蓄能式外燃热力机制造方法
【专利摘要】一种将热能储蓄转换做功的外燃闭循环活塞式原动机的制造方法，涉及热能转换【技术领域】。解决了内燃机能源单一、污染严重，斯特林热机造价高效率低和蓄能器能量释放慢的问题。由储存了可压缩工作介质的气缸1，隔板2，活塞3，活塞锁止装置6，动力输出装置4、5组成。活塞在活塞锁止装置作用下按照预先设定的条件在锁止蓄能和自由运动两种模式间快速切换使低温热源能量蓄积，在蓄积能量达到需要的输出功率时集中释放，低品位热源得到利用。主要用于外燃式热力发动机制造。
【专利说明】蓄能式外燃热力机制造方法
【技术领域】
[0001]蓄能式外燃热力机制造方法是一种原动机制造技术，涉及热能转换【技术领域】。关系到多种能源节约利用和环保问题。特别适用于要求低噪音的特殊军事工业中(如潜艇)。
【背景技术】
[0002]原动机的制造水平是生产力水平的标志。内燃机是应用最广泛的原动机，其缺点是:由配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置组成，构造复杂、精度高、造价高、操作维护技能要求高。高热值液相燃料在气缸内不完全燃烧，产生有害气体，污染严重。对燃料要求极为单一，只能使用液相石油制品，其他类低热值固态燃料、低品位余热以及太阳能，化学能和核能等特种能源均不可利用，造成能源紧缺。而且出力和效率受海拔高度影响。燃料在气缸中的燃烧爆炸和废气排气波，配气机构的机械撞击，形成很大的振动和噪音，在特殊军事工业中(如潜艇)无法应用。外燃机是可以利用多种燃料和其他热能的原动机，主要有开式循环的蒸汽发动机和闭式循环的斯特林热机。蒸汽发动机因结构笨重、热效率低已无法满足现有生产需求。斯特林热机的缺点是:工作需要高温(700°C )高压气体，工质密封困难，活塞无法润滑。这使斯特林热机的膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等部件制造成本高。其工作循环分为定温压缩、定容回热、定温膨胀、定容储热四个过程，但四个过程并无明显界限，热量损失是内燃发动机的2-3倍，效率较低。斯特林热机的比容积和比质量很大。输出功率基本恒定也是斯特林发动机的弊端。
[0003]蓄能器是机械系统中的一种能量储蓄装置。它在适当的时机将系统中的能量转变为压缩能或位能储存起来，当系统需要时将压缩能或位能释放出来，重新补供给系统，主要分为弹簧类和压缩气体类。弹簧类蓄能器把系统中的过剩压力能转化为弹簧势能存储起来，需要时释放出去。压缩气体类蓄能器通过压缩气体把压力能转化为气体内能，压缩气体类蓄能器使用时首先充入预定压力的气体，当系统压力超过其内部压力时系统中的压力能转化为气体内能；当系统压力低于其内部压力时释放能量。两种类型的蓄能器共同缺点是以系统中的压力能为主要吸收对象，对于吸收的能量释放过程缓慢，没有瞬间的爆发力。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种蓄积低温热源能量后将蓄积能量集中释放的制造外燃热力原动机的新方法，以解决内燃机的污染、噪音、能源利用单一问题，解决斯特林热机造价高、效率低、比容积和比质量大的问题。以热能为主要吸收对象，解决蓄能器能量释放过程缓慢的问题。
[0005]本发明要解决的上述技术问题所采用的技术方案是这样的:蓄能式外燃热力机主要由气缸、隔板、活塞、活塞锁止装置、压力调节缸、压力调节栓、曲轴、连杆构成。隔板固定安装在气缸内将气缸分为蓄积能量的热区和供活塞往复运动做功的冷区。隔板设有开口供工作介质通过，改变开口的大小可以调整活塞和隔板分离时所需分离压强，热区和冷区不同的压强比可以满足不同温度的热源工况和不同的功率输出要求。活塞锁止装置具有使活塞按照预先设定的条件在锁止蓄能和自由运动两种模式间快速切换的能力。
[0006]在形状构造及其结合上，本发明的蓄能式外燃热力机制造方法与最接近的现有技术共有的技术特征是:同内燃机相同的是利用热能使气缸内产生高压气体，气体膨胀推动活塞作功，再通过曲轴连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。和斯特林热机相同的是都采用闭循环活塞式结构。发动机内的工作介质处于封闭中，本身不参与任何形式的能量转换。与压缩气体类蓄能器一样有可压缩的工作介质和密封工作介质的耐压容器。
[0007]在形状构造及其结合上，本发明的蓄能式外燃热力机制造方法与最接近的现有技术不同的技术特征是:没有内燃机的配气机构、供油系统、冷却系统、起动装置。没有斯特林热机的配气活塞、蓄热器、再生器。使用隔板将气缸分为冷区和热区，隔板设有开口供工作介质通过，活塞完全控制工作介质在冷区和热区的位置。工作介质不可以在蓄能式外燃热力机的冷区和热区之间自由流动，工作行程分明，热区的工作介质有一个蓄热的短暂过程，使得蓄能式外燃热力机可以利用低温热源，工作温度降低。与压缩气体类蓄能器不同的是以热能为主要吸收对象。活塞锁止装置可以使活塞锁定在隔板位置，使工作介质的能量得到积蓄。活塞锁止装置还可以突然释放活塞，积蓄的能量形成瞬间的爆发力将热能转化为机械动能对外输出。
[0008]本发明的蓄能式外燃热力机制造方法特点是由于活塞锁止装置起到的蓄能作用，低品位热源也得到利用。低品位热源采用低沸点的低压液化气体作为工作介质，所以蓄能式外燃热力机工作温度降低，有利于机件润滑和寿命延长，制造成本降低。蓄能式外燃热力机的活塞完全避免了斯特林热机中工作介质在冷区和热区自由流动的弊端，这使低温热源的热量能够蓄积到可以利用的程度再对外做功。在压缩回热行程中，低温低压的工作介质重新被压缩，做功后的残余热能得到回收，提高了热转换效率。
[0009]蓄能式外燃热力机动态结构是这样的:气缸内预先充满工作工质。第一个行程是蓄能膨胀行程，隔板和活塞在活塞锁止装置作用下触合，将工作介质封堵在热区。工作介质吸收外来热源热量产生饱和蒸汽压，活塞受活塞锁止装置锁定不能移动，承受工作介质吸收外来热量后不断增大的压力。当工作介质产生的压力大于预先设定的活塞锁止装置的解锁压力时，活塞锁止装置突然解锁，活塞由锁止蓄能变为自由自由运动状态，工作介质穿过隔板使活塞与隔板分离，蓄积的饱和蒸汽以类似于内燃机气缸的燃气爆燃方式快速释放到冷区推动活塞通过连杆曲轴装置对外输出动力。第二个行程是压缩回热过程，工作介质膨胀做功后温度和压力下降，活塞处于距离隔板最远位置，在曲柄连杆机构的惯性力作用下活塞回移，低温低压的工作介质被压缩回热区，隔板和活塞达到预先设定的锁止位置，活塞开始锁止蓄能，完成一个工作循环。原理示意图见图1:1气缸，2隔板，3活塞，4连杆，5曲轴，6活塞锁止装置，11压力调节缸，12压力调节栓。
[0010]本发明的蓄能式外燃热力机制造方法包括蓄能式外燃热力机在热源与工作环境的温差较小时，可以增大热区和冷区的容积比例，使蓄能式外燃热力机达到需要的输出功率。理论上，只要热源温度大于工作环境温度即可工作。
[0011]本发明的蓄能式外燃热力机制造方法包括蓄能式外燃热力机有压力调节缸与气缸热区连通，压力调节缸储存备用工作介质。推拉压力调节栓，增减气缸内工作介质的质量，达到调节输出功率的目的。
[0012]本发明的蓄能式外燃热力机制造方法包括蓄能式外燃热力机的冷区和热区以隔板为界连体设计、分体设计均可，可适应不同的安装要求。
[0013]本发明的有益效果是
[0014]I多种热源的高度适应性
[0015]由于是外燃机，可利用多种液相、固相燃料、低品位余热以及太阳能，化学能和核能等特种能源。可以蓄积低温热源能量，在适合条件下将蓄积能量集中释放，形成瞬间冲击力，理论上任何大于工作环境温度的热源都可以利用。
[0016]2高效率长寿命
[0017]与内燃机相比取消了配气机构、供油系统、冷却系统、起动装置，没有斯特林热机的配气活塞、蓄热器、再生器，工作温度低，结构简单体积小造价低。影响寿命的主要是活塞密封，润滑系统简单，维修需求较低。
[0018]3、低污染，噪音和振动小
[0019]由于外燃是在大气压下连续完全燃烧,排烟污染较小，内部的压力变化平稳,运转平稳振动小，噪音低。
[0020]4超负荷能力强
[0021]属于低速扭矩，扭矩变动特性好。通过采用不同的活塞形式、汽缸组数和不同的驱动机构可组合成多种发动机型式。
[0022]5多用途
[0023]适合分散能源，用于机车、运输车辆、船舶潜艇及航天等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]原理不意图见图1,图中I气缸,2隔板,3活塞,4连杆,5曲轴,6活塞锁止装置，11压力调节缸，12压力调节栓。
[0025]实施方式2方案的活塞锁止装置结构示意图见图2。图中22解锁气缸、23解锁栓、21复位弹簧、24杠杆、25活动轴、26杠杆支架、27锁舌密封套、28锁舌、29活塞锁舌孔。
【具体实施方式】
[0026]本发明的蓄能式外燃热力机制造方法的【具体实施方式】是这样的:
[0027]方式I在本优化方案中使用具有磁吸引力的隔板和活塞作为活塞锁止装置。具体要求是隔板和活塞两个部件其中有一个部件必须具有磁吸引力同时另一个部件必须具有可以被磁吸引力吸引的性质；两个部件也可以全部具有磁吸引力并且两个部件异极面对安装。在本优化方案中，隔板、活塞的磁吸引力可以由永磁铁产生，也可以由非永久磁铁产生。
[0028]工作实施过程如下:在金属或其他有足够机械强度的材料制成的气缸内预先充入饱和的低沸点气体工质(如丁烷)。隔板和活塞在磁吸引力作用下吸合，将工作介质封堵在热区。工作介质吸收外来热源热量产生饱和蒸汽压，隔板和活塞间的磁吸引力克服工作介质吸收外来热量后产生的压力，活塞暂时静止不动。当工作介质产生的压力大于隔板和活塞间的磁吸引力时，高温高压的工作介质穿过隔板开口推压活塞使其与隔板分离，蓄积的饱和蒸汽以类似于内燃机气缸的燃气爆燃方式进入冷区快速膨胀推动活塞通过连杆曲轴装置对外做功。活塞移动到距离隔板最远处的气缸顶端时，工作介质做功完毕充满冷区，温度和压力降低。在连杆曲轴装置的惯性力和隔板活塞间的磁吸引力共同作用下回移，低温低压的工作介质被压缩回热区，隔板和活塞吸合，完成一个蓄能转换并做功的周期。
[0029]方式2
[0030]在本优化方案中使用缸外式锁舌结构作为活塞锁止装置，下面结合附图2说明具体要求。锁舌结构由和热区连通的解锁气缸(22)、解锁栓(23)、复位弹簧(21)、杠杆(24)、活动轴(25)、杠杆支架(26)、锁舌密封套(27)、锁舌(28)、活塞锁舌孔(29)组成。锁舌顶端斜面面向活塞方向安装，杠杆支架将杠杆固定在气缸壁上，解锁栓与锁舌安装在杠杆两边呈Z型结构，锁舌在锁舌密封套中往复滑动，锁舌密封套密封工作介质使其不外泄。根据输出功率的要求设计复位弹簧的弹力，复位弹簧的弹力决定热区的工作压力。
[0031]工作实施过程如下:在金属或其他有足够机械强度的材料制成的气缸内预先充入饱和的低沸点气体工质(如丁烷)。隔板和活塞触合，锁舌接受杠杆传递的复位弹簧作用力弹入活塞锁舌孔，活塞停止移动将工作介质封堵在热区锁止蓄能。工作介质吸收外来热源热量产生饱和蒸汽压，饱和蒸汽压达到设计要求的压力后通过和热区连通的解锁气缸推动解锁栓，压缩复位弹簧通过杠杆将压力改变方向作用在锁舌上，使其从活塞锁舌孔弹出，活塞解锁。高温高压的工作介质穿过隔板开口推压活塞使其与隔板分离，蓄积的饱和蒸汽以类似于内燃机气缸的燃气爆燃方式进入冷区快速膨胀推动活塞通过连杆曲轴装置对外做功。活塞移动到距离隔板最远处的气缸顶端时，工作介质做功完毕充满冷区，温度和压力降低。在连杆曲轴装置的惯性力作用下回移，活塞顶端推压锁舌斜面使锁舌克服由杠杆传递的复位弹簧作用力缩入锁舌密封套中，活塞继续回移，隔板和活塞触合时锁舌和活塞锁舌孔正对，锁舌接受杠杆传递的复位弹簧作用力弹入活塞锁舌孔。低温低压的工作介质被压缩回热区，完成一个蓄能转换并做功的周期。
【权利要求】
1.一种把能量储蓄转换做功的原动机制造方法，由储存了可压缩工作介质的气缸、隔板、活塞、活塞锁止装置组成，其特征在于使用活塞锁止装置使活塞按照预先设定的条件在锁止蓄能和自由运动两种模式间快速切换。
2.权利要求1中所述的活塞锁止装置由具有磁吸引力的隔板和活塞构成，其特征是隔板和活塞两个部件其中一个部件必须具有磁吸引力同时另一个部件必须具有可以被磁吸引力吸引的性质；两个部件也可以全部具有磁吸引力并且两个部件异极面对安装。
3.权利要求1中所述的活塞锁止装置由缸外式锁舌结构组成，其特征是解锁栓与锁舌安装在杠杆两边呈Z型结构，将气缸压力改变为拉力使锁舌解锁活塞。
【文档编号】F02G1/053GK104234863SQ201310237911
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月17日 优先权日:2013年6月17日
【发明者】白保忠 申请人:白保忠