蓄能式外燃熱力機(jī)制造方法
【專利摘要】一種將熱能儲(chǔ)蓄轉(zhuǎn)換做功的外燃閉循環(huán)活塞式原動(dòng)機(jī)的制造方法，涉及熱能轉(zhuǎn)換【技術(shù)領(lǐng)域】。解決了內(nèi)燃機(jī)能源單一、污染嚴(yán)重，斯特林熱機(jī)造價(jià)高效率低和蓄能器能量釋放慢的問(wèn)題。由儲(chǔ)存了可壓縮工作介質(zhì)的氣缸1，隔板2，活塞3，活塞鎖止裝置6，動(dòng)力輸出裝置4、5組成。活塞在活塞鎖止裝置作用下按照預(yù)先設(shè)定的條件在鎖止蓄能和自由運(yùn)動(dòng)兩種模式間快速切換使低溫?zé)嵩茨芰啃罘e，在蓄積能量達(dá)到需要的輸出功率時(shí)集中釋放，低品位熱源得到利用。主要用于外燃式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)制造。
【專利說(shuō)明】蓄能式外燃熱力機(jī)制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]蓄能式外燃熱力機(jī)制造方法是一種原動(dòng)機(jī)制造技術(shù)，涉及熱能轉(zhuǎn)換【技術(shù)領(lǐng)域】。關(guān)系到多種能源節(jié)約利用和環(huán)保問(wèn)題。特別適用于要求低噪音的特殊軍事工業(yè)中(如潛艇)。

【背景技術(shù)】
[0002]原動(dòng)機(jī)的制造水平是生產(chǎn)力水平的標(biāo)志。內(nèi)燃機(jī)是應(yīng)用最廣泛的原動(dòng)機(jī)，其缺點(diǎn)是:由配氣機(jī)構(gòu)、供油系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動(dòng)裝置組成，構(gòu)造復(fù)雜、精度高、造價(jià)高、操作維護(hù)技能要求高。高熱值液相燃料在氣缸內(nèi)不完全燃燒，產(chǎn)生有害氣體，污染嚴(yán)重。對(duì)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(tài)燃料、低品位余熱以及太陽(yáng)能，化學(xué)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(jī)構(gòu)的機(jī)械撞擊，形成很大的振動(dòng)和噪音，在特殊軍事工業(yè)中(如潛艇)無(wú)法應(yīng)用。外燃機(jī)是可以利用多種燃料和其他熱能的原動(dòng)機(jī)，主要有開(kāi)式循環(huán)的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)和閉式循環(huán)的斯特林熱機(jī)。蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)因結(jié)構(gòu)笨重、熱效率低已無(wú)法滿足現(xiàn)有生產(chǎn)需求。斯特林熱機(jī)的缺點(diǎn)是:工作需要高溫(700°C )高壓氣體，工質(zhì)密封困難，活塞無(wú)法潤(rùn)滑。這使斯特林熱機(jī)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(huán)分為定溫壓縮、定容回?zé)帷⒍嘏蛎洝⒍ㄈ輧?chǔ)熱四個(gè)過(guò)程，但四個(gè)過(guò)程并無(wú)明顯界限，熱量損失是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的2-3倍，效率較低。斯特林熱機(jī)的比容積和比質(zhì)量很大。輸出功率基本恒定也是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的弊端。
[0003]蓄能器是機(jī)械系統(tǒng)中的一種能量?jī)?chǔ)蓄裝置。它在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)將壓縮能或位能釋放出來(lái)，重新補(bǔ)供給系統(tǒng)，主要分為彈簧類和壓縮氣體類。彈簧類蓄能器把系統(tǒng)中的過(guò)剩壓力能轉(zhuǎn)化為彈簧勢(shì)能存儲(chǔ)起來(lái)，需要時(shí)釋放出去。壓縮氣體類蓄能器通過(guò)壓縮氣體把壓力能轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能，壓縮氣體類蓄能器使用時(shí)首先充入預(yù)定壓力的氣體，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)其內(nèi)部壓力時(shí)系統(tǒng)中的壓力能轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能；當(dāng)系統(tǒng)壓力低于其內(nèi)部壓力時(shí)釋放能量。兩種類型的蓄能器共同缺點(diǎn)是以系統(tǒng)中的壓力能為主要吸收對(duì)象，對(duì)于吸收的能量釋放過(guò)程緩慢，沒(méi)有瞬間的爆發(fā)力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種蓄積低溫?zé)嵩茨芰亢髮⑿罘e能量集中釋放的制造外燃熱力原動(dòng)機(jī)的新方法，以解決內(nèi)燃機(jī)的污染、噪音、能源利用單一問(wèn)題，解決斯特林熱機(jī)造價(jià)高、效率低、比容積和比質(zhì)量大的問(wèn)題。以熱能為主要吸收對(duì)象，解決蓄能器能量釋放過(guò)程緩慢的問(wèn)題。
[0005]本發(fā)明要解決的上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是這樣的:蓄能式外燃熱力機(jī)主要由氣缸、隔板、活塞、活塞鎖止裝置、壓力調(diào)節(jié)缸、壓力調(diào)節(jié)栓、曲軸、連桿構(gòu)成。隔板固定安裝在氣缸內(nèi)將氣缸分為蓄積能量的熱區(qū)和供活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)做功的冷區(qū)。隔板設(shè)有開(kāi)口供工作介質(zhì)通過(guò)，改變開(kāi)口的大小可以調(diào)整活塞和隔板分離時(shí)所需分離壓強(qiáng)，熱區(qū)和冷區(qū)不同的壓強(qiáng)比可以滿足不同溫度的熱源工況和不同的功率輸出要求?；钊i止裝置具有使活塞按照預(yù)先設(shè)定的條件在鎖止蓄能和自由運(yùn)動(dòng)兩種模式間快速切換的能力。
[0006]在形狀構(gòu)造及其結(jié)合上，本發(fā)明的蓄能式外燃熱力機(jī)制造方法與最接近的現(xiàn)有技術(shù)共有的技術(shù)特征是:同內(nèi)燃機(jī)相同的是利用熱能使氣缸內(nèi)產(chǎn)生高壓氣體，氣體膨脹推動(dòng)活塞作功，再通過(guò)曲軸連桿機(jī)構(gòu)或其他機(jī)構(gòu)將機(jī)械功輸出，驅(qū)動(dòng)從動(dòng)機(jī)械工作。和斯特林熱機(jī)相同的是都采用閉循環(huán)活塞式結(jié)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的工作介質(zhì)處于封閉中，本身不參與任何形式的能量轉(zhuǎn)換。與壓縮氣體類蓄能器一樣有可壓縮的工作介質(zhì)和密封工作介質(zhì)的耐壓容器。
[0007]在形狀構(gòu)造及其結(jié)合上，本發(fā)明的蓄能式外燃熱力機(jī)制造方法與最接近的現(xiàn)有技術(shù)不同的技術(shù)特征是:沒(méi)有內(nèi)燃機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)、供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動(dòng)裝置。沒(méi)有斯特林熱機(jī)的配氣活塞、蓄熱器、再生器。使用隔板將氣缸分為冷區(qū)和熱區(qū)，隔板設(shè)有開(kāi)口供工作介質(zhì)通過(guò)，活塞完全控制工作介質(zhì)在冷區(qū)和熱區(qū)的位置。工作介質(zhì)不可以在蓄能式外燃熱力機(jī)的冷區(qū)和熱區(qū)之間自由流動(dòng)，工作行程分明，熱區(qū)的工作介質(zhì)有一個(gè)蓄熱的短暫過(guò)程，使得蓄能式外燃熱力機(jī)可以利用低溫?zé)嵩?，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(duì)象?；钊i止裝置可以使活塞鎖定在隔板位置，使工作介質(zhì)的能量得到積蓄?；钊i止裝置還可以突然釋放活塞，積蓄的能量形成瞬間的爆發(fā)力將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能對(duì)外輸出。
[0008]本發(fā)明的蓄能式外燃熱力機(jī)制造方法特點(diǎn)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(diǎn)的低壓液化氣體作為工作介質(zhì)，所以蓄能式外燃熱力機(jī)工作溫度降低，有利于機(jī)件潤(rùn)滑和壽命延長(zhǎng)，制造成本降低。蓄能式外燃熱力機(jī)的活塞完全避免了斯特林熱機(jī)中工作介質(zhì)在冷區(qū)和熱區(qū)自由流動(dòng)的弊端，這使低溫?zé)嵩吹臒崃磕軌蛐罘e到可以利用的程度再對(duì)外做功。在壓縮回?zé)嵝谐讨?，低溫低壓的工作介質(zhì)重新被壓縮，做功后的殘余熱能得到回收，提高了熱轉(zhuǎn)換效率。
[0009]蓄能式外燃熱力機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)是這樣的:氣缸內(nèi)預(yù)先充滿工作工質(zhì)。第一個(gè)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(zhì)封堵在熱區(qū)。工作介質(zhì)吸收外來(lái)熱源熱量產(chǎn)生飽和蒸汽壓，活塞受活塞鎖止裝置鎖定不能移動(dòng)，承受工作介質(zhì)吸收外來(lái)熱量后不斷增大的壓力。當(dāng)工作介質(zhì)產(chǎn)生的壓力大于預(yù)先設(shè)定的活塞鎖止裝置的解鎖壓力時(shí)，活塞鎖止裝置突然解鎖，活塞由鎖止蓄能變?yōu)樽杂勺杂蛇\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，工作介質(zhì)穿過(guò)隔板使活塞與隔板分離，蓄積的飽和蒸汽以類似于內(nèi)燃機(jī)氣缸的燃?xì)獗挤绞娇焖籴尫诺嚼鋮^(qū)推動(dòng)活塞通過(guò)連桿曲軸裝置對(duì)外輸出動(dòng)力。第二個(gè)行程是壓縮回?zé)徇^(guò)程，工作介質(zhì)膨脹做功后溫度和壓力下降，活塞處于距離隔板最遠(yuǎn)位置，在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力作用下活塞回移，低溫低壓的工作介質(zhì)被壓縮回?zé)釁^(qū)，隔板和活塞達(dá)到預(yù)先設(shè)定的鎖止位置，活塞開(kāi)始鎖止蓄能，完成一個(gè)工作循環(huán)。原理示意圖見(jiàn)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(diào)節(jié)缸，12壓力調(diào)節(jié)栓。
[0010]本發(fā)明的蓄能式外燃熱力機(jī)制造方法包括蓄能式外燃熱力機(jī)在熱源與工作環(huán)境的溫差較小時(shí)，可以增大熱區(qū)和冷區(qū)的容積比例，使蓄能式外燃熱力機(jī)達(dá)到需要的輸出功率。理論上，只要熱源溫度大于工作環(huán)境溫度即可工作。
[0011]本發(fā)明的蓄能式外燃熱力機(jī)制造方法包括蓄能式外燃熱力機(jī)有壓力調(diào)節(jié)缸與氣缸熱區(qū)連通，壓力調(diào)節(jié)缸儲(chǔ)存?zhèn)溆霉ぷ鹘橘|(zhì)。推拉壓力調(diào)節(jié)栓，增減氣缸內(nèi)工作介質(zhì)的質(zhì)量，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。
[0012]本發(fā)明的蓄能式外燃熱力機(jī)制造方法包括蓄能式外燃熱力機(jī)的冷區(qū)和熱區(qū)以隔板為界連體設(shè)計(jì)、分體設(shè)計(jì)均可，可適應(yīng)不同的安裝要求。
[0013]本發(fā)明的有益效果是
[0014]I多種熱源的高度適應(yīng)性
[0015]由于是外燃機(jī)，可利用多種液相、固相燃料、低品位余熱以及太陽(yáng)能，化學(xué)能和核能等特種能源?？梢孕罘e低溫?zé)嵩茨芰?，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(huán)境溫度的熱源都可以利用。
[0016]2高效率長(zhǎng)壽命
[0017]與內(nèi)燃機(jī)相比取消了配氣機(jī)構(gòu)、供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動(dòng)裝置，沒(méi)有斯特林熱機(jī)的配氣活塞、蓄熱器、再生器，工作溫度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積小造價(jià)低。影響壽命的主要是活塞密封，潤(rùn)滑系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維修需求較低。
[0018]3、低污染，噪音和振動(dòng)小
[0019]由于外燃是在大氣壓下連續(xù)完全燃燒,排煙污染較小，內(nèi)部的壓力變化平穩(wěn),運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)振動(dòng)小，噪音低。
[0020]4超負(fù)荷能力強(qiáng)
[0021]屬于低速扭矩，扭矩變動(dòng)特性好。通過(guò)采用不同的活塞形式、汽缸組數(shù)和不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可組合成多種發(fā)動(dòng)機(jī)型式。
[0022]5多用途
[0023]適合分散能源，用于機(jī)車(chē)、運(yùn)輸車(chē)輛、船舶潛艇及航天等領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]原理不意圖見(jiàn)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(diào)節(jié)缸，12壓力調(diào)節(jié)栓。
[0025]實(shí)施方式2方案的活塞鎖止裝置結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。圖中22解鎖氣缸、23解鎖栓、21復(fù)位彈簧、24杠桿、25活動(dòng)軸、26杠桿支架、27鎖舌密封套、28鎖舌、29活塞鎖舌孔。

【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明的蓄能式外燃熱力機(jī)制造方法的【具體實(shí)施方式】是這樣的:
[0027]方式I在本優(yōu)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(gè)部件其中有一個(gè)部件必須具有磁吸引力同時(shí)另一個(gè)部件必須具有可以被磁吸引力吸引的性質(zhì)；兩個(gè)部件也可以全部具有磁吸引力并且兩個(gè)部件異極面對(duì)安裝。在本優(yōu)化方案中，隔板、活塞的磁吸引力可以由永磁鐵產(chǎn)生，也可以由非永久磁鐵產(chǎn)生。
[0028]工作實(shí)施過(guò)程如下:在金屬或其他有足夠機(jī)械強(qiáng)度的材料制成的氣缸內(nèi)預(yù)先充入飽和的低沸點(diǎn)氣體工質(zhì)(如丁烷)。隔板和活塞在磁吸引力作用下吸合，將工作介質(zhì)封堵在熱區(qū)。工作介質(zhì)吸收外來(lái)熱源熱量產(chǎn)生飽和蒸汽壓，隔板和活塞間的磁吸引力克服工作介質(zhì)吸收外來(lái)熱量后產(chǎn)生的壓力，活塞暫時(shí)靜止不動(dòng)。當(dāng)工作介質(zhì)產(chǎn)生的壓力大于隔板和活塞間的磁吸引力時(shí)，高溫高壓的工作介質(zhì)穿過(guò)隔板開(kāi)口推壓活塞使其與隔板分離，蓄積的飽和蒸汽以類似于內(nèi)燃機(jī)氣缸的燃?xì)獗挤绞竭M(jìn)入冷區(qū)快速膨脹推動(dòng)活塞通過(guò)連桿曲軸裝置對(duì)外做功?；钊苿?dòng)到距離隔板最遠(yuǎn)處的氣缸頂端時(shí)，工作介質(zhì)做功完畢充滿冷區(qū)，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(zhì)被壓縮回?zé)釁^(qū)，隔板和活塞吸合，完成一個(gè)蓄能轉(zhuǎn)換并做功的周期。
[0029]方式2
[0030]在本優(yōu)化方案中使用缸外式鎖舌結(jié)構(gòu)作為活塞鎖止裝置，下面結(jié)合附圖2說(shuō)明具體要求。鎖舌結(jié)構(gòu)由和熱區(qū)連通的解鎖氣缸(22)、解鎖栓(23)、復(fù)位彈簧(21)、杠桿(24)、活動(dòng)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(jié)構(gòu)，鎖舌在鎖舌密封套中往復(fù)滑動(dòng)，鎖舌密封套密封工作介質(zhì)使其不外泄。根據(jù)輸出功率的要求設(shè)計(jì)復(fù)位彈簧的彈力，復(fù)位彈簧的彈力決定熱區(qū)的工作壓力。
[0031]工作實(shí)施過(guò)程如下:在金屬或其他有足夠機(jī)械強(qiáng)度的材料制成的氣缸內(nèi)預(yù)先充入飽和的低沸點(diǎn)氣體工質(zhì)(如丁烷)。隔板和活塞觸合，鎖舌接受杠桿傳遞的復(fù)位彈簧作用力彈入活塞鎖舌孔，活塞停止移動(dòng)將工作介質(zhì)封堵在熱區(qū)鎖止蓄能。工作介質(zhì)吸收外來(lái)熱源熱量產(chǎn)生飽和蒸汽壓，飽和蒸汽壓達(dá)到設(shè)計(jì)要求的壓力后通過(guò)和熱區(qū)連通的解鎖氣缸推動(dòng)解鎖栓，壓縮復(fù)位彈簧通過(guò)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(zhì)穿過(guò)隔板開(kāi)口推壓活塞使其與隔板分離，蓄積的飽和蒸汽以類似于內(nèi)燃機(jī)氣缸的燃?xì)獗挤绞竭M(jìn)入冷區(qū)快速膨脹推動(dòng)活塞通過(guò)連桿曲軸裝置對(duì)外做功。活塞移動(dòng)到距離隔板最遠(yuǎn)處的氣缸頂端時(shí)，工作介質(zhì)做功完畢充滿冷區(qū)，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(fù)位彈簧作用力縮入鎖舌密封套中，活塞繼續(xù)回移，隔板和活塞觸合時(shí)鎖舌和活塞鎖舌孔正對(duì)，鎖舌接受杠桿傳遞的復(fù)位彈簧作用力彈入活塞鎖舌孔。低溫低壓的工作介質(zhì)被壓縮回?zé)釁^(qū)，完成一個(gè)蓄能轉(zhuǎn)換并做功的周期。
【權(quán)利要求】
1.一種把能量?jī)?chǔ)蓄轉(zhuǎn)換做功的原動(dòng)機(jī)制造方法，由儲(chǔ)存了可壓縮工作介質(zhì)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(yù)先設(shè)定的條件在鎖止蓄能和自由運(yùn)動(dòng)兩種模式間快速切換。
2.權(quán)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(gòu)成，其特征是隔板和活塞兩個(gè)部件其中一個(gè)部件必須具有磁吸引力同時(shí)另一個(gè)部件必須具有可以被磁吸引力吸引的性質(zhì)；兩個(gè)部件也可以全部具有磁吸引力并且兩個(gè)部件異極面對(duì)安裝。
3.權(quán)利要求1中所述的活塞鎖止裝置由缸外式鎖舌結(jié)構(gòu)組成，其特征是解鎖栓與鎖舌安裝在杠桿兩邊呈Z型結(jié)構(gòu)，將氣缸壓力改變?yōu)槔κ规i舌解鎖活塞。
【文檔編號(hào)】F02G1/053GK104234863SQ201310237911
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月17日
【發(fā)明者】白保忠 申請(qǐng)人:白保忠