专利名称：一种往复式发动机及其进给系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种往复式发动机和一种用于往复式发动机的工作流体进给系统，例如兰金(Rankine)循环发动机这种热机的流体进给系统，这类往复式发动机的特点是其往复运动不依赖于内部的化学反应(如内燃机)。
背景技术：
兰金循环发动机是一种最早期类型的能提供机械功的发动机，由于此类发动机大多采用蒸汽作为其工作流体(并因此被认为是蒸汽驱动)，因此通常被称为“蒸气机”。蒸汽机是往复式发动机，其典型特征是有一个在圆柱筒内往复运动的活塞以及一个进给阀和一个排气阀(通常位于圆柱筒的同一端)，该活塞通过一个连杆和一个曲柄连接到一个飞轮或类似装置上。
在发动机工作期间，当活塞位于“上死点”(简写为“TDC”)时，进给阀被打开，使得流体从蒸发器进入。膨胀的流体驱动活塞进入膨胀(即动力)冲程，此时进给阀闭合，使得流体在圆柱筒内膨胀到一个较低的压强。当活塞到达“下死点”(简写为“BDC”)时，排气阀打开使得通常仍有较大压强的蒸汽在活塞向上退回TDC的返回冲程中排出。
在这一过程中，最理想的情况是以无限快的速度打开或闭合进给阀，并且在动力冲程早期就闭合进给阀，从而提供一个高的膨胀比。然而在20世纪初期，阀门的控制技术不发达，在这类发动机的整个发展过程中阀门的效率都很低。事实上，进给阀不能尽快闭合是发展复合发动机(二级、三级、甚至四级膨胀发动机)的一个主要因素。在复合发动机中，蒸汽将被引入第二级——一个更大容积的圆柱筒，在其中进行同样的膨胀运动。有时还有第三级甚至第四级，蒸汽在其中均重复以上行为。
尽管这一类型的发动机性能通常能够令人满意，但随后的发动机设计技术的发展产生了更高效率和更高马力重量比的发动机，如内燃机、气轮机及其类似装置。因此蒸汽发动机的使用迅速减少，以致于变得非常稀少。
然而随着环境和污染问题越来越受重视，以及化石类燃料的价格持续上涨，最近人们又重新开始关注蒸汽发动机，尤其是对于废热发电或热电联供(CHP)系统。
相应地，人们需要改进原来的发动机，尤其是这类蒸汽发动机的进给阀系统以及一般意义上的各种以受控行为将高压气体或蒸汽填充到一个圆柱筒中的往复式发动机的工作流体进给系统。
发明概述本发明提供了一种用于往复式发动机的工作流体进给系统，该发动机包括至少一个圆柱体，其内部有一个往复式活塞和一个变体积的膨胀腔室，该膨胀腔室能够收集从进给阀进入的工作流体，该进给系统包括- 一个导阀，具有开放状态和闭合状态，在开放状态下辅助流体从中经过而作用在进给阀上；以及- 控制导阀状态的操作装置，在这一装置中进给阀根据辅助流体的行为而开放。
本发明还提供了一种使用上述工作流体进给系统的往复式发动机，以及这种往复式发动机的一种操作方法。在这方面，发动机可能有一套或多套往复式活塞/圆柱筒组件，至少使用了一套与本发明相关的进给系统。
事实上，本发明还提供了一种往复式发动机，该发动机包括至少一个圆柱体，其内部有一个往复式活塞和一个变体积的腔室，该腔室能够收集从进给阀进入的工作流体，该发动机包括一套工作流体进给系统和排气系统。工作流体进给系统包括一个具有开放状态和闭合状态的导阀，在开放状态下辅助流体从导阀中经过而作用在进给阀上，该系统还包括一套控制导阀状态的操作装置，在这一装置中进给阀适合于根据辅助流体的行为而开放。排气装置包括至少一个位于活塞上的排气阀和至少一个位于活塞上的排气孔，排气阀被设计成自动开放式，当活塞上方的压强降至排气孔压强的域值时排气阀自动打开。
理想地，如下文将要描述的，往复式发动机将是一种兰金循环发动机，这种发动机使用蒸汽作为工作流体，并且只有一套往复式活塞/圆柱筒组件，优选地按照单流体准则运行。然而，可以理解的是，往复式发动机不必包含传统意义上的“活塞”和“圆柱筒”，而仅仅需要有一个膨胀室和一个正排量膨胀器。
例如，汪克尔(Wankel)旋转膨胀腔室就是一种不包含活塞/圆柱筒组件的系统，它由一个绕偏心轴旋转的三角马达组成，并且与一个外旋轮线型壳体的内侧相啮合。因此，以下所提到的活塞/圆柱筒组件将被解释为包含此类组件。
此外，在优选地配置中工作流体和辅助流体将来自同一供给源。事实上应该注意到，大多数情况下工作流体将是来自锅炉的蒸汽，辅助流体也将是蒸汽，均由同一锅炉提供(虽然发动机也可能使用太阳能或其他低级热源，并且可能使用有机工作流体)。因此，本说明书中提到的“辅助流体”均不能被解释为不同于工作流体(或者有不同来源)的另一种流体。
可以理解的是，本发明的进给系统提供进给阀的快速开放和闭合功能，以及在膨胀(即动力)冲程初期控制关闭进给阀时间的功能。这种可变阀门时间的简单性避免了一些传统蒸气机中需要保持恒定的进给阀开通和闭合时间的模式，这些传统的蒸汽机需要通过节气装置使系统工作在部分功率下，这显然会降低效率。
另外，本发明允许间接控制(通过导阀)而不是直接控制进给阀，这将省去一套需要在高速下产生较大力的电子或机械装置。
发明内容
与导阀一起使用的辅助流体可以是任何可用的流体，可以压缩成任何可用的形式，例如可以是任何可用的压缩液体或气体/蒸汽。虽然可用的液压液也能满足要求，但通常仍希望使用蒸汽作为辅助流体。事实上，可用的流体包括水、空气、氮气、合成或矿物油以及象水/乙二醇这样的混合物。
考虑到本发动机优选的工作流体是蒸汽(如下所述)，任何用于此目的蒸汽生成系统也可用来生成可用于导阀的蒸汽(即作为辅助流体)。例如，在某种优选的形式中，工作流体和辅助流体所用的蒸汽由同一个锅炉生成(如前文所述)。
锅炉可以有多种形式，但一般均包含一个用来装水的腔体结构，例如一系列管道。在腔体外部加热，热量由腔体壁导入，使得水被加热蒸发而产生蒸汽。通常还会进一步加热生成超高温蒸汽。常见的锅炉类型包括火管式锅炉、水管式锅炉和快热锅炉。所有类型的锅炉均连续或周期性的向锅炉中注满水。
导阀优选地在两种状态之间工作，即开放状态和闭合状态。在开放状态下，导阀允许辅助流体从中经过而作用在进给阀上。在优选形式下，导阀被推向其开放状态，这一过程中需要抗拒闭合力，于是导阀的静止位置即使其闭合状态。考虑到过大的压力将打开阀门而不是闭合阀门，因此这种装置的一个优势是该导阀可以作为一个锅炉过压情况下的紧急释放阀。
导阀可以采用任何形式，例如可以是提升阀、柱形阀或挡板阀。当采用提升阀时，该提升阀优选地以将提升头从其座上移开的方式打开阀门，从而通过流体。
当采用柱形阀时，该柱形阀的优选配置是一个位于套筒内的分节式圆柱形阀芯，该套筒上有径向导流孔。对于这种形式的柱形阀，阀芯在套筒内滑动可以暴露并打开导流孔。这种阀门的优势是它可以是重叠式的。这在阀芯的行程中提供了一个死区，在死区中进给阀既不与锅炉也不与排气孔进行流体交换，这防止了锅炉与排气孔之间的短路。
当采用挡板阀时，该挡板阀的优选配置包括一个在两个相对的喷嘴间由辅助流体的连续蒸汽驱动而摆动的挡板，该蒸汽是经压降孔而来的。每个喷嘴优选与进给阀里相应的腔室联通，在一种实施方式下进给阀包括一个由弹簧固定在中央的阀芯。
本发明系统中的进给阀优选可以工作在开放和闭合状态下的类型，并且与从导阀流入的辅助流体的行为相适应。在开放状态下，进给阀允许工作流体进入圆柱筒的膨胀腔室，并在膨胀过程中对活塞做功。同样在优选形式下，进给阀被推向其开放状态，这一过程中需要抗拒闭合力，于是进给阀的静止位置即是其闭合状态。
进给阀也可以采用任何形式，理想的形式是提升阀或柱形阀。在一种实施方式下，进给阀是提升阀，它包括一个在圆柱筒中向着提升柄运行的提升活塞。由导阀进入的辅助流体优选地向提升活塞施加作用力，这一作用力克服通常用于保持提升头闭合的复原装置(例如弹簧)的闭合力。这一过程将打开进给阀。优选地，辅助流体工作的提升活塞的面积大于提升头面积，假设辅助流体和工作流体的压强相同。
在这种形式下，进给阀可以被定向到两个方向中的任何一个方向，与其开放状态下压力流体的流动相关。优选的定向设置使得锅炉压强趋向于闭合该阀门。这将避免采用强复原力来保持阀门闭合，而相反的定向设置就需要采用强复原力来保持阀门闭合。另外，这种定向设置有利于避免渗漏，由于高的压强导致高的闭合力，进而导致高的密封压强(即阀座接触压强)。
本发明的操作装置优选地控制导阀在开放状态和闭合状态之间的操作。操作装置可以提供合适的机械、电子、电磁、压电或其它操作装置，优选形式是提供电子控制的电操作装置。合适的装置应该能够提供与所描述的电子装置近似的导阀操作精度和速度。
在优选形式下，操作装置是一个电子控制螺线管，电子控制由一个与计时装置相关联的控制模块提供。在这种形式下，控制模块可能包含一个处理器(例如一个微型控制器)，该处理器能够处理静态和动态参数以便向螺线管发送控制信号(经由输出端口)，该控制信号可以控制或保持螺线管以便控制导阀在开放状态和闭合状态之间运行。
在本发明的一种优选形式下，至少某些动态参数是由一个从计时装置到控制模块的信号提供或确定的。另一方面，静态参数可以嵌入到控制模块中(例如在FLASH内存、EPROM或者微处理器自身内存中)，这样处理器就可以得到该参数。在本发明的这一类型中，静态参数被有效地预编程到控制模块中。
优选地，动态参数的处理提供诸如发动机操作过程中曲柄位置和速度之类的数据。
提供给处理装置的其它动态参数可以是发动机的任何操作条件，如工作流体或辅助流体的压强、温度或者圆柱筒内的压强，但计时装置通常不提供这些数据。
计时装置可以是任何形式的旋转位置传感器，它能向处理器提供实时的曲柄位置数据。优选的形式是，计时装置是一个随发动机曲柄一起旋转的计时盘。优选地，该计时盘上有预制的凸起，各个凸起代表着预先设置的曲柄的位置。计时传感器能够检测到每一个经过的凸起并生成相应的计时信号发送给处理装置，以此确定曲柄的角速度和位置数据。
通过将静态参数预编入控制模块，处理装置能够在操作过程中确定在下次到达TDC之前多长时间应向螺线管供给能量。这些静态参数与发动机的某些性能相关，例如螺线管供给能量和导阀打开之间的延迟时间，导阀打开和进给阀打开之间的延迟时间，与气流相关的延迟时间以及改变发动机操作条件导致的这些延迟时间的变化。这使得螺线管得以在活塞到达TDC时，精确地在所要求的时间内操作导阀进而打开进给阀。
优选地，螺线管接受一个非常高的初始电压，使得电流、相应的磁场以及由此形成的螺线管插棒回缩力快速增加，并减少了延迟时间另外，一旦螺线管插棒有了初始移动，电压和电流优选地降低到一个“保持”值以使插棒维持在内缩位置(此时导阀在其开放状态)，此时需克服复原装置(例如一个复位弹簧)的闭合力。在这种形式下，不需要检测插棒的初始运动，该时间将作为一个初始静态参数被输入到控制模块中。
同样，也可以将另一些与发动机性能相关的静态参数预编入控制模块，例如螺线管释放能量和导阀闭合之间的延迟时间，导阀闭合和进给阀闭合之间的延迟时间，与气流相关的延迟时间以及改变发动机操作条件导致的这些延迟时间的变化等。这样，处理装置优选地在预期的进给阀闭合时间前一刻向螺线管发送释放能量的信号。
在这方面，考虑到要获得高的膨胀比，因此进给阀应该在TDC后尽可能短的时间开放，并且任何闭合延迟时间都应尽可能短。在一种实施方式下可以通过引入能够快速耗散螺线管场能量的装置来实现，该装置能够在螺线管释放能量时保证插棒在复原装置(例如复位弹簧)作用下快速伸出。
螺线管需要充满能量来打开导阀，如果没有这种快速耗散装置，则螺线管的能量释放过程可能在螺线管充满能量之前就开始。这自然将导致进给阀不能完全打开，或者说将导致能量损失。
最后，本发明的进给系统也可用于在活塞到达TDC之前控制膨胀腔室死区内的压强增加。在一种实施方式下，可以在膨胀腔室中设计压力传感器来监控圆柱筒压强。这可为控制模块提供进一步的动参数来轻微改变进给阀的开放时间。例如，当圆柱筒压强在活塞向TDC运动过程的末期变得过高时，控制模块可以提前向螺线管供给能量以便提前打开进给阀，这将使压强通过进给阀释放到锅炉中。
为了给出往复式发动机一般意义上的工作方式，以下将简要介绍一种使用概要。与本发明一致，所介绍的是一种包含工作流体进给系统的往复式发动机。
一旦开始运转，蒸汽驱动的兰金循环类往复式发动机的操作步骤通常如下1.当活塞移动到TDC附近时，操作装置打开导阀使得辅助流体通过导阀，这一过程中需要克服阀门闭合力。操作装置优选前文介绍的电控螺线管和计时装置，它能够按照开放和闭合状态以及开放和闭合的速度及时间来预先控制导阀在其开放和闭合状态之间运行。
2.于是蒸汽进入经过合理造型的进给阀，使得进给阀克服闭合力而打开。
3.工作流体(蒸汽)经过进给阀进入圆柱筒的膨胀腔室，在其中膨胀并驱动活塞进入其膨胀(动力)冲程，由TDC向BDC运动。
4.操作装置关闭导阀，避免蒸汽进入进给阀，使闭合力关闭进给阀。
5.一旦活塞经过BDC，则活塞进入返回冲程返回TDC。圆柱筒内的膨胀蒸汽通过排气阀排出，排气阀位于圆柱筒壁或活塞头部，优选活塞头部。后一种设计可以防止活塞在返回冲程中顶着蒸汽压力进行工作，下文将详细介绍。
6.当活塞再次接近TDC时，操作装置再次克服闭合力而打开导阀，允许辅助流体(蒸汽)从中经过。
7.重复步骤1至6。
关于活塞头部排气阀的使用，如果使用这种阀门则优选的设计是当活塞上方的压强降至排气孔压强的域值时排气阀自动打开。在这方面，活塞优选地包括与排气阀相关联的排气孔，这些活塞排气孔与圆柱筒(或曲轴箱，如果要求使用)上配套的排气孔相通。
优选地，活塞排气孔和圆柱筒壁排气孔被设计成在整个冲程中均重叠的形式，使得在任何曲柄角度下，只要排气阀打开就可以排气。在一种更优选的实施方式下，还使用一种传统的排气孔，该排气孔由活塞在将要到达BDC时打开。当圆柱筒压强降得不够低，使得活塞头部的排气孔无法打开时，利用这一设计可以实现排气。
这种排气阀能够非常早且非常快速地切断，本发明的进给阀系统使用这种排气阀，使得发动机可以以非常高的效率运行在所有载荷条件下。事实上，这两个装置的存在使得发动机能够在不同的排量上工作，有效地成为了一个可变排量发动机。另外，圆柱筒的尺寸应设计得使在满负荷运转的情况下，气体的完全膨胀发生在BDC，这种设计将使效率最大化。这样在部分负荷时应减少进给气体的量使得完全膨胀发生在活塞到达BDC之前。
在本发明的具体实施方式
中，活塞头部排气阀将打开使得气体可以反向通过阀门(即进入活塞上方的膨胀腔室)，这将避免在膨胀腔室中形成局部真空并保证效率。
活塞头部的排气阀可以是任何形式的阀门，但对于优选的阀门类型，由活塞加速而产生的惯性力应不会过多地影响该阀门。另外，排气阀应该保证在TDC的阀门闭合系统不会损伤或破坏该阀门。
因此活塞头部的排气阀优选弹簧阀，最理想的是簧片阀。但也可以使用其他装置，例如带压缩螺旋弹簧装置的提升阀。
另外，圆柱筒头部可以使用板簧来辅助关闭簧片阀并减轻活塞头部排气阀对圆柱筒头部的冲击。这种冲击在某种程度上也被气体缓冲，当簧片阀表面与弹簧片表面接触时，中间的气体必须被排挤出去，也有其它的缓冲设置，如在圆柱筒头部发出的流体射流，或者覆盖在弹簧上的流体，所有这些方式都有助于延长簧片阀的寿命。
综上所述，可以看到本发明的工作流体进给系统提供了一个关于往复式发动机的操作和控制问题的简单解决方法，这些操作和控制问题与许多年来的许多类型的发动机均相关。
尤为重要的是，本发明的系统对于使用蒸汽作为工作流体来驱动活塞的兰金循环热机的进给阀系统尤其有用。由于通过早期切断的方式在一个圆柱筒中就能实现高的膨胀比，因此本发明可以建立一个有效的往复式蒸汽发动机，同时却没有多个膨胀圆柱筒所带来的费用、复杂性、重量和尺寸。
另一个优势是本阀门的计时可以是完全程序控制的。事实上，与许多机构不同，工作流体到膨胀腔室的导通与断开时间可以在相当大的范围内独立变化，并且不需要复杂的机构。
以下将通过附图中给出的一个实例来进一步说明本发明。可以理解的是，以下的叙述并不妨碍前文内容的通用性。
如图所示图1是一个包含工作流体进给系统的往复式发动机的透视图，是本发明的一种优选的实例；图2是图1中往复式发动机的截面图；图3a是图2中截面图的部件分解视图，其中活塞靠近TDC；图3b是图2中截面图的部件分解视图，其中活塞由TDC向BDC移动；图3c是图2中截面图的部件分解视图，其中活塞靠近BDC；图4a和图4b是用于本发明实例中的导阀和进给阀设备的主方案简图；图5是用于本发明实例中的导阀和进给阀设备的备选方案简图；图6是一个活塞的透视图，该活塞适用于本发明的一种远期应用实例；图7a到7d是图2中截面图的部件分解视图，依次显示图6中活塞的动作；并且图8是图2中截面图的部件分解视图，显示了本发明的一种远期应用实例。
优选实例的详细描述图1给出了一个往复式发动机10，该发动机以兰金循环方式工作并使用蒸气作为其工作流体。发动机10中并非所有组件都是设备运行所必须的，以下将对此做简要解释。
发动机10通常包含一个用来产生蒸气的锅炉12，该蒸气用作工作流体和本发明优选的进给系统所需的辅助流体。在这方面，对于一个熟练的技术人员而言，发动机各个方面的流道不必都显示在所有图中。例如从锅炉12到导阀的流道并不在所有截面视图中都显示，但它显然始终存在。发动机10包括一个在圆柱筒内运动的往复式活塞和一个变体积膨胀腔室，该膨胀腔室通常编号为14。往复式活塞通过一个曲柄28(图1中未完全显示)可活动地连接到一个发电机16上。
图1中还有一些与本发明无关的部件，如螺线管22和用于向锅炉加水的高压油泵，以及安装在圆柱筒TDC端的多个散热叶片26。
关于本发明的图示实例的进给系统，图1清楚地显示了用于控制导阀运动的操作装置的多个方面。特别是图1中显示了螺线管18和计时盘20，计时盘20可活动地连接到曲柄28上。图2中的计时盘比图1更为详细，从图2中可以清楚地看到计时盘与曲柄相连。另外，在图2中也能清楚地看到圆柱筒30与其内部的活塞32可以作相互往复运动(在正常模式下)。
图2还清楚地显示了其他一些零件，例如锅炉12，发电机16，叶片26以及水进给螺线管/阀门装置22/24，但本说明书不对这些零件作详细描述。事实上，至于活塞32、圆柱筒30、曲柄28、发电机16以及与它们相关的发动机部件的构形和运转方式，一个熟练的技术人员完全可以理解，因此不再进一步描述其细节。这些零件也不构成本发明的进给系统的关键部件。
然而，图2中用A标记的区域中的零件的构形及其相互作用对本发明很重要，因此以下将对这些零件以及本实例中操作装置的图示零件一起做详细描述，这里所说的操作装置的图示零件包括计时盘20和螺线管18。
图3a、3b、3c最好地显示了本发明实例的进给系统。在这方面，虽然这几幅图按照顺序给出了不同条件下的进给系统，但每幅图中进给系统的大多数零件都是不变的。因此本文在描述顺序操作之前，先描述那些不变的零件。
仅看图3a，螺线管18被可活动地连接到导阀上，该导阀的形式是提升阀34。提升阀34可因螺线管插棒37(其内部有连接件35)的收缩而打开，这一过程需要克服由弹簧36提供的闭合力。在开放状态下，提升阀允许辅助流体(蒸汽)通过并进入进给阀40的腔室38，在本实例中进给阀的形式也是提升阀。另外，蒸汽可以通过通道45被加载到一个喷射器(未显示)中。
当辅助流体进入腔室38时，其压强将提升头42推开，使得进给阀40打开，这一过程需要克服由弹簧44提供的闭合力。这样工作流体就能从锅炉12经过蒸汽加载管道48进入圆柱筒的前膨胀腔室46。
当螺线管18释放能量时，弹簧36的闭合力关闭提升阀34，切断进入进给阀腔室38的蒸汽，使得弹簧44的闭合力切断进入膨胀腔室的蒸汽。在这方面，应该清楚必要时蒸汽可以通过气孔39从进给阀腔室38中排放到系统冷凝器上。
关于螺线管18运转过程中的计时，回到图1，计时盘20由两个上凸起52和54和一个下凸起(未显示)，该下凸起在计时盘下方并与凸起52相差30°。
当计时盘随着曲柄23旋转时敏感器56和58检测这几个凸起。在TDC(见图2中活塞32的位置)凸起54经过敏感器56，而凸起52则在TDC之前0°经过敏感器。这些凸起经过这些点的时间被作为动态参数记录到控制模块(可能包含一个微处理器)里，该控制模块也是本发明的操作装置的一部分。
根据上文的叙述，在知道螺线管的延迟时间的情况下控制模块可以计算向螺线管供给能量的近似时间以便在活塞到达或接近TDC时打开进给阀，这里的延迟时间主要来源于螺线管电感、导阀和进给阀的惯性力和压强力。尽管循环过程中存在速度波动以及发动机存在加速或减速，但通过对适用的静、动参数的合理编程，控制模块可以精确地实现这种控制。
下凸起(未显示)在活塞到达TDC一段时间(在本实例中约30°)后经过敏感器58。这将帮助控制模块确定释放螺线管能量的时间，以便打开进给阀，这一操作也同样需要知道延迟时间。在这方面，可以理解的是为了提供较大或较小的膨胀率，该角度会相应地小于或大于30°。
以下将通过比较图3a、3b和3c来介绍发动机的基本运行过程。
前文已经提到，图3a显示了活塞32在圆柱筒30内接近TDC(或刚刚通过TDC)的情形。螺线管18释放能量，使得弹簧36关闭提升阀34，进而使得导阀进入闭合状态。此时辅助流体(蒸气)不再进入进给阀40，同时工作流体不再进入膨胀腔室。
在图3b中，螺线管18已经被供给能量，使得提升阀34打开，蒸气进入进给阀腔室38，这一过程需要克服弹簧36的闭合力。这部分蒸气已经克服弹簧44的闭合力而打开了进给阀40，使得工作流体(蒸气)经通道43进入膨胀腔室。在图3b中，蒸气的膨胀运动驱动活塞从TDC(向BDC)进入其膨胀(动力)冲程。
在图3c中，在膨胀冲程末期螺线管再次释放能量，使得进给阀40闭合，进入返回冲程。
图4a、4b和图5给出了可互换的导阀和进给阀，它们都适合用于本发明的优选实例的进给系统。
图4a给出了一种形式为柱形阀60的导阀。圆柱形阀芯62由X处的螺线管(或其它适用的机械、电磁或压电控制器)控制，该螺线管需要克服复原装置的回复力，本例中的复原装置是一个弹簧64。在图4a中，柱形阀处于闭合状态，阻止辅助流体(蒸气)进入供给孔64和排放孔66。图4a还显示了中央阀芯65在分节式入口67和排放孔66之间优选的重叠式设计，这一设计避免在供给孔64和低压返回孔68之间发生短路。
一旦被供给能量，螺线管移动柱形阀到其开放状态，对于图4a即是移动到左侧，使得辅助流体(蒸气)通过阀门。当螺线管释放能量，柱形阀进入闭合状态时，阀内残留的蒸气通过低压返回孔68排出。
图4b显示了一个进给阀，其形式也是柱形阀，运行方式与上文的导阀相似。不过柱形阀70由从导阀的排放孔66流向腔室72的辅助流体(蒸气)的入流量控制。
同样，柱形阀70打开过程中也需要克服复原装置提供的回复力，本例中复原装置是一个弹簧74。在开放状态时，高压工作流体(蒸气)经过进给孔76进入柱形阀70，再穿过柱形阀70到排放孔78，最后进入发动机圆柱筒的工作腔室。
图5中装置与图4a/4b中装置的区别在于用一个活动挡板装置替换了导阀的圆柱装置。挡板装置82包括在两个相对的喷嘴86、88之间摆动的挡板84，两个喷嘴连续喷出由进给压降口90、92进入的辅助流体(蒸气)。
每个喷嘴86、88与进给阀端部的相应腔室94、96相通，该进给阀的形式为柱形阀98，与上文描述的柱形阀相同。在此配置中，圆柱形阀芯100由两个独立的复原装置固定在阀门中央，复原装置的形式是弹簧102、104。
通过线圈106、108利用电磁方式可以驱动挡板，当挡板84不在中间位置时喷嘴86、88的反压力不相同，此时阀芯100因为两端压强不同而被推向一侧，这一过程需要克服弹簧102、104使阀芯居中的力。
另一种可选方案是利用与挡板相连的中央反馈弹簧来代替阀芯100两端的对中弹簧102、104。
可以理解的是，图4a、4b和图5的所示的不同阀门配重与组合各有其优缺点，只有针对具体应用才能确定那种设计最适合。
下面进一步介绍图6所示的实例，图6给出了一个头部有排气阀的活塞，排气阀的形式是一个与排气孔35相联通的簧片阀33。在这种形式下，安装有排气阀的活塞的优选的运行顺序如下1.当活塞在气体膨胀作用下向下运动时(如图7a所示)，气体压强逐渐降低直到该压强与排气孔压强之间的压力差不足以保持簧片阀闭合。此时簧片阀打开，这一时刻在满负荷运转时是活塞接近BDC的时刻。需要注意的是圆柱筒壁上的排气孔37在活塞接近BDC时打开(即可连通)，这一设计确保阀门能够开放。当气体没有完全膨胀时，这一设计使得腔室内压强下降，进而使得簧片阀打开。
2.图7b显示了活塞接近BDC但圆柱筒壁排气孔37尚未暴露，同时簧片阀33已经打开的情形。
3.图7c显示了活塞到达BDC，同时簧片阀33打开的情形。
4.当活塞从BDC向上运动时，簧片阀33保持开放状态，使得活塞上方的气体通过簧片阀经气孔37排出，于是气体就不在活塞上方形成压强。
5.当活塞接近TDC时，安装在圆柱筒头部的簧片139与簧片阀33接触，使得簧片阀33在活塞到达TDC或到达之前闭合，如图7d所示。如果簧片阀33在到达TDC之前闭合，则残留气体将受到某种程度的压缩。
6.在这一阶段，进给阀将被打开，高压气体将进入这个相对小的压缩腔体中。当活塞离开TDC时，这些高压气体将关闭簧片阀33，使得气体推动活塞进入其向下冲程。可以理解的是，本阀门设置允许采用全单流运转的方式进行维护。
图8给出了一个更进一步的实例，主要是回收来自进给阀系统的能量，尤其是来自导阀运转和用于操作进给阀的辅助流体的能量。在这方面，可以理解的是以用于控制进给阀的能量为主。
通常(由导阀)使用高压(辅助)流体来控制进给阀。在辅助流体可压缩的场合，对进给阀的控制不需要该流体产生显著的膨胀，这样在进给阀闭合后，一部分能量就可以通过将流体排入圆柱筒的膨胀腔室而被回收。理想状态是，这一并入过程发生在膨胀冲程初期，使得这部分附加的流体也用于驱动活塞。
图8显示了一套用于将辅助流体引入膨胀腔室的装置。当导阀关闭时，导阀上方的辅助流体经过导阀排气孔120从导阀排出，再经过一个检验阀122进入膨胀腔室。由于此时膨胀腔室处于高压状态，因此这一过程可能妨碍进给阀的闭合。为了避免这种情况的发生，设计了一个与检验阀上游的排气管道相通的附加腔体。这一设计使得气体迅速降低到一个中间压强，进而使得进给阀可以按照要求闭合。当膨胀腔室中的气体压强降得足够低时，这部分储存的气体将开始通过检验阀进入膨胀腔室。
最后，可以理解得是，本说明书所描述的设备配置还有一些其它的变化和改进，这些变化和改进也应该属于本发明的范畴。
权利要求
1.一种用于往复式发动机的工作流体进给系统，该发动机包括至少一个圆柱筒和一个变体积的膨胀腔室，该圆柱筒内部有一个往复式活塞，该腔室能够收集从进给阀进入的工作流体，这种进给系统包括-一个具有开放状态和闭合状态的导阀，在开放状态下辅助流体经过导阀作用在进给阀上；以及-用于控制导阀状态的操作装置；其中进给阀适合于根据辅助流体的行为而打开。
2.权利要求1所述的工作流体进给系统，其中工作流体和辅助流体来自于一个单一的流体源。
3.权利要求2所述的工作流体进给系统，其中单一流体源是来自锅炉的蒸汽。
4.上述权利要求中任意一项所述的工作流体进给系统，其中辅助流体是任何适于压缩的液体或气体/蒸汽。
5.权利要求4所述的工作流体进给系统，其中辅助流体是水、空气、氮气、合成油、矿物油以及它们的任何适合的混合物。
6.上述权利要求中任意一项所述的工作流体进给系统，其中导阀在开放状态和闭合状态之间工作，在开放状态下导阀允许辅助流体从中经过以作用在进给阀上。
7.权利要求6所述的工作流体进给系统，其中进给阀在进入开放状态时需要克服闭合力，因此在静止状态下导阀处于闭合状态。
8.权利要求7所述的工作流体进给系统，其中导阀被设计成一个紧急释放阀。
9.上述权利要求中任意一项所述的工作流体进给系统，其中导阀包括提升阀、柱形阀或挡板阀。
10.权利要求1至8中任意一项所述的工作流体进给系统，其中导阀是一个柱形阀，该柱形阀包括一个在套筒内运动的分节式圆柱阀芯，该套筒有径向导流孔。
11.权利要求10所述的工作流体进给系统，其中阀芯在套筒内滑动以暴露和打开导流孔。
12.权利要求11所述的工作流体进给系统，其中阀门是重叠形式，这样在阀芯运动过程中就存在一个死区，使得进给阀不会与供应孔或排出孔进行流体交换。
13.权利要求1至8中任意一项所述的工作流体进给系统，其中导阀是一个挡板阀，该挡板阀包括一个在两个相对的喷嘴间由辅助流体的连续蒸汽驱动而摆动的挡板，该蒸汽是经压降孔而来的。
14.权利要求13所述的工作流体进给系统中，其中每个喷嘴与进给阀上相应的腔室相通。
15.上述权利要求中任意一项所述的工作流体进给系统，其中进给阀在开放和闭合状态之间工作。
16.权利要求15所述的工作流体进给系统，其中进给阀根据从导阀进入的辅助流体的行为而工作。
17.权利要求15或16所述的工作流体进给系统，其中在开放状态下进给阀允许工作流体进入圆柱筒的膨胀腔室，并在流体膨胀过程中驱动活塞。
18.权利要求17所述的工作流体进给系统，其中进给阀在进入开放状态时需要克服闭合力，因此在静止状态下进给阀处于闭合状态。
19.上述权利要求中任意一项所述的工作流体进给系统，其中进给阀是一个提升阀或柱形阀。
20.权利要求19所述的工作流体进给系统，其中进给阀是一个提升阀，该提升阀包括一个在圆柱筒中向着提升柄运动的提升活塞，并且从导阀进入的辅助流体向提升活塞施加作用力，这一作用力克服通常用于保持提升头闭合的复原装置的闭合力。
21.权利要求20所述的工作流体进给系统，其中辅助流体作用的提升活塞的面积大于提升头面积，假设辅助流体和工作流体的压强相同。
22.权利要求21所述的工作流体进给系统，其中提升阀在开放时可以被定向到两个方向中的任何一个方向，该方向受压流体的流动相关。
23.权利要求22所述的工作流体进给系统，其中提升阀的方向应该是使得流体供应源的压强趋向于闭合该阀门。
24.权利要求6至23中任意一项所述的工作流体进给系统，其中操作装置控制导阀在其开放状态和闭合状态之间运行。
25.权利要求24所述的工作流体进给系统，其中操作装置提供电子控制的电操作。
26.权利要求25所述的工作流体进给系统，其中操作装置是电子控制的螺线管，其电子控制由与计时装置相连接的控制模块提供。
27.权利要求26所述的工作流体进给系统，其中控制模块包含一个处理器，该处理器能够处理静态和动态参数以便向螺线管发送控制信号，该控制信号适合于控制或保持该螺线管以便控制导阀在开放状态和闭合状态之间运动。
28.权利要求27所述的工作流体进给系统，其中至少某些动态参数是由一个从计时装置到控制模块的信号提供或测定的。
29.权利要求27或28所述的工作流体进给系统，其中静态参数可以嵌入到控制模块中，以使它们能够被处理器得到。
30.权利要求29所述的工作流体进给系统，其中静态参数被有效地预编程到控制模块中。
31.上述权利要求中任意一项所述的工作流体进给系统，其中计时装置包括一个随发动机曲柄一起旋转的计时盘。
32.权利要求31所述的工作流体进给系统，其中计时盘上有预制的凸起，各个凸起代表着预先设置的曲柄的位置。
33.权利要求32所述的工作流体进给系统，该系统进一步包括计时传感器，此计时传感器能够检测到每一个经过的凸起并生成相应的计时信号发送给处理装置，从而确定曲柄的角速度和位置数据。
34.权利要求26至33中任意一项所述的工作流体进给系统，其中螺线管能够接收一个非常高的初始电压，使得电流、相应的磁场以及由此形成的螺线管插棒回缩力快速增加，并减少了延迟时间。
35.权利要求34所述的工作流体进给系统，其中一旦螺线管插棒有了初始移动，电压和电流则降低到一个保持值以使插棒维持在内缩位置，此时导阀克服复原装置的闭合力处于开放状态。
36.权利要求34所述的工作流体进给系统，该系统进一步包括能够快速耗散掉螺线管场能量的装置，该装置能够在螺线管释放能量时保证插棒在复原装置作用下快速伸出。
37.上述权利要求中任意一项所述的工作流体进给系统，该系统进一步包括在活塞到达上死点(TDC)前，控制膨胀腔室死区内压强增加的装置。
38.权利要求34所述的工作流体进给系统，其中压强控制装置包括一个安装在膨胀腔室内用于监控圆柱筒压强的压强传感器。
39.一种操作往复式发动机的方法，该发动机包括至少一个圆柱筒和一个变体积的膨胀腔室，该圆柱筒内部有一个往复式活塞，该腔室能够收集从进给阀进入的工作流体，所述发动机进一步包括一种工作流体进给系统，该进给系统包括-一个包含开放状态和闭合状态的导阀，在开放状态下辅助流体流过导阀作用在进给阀上；以及-用于控制导阀状态的操作装置；其中进给阀适合于根据辅助流体的行为而打开，所述的方法包括以下步骤a)当活塞接近上死点(TDC)时，运行操作装置以克服闭合力打开导阀，使得辅助流体从中流过；b)辅助流体作用于进给阀，使得进给阀克服闭合力而打开；c)工作流体经过进给阀进入圆柱筒的膨胀腔室，在其中膨胀并驱动活塞离开TDC进入膨胀(动力)冲程，并向下死点(BDC)运动；d)运行操作装置以关闭导阀，避免辅助流体到达进给阀，使闭合力关闭进给阀；e)一旦活塞经过BDC，则活塞进入返回冲程返回TDC，圆柱筒内膨胀的工作流体通过排气阀排出；并且f)当活塞再次接近TDC时，运行操作装置以克服闭合力打开导阀，再次使辅助流体从中经过。
40.权利要求39所述的往复式发动机的操作方法，其中排气阀被设计成自动打开的形式，当活塞上方的压强降至排气孔压强的域值时，排气阀能够自动打开。
41.权利要求40所述的往复式发动机的操作方法，其中活塞具有与排气阀相关联的排气孔，该活塞排气孔与沿圆柱筒壁排列的排气孔相通。
42.权利要求41所述的往复式发动机的操作方法，其中活塞排气孔和圆柱筒壁排气孔被设计成在整个冲程中均重叠的形式，使得在任何的曲柄角度下，只要排气阀打开就可以排气。
43.一种往复式发动机，包括至少一个圆柱筒和一个变体积的膨胀腔室，圆柱筒内部有一个往复式活塞，腔室能够收集从进给阀进入的工作流体，所述的发动机进一步包括一种工作流体进给系统，这种进给系统包括-一个具有开放状态和闭合状态的导阀，在开放状态下辅助流体从中流过并作用在进给阀上；以及-用于控制导阀状态的操作装置；其中进给阀适合于根据辅助流体的行为而打开。
44.权利要求43所述的往复式发动机，其中包括多个圆柱筒和一套与之相关的工作流体进给系统，每个圆柱筒内有一个往复式活塞。
45.权利要求43或44所述的往复式发动机，其中往复式发动机是使用蒸汽作为工作流体的兰金(Rankine)循环发动机。
46.权利要求43至45中任意一项所述的往复式发动机，其中至少一个圆柱筒是膨胀腔室，并且其往复式活塞是正排量膨胀器。
47.权利要求43至46中任意一项所述的往复式发动机，其中工作流体与辅助流体来自于单一的流体源。
48.权利要求47所述的往复式发动机，其中单一流体源是来自锅炉的蒸汽。
49.权利要求43至48中任意一项所述的往复式发动机，其中辅助流体是任何适于压缩的液体或气体/蒸汽。
50.权利要求49所述的往复式发动机，其中辅助流体是水、空气、氮气、合成油、矿物油以及它们的任何适合的混合物。
51.权利要求43至50中任意一项所述的往复式发动机，其中每个圆柱筒包括至少一个排气阀，每个活塞的头部至少有一个排气阀。
52.权利要求51所述的往复式发动机，其中活塞头部的排气阀包括一个弹簧阀、簧片阀或者一套带压缩螺旋弹簧装置的提升阀。
53.权利要求52所述的往复式发动机，其中活塞头部的排气阀是一个簧片阀，并且在圆柱筒头部使用一个板簧来辅助关闭簧片阀。
54.权利要求53所述的往复式发动机，进一步包括从圆柱筒头部发出的流体射流或覆盖在弹簧上的流体，它们能够缓冲活塞头部排气阀对圆柱筒头部的冲击。
55.权利要求43至54中任意一项所述的往复式发动机，其中发动机是兰金循环热机。
56.一种往复式发动机，包括至少一个圆柱筒和一个变体积的膨胀腔室，该圆柱筒内部有一个往复式活塞，该腔室能够收集从进给阀进入的工作流体，所述发动机包括一个工作流体进给系统和排气装置，所述的工作流体进给系统包括一个具有开放状态和闭合状态的导阀以及用于控制导阀状态的操作装置，在导阀开放状态下辅助流体从中流过并作用在进给阀上，该进给阀适合于根据辅助流体的行为而打开，所述的排气装置包括至少一个在活塞上的排气阀和至少一个在活塞上的排气孔，所述的排气阀被设计成自动打开的形式，当活塞上方的压强降至排气孔压强的域值时，排气阀自动打开。
57.权利要求56所述的往复式发动机，其中活塞上至少一个排气孔与圆柱筒壁上的排气孔相通，当排气阀打开时，活塞和圆柱筒壁上的排气孔在圆柱筒的整个冲程的大部分过程中均重叠。
58.权利要求57所述的往复式发动机，其中活塞头部的排气阀包括一个弹簧阀、簧片阀或者一套带压缩螺旋弹簧装置的提升阀。
59.权利要求57所述的往复式发动机，其中活塞头部排气阀是一个簧片阀，并且在圆柱筒头部使用一个板簧来辅助关闭该簧片阀。
60.权利要求59所述的往复式发动机，进一步包括从圆柱筒头部发出的流体射流或覆盖在弹簧上的流体，它们能够缓冲活塞头部排气阀对圆柱筒头部的冲击。
61.权利要求56至60中任意一项所述的种往复式发动机，其中发动机是兰金循环热机。
全文摘要
本发明涉及一种往复式发动机及其工作流体进给系统。该发动机包括至少一个圆柱筒(30)和一个变体积的膨胀云室，该圆柱筒内部有一个往复式活塞(32)，该云室能够收集从进给阀(40)进入的工作流体。这种进给系统包括一个具有开放状态和闭合状态的导阀(34)。在开放状态下，辅助流体经过导阀作用在进给阀(40)上。该系统还包括一个用于控制导阀状态的操作工具(18)。进给阀(40)适合于根据辅助流体的行为而打开。这种发动机还包括排气装置，该排气装置在活塞(32)或圆柱筒壁上开孔。工作流体也可作为辅助流体。
文档编号F01K13/02GK1643238SQ03807338
公开日2005年7月20日 申请日期2003年3月28日 优先权日2002年3月28日
发明者保罗·范·德·卢 申请人:柯根微系统私人有限公司