CN101413461A - 一种斯特林发动机工质系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斯特林发动机工质系统，包括控制模块、机内工质系统和机外工质系统，机外工质系统包括气源、补气系统、工作瓶、进气系统、排气系统、短路系统；进气系统的进口与工作瓶相连，出口与发动机的低压工作腔相连，用于从工作瓶向发动机补充工质；排气系统的进口与发动机的高压工作腔相连，出口与工作瓶相连，用于将发动机排出的工质增压后储存到工作瓶；短路系统的两端分别与发动机的低压腔和高压腔相连，中间串联短路电磁阀，用于进行短路控制；该系统能适用于多种斯特林发动机，特别是工况变换频繁的，能利用氢气、氦气等多种工质，工质排出后可以回收利用，具有可靠性高、安全性好、运行成本低的特点。

Description

一种斯特林发动机工质系统

技术领域

本发明涉及斯特林发动机，尤其是关于斯特林发动机工质系统。

背景技术

斯特林发动机是一种采用外部热源加热的闭式循环往复式斯特林发动机，气体工质被封闭在一个闭式循环回路中，按斯特林循环，在较低的温度和压力下受压缩，在较高的温度和压力下膨胀做功。斯特林发动机主要由工质系统、加热系统、传动系统、监控系统等组成，其中工质系统是斯特林发动机的核心系统之一，一般由机内工质系统、机外工质系统和控制模块组成，机内工质系统布置在斯特林发动机内部，包括低压工作腔(冷腔)、高压工作腔(热腔)，以及由加热器、回热器、冷却器、机身等内部连通的系统组成，是工质进行斯特林循环的通道。机外工质系统包括气源和补气系统，用于对机内工质系统补充工质。工质种类一般为氦气、氢气、空气、氮气等环保性气体，其中由于氦气、氢气工质具有传热性好、效率高的特点，被普遍采用。工质系统的密封一般采用活塞杆无油润滑密封结构，由于氦气、氢气工质具有较强的泄漏特性，且工作压力往往高达15MPa以上，不可避免地存在泄漏问题，目前控制较好地泄漏率为5-20NL/h，因此需要定期向机内补充工质。

美国STM公司研制的25～50kW斯特林发动机，采用燃用天然气、沼气、垃圾填埋气等为燃料，工质为氢气，氢气补充通过一套电解水氢气发生装置产生，气体的增压采用氢增压装置实现，氢增压利用贮氢材料随温度变化进行贮氢与释放氢气的原理进行，增压比可以达到20～30。该类型斯特林发动机主要用于分布式供热发电，基本采用恒功率工作方式，通过调节气体的供给量来控制斯特林发动机加热管壁的温度，斯特林发动机启动时给机内补充足够工质，当运行过程中，机内工质泄漏，压力不够时，通过补气系统进行补充。该系统具有简单，且水资源取得容易，方便补给的优点，但存在如下局限性：

a)该系统采用调节燃气量控制斯特林发动机加热管温度，控制精度不高，响应速度慢，降负荷或停车时排出的工质不回收，造成一定的浪费，也影响安全性。

b)该系统不适用于斯特林发动机工况调节比较频繁、斯特林发动机加热管温度依靠工质压力进行控制的场合，如车用、船用斯特林发动机斯特林发动机，需要频繁进行负荷调节，加热管温度控制是通过调节进出机内工质的量(或压力)来实现的。

c)该系统只适用于氢气工质系统，无法实现于氦气工质系统，由于氢气工质对使用环境条件有较高的安全性要求，对于如密闭场合、艇用等环境就不适合。

d)该系统产生氢气或增压会消耗一定的电能，难于形成独立的供电系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种斯特林发动机工质系统，解决目前的系统对加热管温度控制精度低、响应速度慢，工质排出不回收，工质种类使用局限于氢气，难于适用于工况变换频繁的斯特林发动机等技术问题，其具有对多种工质的适用性、适用于工况变换频繁的斯特林发动机、工质气体排出后可以循环利用等优点。

本发明的目的是通过以下的技术方案来解决的：

一种斯特林发动机工质系统，包括与斯特林发动机相连的控制模块、机内工质系统和机外工质系统，机外工质系统包括气源和补气系统，所述的机外工质系统还包括工作瓶、进气系统、排气系统、短路系统；进气系统的进口与工作瓶相连，出口与斯特林发动机的低压工作腔相连，用于从工作瓶向斯特林发动机工作腔补充工质；排气系统的进口与斯特林发动机的高压工作腔相连，出口与工作瓶相连，用于将斯特林发动机排出的工质增压后储存到工作瓶；短路系统的两端分别与对斯特林发动机的低压腔和高压腔相连，中间串联短路电磁阀，用于进行短路控制，防止斯特林发动机飞车时转速过高。

上述的斯特林发动机工质系统，在所述的工作瓶或出口管路上、补气瓶或其出口管路上、斯特林发动机的低压腔或与其连接的管路上、斯特林发动机的高压腔或与其连接的管路上，设置有与控制模块相连的工质压力测量装置；在所述的进气系统、排气系统、短路系统、补气系统管路上设置有与控制模块相连的电磁阀；控制模块根据斯特林发动机的运行工况和上述所测工质压力值，程序控制相应电磁阀的关、断，自动控制工质的进气、排气、短路、补气操作。

上述的斯特林发动机工质系统，所述的进气系统从工作瓶通过单向阀、进气电磁阀与斯特林发动机低压工作腔相连；所述的排气系统从斯特林发动机高压工作腔依次通过排气电磁阀、压缩机、单向阀与工作瓶相连；所述的短路系统从斯特林发动机低压工作腔通过短路电磁阀与其高压工作腔相连。

上述的斯特林发动机工质系统，所述的压缩机为活塞式压缩机，通过斯特林发动机的曲轴或输出轴驱动。

上述的斯特林发动机工质系统，所述的压缩机为活塞式压缩机，通过斯特林发动机的曲轴或输出轴驱动。

上述的斯特林发动机工质系统，所述的气源通过高压补气瓶提供，补气系统包括从补气瓶直接向工作瓶补充工质的管路一和通过斯特林发动机向工作瓶补充工质的管路二；管路一从补气瓶依次通过球阀或电磁阀、单向阀与工作瓶相连；管路二从补气瓶依次通过球阀、补气电磁阀、减压阀、单向阀、节流元件与斯特林发动机的低压工作腔相连。

上述的斯特林发动机工质系统，在所述的排气系统管路上设置有安全阀或溢流阀。

上述的斯特林发动机工质系统，在所述的排气系统管路上，压缩机出口设置有滤器。

总之，本发明具有下列优点：

1、该工质系统适用于氢气、氦气等多种工质，气源还可以采用气瓶供气的方式。

2、斯特林发动机加热管壁温度的控制可以通过增减工质来调节，控制精度高、响应速度快，适用于工况变换频繁的场合，且排出的工质通过机带压缩机进行回收利用，减小了工质消耗，提高了经济性。

3、增加了短路系统，防止飞车导致转速过高，提高了斯特林发动机的可靠性。

附图说明

图1是本发明的工质系统原理图。

具体实施方式

美国STM公司公开斯特林发动机工质系统，仅适用于氢气工质，其包括机内工质系统、控制模块和机外工质系统，机外工质系统由氢气发生装置、氢气增压装置和补气管路组成，功能是将产生的氢气增压过滤后输送到斯特林发动机机内工质系统，从氢气发生装置到斯特林发动机依次连接有氢气增压装置、单向阀、球阀或电磁阀、滤器等设备和阀件，与机内工质系统排气管路相连接有放气阀，可以是手动球阀或电磁阀，用于排出机内工质。氢气发生装置采用电解水产生氢气的原理产生氢气，氢气增压装置利用贮氢材料在低温低压下贮存氢气，在高温高压下释放氢气的原理进行氢气增压，增压比可以达到20～30。如STM公司研制的某型氢气发生装置产氢压力约0.4MPa，增压后为10～11MPa，增压比超过25，可以满足斯特林发动机低压工作腔压力，即冷腔压力为10MPa以下的斯特林发动机。

上述的工质系统采用氢气工质，由电解水获得，原理简单，系统布置紧凑，且原料——水，随处可得，十分方便。但该工质系统存在如下缺点：不适用于其他种类的工质，如氦气；排出的工质不能循环利用，浪费较大，经济性差，还存在一定安全性问题。此外，电解水、氢增压过程需要消耗一定的电能，该系统很难用于没有外接电源的独立供电系统，如车用、野外、孤岛等没有电源的条件。

图1是本发明的一个实施例。该系统由控制模块1、机内工质系统和机外工质系统组成，机外工质系统包括气源、补气系统、工作瓶13、进气系统、排气系统、短路系统。外围进气系统、排气系统、短路系统和工作瓶13与机内工质系统相连，形成一套完整的工质调节系统，在控制模块1的控制下，可以根据斯特林发动机2的工况、负荷、加热器管壁温度等控制要求，自动控制工质的进气和排气，调节斯特林发动机2工作腔的工质压力，即工质质量；还可以根据斯特林发动机2转速变化情况，判断是否发生飞车故障，是否需要进行进气和排气压力的短路操作，防止转速过高，影响斯特林发动机2的安全性和可靠性。

本发明进气系统的进口与工作瓶13相连，出口与斯特林发动机2的低压工作腔相连，用于从工作瓶13向斯特林发动机2工作腔补充工质。从工作瓶13到斯特林发动机2依次连接有滤器10、气瓶电磁阀20、单向阀22、进气电磁阀24、进气压力传感器26等设备和阀件，工作瓶13上或出口管路上设置有压力传感器12，还可以装有压力表。进气电磁阀24和气瓶电磁阀20用于控制工作瓶13向机内进气。

木发明排气系统的进口与斯特林发动机2的高压工作腔相连，出口与工作瓶13相连，用于将斯特林发动机2工作腔排出的工质增压后储存到

作瓶13。从斯特林发动机2排气口到工作瓶13依次连接有排气压力传感器3、排气电磁阀4、单向阀6、压缩机7、滤器8、单向阀9等设备和阀件。在排气出口管路上和压缩机7出口管路上还可以布置有溢流阀或安全阀，防止压力超高影响安全。排气压力传感器3用于监测斯特林发动机2的排气压力，亦即斯特林发动机2高压工作腔的工质压力；排气电磁阀4用于控制机内向外排出工质；压缩机7用于将斯特林发动机2排出的工质增压后贮存到工作瓶13。压缩机7为活塞式压缩机，通过斯特林发动机2的曲轴或输出轴驱动，也可以直接连接到曲轴的曲拐上，当然也可以通过电机或其他的方式驱动。滤器用于对从压缩机7排出的工质进行过滤，防止油污进入工作瓶13污染工质，影响斯特林发动机2的工作效率。单向阀6、9防止气体反向流动。

为保证机内工质的纯度，在斯特林发动机2维修后、或首次使用时需要对机内工质进行置换吹扫，此外当斯特林发动机2起动时若机内工质过高时也需要放出一定的工质，因此在斯特林发动机2的排气出口或其管路上布置了一个放气球阀或放气电磁阀27，用于手动或自动放气。

上述的系统工作原理是这样的：斯特林发动机2在起动前，控制模块1自动检测机内工质压力，此时斯特林发动机2的压比为1，排气压力等于进气压力，即高压工作腔或低压工作腔压力平衡，若低压工作腔压力低于设定值，气瓶电磁阀20、进气电磁阀24开启，通过工作瓶13自动向机内补充工质，达到设定值后关闭；若低压工作腔压力高于设定值，系统提示通过排气球阀手动或放气电磁阀27自动开启放出一定工质。同样，当斯特林发动机2负荷增加，或加热器管壁温度超过设定限值，需要向机内补充工质时，在程序控制下气瓶电磁阀20、进气电磁阀24自动开启，由工作瓶13向机内补充一定量的工质。反之，当停车或降负荷，或加热器温度明显低于设定限值时，需要向外排出一定的工质时，排气电磁阀4开启，从斯特林发动机2高压工作腔排出一定的工质，并通过压缩机7增压后贮存到工作瓶13。

上述的系统既可以实现对机内工质泄漏的补充，又可以实现对机内工质压力进行精确调节，通过对工质压力的调节来控制斯特林发动机2的加热器管壁温度，实现燃油、加热器管壁温度、机内工质压力、斯特林发动机2功率的闭环调节功能，该系统具有控制精度高、响应速度快、可靠性好的特点。此外，从斯特林发动机2排出的工质不是直接排往大气，而是通过压缩机7增压后再贮存到工作瓶13，避免了工质浪费，特别是对于价格较高的氦气来说，对经济性也是有益的，可以降低运行成本。

本发明还设置了一个短路系统，其两端分别与对斯特林发动机2的低压腔和高压腔相连，中间串联一个短路电磁阀5，用于进行短路控制，防止斯特林发动机2飞车时转速过高。其工作原理是：当斯特林发动机出现负载突卸等意外情况时，其转速快速上升，对传动部件损害巨大，为防止此类事故发生，控制模块1会判断是否为飞车故障，若是，通过程序控制短路电磁阀5快速开启，将斯特林发动机2的低压腔和高压腔短路，压力快速平衡，转速快速降到零，以保护斯特林发动机2。

本发明还有一套从气源到斯特林发动机2或/和工作瓶13的补气系统，用于向斯特林发动机2或工作瓶13补充工质，气源可以采用补气瓶15供气或采用气体发生装置或外围管路集中供气的方式，适用于氢气、氦气等多种工质气体。本实施例采用了补气瓶15供气的方式，从补气瓶15到斯特林发动机2低压工作腔连接有滤器16、球阀18、补气电磁阀19、减压阀21、单向阀23、节流元件25等设备和阀件，在补气瓶15上或出口管路上还可以连接有压力传感器14和压力表。补气电磁阀19用于控制模块1自动补气，减压阀21用于对来自补气瓶15的高压工质减压后供给斯特林发动机2，防止高压气体对机内工质系统造成大的扰动或冲击；节流元件25用于防止补气过快，斯特林发动机2加热器管壁温度下降过快，造成停车等问题，提高补气的平稳性。上述补气方式可以采用手动方式，也可以自动方式。该补气系统还有一条从补气瓶15向工作瓶13直接补气的支路，沿程设备依次是球阀17或电磁阀，还可以设置一个滤器和单向阀11。其工作原理是：斯特林发动机2工作时，控制模块1自动检测工作瓶13和补气瓶15工质压力，当工作瓶13工质压力低于设定值时，就会发出报警提示进行手动补气或程序控制自动进行补气。若补气瓶15工质压力高于工作瓶13工质压力，则通过补气瓶15直接向工作瓶13补气。反之，则通过斯特林发动机2向工作瓶13补气，即将来自补气瓶15内的工质通过压缩机7增压后补充到工作瓶13，补气可以人工手动进行，或程序控制自动打开补气电磁阀19向工作瓶13补气。

本发明把机外工质系统设计成一套补气系统和一套从工作瓶到斯特林发动机的进气系统、排气系统和短路系统，其中工作瓶、进气系统、排气系统和短路系统可以集成到斯特林发动机发电机组模块中，结构紧凑，气源和补气系统可以布置到外围，多个斯特林发动机发电机组模块可以共用。该系统适用多种斯特林发动机系统和多种工质，具有可靠性高、安全性好、运行成本低的特点。

Claims (9)

1、一种斯特林发动机工质系统，包括与斯特林发动机(2)相连的控制模块(1)、机内工质系统和机外工质系统，机外工质系统包括气源和补气系统，其特征在于：所述的机外工质系统还包括工作瓶(13)、进气系统、排气系统、短路系统；进气系统的进口与工作瓶(13)相连，出口与斯特林发动机(2)的低压工作腔相连，用于从工作瓶(13)向斯特林发动机(2)工作腔补充工质；排气系统的进口与斯特林发动机(2)的高压工作腔相连，出口与工作瓶(13)相连，用于将斯特林发动机(2)排出的工质增压后储存到工作瓶(13)；短路系统的两端分别与对斯特林发动机(2)的低压腔和高压腔相连，中间串联短路电磁阀(5)，用于进行短路控制，防止斯特林发动机(2)飞车时转速过高。

2、根据权利要求1所述的斯特林发动机工质系统，其特征在于：在所述的工作瓶(13)或出口管路上、补气瓶(15)或其出口管路上、斯特林发动机(2)的低压腔或与其连接的管路上、斯特林发动机(2)的高压腔或与其连接的管路上，设置有与控制模块(1)相连的工质压力测量装置；在所述的进气系统、排气系统、短路系统、补气系统管路上设置有与控制模块(1)相连的电磁阀；控制模块(1)根据斯特林发动机(2)的运行工况和上述所测工质压力值，程序控制相应电磁阀的关、断，自动控制工质的进气、排气、短路、补气操作。

3、根据权利要求1或2所述的斯特林发动机工质系统，其特征在于：所述的进气系统从工作瓶(13)通过单向阀(22)、进气电磁阀(24)与斯特林发动机(2)低压工作腔相连；所述的排气系统从斯特林发动机(2)高压工作腔依次通过排气电磁阀(4)、压缩机(7)、单向阀(8)与工作瓶(13)相连；所述的短路系统从斯特林发动机(2)低压工作腔通过短路电磁阀(5)与其高压工作腔相连。

4、根据权利要求1或2所述的斯特林发动机工质系统，其特征在于：所述的压缩机(7)为活塞式压缩机，通过斯特林发动机(2)的曲轴或输出轴驱动。

5、根据权利要求3所述的斯特林发动机工质系统，其特征在于：所述的压缩机(7)为活塞式压缩机，通过斯特林发动机(2)的曲轴或输出轴驱动。

6、根据权利要求4所述的斯特林发动机工质系统，其特征在于：所述的气源通过高压补气瓶(15)提供，补气系统包括从补气瓶(15)直接向工作瓶(13)补充工质的管路一和通过斯特林发动机(2)向工作瓶(13)补充工质的管路二；管路一从补气瓶(15)依次通过球阀(1)或电磁阀、单向阀(11)与工作瓶(13)相连；管路二从补气瓶(15)依次通过球阀(18)、补气电磁阀(19)、减压阀(21)、单向阀(23)、节流元件(25)与斯特林发动机(2)的低压工作腔相连。

7、根据权利要求5所述的斯特林发动机工质系统，其特征在于：所述的气源通过高压补气瓶(15)提供，补气系统包括从补气瓶(15)直接向工作瓶(13)补充工质的管路一和通过斯特林发动机(2)向工作瓶(13)补充工质的管路二；管路一从补气瓶(15)依次通过球阀(1)或电磁阀、单向阀(11)与工作瓶(13)相连；管路从补气瓶(15)依次通过球阀(18)、补气电磁阀(19)、减压阀(21)、单向阀(23)、节流元件(25)与斯特林发动机(2)的低压工作腔相连。

8、根据权利要求6所述的斯特林发动机工质系统，其特征在于：在所述的排气系统管路上设置有安全阀或溢流阀。

9、根据权利要求7所述的斯特林发动机工质系统，其特征在于：在所述的排气系统管路上，压缩机(7)出口设置有滤器(8)。

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