CN103790635A - 程控开关式温差发动机 - Google Patents

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Abstract

程控开关式温差发动机由专用气动马达、ECU、开关式热交换组合组成，它以气体为工质，利用气体在高温下膨胀、低温下收缩的原理，将温差转化为气体的气压差，并通过专用气动马达将气压差转化为动力输出。由于温差无处不在，且可通过技术手段制造和加强，因此该发明可广泛应用于太阳能发电、锅炉废热回收、发动机废气热能回收等领域，尤其是应用于太阳能发电领域可大幅提高太阳能利用的效率，降低太阳能发电成本。该发明可达到利用新能源和提高传统能源利用效率的目的，为节能减排、开发利用绿色能源、建设可持续发展的绿色工业文明做出贡献。

Description

程控开关式温差发动机
技术领域
本发明涉及发动机的技术领域。
背景技术
斯特林发动机是一种著名的热气机，也是一种温差发动机，它具有效率高，污染低等优点。但是斯特林发动机也有很大的缺陷，它采用加热缸和冷却缸的设计，缸体本身就是热交换器，缸体有限的表面积限制了它的热交换能力，因此很难做出大功率的机器，目前所知最大功率也不到200Kw。总之，斯特林发动机自身的缺陷限制了它的使用范围，对斯特林发动机研究热情极高，应用案例却很少。
发明内容
本发明提出了一种温差发动机，它同样使用空气作为工质，利用加热器和冷却器两端的温差产生气压差并将其转化为动力，它使用程控开关进行控制，可精确控制工质的流动，使工质在恰当的时间定向流动实现做功。依据本发明设计的发动机不但理论效率高，还可以产生大功率输出，有更广的使用范围，对使用场合没有特殊要求，制造也极为简单。
本发明的技术方案是：一种程控开关式温差发动机，包括ECU、开关式热交换装置组合、专用气动马达，所述的开关式热交换装置组合包括进气门、冷却器、换气门、加热器、出气门，加热器的一端通过出气门与专用气动马达的进气口连接，冷却器的一端通过进气门与专用气功马达的出气口连接，加热器和冷却器的另一端通过换气门连接在一起。
所述的开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门为电磁阀，受ECU控制。
所述的专用气动马达的一种，是活塞式气动马达，包括气缸、活塞、活塞销、连杆、曲轴、缸盖、设置在缸盖上的进气口、出气口，缸盖上安装有开关式热交换装置组合，设置在缸盖上的进气口与开关式热交换装置组合的出气门连接，设置在缸盖上的出气口与开关式热交换装置组合的进气门连接。每台活塞式气动马达上安装的开关式热交换装置组合至少有两组。
所述的活塞式气动马达装置有活塞位置传感器，信号送ECU处理。
所述的活塞式气动马达可安装气压传感器，信号送ECU处理。
所述的开关式热交换装置组合中的加热器和冷却器可安装气体压力传感器，信号送ECU处理。
所述的加热器和冷却器，冷却器的容积与加热器的容积成比例关系，其比例根据预期的高压和低压而确定。
所述的ECU将开关式热交换装置组合分为工作状态和准备状态，同一时间只有一组开关式热交换装置组合处于工作状态，其余的若干组开关式热交换装置组合处于准备状态。
所述的开关式热交换装置组合处于准备状态时，装置中的进气门、出气门、换气门都处于关闭状态。
所述的开关式热交换装置组合处于工作状态时，ECU根据活塞位置对开关进行控制，当活塞处于上止点(此刻气缸容积最小)，ECU打开进入工作状态的开关式热交换装置组合的出气门，加热器中的高温高压气体进入气缸，推动活塞下行；当活塞行进到下止点(此刻气缸容积最大)，开关式热交换装置组合的出气门关闭，进气门打开，换气门打开，活塞由下止点向上止点运动，把气缸内的空气经由开关式热交换装置组合的进气门推入冷却器，而冷却器中的空气经过换气门推入加热器。当活塞再次到达上止点，进气门关闭，换气门关闭，该组开关式热交换装置组合结束工作状态进入准备状态，ECU将选择另一个开关式热交换装置组合进入工作状态并重复上述过程。
所述的加热器包含至少一个中空管道，供气体流通并加热。
所述的冷却器包含至少一个中空管道，供气体流通并冷却。
所述的程控开关式温差发动机在单缸单独使用时，必需加装飞轮，利用飞轮的惯性使发动机能够连续运转；当为多缸或多个发动机联合使用时，可不安装飞轮，而利用多缸间行程的配合实现连续运转。
所述的开关式热交换装置组合交替进入工作状态，其它为准备状态。
所述的开关式热交换装置组合中的冷却器上安装有加气口，用于补充气体。
本发明的有益效果
本发明提出的这种新型发动机，可将温差引起的气体气压差变化转化为动力，将深刻地改变能量利用方式。由于温差无处不在，且可人为制造，因此应用范围极为广泛，比如应用在太阳能发电领域可大幅度降低太阳能发电成本、可应用于内燃机高温废气发电以提高汽车燃油利用的效率、可利用工业余热产生动力或电力以达到节能和能量回收的目的等等。该发明对于发展可再生能源以替代传统能源、提高能源利用效率以降低能源消耗都将产生巨大的作用，对节能减排、保护环境以及工业转型升级都将作出巨大贡献，将促使一个绿色工业文明时代的到来。
附图说明
图1为该程控开关式温差发动机整体组成结构示意图；
图2为图1中的开关式热交换装置组合的组成结构示意图；
图3为图1中的专用气动马达---活塞式气动马达的结构剖面图；
图中1.开关式热交换装置组合中的进气门、2.开关式热交换装置组合中的散热器、3.开关式热交换装置组合中的换气门、4.ECU、5.开关式热交换装置组合中的加热器、6.开关式热交换装置组合中的出气门、7.专用气动马达之活塞式气动马达、8.活塞式气动马达的活塞、9.活塞式气动马达的进气口、10.活塞式气动马达的出气口、11.活塞式气动马达的气压传感器、12.活塞式气动马达的活塞销、13.活塞式气动马达的连杆、14.活塞式气动马达的曲轴。
实施方式
实施例一：参见图1-图3，一种程控开关式温差发动机，包括ECU、开关式热交换装置组合、专用气动马达，所述的开关式热交换装置组合包括进气门、冷却器、换气门、加热器、出气门，加热器的一端通过出气门与专用气动马达的进气口连接，冷却器的一端通过进气门与专用气功马达的出气口连接，加热器和冷却器的另一端通过换气门连接在一起。
所述的开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门为电磁阀，受ECU控制。
所述的专用气动马达的一种，是活塞式气动马达，包括气缸、活塞、活塞销、连杆、曲轴、缸盖、设置在缸盖上的进气口、出气口，缸盖上安装有开关式热交换装置组合，设置在缸盖上的进气口与开关式热交换装置组合的出气门连接，设置在缸盖上的出气口与开关式热交换装置组合的进气门连接。每台活塞式气动马达上安装的开关式热交换装置组合至少有两组。
所述的活塞式气动马达装置有活塞位置传感器，信号送ECU处理。
所述的活塞式气动马达可安装气压传感器，信号送ECU处理。
所述的开关式热交换装置组合中的加热器和冷却器可安装气体压力传感器，信号送ECU处理。
所述的加热器和冷却器，冷却器的容积与加热器的容积成比例关系，其比例根据预期的高压和低压而确定。
所述的ECU将开关式热交换装置组合分为工作状态和准备状态，同一时间只有一组开关式热交换装置组合处于工作状态，其余的若干组开关式热交换装置组合处于准备状态。
所述的开关式热交换装置组合处于准备状态时，装置中的进气门、出气门、换气门都处于关闭状态。
所述的开关式热交换装置组合处于工作状态时，ECU根据活塞位置对开关进行控制，当活塞处于上止点，ECU打开进入工作状态的开关式热交换装置组合的出气门，加热器中的高温高压气体进入气缸推动活塞下行；当活塞行进到下止点，开关式热交换装置组合的出气门关闭，进气门打开，换气门打开，活塞由下止点向上止点运动，把气缸内的空气经由开关式热交换装置组合的进气门推入冷却器，而冷却器中的空气经过换气门推入加热器。当活塞再次到达上止点，进气门关闭，换气门关闭，该组开关式热交换装置组合结束工作状态进入准备状态，ECU将选择另一个开关式热交换装置组合进入工作状态并重复上述过程。
所述的加热器包含至少一个中空管道，供气体流通并加热。
所述的冷却器包含至少一个中空管道，供气体流通并冷却。
所述的程控开关式温差发动机在单缸单独使用时，必需加装飞轮，利用飞轮的惯性使发动机能够连续运转；当为多缸或多个发动机联合使用时，可不安装飞轮，而利用多缸间行程的配合实现连续运转。
所述的开关式热交换装置组合交替进入工作状态，其它为准备状态。
所述的开关式热交换装置组合中的冷却器上安装有加气口，用于补充气体。
本方案中使用的专用气动马达，要求必须具备压缩和膨胀两个进程，因此很多市场上常见的气动马达并不能在本方案中使用，比如涡轮式气动马达。活塞式气动马达因为有很明确的膨胀、压缩过程，因此是首选。
以活塞式气动马达为例，该程控开关式温差发动机的工作过程：由于开关式热交换装置组合包含了加热器和冷却器，在预备状态时，加热器和冷却器是隔离的，加热器中的气体因加热而气压升高，冷却器中的气体因冷却而气压降低。在做功状态，当活塞处于上止点，容积最小时，ECU控制打开开关式热交换装置组合的出气门，加热器中的高压气体进入气缸，推动活塞下行，此为膨胀过程，气体压力在此过程中通过活塞运动转化为动力输出；当活塞下行到下止点时，加热器的气体大部分已经进入了气缸，这时ECU将该开关式热交换装置组合的出气门关闭，进气门打开，换气门打开，这时活塞在飞轮的惯性或其它气缸的动力作用下上行，此为压缩过程。由于冷却器的气体压力较低，因此只需要较小的力就可以把气缸内的气体推进到冷却器，原先在冷却器中的气体则被推入加热器。当活塞上行到上止点时，出气门关闭，换气门关闭，该组开关式热交换装置组合进入准备状态，同时另一组开关式热交换装置组合进入工作阶段，重复上述过程。
从上文看出，使用活塞式气动马达至少需要安装两组开关式热交换装置组合，轮流工作。如果安装更多的开关式热交换装置组合，则每组可以有更多的时间进行热交换，因此也有更高的效率。
显然，程控开关式温差发动机的动力来源是加热器中气体和冷却器中气体的压力差，这个差值越大，动力输出就越大，因此设计合理的压力差值非常重要。这个差值和加热器与冷却器之间的温差有关，同时也与加热器和冷却器的容积有关，温差主要由外部环境决定，比如发动机废气回收中可以达到的温差，就比锅炉废气回收中可以达到的温差大；另一个途径是可以把冷却器的容积设计得比加热器的容积更大，让加热器中的气压更高，冷却器中的气压更低，使压差更大，达到增加动力输出的目的，但这样做也要考虑加热器和气缸的容积比例有一个上限。
为了更好的效果，在加热器和冷却器中装置压力传感器也是一个方法，这可以让ECU采用更灵活的控制方法，以取得更高的效率。另外，考虑到在工作过程中会发生气体工质的流失，因此需要设置一个加气口以便补充流失的气体，加气口将设置在冷却器上，因为冷却器的气压较低，安装更为容易。

Claims (10)

1.一种程控开关式温差发动机，包括ECU、开关式热交换装置组合、专用气动马达，所述的开关式热交换装置组合包括进气门、冷却器、换气门、加热器、出气门，其特征是：加热器的一端通过出气门与专用气动马达的进气口连接，冷却器的一端通过进气门与专用气功马达的出气口连接，加热器和冷却器的另一端通过换气门连接在一起。
2.根据权利要求1所述的程控开关式温差发动机，其特征是：所述的开关式热交换装置组合中的进气门、出气门、换气门为电磁阀，受ECU控制。
3.根据权利要求1所述的程控开关式温差发动机，其所述的专用气动马达的一种，是活塞式气动马达，包括气缸、活塞、活塞销、连杆、曲轴、缸盖、设置在缸盖上的进气口、出气口，其特征是：缸盖上安装有开关式热交换装置组合，设置在缸盖上的进气口与开关式热交换装置组合的出气门连接，设置在缸盖上的出气口与开关式热交换装置组合的进气门连接。每台活塞式气动马达上安装的开关式热交换装置组合至少有两组。
4.根据权利要求1、3所述的程控开关式温差发动机，其特征是：所述的活塞式气动马达装置有活塞位置传感器，信号送ECU处理。
5.根据权利要求1所述的程控开关式温差发动机，其特征是：所述的开关式热交换装置组合中的加热器和冷却器可安装气体压力传感器，信号送ECU处理。
6.根据权利要求1所述的程控开关式温差发动机，其特征是：所述的加热器和冷却器，冷却器的容积与加热器的容积成比例关系，其比例根据预期的高压和低压而确定。
7.根据权利要求1所述的程控开关式温差发动机，其特征是：ECU将开关式热交换装置组合分为工作状态和准备状态，同一时间只有一组开关式热交换装置组合处于工作状态，其余的若干组开关式热交换装置组合处于准备状态。
8.根据权利要求1、7所述的程控开关式温差发动机，其特征是：所述的开关式热交换装置组合处于准备状态时，装置中的进气门、出气门、换气门都处于关闭状态。
9.根据权利要求1、3、7所述的程控开关式温差发动机，其特征是：所述的开关式热交换装置组合处于工作状态时，ECU根据活塞位置对开关进行控制，当活塞处于上止点，ECU打开进入工作状态的开关式热交换装置组合的出气门，让加热器中的高温高压气体进入气缸推动活塞下行；当活塞行进到下止点，开关式热交换装置组合的出气门关闭，进气门打开，换气门打开，活塞由下止点向上止点运动，把气缸内的空气经由开关式热交换装置组合的进气门推入冷却器，而冷却器中的空气经过换气门推入加热器。当活塞再次到达上止点，进气门关闭，换气门关闭，该组开关式热交换装置组合结束工作状态进入准备状态，ECU将选择另一个开关式热交换装置组合进入工作状态并重复上述过程。
10.根据权利要求1所述的程控开关式温差发动机，其特征是：所述的开关式热交换装置组合中的冷却器上安装有加气口，用于补充气体。
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