者】白保忠 申請人:白保忠