[發(fā)明專利]具有順序活塞驅動器的外燃發(fā)動機

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201480075662.3
• 申請日: 2014-12-03
• 公開（公告）號: CN106030086B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發(fā)明（設計）人: 西普·萊蒂寧
• 申請（專利權）人: 西普·萊蒂寧
• 主分類號: F02G1/05
• 分類號: F02G1/05;F02G1/043
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 鄧雪萌

技術領域

本發(fā)明涉及外燃發(fā)動機。更具體地涉及改進的伽馬型斯特林發(fā)動機(gamma type Stirling engine)，該伽馬型斯特林發(fā)動機具有工作流體流量控制系統，并能夠連接呈連續(xù)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(fā)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(fraction)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(yōu)化。

背景技術

現有的用于發(fā)電的CHP單元在如下的典型溫度參數范圍內運行：

-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。

-斯特林發(fā)動機之后的820°C的煙氣溫度。斯特林發(fā)動機工作流體的平均溫度處于650°C-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(fā)動機動力輸出而對煙氣進行冷卻是不可能的。

-燃燒空氣預加熱器之后的650°C的煙氣溫度。

由于上述參數，現有的用于發(fā)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。

像通道和再加熱器管道的內部容積之類的死容積(dead volume)應當被減到最小，以避免它們對發(fā)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。

伽馬型斯特林發(fā)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(fā)動機結構將使用曲軸驅動/兩個活塞的連續(xù)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。

斯特林發(fā)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(fā)明內容

本發(fā)明涉及用于外燃發(fā)動機的系統和方法，包括過程階段和名為伽馬型斯特林發(fā)動機的組件，該伽馬型斯特林發(fā)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(fā)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。

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。

本發(fā)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(fā)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。

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(qū)段和主區(qū)段之間的過渡區(qū)段。主區(qū)段的數量必須為四的倍數。主區(qū)段控制活塞的位置和移動，具體如下(圖3)：

區(qū)段1活塞停止于上部位置；

區(qū)段2活塞以恒速向下移動；

區(qū)段3活塞停止于下部位置；以及

區(qū)段4活塞以恒速向上移動。