一种斯特林发动机控制系统的制作方法

本发明涉及一种控制系统，具体为一种斯特林发动机控制系统。

背景技术：

2007年12月，斯特林可逆热机申请中国专利并获专利权，主体结构和主要部件换热式回热器陆续也获专利权。斯特林可逆热机用作发动机，控制系统决定了斯特林发动机的安全性、经济性和操作性能。因为斯特林可逆热机结构同现有斯特林发动机结构差异大，控制系统也不能沿用现有斯特林发动机的控制系统。2011年，专利申请2011100354996提供了一种适用于斯特林可逆热机的工况控制器，并以该工况控制器为核心构建一种斯特林发动机控制系统。起动运行是在燃烧供热开始的同时，向处于等温膨胀过程的工作腔加注工质，膨胀压力增高，发动机起动。制动运行是在发动机高速运转时，向处于等温压缩过程的工作腔加注工质，发动机迅速减速。工况控制是通过同步增减处于运行状态发动机工作腔的工质和燃油空气供给量，使发动机输出功率相应增减，而热机效率保持基本不变。该控制系统以工况控制器内的压力为控制基准。其适用条件是：1、发动机制动停止运转后，供热相继停止，热量流入端和热量流出端没有温差，没有失控起动运行的热力学条件。2、发动机输出功率需要频繁变化，如汽车发动机。

但是，斯特林发动机在热量流入端和热量流出端存在温差的条件下需要保持停机状态的工作环境很多。如中国专利2013102618589所述的蓄热式太阳能斯特林发电机，在蓄热室内蓄热介质和热量流入端的换热管，白天吸收太阳能温度升高，温度没有升到工艺规定温度前，斯特林发动机必须处于停机状态。温度升到工艺规定温度后，需要保温到夜晚发电，斯特林发动机也必须保持停机状态。斯特林发动机保持停机状态最可靠的办法就是保持全部工作腔压力相等，或者保持相位差为π的两个工作腔压力相等。达到压力相等的简单办法是连通工作腔。所以，斯特林发动机控制系统就是要至少保证停机时相位差为π的两个工作腔连通，起动运行时，全部工作腔各自封闭。斯特林发动机运行的最高压力是最佳控制基准。

技术实现要素：

本发明的目的是解决斯特林发动机在热量流入端和热量流出端存在温差的条件下保持停机状态及起动停机问题，构建一种斯特林发动机控制系统，促进斯特林可逆热机的推广应用。

为了实现上述目的，本发明的方案是：其结构包括工质罐、电磁阀、止回阀、连接管、连接导线、压力传感器、相位传感器、控制器。其特征在于：工质罐经连接管连通多个电磁阀进口，各个电磁阀出口经连接管一一对应连通各个工作腔。上述电磁阀采用常闭电磁阀。各个常闭电磁阀经连接导线连接控制器。相位差为π的两个工作腔由两组连接管路并联连通，连接管路由一个电磁阀和一个止回阀串联而成，并联的两组连接管路中电磁阀进口到出口的方向相反。连接管路中的电磁阀采用常开电磁阀。各个常开电磁阀经连接导线连接控制器。压力传感器安装在工质罐上，压力传感器经连接导线连接控制器。相位传感器安装在能采集到发动机各工作腔相位信息的位置，相位传感器经连接导线连接控制器。

所述工质罐经连接管连通一个常闭电磁阀进口，常闭电磁阀出口连通斯特林发动机内腔，常闭电磁阀经连接导线连接控制器。斯特林发动机内腔工质少量泄漏时，打开电磁阀补充工质。保持斯特林发动机内腔压力，避免工作腔工质向斯特林发动机内腔泄漏。

所述工质罐上安装单向阀门。工质罐内工质压力低于斯特林发动机最高工作压力，通过单向阀门补充工质。

所述控制器置常开电磁阀和常闭电磁阀于断电状态，控制工作腔的常开电磁阀打开，相位差为π的两个工作腔连通，控制工质罐的常闭电磁阀关闭，斯特林发动机处于停机状态。控制器置常开电磁阀于通电状态，控制工作腔的常开电磁阀关闭，相位差为π的两个工作腔分为两个封闭空间。根据相位传感器采集到的斯特林发动机工作腔相位信息，对控制处于等温膨胀过程工作腔的常闭电磁阀通电，该常闭电磁阀打开，工质从工质罐进入工作腔，工作腔压力增大，斯特林发动机起动运行。该工作腔进入下一个热力学过程等容放热过程前，该常闭电磁阀断电，该常闭电磁阀关闭。下一个进入等温膨胀过程的工作腔重复上述常闭电磁阀打开关闭过程，斯特林发动机加速运行。经过数次同样的加速过程，斯特林发动机进入正常运行状态。控制器置常开电磁阀于通电状态，控制器置常闭电磁阀于断电状态，控制器结束起动控制状态，斯特林发动机进入正常运行状态。对处于正常运行状态的斯特林发动机，控制器对常开电磁阀断电，常开电磁阀打开，相位差为π的两个工作腔连通，斯特林发动机停机。

本发明的优点在于：一是充分利用了斯特林可逆热机结构紧凑整体密封的优势，遵循斯特林发动机运行的工质压力波动规律，采用电磁阀实现斯特林发动机运行起动停机控制，使斯特林发动机控制系统比内燃机控制系统简洁高效。斯特林发动机固有优势将得到充分发挥，成为全电驱动汽车和船舰的一种体积小排污少的新型动力。在垃圾及生物质发电、核发电等领域也有广阔应用前景；二是在斯特林发动机热量流入端和热量流出端存在温差的条件下，该控制系统能实现斯特林发动机停机并保持在停机状态，解决了蓄热式碟式太阳能斯特林热发电技术发展必须解决的问题，使碟式太阳能斯特林热发电技术兼备了塔式、槽式、碟式三种太阳能热发电技术的所有优点；三是控制系统结构简单，自动化程度高，运行可靠，制造成本低；四是控制系统能耗低，正常运行状态，只消耗分隔工作腔电磁阀所需电力。

附图说明

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明用于4个工作腔斯特林发动机控制系统结构图。

具体实施方式

实施例是一套用于具有4个工作腔的蓄热式太阳能斯特林发电机的控制系统。图1是该控制系统结构图。在蓄热式太阳能斯特林发电机的热量流出端，4个工作腔各自通过一个常闭电磁阀由连接管连通工质罐。常闭电磁阀进口接通工质罐，常闭电磁阀出口接通工作腔。图中方框连线箭头方向代表常闭电磁阀进口到出口方向。相位差为π的工作腔通过两组串联常开电磁阀和止回阀的连接管路并联接通，也就是工作腔1同工作腔3接通，工作腔2同工作腔4接通。两组串联常开电磁阀和止回阀的连接管路上的常开电磁阀进口到出口方向正好相反。如图1中箭头方向所示。工质罐通过一个常闭电磁阀连通斯特林发电机内腔。常闭电磁阀、常开电磁阀、压力传感器、相位传感器都用连接导线连接到控制器。

本实施例的工作过程是：斯特林发动机工作腔和内腔充有维持斯特林发动机在额定工况运行的工质量，工质罐压力保持在斯特林发动机的最高工作压力。控制器置4个常开电磁阀和4个常闭电磁阀于断电状态，控制工作腔的4个常开电磁阀打开，工作腔1同工作腔3连通，工作腔2同工作腔4连通，控制工质罐的4个常闭电磁阀关闭，斯特林发动机处于停机状态。控制器置常开电磁阀于通电状态，控制工作腔的4个常开电磁阀关闭，工作腔1、工作腔2、工作腔3、工作腔4成为各自封闭空间。根据相位传感器采集到的斯特林发动机工作腔相位信息，对控制处于等温膨胀过程工作腔1的常闭电磁阀通电，该常闭电磁阀打开，工质从工质罐进入工作腔1，工作腔1压力增大，斯特林发动机起动运行。工作腔1进入下一个热力学过程等容放热过程前，该常闭电磁阀断电，该常闭电磁阀关闭。下一个进入等温膨胀过程的工作腔2重复上述常闭电磁阀打开关闭过程，斯特林发动机加速运行。斯特林发动机逐渐进入正常运行状态，控制器置常开电磁阀于通电状态，置常闭电磁阀于断电状态，控制器结束起动控制状态。斯特林发动机进入正常运行状态。对处于正常运行状态的斯特林发动机，控制器对常开电磁阀断电，常开电磁阀打开，工作腔1同工作腔3连通，工作腔2同工作腔4连通，斯特林发动机停机。

斯特林发动机起动过程是各工作腔实现工质均衡的过程。处于停机状态的斯特林发动机工作腔1同工作腔3压力相等，工作腔2同工作腔4压力相等。如工作腔1处于等温膨胀过程，工作腔3就处于等温压缩过程。电磁阀关闭后，工作腔3内工质多于工作腔1内工质。工质罐工质注入工作腔1，工作腔1压力增大，工作腔1容积膨胀，斯特林发动机起动。工作腔1逐渐进入等容放热过程，压力减小。工作腔3也逐渐进入等容吸热过程，压力增大。因为工作腔3内工质多于正常运行所需工质，吸热后压力要高于斯特林发动机的最高工作压力，也就是工质罐压力。此时，工作腔3内工质要流入工质罐。工作腔1、工作腔2、工作腔3、工作腔4依次进入等温膨胀、等容放热、等温压缩、等容吸热4个热力学过程完成循环。如果工作腔工质少于正常运行所需工质，在等温膨胀过程中将得到来自工质罐的补充；如果工作腔工质多于正常运行所需工质，在等容吸热过程后多出的工质要回流工质罐。工质罐压力控制各工作腔最高工作压力与其相等，各工作腔工况保持均衡。工质罐压力是工况控制基准。如果工作腔泄漏，各工作腔最高工作压力都达不到工质罐压力，各工作腔最高工作压力可能不一样。工质罐压力失去工质均衡功能。