CN102146808A - 使一个蒸汽机的活塞式膨胀器运行的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使活塞式膨胀器运行的方法，其中从一个蒸汽输入装置使新鲜蒸汽经过一个进气阀进入一个气缸腔，进入这气缸腔的新鲜蒸汽在工作行程中由于活塞从上死点至下死点的运动而被卸压，而且这卸压的蒸汽在到达下死点之后，从一个可封闭的排气口被引入蒸汽排出系统。所述技术解决方案的特征在于，一旦活塞位于在下死点部位的话，使排出孔打开，并且接着当活塞在排出行程中到达上死点之前就关闭。

Description

使一个蒸汽机的活塞式膨胀器运行的方法
技术领域
本发明涉及一种使活塞式膨胀器运行的方法，其中从一个蒸汽输入装置使新鲜蒸汽经过一个进气阀进入一个气缸腔，进入这气缸腔的新鲜蒸汽在工作行程中由于活塞从上死点至下死点的运动而被卸压，而且这卸压的蒸汽在到达下死点之后，从一个可封闭的排气口被引入蒸汽排出系统。
背景技术
为了能够节省燃油，尤其是在可移动的内燃发动机中，例如像汽车内燃发动机中，当前主要优先采用两种技术途径。除了采用各种不同的混合动力方案之外，还已知有热量回收系统，前者首先提供用于市内交通和分配式交通，这是由于那里出现制动-和加速过程，而后者则利用内燃发动机的余热，提供附加的驱动能量。利用余热的这样的系统在可移动的内燃发动机中主要用于长途交通的汽车。
在这样的余热利用系统中，至少部分地使得在内燃发动机部位和/或排气系统里所产生的余热转送至一个次级的热循环系统。在这次级的热循环系统中，使载热流体进行循环，并且在这里通常在一个蒸发器里至少部分地蒸发，使膨胀单元里的例如在一个活塞式膨胀器里的蒸汽卸压，并且最后在一个冷凝器里又液化。这用膨胀单元所产生的机械功作为附加的功被输送给驱动系统，尤其是汽车驱动系统。同样也可以考虑，利用这通过余热利用而得到的机械功来驱动其它的部件，例如像风机或者压缩机，或者用于产生电能。
在这方面由DE10 2006 043 139 A1得知一种用于内燃机的余热回收系统。借助于所述的系统，由内燃发动机和/或排气设备的余热给汽车提供附加的驱动能量。在蒸汽形式的工作介质在膨胀器里卸压之后，将次级热循环系统里的工作介质输送至一个冷凝器里，在这里输出热量而被液化，从而使相应的蒸汽循环过程结束。
此外由当前还没有公开的欧洲专利申请09009456,6得知一种活塞式膨胀机的活塞，其中活塞颈的外径小于活塞头和/或活塞裙的外径，而且同时活塞颈的长度差不多相当于活塞在安装状态下的行程。用所述的技术解决方案可以借助于构造相对简单的结构措施实现对于包含在蒸汽里的能量，并因此对于在内燃发动机里产生的损失热量的有效利用。所述的活塞结构保证了活塞式膨胀机的平稳启动和油与蒸气回路的有效分开。油与蒸气回路的有效分开可靠地阻止了由于各自介质的逾越而引起的循环回路的相互污染。
由技术背景得知的蒸气活塞式膨胀机通常以二冲程法运行。这里在上死点处通过一个进气阀使新鲜蒸气进入膨胀单元的一个气缸里，并在以下的工作行程中使蒸气在输出功的情况下卸压。最后在下死点使排气阀打开，而在排出行程期间，通过活塞从下死点至上死点的运动，将蒸气从气缸里排出。当到达上死点时排气阀关闭，而相应的循环过程则重新开始。取决于新鲜蒸气的参数以及在排气阀上的反压，必须这样设计压缩比，使得工作介质在工作行程中卸压到一个适合的水平。
当压缩比太小的时候，工作介质在排气阀打开时有一个相对于在排气管路中的反压来说的过压，这由于潜在地可能达到较大的卸压，而对于循环过程的效率有不利的影响。相反如果压缩比设计得太大，那么就使工作介质卸压到低于在排气管路里的反压的压力，这使得卸压蒸气的排出困难了，并且又对循环过程的效率有不利的影响。
在利用内燃发动机的余热时，采用蒸气活塞式膨胀器要求复杂的结构设计。为了能够满足所有的要求，包括重量，成本，耐久性以及必要的服务，一般应用立式阀。通过这种措施在上死点形成一个有害空间，它比较大，并因此导致小的几何关系方面的压缩比。因此常常有以下问题：有害空间不允许一下子充足新鲜蒸气。
发明内容
根据已知的背景技术和所述的问题，本发明的任务在于：提出一种使一个蒸汽活塞式膨胀单元运行的方法，这种单元可以以比较高的效率运行。所述的方法尤其是应该减少充满活塞而必须的新鲜蒸气量，而并不因此明显地降低循环回路的效率。
前面所述的任务借助于一种按照权利要求1的方法来解决。本发明的有利的实施形式见从属权利要求，并且在以下的说明中部分参见附图作详细叙述。
按照本发明使一个活塞式膨胀器运行的方法这样进行了改进设计，在这方法中，从一个蒸汽输入装置使新鲜蒸汽经过一个进气阀进入一个气缸腔，进入这气缸腔的新鲜蒸汽在工作行程中由于活塞从上死点至下死点的运动而被卸压，而且这卸压的蒸汽在到达下死点之后，从一个可封闭的排气口被引入蒸汽排出系统，因此在到达下死点部位时或者之后，排气孔被打开，并接着当活塞在排出行程中到达上死点之前就关闭。因此基本上可以考虑，只是在比较短的时间段里。例如在下死点上，或者在一个较长的时间段上，首先达到在上死点之前例如小于一个大约30°曲轴角度时，使排气口打开。
减小工作过程的每个循环的新鲜蒸气量原则上可以有两种形式。一方面可以考虑，使进气阀只是如此长和大地打开，使得在气缸里达不到新鲜蒸气的压力。在这种情况下进气阀节流新鲜蒸气到一个比新鲜蒸气压力更小的压力。这种压力的减小当然导致了效率的相应降低。因此按照本发明的方法利用第二种可能性来减少每个循环的新鲜蒸气量。这里排气阀并不在整个排出行程期间，也就是在活塞从下死点至上死点运动的时间内，打开，而是使排气阀明显地在活塞到达上死点之前关闭。通过这种措施可以使大量已经卸压的蒸气留在气缸里，而且并不排出到蒸气排出系统里。
这种留在气缸里的残留蒸气有利地在排出行程里通过活塞运动至上死点而被压缩。这导致了：在进气阀打开时，已经有一种与否则没有残余蒸气的压缩时在气缸里的反压相比明显提高的压力。由于在气缸之内，相比于通常的反压来说有更高的压力，因此同样也只是使少量的新鲜蒸气引入气缸里。尽管如此通过喷入新鲜蒸气使气缸有害容积里形成的混合蒸气达到一个压力，它相当于新鲜蒸气压力。新鲜蒸气压力这里在气缸的有害容积之内，通过对已经预压紧的残余蒸气进一步的压缩而达到，其中在喷入新鲜蒸气之后，取决于预先压缩的残余蒸气和新鲜蒸气的状态形成混合蒸气的状态。这种混合蒸气压力可以与一种适合的压缩比选择无关地来实现。
通过按照本发明的使活塞式膨胀器运行的方法可以有利地使膨胀器的效率比较高，而且同时在气缸内达到一种适度的压力升高。适度的压力升高归结于它在一个较长的时间段上实现的。这是因为首先使残余蒸气预压紧，而且紧接着通过喷入新鲜蒸气将其压缩到新鲜蒸气的水平。
正如开头所述的那样，按照本发明的方法原则上可以考虑两种备选的实施形式。在第一种实施形式中，一旦活塞位于下死点和上死点之间的一个部位里的话，使排气阀关闭。排气阀优先在上死点前一个20°至60°的曲轴角时关闭。特别适合的是，在一个上死点前大约45°的曲轴角的部位里使排气阀关闭。
第二种备选的实施形式似乎是按照本发明的方法的一种极限情况。在这种方案中使排气口仅仅打开或者保持敞开，一旦而且只要活塞位于下死点的部位里的话。在按照本发明的方法的一种这样的实施形式中，此外还可以优选地考虑，在气缸壁的部位里设有开孔，尤其是切槽，它们通过在膨胀行程期间活塞边的扫过而开通，并且通过在排出行程期间活塞边的扫过而又关闭。按此方式使排气口开通，用于排出至少部分卸压的蒸气，如果活塞位于下死点的附近的话。在一种优选的实施形式中，在下死点后一个曲轴角度为20°，在小于20°的范围里进行打开。本发明的一种完全特别的改进设计方案规定，当活塞行程为75mm至85mm时，尤其是80mm时，打开排气阀的一个曲轴角度范围为30°。如果活塞紧接着排气阀的打开，重新在上死点的方向上运动，那就使排气口又关闭上。用一种这样的实施形式可以以比较简单的结构措施实现按照本发明的方法。尤其是不需要使用附加的排气阀了。排气阀的打开在前面所述的本发明的方法的实施形式中，在下死点处进行。如果活塞从下死点在上死点的方向上运动，那么又使排气口关闭，从而压缩留在气缸里的混合蒸气。
优选在活塞到达上死点时，使进气阀打开，直至在上死点之后一个曲轴角度为30°都开着。按照本发明的方法的很大优点基于：在有害容积里混合了两种蒸气，也就是新鲜蒸气以及预压缩的残余蒸气，它们从放热方面是比较类似的。
在按照本发明的方法的实施形式中，此外还优选地确保了：在关闭排气口和接着关闭进气阀之间的一个时间段里，通过输入新鲜蒸气至气缸腔里，尤其是气缸腔的有害容积里而产生一种混合蒸气，该混合蒸气压力至少近似地相当于新鲜蒸气压力。比较高的混合蒸气压力，新鲜蒸气压力这里通过对气缸的有害容积之内已经预压紧的残余蒸气的继续压缩而达到，其中在喷入新鲜蒸气之后，取决于预压缩的残余蒸气和新鲜蒸气的状态而形成混合蒸气的状态。通过新鲜蒸气和预压紧的残余蒸气的混合，因此产生的混合蒸气具有比通常的情况更高的焓。这种措施比较简单地提高了循环过程的效率。
附图说明
以下按照附图对本发明详细加以说明，并不局限于通常的发明思路。所示为：
图1排气口的阀门上升曲线；
图2气缸里的压力变化曲线；
图3用于实施按照本发明的方法的一种二冲程蒸汽膨胀器简图。
具体实施方式
图1表示了在一个蒸汽膨胀器的气缸的一个排气口里阀门的行程。这里阀门形成的功能曲线a，b，c对应的是不同阀门控制时的曲轴角度。下死点和上死点的到达分别通过在大约182°或者说361°曲轴角度时的垂直线来说明。细实的功能曲线a以及点线曲线b分别表示了在已知的标准方法时的排气阀行程。粗线的第三条功能曲线表示了在利用按照本发明的用来打开和关闭排气阀的方法时，排气阀的阀门行程。
可以清楚地看到：在一种按照功能曲线a，b的排气阀的阀门行程中，在活塞的上死点和下死点之间的一个比较宽的范围里，排气阀被打开。按照本发明的排气阀的打开通过粗的功能曲线c来反映，与它相比在标准方法时，排气阀不仅打开更长，而且而且也更大。与已知的方法相比，在使用按照本发明的方法时，排气口明显地在到达上死点之前就又被关闭。通过所述的措施使这个时刻位于气缸里的残余蒸气由于活塞的继续运动在排气阀关闭时并不在向上死点的方向上排出，而是被压缩。
按照本发明的方法的一种完全特殊的实施形式在图1中通过功能曲线d表示。在这种技术解决途径中，应用一种特殊结构的排气口。这里在气缸壁里设有切槽，这些切槽在气缸内腔和蒸气排出口之间建立起联系，如果活塞边在膨胀行程中扫过切槽的话。在排出行程中至少一个切槽又被关闭，如果活塞边由于活塞的相反运动而重新扫过了切槽的话。在这所示的情况下，至少一个切槽在到达下死点之前的一个曲轴角度为大约20°时被打开，而在下死点之后的一个曲轴角度大约为20°时又被关闭。
对于图1所示的在活塞运动期间排气阀行程的曲线的补充，在图2中表示了三种在图1中所示的用于关闭排气口的方法的压力变化曲线。明显可见，在标准方法a，b时，刚好在到达上死点之前进行一种很快的压力升高。与此相比，在提前关闭排气阀时，也就是明显在活塞到达上死点之前，压力升高是很平缓的。这是由于，在提前关闭排气阀时气缸里的压力连续地通过压缩残余蒸气而升高。而在使用标准方法a，b时，压力只是很短地在到达上死点之前，尤其是在到达上死点之前大约10°的曲轴角度时，才升高。
关系到与图1中的功能曲线d相联系的所示的排气口的切槽，要指出，在排出行程时气缸内的压力取决于切槽的结构，尤其是其几何形状而升高。与一种阀门控制相比，在大多数情况下压力的升高不是很平缓的，相应的压力变化曲线因此在这个部位具有一种多少有些陡的曲线。在这方面当然要明确地指出，对于实现本发明重要的效果来说，是否借助于至少一个排气阀或者借助于一种适合的切槽控制使排气口开通或者说关闭并不重要。
在图3中表示了一种蒸汽膨胀器的构造，用此膨胀器可以实施按照本发明的方法。因为一种相应的蒸气膨胀器通常以二冲程方法运行，因此曲轴和凸轮轴转速相同，从而使进气-和排气阀借助于一个相应的，设计在曲轴上的曲轴颊板来操纵。一个这样的实施形式首先有以下优点：既不需要一个附加的凸轮轴，也不需要一个相应的驱动装置。当然原则上可以考虑，除了曲轴之外，在一种按二冲程运行的蒸汽活塞式膨胀器时也设计一个附加的凸轮轴。如上面实施形式所示那样，阀门涉及一种用于适合地操纵一种使蒸气卸压的活塞机的进气-或排气阀的方法。为此在图3中简略表示了三种技术途径，用这些途径可以实现对阀门4，5的操纵。用这三种可能的阀门操纵中的每种途径时，都可以实施按照本发明的方法，这种方法主要涉及打开以及关闭阀门4，5的时刻。图3所示的对于实现按照本发明的方法来说重要的蒸汽活塞式膨胀器的构件是曲轴1、具有成型的凸轮3的凸轮轴2、进气阀4、排气阀5、位置传感器6以及操纵单元7。根据蒸汽机选择什么样的结构形式，阀门的操纵通过曲轴1(图3a)、通过凸轮轴2(图3b)或者另外的操纵单元7来进行，所述操纵单元可以是电的、液压的或者风动驱动的。在应用另外的操纵单元7时，这种单元的特征首先在于，在曲轴1和进气-或排气阀之间没有机械的连接，此外设有一个在曲轴上的位置传感器6和一个控制单元10。借助于位置传感器6求出曲轴1的瞬时位置并将一个相应的值作为输入参数输送给控制单元。在控制单元10里对这个值进行处理并产生一个输出参数，在此基础上通过操纵单元7操纵进气-或排气阀4，5。
所有三个在图3这所示的阀门操纵机构都是将新鲜蒸气通过蒸气输入系统8输送至进气阀4。进气阀的打开或者通过曲轴的颊板(图3a)、凸轮轴2的凸轮3(图3b)或者通过操纵装置7进行，一旦活塞9位于上死点的话。当达到上死点时，在余下的气缸腔里，所谓有害容积里有压缩的残余蒸气，该残余蒸气在卸压之后没有被吹出，而是重新被压缩了。在进气阀4打开之后，新鲜蒸气流入有害容积里，其中由于新鲜蒸气的流入也对位于气缸的有害容积里的、预先压紧的残余蒸气进行压缩。位于气缸里的混合蒸气最终具有的压力至少差不多相当于蒸气输入系统8中的新鲜蒸气压力。新鲜蒸气压力这里通过对位于气缸有害容积里的、预先已压紧的残余蒸气继续进行压缩而达到，其中在喷入新鲜蒸气之后，取决于预压缩的残余蒸气和新鲜蒸气的状态而形成混合蒸气的状态。
在上死点之后一个大约30°的曲轴角时，进气阀4又关闭。由于位于气缸里压缩的混合蒸气，使活塞9在工作行程中在下死点的方向上运动，从而使蒸气卸压。在达到下死点时，使排气口5打开。在第一种备选方案中，它设计成气缸壁里的切槽11，一旦活塞9位于下死点的部位里，它就开通。优选地使排气切槽通过扫过活塞边，而在到达下死点之前一个大约20°的曲轴角时开通。通过排气口5或者说排气切槽11的开通使卸压的混合蒸气逸出。
一旦活塞9又在上死点的方向上运动，那就使排气口5关闭。如果排气口不具有一个排气阀，而是有已经叙述过的切槽，那么这个切槽由于活塞在排出行程中的运动和因此所决定的扫过活塞边而被重新关闭。通过排气口5或者说排气切槽11的关闭将残余蒸气压缩，使得残余蒸气压力在到达上死点时只是略小于新鲜蒸气压力。在残余蒸气和新鲜蒸气之间小的压力差首先由以下优点：在喷入新鲜蒸气到气缸的有害容积里之后，蒸气相互混合，它们在放热方面是很相似的。除此之外使气缸的构件，尤其是进气阀，由于残余蒸气的压缩和与之关联的在残余蒸气-和新鲜蒸气压力之间小的差别，加载比较小。此外由于所述的第一种可能的排气口5的结构形式，除了进气阀4之外不需要什么阀门。
在达到上死点之后又打开进气阀4，并且重新开始所述的循环过程。
在用于实施按照本发明的方法的第二种备选方案中，也在排气口5设有一个阀门，这个阀门通过曲轴1的颊板、凸轮轴2的凸轮3或者另一个操纵装置7来操纵。在排气口的一种这样的结构形式中，一旦活塞到达了下死点，那么就打开排气阀，并在上死点之前大约45°的曲轴角时关闭。在排气阀5关闭之后，通过活塞的运动使留在气缸里的残余蒸气又压缩，从而实现与第一种备选方案的说明相关联所述的优点。
最后应该指出，由于一种蒸汽活塞式膨胀机以二冲程方法的优选运行，阀门按照适合的方式借助于一个曲轴颊板(图3a)来操纵。在这种结构形式中有利的首先是：可以取消对附加的凸轮轴的使用。
标号表
1 曲轴                  8 蒸气输入系统
2 凸轮轴                9 活塞
3 凸轮                  10 控制单元
4 进气阀                11 排气切槽
5 排气阀
6 位置传感器
7 操纵单元

Claims (10)

1.使活塞式膨胀器运行的方法，其中从一个蒸汽输入装置使新鲜蒸汽经过一个进气阀进入一个气缸腔，进入这气缸腔的新鲜蒸汽在工作行程中由于活塞从上死点至下死点的运动而被卸压，而且这卸压的蒸汽在到达下死点之后，从一个可封闭的排气口被引入蒸汽排出系统，其特征在于，一旦活塞位于在下死点部位的话，使排气口打开，并且接着当活塞在排出行程中到达上死点之前就关闭。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在下死点之前一个25°至15°，尤其是20°的曲轴角时，使排气口打开。
3.按权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，在下死点之后一个25°至15°，尤其是20°的曲轴角时，使排气口关闭。
4.按权利要求1至3中之一所述的方法，其特征在于，在到达下死点之后，在到达下死点不到20°之前的一个20°的曲轴角时，使排气口至少打开一次。
5.按权利要求1所述的方法，其特征在于，一旦活塞到达下死点，最先使排气口打开。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在排气行程中，在下死点之后一个70°至100°的曲轴角的部位里使排气口关闭。
7.按权利要求1至6中之一所述的方法，其特征在于，在到达上死点之后一个25°至35°的曲轴角的部位里使进气阀关闭。
8.按权利要求1至7中之一所述的方法，其特征在于，在关闭排气口和关闭进气阀之间的的一个时间段里，通过输入新鲜蒸气至气缸里而产生一种混合蒸气，其混合蒸气压力差不多相当于新鲜蒸气压力。
9.应用按照权利要求1至8中之一的方法，在一种蒸气回路的一个活塞式膨胀器里，它从内燃发动机的一个冷却回路供给热量。
10.应用按照权利要求1至8中之一的方法，在一种蒸气回路的一个活塞式膨胀器里，它从汽车内燃发动机的一个冷却回路供给热量。
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