轴向活塞式马达和用于操作轴向活塞式马达的方法
【专利说明】轴向活塞式马达和用于操作轴向活塞式马达的方法
[0001]本申请是申请日为2012年I月18日、题目为“轴向活塞式马达和用于操作轴向活塞式马达的方法”的中国专利申请201280014195.4的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及一种轴向活塞式马达和一种用于操作轴向活塞式马达的方法。
【背景技术】
[0003]从现有技术中已充分了解轴向活塞式马达，其可表征为具有连续式内部燃烧特性的能量转换机器。就此而言，具有相对于驱动轴轴向地布置和振动的活塞的轴向活塞式马达的压缩器级将压缩的空气输送到膨胀器级，所述膨胀器级也具有相对于驱动轴轴向地布置和振动的活塞。而后能够在轴向活塞式马达的动力输出轴处获得机械驱动能量，而燃料输送到位于压缩器级和膨胀器级之间的压缩空气处，燃料/空气混合物燃烧，而通过由此得到的排放气能够获得正的活塞功，伴随着膨胀器级中的体积增加。
[0004]因此，例如还未公开的文献PCT/DE2010/000874显示了根据此作用原理来起作用的动力机械。就此而言，燃料的热量释放并不是通过封闭负载的燃烧而在气缸内发生(正如在间歇性工作的动力机械中那样)，而是在连续式工作的燃烧器中发生。这些用于轴向活塞式马达的燃烧器具有与燃烧区域相连的混合管道，在混合管道中，待燃烧的燃料和由压缩器级输送的空气混合并燃烧，在混合管道的端部处形成稳定的火焰。为了使燃烧稳定化，根据现有技术的轴向活塞式马达另外具有预燃烧器，通过预燃烧器来在燃料进入到混合管道之前将很大程度上为惰性的热气体添加到燃料中。这又带来了燃料的处理。
[0005]虽然同样通过加热机构、例如电热塞来在燃烧器中对燃料进行处理在现有技术中是已知的，然而在很大程度上为惰性的热气体中混合例如λ <O的已经燃烧的空气或气体也是可行的。就此而言，为了产生很大程度上为惰性的热气体，在轴向活塞式马达的燃烧器之前切换另一个预燃烧器，该预燃烧器连续地燃烧燃料和新鲜的空气，并将产生的热气体输送到用作主燃烧器的实际燃烧器。就此而言，尚未公开的文献PCT/DE2010/000874公开了有利的是，甚至例如通过电热塞来预先制备将要输送到预燃烧器中的燃料。
[0006]在对可调控性的要求较高的情况中，以及尤其是在主燃烧器和预燃烧器的整体布置内存在脉冲(其中由于膨胀器中的负载变化而产生脉冲)的情况中，尽管存在连续燃烧，然而此根据上述现有技术的具有预燃烧器和主燃烧器的布置在火焰稳定性方面具有劣势。在燃烧器或轴向活塞式马达的脉冲操作或其它非稳态操作条件的情况中，或者还有在操作点跳跃的情况中，在预燃烧器或在主燃烧器中会分别发生实际上能够导致火焰熄灭的状
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【发明内容】
[0007]因此，本发明的任务是获得一种即使在非稳态操作条件下也具有改善的操作和调节状况的轴向活塞式马达。
[0008]该任务通过这样的轴向活塞式马达来实现，所述轴向活塞式马达具有至少一个主燃烧器并且具有至少一个预燃烧器，所述主燃烧器具有至少一个主燃烧区域以及至少一个主喷嘴区域，所述预燃烧器具有至少一个预燃烧区域以及至少一个预喷嘴区域，其中所述预燃烧区域通过至少一个热气体输送器与主喷嘴区域相连接，并且所述轴向活塞式马达的特征在于，所述预燃烧器的所述预喷嘴区域具有至少一个辅助热气体输送器。
[0009]就此而言，辅助热气体输送器使得可以在预喷嘴区域内处理要输送到预混合管道的燃料流，因此在预混合管道的出口处产生了明显更稳定的火焰，并且因此预燃烧器可以在低排放的情况下操作，这一方面是由于对燃料的处理，另一方面是由于预燃烧器对预燃烧区域中的脉动和改变的操作条件非常不敏感。
[0010]另外，提出了一种用于操作具有至少一个主燃烧器和至少一个预燃烧器的轴向活塞式马达的方法，其中预燃烧器的排放气流混合到主燃烧器的主燃料流中，并且该方法的特征在于，排放气流混合到预燃烧器的预燃料流中。如上所述，此处同样以有利的形式获得了更稳定的火焰形式和显然更好的排放情况。
[0011]为了在轴向活塞式马达的主燃烧器以及在预燃烧器中形成稳定的火焰，并且为了实现轴向活塞式马达的更好的排放情况，作为用于操作轴向活塞式马达的上述实施方案和方法的替代或附加，提出了另一种用于操作具有至少一个压缩器级、具有至少一个主燃烧器和具有至少一个预燃烧器的轴向活塞式马达的方法，其中所述压缩器级将主空气流输送到主燃烧器，并且将预空气流输送到预燃烧器，并且其中来自预燃烧器的排放气流混合到主燃烧器的主燃料流中，并且该方法的特征在于，混合到主燃料流中的排放气流由预空气流和预燃料流形成。
[0012]另外，作为备选或附加，提出了一种用于操作具有至少一个压缩器级、具有至少一个主燃烧器和具有至少一个预燃烧器的轴向活塞式马达的方法，其中所述压缩器级将主空气流输送到主燃烧器，并且将预空气流输送到预燃烧器，其中来自预燃烧器的排放气流输送到主燃烧器的主燃料流中，并且所述方法的特征在于，能够在一个级中调节预燃料流和预空气流之间的助燃空气比率以及主燃料流和主空气流之间的助燃空气比率。有利的是，在此方法中，一方面仅仅要求一个用于主燃烧器和用于预燃烧器的在流动技术方面为优化的燃烧区域，并且另一方面，该单级燃烧的方法保证了没有具有未完全燃烧的离析物的排放气或具有不理想的高比例的剩余氧的排放气被输送到主喷嘴室的混合区域。优选地，不具有剩余氧的排放气输送到主喷嘴区域或主燃料流。
[0013]就此而言，“单段”意味着用于调节相应化学计量比率的全部空气在单个的混合过程中混合到相应的燃料流中。结果，不论是具有时间上一个接着一个的不连续的混合过程的多级燃烧，还是所得到的排放气由于进一步混入空气而变得更稀的过程都不会发生。
[0014]就此而言，需要强调的是，在这种情况中，惰性的或很大程度上为惰性的热气体并不必然理解为例如氦气的惰性气体，而是该用语覆盖了不会直接参与到燃烧中、而是可能参与后续反应的热气体。因此，尤其是，在这个意义上燃烧的排放气可以理解为惰性的热气体，即使它们仍然在燃烧之后的反应中继续反应。
[0015]另外，作为用于解决如上所述的任务的方法的替代或附加，提出了一种用于操作具有至少一个压缩级段、具有至少一个主燃烧器和具有至少一个预燃烧器的轴向活塞式马达的方法，其中所述压缩器级将主空气流输送到主燃烧器，并且将预空气流输送到预燃烧器，其中来自预燃烧器的排放气流混合到主燃烧器的主燃料流中，并且所述方法的特征在于，主燃料流和主空气流在主燃烧区域的上游混合。这具有如下结果，即当穿过混合部分时主燃料流中所含的燃料和主空气流中的氧气在所产生的混合物中均匀分布，并且在直接位于混合部分之后的燃烧区域或直接位于混合部分之后的燃烧室中可以促发尤其低排放的且同时高效率的燃烧。
[0016]显然，在具有混合部分的方法中，预反应也可以均匀分布的方式发生在混合物中，并且因此后续的燃烧没有任何高的温度梯度，并且因此没有用于增加的排放物形成的显著的集中区域。应当理解，上述用于混合主燃料流和主空气流的方法中的“温度梯度”意指垂直于流动方向、即沿着火焰前端形成的温度变化。最后，均匀构造的火焰前端即为在混合部分中均匀混合的有利结果。
[0017]如果主燃料流和主空气流在主混合管道中混合，则产生了更有利的方法。将主混合管道应用于上述方法有利地促进了所形成的混合部分的几何形状限定。因此，可以对主燃料流和主空气流的混合产生具体的影响，这是因为混合部分由主混合管道的壁来预定。
[0018]对于用于混合主燃料流和主空气流的方法而言尤其有利的是，预燃烧器的排放气流在主燃料流和主空气流混合之前混合到主燃料流中。显然，在具有多种气态组分的流动中，逐步的预混合在每个混合阶段中导致了明显更好的结果。因此，主燃料流和预燃烧器的排放气流的完全的在先混合对主空气流的相继混入具有非常有利的效果。尤其是，通过逐步的混合来尤其好地控制在主燃料流中开始的反应，这是因为如上所述，如果对氧气的混入进行时间补偿，则可以定向方式来对反应时间产生影响。
[0019]为了对所使用的燃料的反应情况进行改善，对于用于混合主燃料流和主空气流的方法而言额外有利的是，主燃料流在主燃料流与主空气流在环形喷嘴中混合之前流过混合喷嘴。如上所述，该方法的这一实施方案也会导致改善的燃烧顺序，因为可以定向方式对燃料的预反应施加影响。使用有利构形的混合喷嘴不仅提供了影响反应时间的可能性，还提供了限定几何形状的流动进展并且因此限定了主燃料流和排放气流的空间混合情况的可能性。因此，如果这是必要的话，可以对混合喷嘴中的流动施加旋转，或者如果已经存在旋转，则可以保证到主燃烧室的基本无旋转的流动。
[0020]为了完成上述任务，作为上述解决方案的备选或附加，提出了具有至少一个主燃烧器并且具有至少一个预燃烧器的轴向活塞式马达，所述主燃烧器具有至少一个主燃烧区域以及至少一个主喷嘴区域，所述预燃烧器具有至少一个预燃烧区域以及至少一个预喷嘴区域，其中所述预燃烧区域通过至少一个热气体输送器与主喷嘴区域相连接，并且所述轴向活塞式马达的特征在于空转、至少局部的负载，以及通过控制单元彼此相连的主燃烧器的主喷嘴和预燃烧器的预喷嘴。
[0021]因此，如果作为变化的操作条件的结果，主燃烧器和预燃烧器的不同的燃料流和空气流必须适应于这些不同的操作条件，则主喷嘴和预喷嘴的连接可以有利地用于轴向活塞式马达的整体调节。
[0022]作为这些的备选或附加方案，上述任务也通过一种用于操作具有至少一个主燃烧器和具有至少一个预燃烧器的轴向活塞式马达的方法来实现，其中预燃烧器的排放气流混合到主燃烧器的主燃料流中，并且所述方法的特征在于，所述主燃烧器在从空转到最低局部负载的负载跳跃中点燃，并且预燃烧器的预燃料流在负载跳跃中被减少了主燃料流的至少一半的量，更优选地减少了主燃料流的量。
[0023]主喷嘴和预喷嘴通过控制单元的连接或者当点燃主燃烧器时预燃料流的减少有利地促进了燃烧器总体的燃烧情况的稳定性，这独立于本发明的其它特征，这是因为从空转到最低局部负载的负载跳跃尽可能均匀地发生，并且没有任何更大的轴向活塞式马达的初始扭矩差。因此，可以减少对于设在轴向活塞式马达之后的传动系和对于具有轴向活塞式马达的机动车辆的驾驶舒适性来说有害的负载激增。
[0024]就此而言，在空转中，预燃烧器已经优选地递送了足够的燃烧器输出，以便在该空转中以稳定的方式操作轴向活塞式马达。如果需要更高的负载并且因此打开了主燃烧器，则获得了整个燃烧器的尤其均匀和恒定的动力增加，因为总燃料流首先保持恒定，使得预燃料流优选地被减少了大约主燃料流的量，正如上面所解释的那样。然而，正如在实际试验中已经证明的那样，即使是预燃料流减少了所使用的主燃料流的一半，对于轴向活塞式马达的均匀的负载跳跃而言已经足够。然而很清楚，可以调节预喷嘴和主喷嘴之间、以及因此还有预燃料流和主燃料流之间的任何其它的比率或任何其它的连接。
[0025]为了完成上述任务，作为本发明的上述实施方案的备选或附加，提出了具有至少一个压缩器级、具有至少一个主燃烧器、具有至少一个预燃烧器以及具有至少一个位于压缩器级和主燃烧器的主混合管道之间的主空气管线的轴向活塞式马达，所述主燃烧器具有至少一个主燃烧区域以及至少一个具有主燃料流的主喷嘴区域，所述预燃烧器具有至少一个预燃烧区域以及至少一个具有预燃料流的预喷嘴区域，其中所述预燃烧区域通过至少一个热气体输送器与主喷嘴区域相连接，并且所述轴向活塞式马达的特征在于至少一个位于压缩器级和主燃烧器之间的第二空气管线，所述第二空气管线连接到主燃烧区域和/或位于主燃烧区域下游的主燃烧器。
[0026]相应地，作为上述用来完成上述任务的方法的备选或附加，提出了一种用于操作具有至少一个主燃烧器、具有至少一个预燃