专利名称：气缸内燃斯特林发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及热动力领域，尤其是一种斯特林发动机。
背景技术：
传统斯特林发动机为一种外燃机，因此其功率密度和单机功率都严重受限，而且负荷响应差，为了解决这一问题，本发明人提出了内燃热气机即内燃斯特林发动机的技术方案，但在这些技术方案中，要么需要用商业氧源(即由储罐提供的氧源或空气氧源等)，要么利用内燃机做功完了后的工质作为内燃斯特林发动机的热缸工质，前者需要商业氧源就不可避免地影响发动机的机动性，后者会使斯特林循环中的工质的压力受限。因此，需要发明一种更新型的内燃斯特林发动机。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下:方案1.一种气缸内燃斯特林发动机，其特征在于:包括气缸活塞机构A、气缸活塞机构B、气缸活塞机构C和回热器,在所述气缸活塞机构A的气缸上设置进气口、排气口和供气口，在所述进气口、所述排气口和所述供气口处各设置对应的气门；在所述气缸活塞机构B的气缸上设置充气口和往复流通口 ；在所述气缸活塞机构C的气缸上设置往复流通口 ；所述供气口与所述充气口连通，所述气缸活塞机构B上的所述往复流通口经所述回热器与所述气缸活塞机构C上的所述往复流通口连通，在所述气缸活塞机构C的气缸上和/或在所述回热器与所述气缸活塞机构C上的所述往复流通口之间通道上设置冷却器；在所述气缸活塞机构A的气缸内、在所述气缸活塞机构B的气缸内以及在所述供气口和所述充气口之间的连通通道内的至少一处设置内燃燃烧室。方案2.在方案I的基础上，进一步在所述气缸活塞机构B的气缸上、在所述气缸活塞机构C的气缸上、在所述供气口和所述充气口之间的连通通道上、在连通所述气缸活塞机构B的气缸与所述气缸活塞机构C的气缸的通道上的至少一处设置乏气导出口及其对应的乏气门。方案3.在方案I的基础上，进一步将所述内燃燃烧室设置在所述气缸活塞机构B的气缸内和/或设置在所述供气口和所述充气口之间的连通通道内，所述气缸内燃斯特林发动机的控制机构设为使所述气缸活塞机构A按照吸气冲程-压气供气冲程-余隙气体做功冲程排气冲程的循环模式工作的控制机构。方案4.在方案I的基础上，进一步将所述内燃燃烧室设在所述气缸活塞机构A的气缸内，同时，还设置在所述气缸活塞机构B的气缸内和所述供气口和所述充气口之间的连通通道内的至少一处上，所述气缸内燃斯特林发动机的控制机构设为使所述气缸活塞机构A按照吸气冲程-压气供气冲程-余隙气体燃烧做功冲程-排气冲程的循环模式工作的控制机构。方案5.在方案I的基础上，进一步将所述内燃燃烧室设置在所述气缸活塞机构B的气缸内和/或所述供气口和所述充气口之间的连通通道内，所述气缸内燃斯特林发动机的控制机构设为使所述气缸活塞机构A按照吸气冲程-压气供气后排气冲程的循环模式工作的控制机构。方案6.在方案I的基础上，进一步将所述内燃燃烧室设置在所述气缸活塞机构A的气缸内，所述气缸内燃斯特林发动机的控制机构设为使所述气缸活塞机构A按照吸气冲程-压缩冲程-燃烧供气后剩余高温气体做功冲程-排气冲程的循环模式工作的控制机构。方案7.在方案2的基础上，进一步在所述气缸活塞机构A的气缸上设置回充口及对应的气门；所述乏气导出口与所述回充口连通。方案8.在方案2的基础上，进一步在所述供气口和所述充气口之间的连通通道上设置单向阀，所述乏气导出口与所述供气口和所述单向阀之间的连通通道连通。方案9.在方案2的基础上，进一步在所述供气口和所述充气口的连通通道上设置涡轮动力机构，所述乏气导出口经叶轮压气机与所述供气口和所述涡轮动力机构的工质入口之间的连通通道连通，所述涡轮动力机构对所述叶轮压气机输出动力。方案10.在方案I至方案9中任一方案的基础上，进一步将所述气缸活塞机构A、所述供气口与所述充气口之间的连通通道、所述气缸活塞机构B、所述气缸活塞机构B上的所述往复流通口与所述回热器之间的连通通道以及所述回热器中的部分或全部设为绝热式。方案11.在方案I至方案9中任一方案的基础上，进一步将所述气缸活塞机构B和所述气缸活塞机构C为V型设置,所述气缸活塞机构B的活塞和所述气缸活塞机构C的活塞与同一曲轴的同一连杆轴颈连接。方案12.在方案I至方案9中任一方案的基础上，进一步将所述气缸活塞机构B的活塞和所述气缸活塞机构C的活塞与同一曲轴的不同一连杆轴颈连接，且此两个所述连杆轴颈的相位差小于180度。方案13.在方案I至方案9中任一方案的基础上，进一步将多个所述气缸活塞机构A与一个所述气缸活塞机构B连通。方案14.在方案I至方案9中任一方案的基础上，进一步将所述气缸活塞机构A、所述气缸活塞机构B和所述气缸活塞机构C共轴设置。方案15.在方案I的基础上，所述气缸内燃斯特林发动机还包括八个气缸活塞机构，且此八个气缸活塞机构按90度V型八缸内燃机的气缸活塞机构的布置方式布置,其中，一缸、四缸、五缸和八缸分别设为所述气缸活塞机构A,六缸和三缸分别设为所述气缸活塞机构B, 二缸和七缸分别设为所述气缸活塞机构C,两个所述气缸活塞机构A与一个邻近的所述气缸活塞机构B连通。方案16.在方案I的基础上，所述气缸内燃斯特林发动机还包括八个气缸活塞机构，且此八个气缸活塞机构按90度V型八缸内燃机的气缸活塞机构的布置方式布置,其中，二缸、三缸、六缸和七缸分别设为所述气缸活塞机构A,四缸和五缸分别设为所述气缸活塞机构B, —缸和八缸分别设为所述气缸活塞机构C,两个所述气缸活塞机构A与一个邻近的所述气缸活塞机构B连通。方案17.在方案I至方案9中任一方案的基础上，进一步将所述气缸活塞机构A设为对置活塞气缸机构。方案18.在方案I至方案9中任一方案的基础上，所述气缸内燃斯特林发动机进一步还包括低温冷源，所述低温冷源用于提供低温物质，所述低温物质用于冷却所述气缸活塞机构C中和/或即将进入所述气缸活塞机构C的工质。方案19.在方案2至方案9中任一方案的基础上，所述气缸内燃斯特林发动机进一步还包括附属涡轮动力机构和附属叶轮压气机，所述乏气导出口与所述附属涡轮动力机构的工质入口连通，所述附属涡轮动力机构的工质出口经附属冷却器与所述附属叶轮压气机的工质入口连通，所述附属叶轮压气机的工质出口与工质闭合回路连通；在所述附属涡轮动力机构的工质出口与所述附属叶轮压气机的工质入口之间的通道上设置附属工质导出口。方案20.在方案I至方案9中任一方案的基础上，进一步将所述内燃燃烧室排出的物质的质量流量大于从工质闭合回路外导入所述内燃燃烧室的物质的质量流量。方案21.在方案I至方案9中任一方案的基础上,所述气缸内燃斯特林发动机还进一步包括氧化剂源、氧化剂传感器和氧化剂控制装置，所述氧化剂传感器设在由所述气缸活塞机构A、所述气缸活塞机构B、所述气缸活塞机构C及它们之间的通道连通构成的工质闭合回路内，所述氧化剂传感器对所述氧化剂控制装置提供信号，所述氧化剂源经氧化剂控制阀与所述工质闭合回路连通，所述氧化剂控制装置控制所述氧化剂控制阀。方案22.在方案I至方案9中任一方案的基础上，进一步将所述气缸活塞机构A和/或所述气缸活塞机构B和/或所述气缸活塞机构C设为活塞液体机构，所述活塞液体机构包括气液缸和气液隔离结构，所述气液隔离结构设在所述气液缸内。方案23.在方案22的基础上，进一步将所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力设为大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和。方案24.在方案I至方案3中任一方案的基础上，进一步将所述乏气导出口及其对应的乏气门设在所述气缸活塞机构C的气缸上,且在所述气缸活塞机构C上的所述往复流通口处设往复流通控制门。方案25.—种气缸内燃斯特林发动机,其特征在于:包括气缸活塞机构A、气缸活塞机构B和气缸活塞机构C,在所述气缸活塞机构A的气缸上设置进气口、排气口和供气口，在所述进气口、所述排气口和所述供气口处各设置对应的气门；在所述气缸活塞机构B和所述气缸活塞机构C的气缸上各设往复流通口 ；所述气缸活塞机构B和所述气缸活塞机构C各经其上的所述往复流通口相互连通，所述供气口与两个所述往复流通口之间的连通通道连通，且该连通位置靠近所述气缸活塞机构B的所述往复流通口处；在所述气缸活塞机构C的气缸上和/或在靠近所述气缸活塞机构C的两个所述往复流通口的连通通道上设置冷却器；在所述气缸活塞机构A的气缸内、在所述气缸活塞机构B的气缸内以及在所述供气口与两个所述往复流通口之间的连通通道连通的连通通道内的至少一处置设燃烧室。方案26.如权利要求方案25所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于:在所述气缸活塞机构B和所述气缸活塞机构C的连通通道上设置回热器；所述供气口与所述回热器和所述气缸活塞机构B的所述往复流通口之间的连通通道连通。
方案27.在方案25或方案26的基础上，进一步将所述气缸活塞机构A、所述气缸活塞机构B、所述气缸活塞机构C或它们之间的连通通道的承压能力设为2MPa 20MPa。方案28.在方案25或方案26的基础上，进一步在所述气缸活塞机构B的气缸上、在所述气缸活塞机构C的气缸上、在所述供气口与两个所述往复流通口之间的连通通道连通的连通通道上、在连通所述气缸活塞机构B与所述气缸活塞机构C的连通通道上的至少一处设置乏气导出口及其对应的乏气门。方案29.在方案28的基础上，进一步将在所述气缸活塞机构A的气缸上设置回充口及对应的气门；所述乏气导出口与所述回充口连通。本发明的原理是:利用一个或多个所述气缸活塞机构A产生的高压或高温高压工质，提供给由所述气缸活塞机构B和所述气缸活塞机构C构成的按斯特林循环工作的动力单元，使该动力单元得以工作。在由所述气缸活塞机构A向该动力单元提供高压空气的结构中，需要在所述气缸活塞机构B内和/或在所述气缸活塞机构B与所述气缸活塞机构A的连通通道内设置内燃燃烧室；所述乏气导出口设置的目的是当由所述气缸活塞机构A向该动力单元的工质系统内导入工质的压力达到一定程度时，将多余工质放出。本发明中，所谓的按斯特林循环工作包括按理论斯特林循环工作和按实际斯特林循环工作。本发明中，所谓的往复流通口是指工质可以往复通过的配气口。 本发明中，所谓的供气口是指高压空气或高温高压工质流出的配气口。本发明中，所谓的充气口是指高压空气或高温高压工质进入所述气缸活塞机构B的配气口。本发明中，所谓的乏气导出口是指将经过斯特林循环后的气体导出本气缸内然斯特林发动机的配气口。本发明中，所谓的回充口是指由所述乏气导出口排出的气体工质送回至所述气缸活塞机构A中的配气口。本发明中，所谓的压气供气冲程是指活塞从下止点运动到上止点，且只有所述供气门打开的过程。本发明中，所谓的余隙气体做功冲程是指在所述压气供气冲程后，此时活塞处于上止点附近，关闭所有配气门，利用压气供气冲程后存留在气缸内的余隙气体推动活塞向下止点运动的过程。本发明中，所谓的余隙气体燃烧做功冲程是指在所述压气供气冲程后，此时活塞处于上止点附近，关闭所有配气门，使压气供气冲程后存留在气缸内的余隙气体燃烧爆炸后推动活塞从上止点运动到下止点的过程。本发明中，所谓的压气供气后排气冲程是指在压气供气过程后，供气门关闭，在活塞处于上止点附近将排气门打开使存留在余隙容积内的气体导出气缸的过程。本发明中，所谓的燃烧供气后剩余高温气体做功冲程是指在压缩冲程后，活塞处于上止点附近时，使气缸内发生燃烧化学反应，将此燃烧化学反应形成的高温气体的一部分或大部分经所述供气门导出后再将所述供气门关闭，利用剩余在所述气缸活塞机构A内的剩余高温气体推动所述气缸活塞机构A的活塞下行对外做功的过程。
本发明中，通过调整工质闭合回路的工作压力以及热端机构的排量，以控制热端机构的质量排量，使所述内燃燃烧室排出的物质的质量流量M2大于从所述工质闭合回路外导入所述内燃燃烧室的物质的质量流量M1，也就是说除了从所述工质闭合回路外导入所述内燃燃烧室的物质外，还有一部分物质是从所述工质闭合回路中导入所述内燃燃烧室的，由于所述内燃燃烧室是设置在所述工质闭合回路内的，所以也就是说从所述内燃燃烧室排出的物质至少有一部分流回所述内燃燃烧室，即实现了工质在热端机构和冷端机构之间有往复流动。从所述工质闭合回路外向所述内燃燃烧室导入的物质可以是氧化剂、还原剂、压缩气体或高温燃气等。 本发明中，所述热端机构是指所述内燃燃烧室设在其中，或者所述内燃燃烧室中发生燃烧化学反应后产生的工质首先进入其中的配气机构或做功机构，例如所述气缸活塞机构B。本发明中，所述冷端机构是指工质从所述热端机构流出后进入的气体做功机构或气体压缩机构，例如所述气缸活塞机构C或罗茨式压气机等机构。本发明中，所述工质闭合回路是指由所述气缸活塞机构A、所述气缸活塞机构B、所述气缸活塞机构C及它们之间的连通通道构成的工质可循环流动的空间。本发明中，所述气液缸是指可以容纳气体工质和/或液体，并能承受一定压力的容器，所述气液缸被所述气液隔离结构分隔成气体端和液体端，所述气液缸的气体端设置气体工质流通口，所述气体工质流通口用于与所述工质闭合回路中的其他装置或机构连通；所述气液缸的液体端设置液体流通口，所述液体流通口用于与液压动力机构和/或液体工质回送系统连通。本发明中，所述气液隔离结构是指可以在所述气液缸中做往复运动的结构体，如隔离板、隔离膜、活塞等，其作用是隔离所述气液缸中的气体工质和液体，优选地，所述气液隔离结构和所述气液缸密封滑动配合。在所述活塞液体机构工作过程中，根据所述气液隔离结构处于所述气液缸内的不同位置，所述气液缸内可能全部是气体工质，也可能全部是液体，或者气体工质和液体同时存在。本发明中，所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构与传统的活塞连杆机构不同，传统的活塞连杆机构中的活塞可受连杆的推力或拉力停下，从而实现对活塞行程的限制，而在所述气液缸中，当所述气液缸内的气体工质做正功时，所述气液隔离结构受压力向下止点方向移动，将液体以高压形式排出所述气液缸并推动液压动力机构(例如液体马达)对外做功，当液体即将排尽时，改变液体马达工作模式或启动液体工质回送系统，使所述气液缸内的液体不再减少，此时液体会对所述气液缸内的所述气液隔离结构施加制动力，使其停止，以防止其撞击气液缸的液体端底部的壁；当不断向所述气液缸内输入液体时，所述气液隔离结构会不断向上止点方向移动，当到达上止点附近时，停止向所述气液缸内输入液体或者使所述气液缸内的液体减少(流出)，尽管如此，所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构仍然会由于惯性向上止点方向运动，此时，如果所述气液缸内的气体工质的压力不够高，则会导致所述气液隔离结构继续向上运动而撞击气液缸顶部的壁，为了避免这种撞击，需要使气液缸内气体工质的压力足够高，使其对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和。本发明中，在所述气缸内燃斯特林发动机的工作过程中所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和是变化的，因此在工程设计中应保证在任何工作时刻都满足“所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和”的条件，例如通过调整所述工质闭合回路中的工作压力、调整气液隔离结构的质量、调整液体密度或调整液体深度等方式来实现，其中，所述液体深度是指液体在做往复运动方向上的液体的深度。本发明中，所谓的“调整所述工质闭合回路中的工作压力”是通过调整流入和/或流出所述工质闭合回路的气体工质的体积流量来实现的，例如可以通过调整所述乏气导出口的开关间隔、每次开启的时间和/或所述乏气导出口处控制阀的开口大小来实现。本发明中，可以通过调整所述工质闭合回路中的压力(例如可以通过调整所述乏气导出口的开启压力或者开关时间来实现)，使所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构的总惯性力，从而防止所述气液隔离结构与所述气液缸碰撞。本发明中，所述低温冷源是指能提供温度在0°C以下的低温物质的装置、机构或储罐，例如采用商业购买方式获得的储存有低温物质的储罐，所述低温物质可以是液氮、液氧、液氦或液化空气等。当本发明中氧化剂为液氧时，液氧可直接作为所述低温物质。本发明中，所述低温冷源以直接与所述工质闭合回路连通使所述低温物质与所述
工质闭合回路内的工质混合的方式，或者以经换热装置使所述低温物质与所述工质闭合回
路内的工质换热的方式，对所述气缸活塞机构C中或即将进入所述气缸活塞机构C的工质
进行冷却处理。热气机是一种工作循环接近卡诺循环的动力机构，其热效率的计算可以参
考卡诺循环热效率计算公式
权利要求
1.一种气缸内燃斯特林发动机，其特征在于:包括气缸活塞机构A (I)、气缸活塞机构B (2)、气缸活塞机构C (3)和回热器(4),在所述气缸活塞机构A (I)的气缸上设置进气口(5 )、排气口( 6 )和供气口( 7 )，在所述进气口( 5 )、所述排气口( 6 )和所述供气口( 7 )处各设置对应的气门；在所述气缸活塞机构B (2)的气缸上设置充气口(8)和往复流通口(9);在所述气缸活塞机构C (3)的气缸上设置往复流通口(9)； 所述供气口(7)与所述充气口(8)连通，所述气缸活塞机构B (2)上的所述往复流通口(9 )经所述回热器(4 )与所述气缸活塞机构C (3 )上的所述往复流通口( 9 )连通，在所述气缸活塞机构C (3)的气缸上和/或在所述回热器(4)与所述气缸活塞机构C (3)上的所述往复流通口(9)之间通道上设置冷却器(13)； 在所述气缸活塞机构A (I)的气缸内、在所述气缸活塞机构B (2)的气缸内以及在所述供气口(7)和所述充气口(8)之间的连通通道内的至少一处设置内燃燃烧室(10)。
2.如权利要求1所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于:在所述气缸活塞机构B(2)的气缸上、在所述气缸活塞机构C (3)的气缸上、在所述供气口(7)和所述充气口(8)之间的连通通道上、在连通所述气缸活塞机构B (2)的气缸与所述气缸活塞机构C (3)的气缸的通道上的至少一处设置乏气导出口( 11)及其对应的乏气门(12)。
3.如权利要求1所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于:所述内燃燃烧室(10)设置在所述气缸活塞机构B (2)的气缸内和/或设置在所述供气口(7)和所述充气口(8)之间的连通通道内，所述气缸内燃斯特林发动机的控制机构设为使所述气缸活塞机构A (I)按照吸气冲程-压气供气冲程-余隙气体做功冲程-排气冲程的循环模式工作的控制机构。
4.如权利要求1所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于:所述内燃燃烧室(10)设在所述气缸活塞机构A (I)的气缸内，同时,还设置在所述气缸活塞机构B (2)的气缸内和所述供气口(7)和所述充气口(8)之间的连通通道内的至少一处上，所述气缸内燃斯特林发动机的控制机构设为使所述气缸活塞机构A (I)按照吸气冲程-压气供气冲程-余隙气体燃烧做功冲程-排气冲程的循环模`式工作的控制机构。
5.如权利要求1所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于:所述内燃燃烧室(10)设置在所述气缸活塞机构B (2)的气缸内和/或所述供气口(7)和所述充气口(8)之间的连通通道内，所述气缸内燃斯特林发动机的控制机构设为使所述气缸活塞机构A (I)按照吸气冲程-压气供气后排气冲程的循环模式工作的控制机构。
6.如权利要求1所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于:所述内燃燃烧室(10)设置在所述气缸活塞机构A (I)的气缸内，所述气缸内燃斯特林发动机的控制机构设为使所述气缸活塞机构A (I)按照吸气冲程-压缩冲程-燃烧供气后剩余高温气体做功冲程-排气冲程的循环模式工作的控制机构。
7.如权利要求2所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于:在所述气缸活塞机构A(I)的气缸上设置回充口(60)及对应的气门；所述乏气导出口(11)与所述回充口(60)连通。
8.如权利要求2所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于:在所述供气口(7)和所述充气口( 8 )之间的连通通道上设置单向阀(72 )，所述乏气导出口( 11)与所述供气口( 7 )和所述单向阀(72 )之间的连通通道连通。
9.如权利要求2所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于:在所述供气口(7)和所述充气口( 8 )的连通通道上设置涡轮动力机构(102 )，所述乏气导出口( 11)经叶轮压气机(101)与所述供气口(7)和所述涡轮动力机构(102)的工质入口之间的连通通道连通，所述涡轮动力机构(102)对所述叶轮压气机(101)输出动力。
10.如权利要求1至9中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于:所述气缸活塞机构A (I)、所述供气口(7)与所述充气口(8)之间的连通通道、所述气缸活塞机构B (2)、所述气缸活塞机构B (2)上的所述往复流通口(9)与所述回热器(4)之间的连通通道以及所述回热器(4)中的部分 或全部设为绝热式。
全文摘要
本发明公开了一种气缸内燃斯特林发动机，包括气缸活塞机构A、气缸活塞机构B、气缸活塞机构C和回热器，所述气缸活塞机构B与所述气缸活塞机构C构成按斯特林循环工作的动力单元，所述气缸活塞机构A为所述动力单元提供压缩气体或高温高压燃气，使得所述动力单元得以工作。本发明热效率高，有利于节约能源，且结构简单、实用性强，具有广阔的应用前景。
文档编号F02G1/053GK103104374SQ20131003207
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月28日 优先权日2012年2月2日
发明者靳北彪 申请人:摩尔动力(北京)技术股份有限公司