活塞型膨胀器的制作方法

本发明涉及活塞型膨胀器(pistontypeexpander)，包括这样的机器的用于转化热能的系统以及在这样的膨胀器中从气态工作流体中分离液态润滑油部分的方法。

背景技术：

已知将来自发动机的热转化成机械能的系统。已知这样的组件特别用于转化由内燃机发动机发出的热，所述热特别在排气排出的过程中耗散并且因此损失。

这样的组件受到严格的重量限制和尺寸限制。因此其倾向于变得越来越紧凑。

这些系统用工作流体操作，所述工作流体经受热力学郎肯循环，所述热力学郎肯循环包括压缩、可能通过过热补充的蒸发、在膨胀器中膨胀以及冷凝。在膨胀器中膨胀使得能够操作可移动构件(例如活塞)以便获得机械能。

由于这些膨胀器包括可移动部件，它们通常需要在可移动部件之间的机械连接件(例如轴承或更通常地接触表面)处使用润滑油。

特别感兴趣的是包括如下膨胀器的系统：所述膨胀器包括用于加压气态工作流体的进气汽缸盖、包括多个汽缸的膨胀区域、包括液态润滑油的曲轴箱，其中在每个各自的汽缸中滑动的活塞通过机械连接件连接至轴，所述机械连接件设置在所述液态润滑油中。

工作流体在初级回路中循环，并且润滑油本身限制于曲轴箱。

源自该结构的一个问题是工作流体有可能朝向曲轴箱迁移，相反地润滑油有可能朝向初级回路迁移。

事实上，曲轴箱内润滑区域中工作流体的存在造成润滑质量的劣化。工作流体因此可能冷凝和稀释润滑油，可能影响润滑油的粘度和润滑性质。

此外，润滑油朝向初级回路泄漏造成各种不利影响。

首先，机械连接件处的润滑油的量减少，这可能造成可移动部件的磨损和劣化。

此外，通常使用的润滑油不适合暴露于高温(例如工作流体暴露的高温)，柴油车辆的排气例如能够达到约500℃的温度。初级回路中某一点处的温度因此可能具有例如约250℃的高温。润滑油则有可能分解，因此膨胀器中可能缺失润滑油。其分解还可能造成对系统有害的化学化合物的形成。其结果是需要频繁的维修。

最后，在初级回路中循环的大量油将破坏换热器(蒸发器和冷凝器)的换热性能并且将增加回路中的压头损失。

关于紧凑性的日益增加的要求造成从润滑油分离工作流体的面积减少，这增加了这些问题。

初级回路中的润滑油的比例由ocr(“油循环率”的首字母缩略词)限定。

为了降低ocr，已知在膨胀器的排出装置处安装分离器，其目的是在该膨胀器的排出装置处回收工作流体中包含的液体部分，该液体部分主要为润滑油。

然而，所述分离器不利于系统的紧凑性。此外，这样的分离器昂贵。

技术实现要素：

本发明的一个目的是设计能够降低ocr的膨胀器。

根据本发明，提出活塞型膨胀器，所述膨胀器包括：

-进气汽缸盖，所述进气汽缸盖用于压力下的气态工作流体并且包括用于所述工作流体的进气开口，

-膨胀区域，所述膨胀区域连接至进气汽缸盖并且包括多个汽缸，其中在每个各自的汽缸中滑动的活塞通过机械连接件连接至轴，每个汽缸包括至少一个排气口，经膨胀的气态工作流体能够通过所述排气口从膨胀区域中排出，

-曲轴箱，所述曲轴箱被设计成包含液态润滑油，所述机械连接件设置在所述液态润滑油中，

-腔体，所述腔体设置在膨胀器中并且连接至所述排气口，通往膨胀器的用于经膨胀的气态工作流体的排气开口，所述腔体被设计成引导经膨胀的工作流体携带一部分液态润滑油流动，所述腔体具有与曲轴箱共同的壁。

所述腔体有助于从经膨胀的气态工作流体中分离液体润滑油部分。

在本文中，术语“上部”、“上方”或“高点”和相反地“下部”、“下方”或“低点”必须相对于膨胀器的正常使用位置进行理解。

术语“膨胀器的长度”被理解为平行于连接至活塞的轴的尺寸。

特别有利地，腔体包括用于从气态工作流体中分离液态润滑油的机械装置。所述分离装置可以包括至少：一个被设计成造成流动中的旋转和/或湍流的系统、聚结器、导流器和/或挡板。

根据一个实施方案，所述机械分离装置包括聚结器，所述聚结器形成腔体的整体部分。

特别有利地，腔体进一步被设置成将经膨胀的气态工作流体的流动减慢。

根据一个实施方案，腔体沿纵向分成两个不同的室。

此外，腔体可以有利地包括用于冷却与曲轴箱共同的壁的装置。所述冷却装置可以包括翅片，所述翅片从与曲轴箱共同的壁延伸进入腔体。

根据一个实施方案，所述膨胀器为轴向的，每个活塞与轴之间的机械连接件包括倾斜板，每个活塞平行于所述轴。

根据该轴向膨胀器的一个实施方案，活塞为双动式的，膨胀器包括在膨胀器任一侧上的两个膨胀区域和用于经膨胀的工作流体的单个排气开口，并且腔体连接至两个膨胀区域的排气口并且连接至排气开口。

根据轴向膨胀器的另一个实施方案，活塞为双动式的，膨胀器包括在膨胀器任一侧上的两个膨胀区域和用于经膨胀的工作流体的两个排气开口，并且腔体沿纵向分成两个不同的室，每个室连接至两个膨胀区域并且连接至排气开口。

根据轴向膨胀器的另一个实施方案，活塞为双动式的，膨胀器包括在膨胀器任一侧上的两个膨胀区域和用于经膨胀的工作流体的两个排气开口，并且每个室连接至各个膨胀区域的排气口并且连接至与所述膨胀区域相对的排气开口。

优选地，活塞为十字头活塞，每个十字头通过引导件引导，所述引导件设置在曲轴箱的形成排气区域与曲轴箱之间的分隔件的壁中。

优选地，腔体包括至少一个开口，所述开口被设计成允许液态润滑油返回至曲轴箱。

此外，曲轴箱有利地包括用于气态工作流体朝向排气开口的疏散开口。

另一个主题涉及用于转化来自内燃机发动机的热能的系统，包括如上所述的膨胀器和用于从工作流体中分离润滑油的单个设备，所述设备设置在膨胀器的腔体中。

另一个主题涉及在活塞型膨胀器中从气态工作流体中分离液态润滑油部分的方法，包括：

-通过进气开口使压力下的气态工作流体进入进气汽缸盖，

-在膨胀区域中使所述气态工作流体膨胀，所述膨胀区域连接至进气汽缸盖并且包括多个汽缸，其中在每个各自的汽缸中滑动的活塞通过机械连接件连接至轴，通过液态润滑油润滑所述机械连接件，

-通过设置在每个汽缸中的至少一个排气口排出经膨胀的气态工作流体，

-在腔体中使经膨胀的工作流体携带一部分液态润滑油流动，并且在所述腔体中从经膨胀的气态工作流体中分离液体润滑油部分，所述腔体设置在膨胀器中并且连接至所述排气口并且通往膨胀器的用于经膨胀的气态工作流体的排气开口。

附图说明

通过如下详细说明参考附图显示本发明的其它特征和优点，在附图中：

-图1为郎肯回路的示意图，

-图2为根据本发明的实施方案的轴向膨胀器外部的立体图，

-图3为图2的轴向膨胀器内部的纵向截面图，

-图4为设置在所述轴向膨胀器中的分离腔体的横向截面图，

-图5a和图5b为根据本发明的两个变体实施方案的具有双动式活塞的轴向膨胀器外部的立体图，

-图6a和图6b为根据本发明的两个变体实施方案的具有单动式活塞的轴向膨胀器外部的立体图，

-图7a和图7b分别为具有包括两个串联汽缸的构造的膨胀器的横向截面图和纵向截面图。

具体实施方式

图1显示了实施郎肯热动力循环(rankinethermodynamiccycle)的回路。

该图中显示了包括工作流体的回路1，该回路1包括：

-泵2，通常为被设计成传送工作流体流动的泵，所述工作流体在所述泵的排出装置上建立40巴(bar)的压力；

-第一换热器3，所述第一换热器3在下文中被称为“蒸发器”；

-膨胀器4；

-第二换热器5，所述第二换热器5在下文中被称为“冷凝器”；

-旁路设备6。

泵2向蒸发器3供应通常约40巴的压力下的液态工作流体。

蒸发器3设置在高温介质中，因此完成该高温介质与工作流体之间的换热使得工作流体蒸发并且转变成气态。

离开蒸发器3的工作流体因此为气态并且处于压力下。

工作流体然后经过膨胀器4，在膨胀器4中发生膨胀。

工作流体在膨胀器4中的膨胀牵涉到可移动装置(例如旋转机械轴)，因此允许回收工作流体的能量。

可移动装置有利地联接至内燃机发动机的轴，以便再引入机械转矩。可移动装置还可以联接至能量转化装置(例如发电机)，以便允许将源自膨胀的能量转化成电能。

离开膨胀器4的工作流体因此为气态并且处于低压(通常约2.2巴)下。

工作流体然后经过冷凝器5，所述冷凝器5设置在低温介质中以便完成工作流体与该低温介质之间的换热以降低工作流体的温度，并且使其恢复液态。

离开冷凝器5的工作流体因此为液态并且处于低压(通常约2.2巴)下。工作流体然后通过泵2再注入回路1并且重复之前描述的循环。

进一步显示回路1包括旁路设备6，所述旁路设备6被设计成能够取出膨胀器4上游的全部或一部分工作流体并且在膨胀器4下游将其再注入回路1，因此充当膨胀器4的短路。所述设备通常被称为“旁路”。

这样的旁路设备6有利的用在回路1的起始阶段从而允许建立回路1中的温度和压力条件和/或实现曲轴箱17中的温度升高，或者在需要的情况下调节回路1的操作。

图2显示了膨胀器4(在下文中也被称为“机器”)的立体图。

在图2至图3中，膨胀器为包括双动式活塞(即在两侧工作)的轴向膨胀器，所述双动式活塞驱动轴42。在该非限制性实施例中，膨胀器包括两个进气开口40和两个排气开口41，所述两个进气开口40设置在机器两个相对端部处并用于压力下的气态工作流体，所述两个排气开口41设置在机器高点处并用于经膨胀的气态工作流体。

然而本发明还适用于如下轴向膨胀器：所述轴向膨胀器包括单动式活塞并且在该情况下存在用于压力下的气态工作流体的一个进气开口和用于经膨胀的气态工作流体的一个或两个排气开口。

然而本发明不限于轴向膨胀器而且更通常地也适用于包括活塞的任何膨胀器，所述活塞在汽缸中滑动并且通过经润滑的机械连接件连接至轴，例如具有包括两个串联汽缸的构造的膨胀器。

通常地，所有活塞连接至相同的轴。

图3显示了轴向膨胀器4的结构的实施例。

高压工作流体通过每个进气开口40进入膨胀器4的汽缸盖9(其内部结构未显示)，然后经过进气设备到达膨胀区域11。该膨胀区域11包括汽缸13，所述汽缸13中容纳活塞14，所述活塞14的周围装配有密封元件15。

活塞14连接至倾斜板16，所述倾斜板16旋转连接至轴，从而根据轴的和倾斜板16的旋转限定活塞的上止点和下止点，所述上止点和下止点分别对应于活塞在其壳体13中最收缩的位置和活塞从其壳体13伸出最多的位置。

膨胀区域11的内部体积被限定，所述内部体积根据活塞14的位置而变化。当活塞14在上止点时该内部体积达到其最小值，当活塞14在下止点时该内部体积达到其最大值。

进气设备被构造成当活塞14基本上在其上止点的时候注入压力下的气态工作流体。

膨胀区域11的体积则达到其最小值。气态工作流体的膨胀造成膨胀区域11的体积的增加并且因此产生活塞14的位移，所述位移造成倾斜板16的旋转直至活塞14达到其下止点。

一旦达到下止点，目前处于低压下的气态工作流体通过设置在膨胀区域11中并且连接至排出导管21的口12排出，有利地仅当活塞14位于下止点的时候才能接近这些口12。

在所显示的实施方案中，倾斜板16连接至活塞14从而形成旋转斜盘(swashplate)。该连接能够将活塞14的交替平移运动转换成倾斜板16的旋转移动，并且因此转换成连接至倾斜板16的轴42的旋转移动。

该旋转斜盘设置在膨胀器4的曲轴箱17中，包括液体润滑油从而确保活塞14与倾斜板16之间的连接件的润滑，并且还确保允许轴和倾斜板16旋转的机械轴承的润滑。

一定体积的液体润滑油设置在曲轴箱17的底部，使得可以通过由泵(所述泵供应待润滑的机械区域)造成的油循环确保连续润滑；油然后通过重力落入曲轴箱17的底部，然后通过泵再注入。

出现的情况是工作流体蒸汽泄漏进入曲轴箱17并且相反地润滑油泄漏进入膨胀区域11或位于口12下游的排气区域。

为了克服源自所述泄漏的问题，曲轴箱17装配有疏散开口18，由于疏散开口18造成的这两个区域之间的压力的平衡，允许将曲轴箱17中存在的工作流体蒸汽从曲轴箱17朝向排气开口41循环。所述开口以及将油保持在大于工作流体的冷凝温度的温度下，因此避免了曲轴箱中工作流体蒸汽的积累、其在润滑油中的冷凝以及由此造成的前文提到的问题。可以通过对曲轴箱17钻孔从而形成疏散开口18。

在图3中显示的实施方案中，活塞为十字头活塞。活塞14的每一侧包括具有大致薄盘形状的头部14a，活塞14的主体14b为直径小于头部直径的杆。通过设置在曲轴箱17的壁中的引导件19而平移引导所述杆。例如相比于筒式活塞，在较小的直径上实现活塞的杆的引导能够限制从曲轴箱中泄漏的润滑油的量。来自曲轴箱17的可能的润滑油泄漏通过杆引导件19进入排出导管21。该导管的低点处设置有用于朝向曲轴箱17的底部回收润滑油的通道20。一部分泄漏的润滑油直接收集在排出导管21中，一部分被排出蒸汽携带。因此出于该原因优选十字头活塞，但是本领域技术人员能够使用其它类型的活塞而不脱离本发明的范围。十字头活塞因此不具有充分润滑的益处但有利地装配有由陶瓷或聚合物制成的部段形式的密封装置15。

此外，为了允许从经膨胀的工作流体中分离从曲轴箱中泄漏的润滑油，膨胀器包括腔体43，所述腔体43与排气口流体连接并且通往排气开口41。腔体43有利地在机器的长度上延伸。

选择机器的操作条件使得经膨胀的工作流体f流入该腔体43，该腔体43包含气体部分(主要由工作流体组成)和液体部分(主要由润滑油l组成)。当工作流体为乙醇时，离开排气口的乙醇蒸汽通常处于2.2巴的压力和115℃的温度下。在这些条件下，乙醇蒸汽被称为过热的并且不具有乙醇液滴。润滑油本身在130℃的温度下循环。通过这种方式，乙醇蒸汽不会因为与润滑油接触而冷凝。施加的操作条件将排出蒸汽维持于过热状态下并且在考虑的压力下将润滑油维持于大于蒸汽的饱和温度的温度下。

腔体43被构造成通过利用气态工作流体与液体润滑油之间的密度差异从而从蒸汽流动中分离润滑油。

腔体43可以包括能够从气相中分离液相的机械分离装置。在这些分离装置中可以提到旋风分离系统，其中进入流正切地到达腔体的壁，产生涡流，所述涡流使密度大于蒸汽的液体粒子离心。根据相似的原则，也可以提到具有螺旋结构的系统，所述螺旋结构通过改变流动方向从而在流动上施加涡流运动。

还有可能提到使用挡板或导流器的系统，所述挡板或导流器造成流动方向的一个或多个变化。具有较大密度的液体粒子的惯性较大并且不太适合突然的方向改变；这些粒子然后会撞击壁并且从壁冲出。

聚结器系统代表分离的另一种可能性。其由多孔过滤器组成，所述流动经过所述多孔过滤器。最大液滴撞击过滤器的输入部，最小液滴连同经过弯曲路径的蒸汽一起进入过滤器。最小液滴最后撞击过滤器。随着润滑油液滴积累在过滤器中，它们融合在一起，然后通过重力脱离并落下。

腔体43设置在膨胀器4的位于曲轴箱17中油的液面上方的区域中，使得经分离的液体部分朝向流动的上游流动。开口44有利地设置在腔体43的低点从而允许润滑剂l返回至曲轴箱17。

此外，腔体43的流动面积有利地尽可能的大从而针对排出蒸汽的给定流速降低流动速度。

有利地，腔体43被设置成腔体中的工作流体的路径长度尽可能的长，从而一方面能够插入更有效的机械分离装置，另一方面增加所述分离腔体中的流动通过时间。

根据预期的分离质量，本领域技术人员可以使用任何已知的分离装置，可以组合多种装置。

此外，如图4中所示，可以通过将腔体43分成两个各自沿着机器4的长度设置的不同的室43a、43b从而改进分离。相比于单个腔体，两个室提供用于插入机械分离装置的增加的空间和更大的流动面积，因此提供更大的减速效果。

根据一个实施方案，这两个室可以连接至机器的两个膨胀区域，每个室通往各个排气开口。

根据一个优选的实施方案，每个室连接至各个膨胀区域并且连接至各个排气开口。在该情况下，有利的设置是：开口设置在机器每个端部的附近并且每个室连接至设置在与排气口相对侧上的膨胀区域的口。因此，使经膨胀的工作流体行进的长度最大化，如图2中通过箭头示意性所示。

根据一个实施方案，通过金属聚结过滤器45的存在完成或辅助分离(参见图3)。有利地，该过滤器45、腔体43和曲轴箱17由通过铸造制成的单个部件组成。聚结过滤器因此为与结构成整体的金属泡沫。

根据一个实施方案，通过涡流的存在完成或辅助分离。可以通过与腔体(旋风分离系统)的壁正切进入的流动或者通过位于腔体入口的螺旋部件46的位置产生该涡流(参见图3)。

根据一个实施方案，通过导流器(未显示)的存在完成或辅助分离，所述导流器改变蒸汽流动的轨迹并且收集撞击在导流器上的润滑油液滴。

腔体43的另一个作用是该腔体具有与曲轴箱17共同的壁47并且围绕曲轴箱的至少一部分，在腔体中循环的经膨胀的工作流体能够通过该壁47换热从而冷却曲轴箱17中包含的油。例如，当工作流体为乙醇时，其在经过腔体的过程中在膨胀状态下的温度为约115℃。曲轴箱中存在的润滑油本身特别由于摩擦而可能升高至140℃的温度，但是通过乙醇蒸汽恒温控制的壁47能够降低该温度。

随着共同的壁47的表面的增大，该冷却效果增加。因此，图4中显示的腔体43分成两个不同室43a、43b的实施方案从该角度来看也是有利的。

有可能通过在腔体中设置补充冷却装置而进一步增强冷却效果。

例如，这些补充装置可以包括从与曲轴箱共同的壁延伸的翅片48(参见图4)，从而增大换热表面积。

这些补充装置既可以实现分离功能又可以实现冷却功能。挡板也可以充当冷却翅片；同样地，金属聚结过滤器扩展显著的换热表面积。

膨胀器4可以以两个半壳4a、4b的形式实现，所述半壳4a、4b沿着横穿机器的平面p连接，每个半壳包括一个进气区域40和一个排气开口41。

换言之，上述腔体因此构成与机器形成整体的分离构件。

因此无需在热能转换系统中设置不同的分离构件。

因此，保持了热能转换系统的紧凑性。

另一方面，分离装置与膨胀器成为整体的事实还能够降低系统的成本。

最后，该布置能够冷却润滑油并保持其整体性且确保在已知和连续的粘度下操作。

图5a至图6b显示了根据本发明的轴向膨胀器的其它实施方案。箭头显示了腔体中的朝向排气开口的流动。无论进气开口或排气开口的数量如何，机器可以由沿着横向平面的两个半壳组成。

图5a和图5b显示了包括双动式活塞的轴向膨胀器的另外两个实施方案。

在所述机器中，存在两个用于压力下的工作流体的进气开口40，所述进气开口40设置在机器的两个相对端部处。

在图5a的情况下，存在单个排气开口41，所述排气开口41基本上设置在机器的中部。腔体43(未显示)在排气开口41与设置于机器每端的两个膨胀区域的排气口之间延伸。因此无论来自哪个膨胀区域，工作流体行进的距离基本上相同。

在图5b的情况下，存在两个排气开口41，所述排气开口41基本上设置在机器的中部。腔体分成两个纵向室，所述纵向室在设置于机器每端的两个膨胀区域的排气口之间延伸并且各自通往各个排出开口41。

图6a和图6b显示了包括单动式活塞的轴向膨胀器的两个实施方案。

在所述机器中，存在单个用于压力下的工作流体的进气开口40，所述进气开口40设置在机器的第一端部处。

在图6a的情况下，存在单个排气开口41，所述排气开口41优选设置在机器的与第一端部相对的第二端部上。腔体43(未显示)在朝向第一端部设置的膨胀区域的排气口与设置在第二端部处的排气开口之间延伸。

在图6b的情况下，存在两个排气开口41，两个排气开口41都设置在机器的第二端部处。腔体分成两个纵向室，每个室通往排气开口41。

根据图7a和图7b中显示的另一个实施方案，膨胀器4具有包括两个串联汽缸的构造，活塞通过常规的连接杆-曲轴连接件连接至发动机轴。所述连接件包含在具有液态润滑油的曲轴箱17中。分离腔体43沿着膨胀器的长度(即平行于曲轴的轴线)设置。该腔体43连接至排气口12并且通往机器的排气开口41处的机器高点。

腔体43可以包括机械分离装置(未显示)，例如导流器、挡板或文丘里效应螺旋。

通道44能够使沉积在所述腔体的壁上并且通过重力积累在低点的润滑油朝向油槽流走。

通道49还设置在曲轴的曲轴箱17与分离腔体43之间，允许这两个区域之间的压力平衡并且允许工作流体蒸汽朝向排气开口流动，由此避免其积累在曲轴箱中。