CN103807051A - 一种斯特林发动机机内工质系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斯特林发动机机内工质系统，包括进气系统组件、排气系统组件、工质压缩机和管系，所述的进气系统组件，从机外到机内，由与外围进气管路或补气管路相连的进气管路、进气电磁阀、进气压力传感器和进气单向阀组成；所述的排气系统组件，从机内到机外，由排气单向阀、排气压力传感器、排气电磁阀、单向阀和工质压缩机组成，在所述的斯特林发动任选一缸上，其进气单向阀、排气单向阀的阀片上开有平衡孔；在所述的进气管路和排气管路之间，串接有一个短路电磁阀，用于控制使斯特林发动机的低压工作腔和高压工作腔相连瞬时连通，使压力平衡；本发明具有各缸工作均匀，平衡性好的特点，适合多缸斯特林发动机使用。

Description

一种斯特林发动机机内工质系统

技术领域

本发明涉及一种斯特林发动机工质系统，尤其是关于斯特林发动机的机内工质系统。

背景技术

斯特林发动机是一种外部供热（或燃烧）的活塞式发动机，它以气体作为工质，按闭式回热循环的方式进行工作。斯特林发动机主要由外部供热（燃烧）系统、工作循环系统（热能—机械能转换系统）、传动系统（机械能输出系统）、辅助系统以及监控系统等组成。其中，工质系统是斯特林发动机的重要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。机内工质系统由进气系统组件、排气系统组件、工质压缩机和管系组成，实现斯特林发动机的进气、排气控制等。斯特林发动机使用的工质种类具有很大的灵活性，氢气、氦气等工质具有较高的热传导率，循环效率较高，因此应用最为广泛。斯特林发动机的工质密封一般采用主密封和帽式密封两道密封，主密封泄露率较低，基本不泄漏，而帽式密封具有一定的泄漏量，主密封和帽式密封之间的空间成为帽式密封腔。

对于多缸斯特林发动机来说，保证每缸工质均匀性至关重要，如果各缸的工质循环压力不相等，将导致发动机运行不稳，从而降低循环的效率。公开号为CN101413461A的中国专利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，该系统能够在斯特林发动机负荷增加或加热器管壁温度超过设定限值时，在程序控制下打开气瓶电磁阀和进气电磁阀，由工作瓶向机内补充一定量的工质；当停车或降负荷，或加热器温度明显低于设定限值时，打开排气电磁阀，从斯特林发动机高压工作腔排出一定的工质，并通过压缩机增压后贮存到工作瓶中，具有可靠性高、安全性好、运行成本低的特点，但该斯特林发动机工质系统还存在以下不足：

（1）不能保证多缸斯特林发动机各缸工质分配的均匀性，有可能存在各缸工质循环最高压力、最低压力相差较大，各缸工作不均衡。

（2）该发明中的进气电磁阀、排气电磁阀、溢流阀、进气压力传感器、排气压力传感器等部件采用分散布置方式，没有集成到一起，结构不够紧凑，占用的空间较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种斯特林发动机工质系统，解决目前的斯特林发动机工质系统各缸工质分配不均匀，从而导致做功不平衡的技术问题，其具有各缸工作均匀，平衡性好的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种斯特林发动机机内工质系统，包括进气系统组件、排气系统组件、工质压缩机和管系，所述的进气系统组件，从机外到机内，由与外围进气管路或补气管路相连的进气管路、进气电磁阀、进气压力传感器和进气单向阀组成；所述的排气系统组件，从机内到机外，由排气单向阀、排气压力传感器、排气电磁阀、单向阀和工质压缩机组成，其特征在于：在所述的斯特林发动机任选一缸上，其进气单向阀、排气单向阀的阀片上开有平衡孔；在所述的进气管路和排气管路之间，串接有一个短路电磁阀，用于控制使斯特林发动机的低压工作腔和高压工作腔相连瞬时连通，使压力平衡。

优选地，上述的斯特林发动机机内工质系统，所述的进气电磁阀、排气电磁阀、短路电磁阀、进气压力传感器、排气压力传感器通过阀块集成一体，形成工质阀块组件。

优选地，上述的斯特林发动机机内工质系统，在所述的斯特林发动机缸套的帽式密封腔上，设置一根工质油气分离管路，工质经过油气分离器和单向阀节流阀流回到斯特林发动机工作循环中。

优选地，上述的斯特林发动机机内工质系统，在所述的工质阀块组件上设置有一个溢流阀和一个手动放气阀。

优选地，上述的斯特林发动机机内工质系统，在所述的工质压缩机出口管路上，设置一个油气分离器。

总之，本发明的有益效果如下：

本发明的斯特林发动机机内工质系统，通过该系统可以使工质在多缸斯特林发动机的各缸平均分配，循环压力相等，能够保证斯特林发动机平稳运行，提高循环的效率。此外，本发明将进排气阀组和短路阀组集成到一个阀块上，结构紧凑，大大的节省了安装空间。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

图2是图1中A集成的阀块组件的外形结构图。

图中标号说明：

1.进气单向阀，2.排气单向阀，3.进气单向节流阀，4.排气单向节流阀，5.油气分离器，6.单向阀节流阀，7.进气压力传感器，8.进气电磁阀，9.短路电磁阀，10.溢流阀，11.手动放气阀，12.排气压力传感器，13.排气电磁阀，14.单向阀，15.工质压缩机，16.油气分离器,17.排气接口,18.进气接口,19.补气口,20.进气口，A.阀块组件。

具体实施方式

图1所示是本发明公开的斯特林发动机机内工质系统的原理图。该系统主要由进气系统组件、排气系统组件、工质压缩机15和管系组成，所述的进气系统组件，从机外到机内，由与外围进气管路或补气管路相连的进气管路、进气电磁阀8、进气压力传感器7和进气单向阀1组成；所述的排气系统组件，从机内到机外，由排气单向阀2、排气压力传感器12、排气电磁阀13、单向阀和工质压缩机15组成，进气系统组件实现斯特林发动机所需的进气功能，排气系统组件实现斯特林发动机所需的排气功能。

本发明中，工质从工质系统进气管经过进气电磁阀8、进气压力传感器7、进气单向阀1和进气单向节流阀3进入发动机内，进气电磁阀8用于控制工质进入斯特林发动机。进气压力传感器7用于检测斯特林发动机的进气压力，也就是发动机工作循环的工质最低压力。

本发明中，工质从机内经排气单向阀2和排气单向节流阀4、排气压力传感器12、排气电磁阀13、单向阀14、工质压缩机15、油气分离器16流入工质排气管。排气电磁阀13用于控制机内工质流回排气管。排气压力传感器12用于检测斯特林发动机的排气压力，也就是斯特林发动机工作循环的工质最高压力。工质压缩机15通过斯特林发动机的曲轴直接驱动，用于将机内排出的工质加压后经排气管流回至工作瓶。油气分离器16用于过滤工质压缩机15排出的工质，防止油污污染工质。单向阀14的作用是防止工质倒流。

本发明中，斯特林发动机帽式密封腔内的工质经过油气分离器5、单向阀节流阀6、进气单向阀1和进气单向节流阀3重新回到工作循环系统，这样使帽式密封腔内的工质经过过滤后重新得到了利用。

本发明中，在四缸斯特林发动机的某一缸上，可以使任选一缸，装有进气单向节流阀3和排气单向节流阀4，也可以在单向阀的阀片上开有一定直径的平衡孔。值得注意的是开有平衡孔的进排气单向阀必须装在同一缸，否则不能起到平衡作用。此外，平衡孔的大小至关重要，如果平衡孔过大，将导致发动机热腔和冷腔接近连通状态，循环压力无法建立，斯特林发动机无法做功；反之，平衡孔过小，工质流通能力下降，将导致平衡时间延长，起不到平衡效果。以四缸机为例，当发动机运行时，如果各缸的工质循环压力不相等，那么进气管路中的压力是四个缸中工质循环压力的最低值，排气管路中的压力为四个缸中工质循环压力的最高值，如果四个缸中某一缸（如图1所示为3缸）的进排气单向阀上开有平衡孔，相当于将进气管、发动机和排气管通过一个微小的平衡孔连通，3缸的工质可以在进气管、机内和排气管之间自由流动，这样进排气管中的压力将随着工质的自由流动而变化，工质的流动方向是：从工质压力最高的排气管流到3缸，再从3缸流到工质压力最低的进气管，然后再分配到其他压力较低的缸，排气管中工质流入3缸后压力会下降，这时工质压力比3缸高的气缸的工质将会流入排气管，使排气管管中的压力升高，然后再进入3缸开始循环，经过多次循环后各缸工质循环压力将相等，从而可以保证斯特林发动机运行的稳定性，提高循环的效率。

本发明中，机内工质系统的阀块组件，将进气电磁阀8、排气电磁阀13、短路电磁阀9、溢流阀10、进气压力传感器7、排气压力传感器12等集成到一个阀块上，满足斯特林发动机的进排气、工质短路、压力检测、安全溢流等功能，布置简洁、维修方便，大大的节省了空间。在阀块上还设置有一个溢流阀10，用于对排气管路起超压保护功能。在阀块上还设置有一个手动放气阀11，便于维修时放气操作用。阀块组件上设置有一个排气接口17，进气接口18，以及一个补气口19和一个进气口20。

在所述的进气管路和排气管路之间，串接有一个短路电磁阀9，用于控制使斯特林发动机的低压工作腔和高压工作腔相连瞬时连通，使压力平衡，对斯特林发动机实现超速保护。

本发明的进排气阀组、短路阀组采用了阀块结构，将进排气阀组和短路阀组集成在一起，使系统外观简洁，安装和维护更为容易。机内工质系统进口接工质系统进气管和工质系统补气瓶，补气既可以通过补气瓶直接向工作瓶补气，也可以通过工质压缩机15增压后对补气瓶进行补气，出口接工质排气管。所述的进排气阀组的作用是实现斯特林发动机的进气和排气。当斯特林发动机长时间工作后，由于不可避免的极少量泄漏造成斯特林发动机内部工质循环气量减少，此时通过进排气阀组可向斯特林发动机补充氦气。

所述的短路阀组两端分别与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9，作用是实现对整机超速保护控制。当飞轮端的转速传感器测到发动机转速被斯特林发动机的监控系统判断为超速时，监控系统发出指令，打开短路电磁阀9，使工质系统内高压管路和低压管路的工质相通，即使热腔和冷腔内工质的循环压力在短时间内达到平衡。由于工质在循环回路中的压力差降为零，使工质失去做功能力，斯特林发动机可在短时间内停车。

所述的油气分离器组件是将每个缸套帽式密封腔内含有油气的工质经过油气分离器5进行油气分离，分离后的工质通过管组重新回到机内工质循环系统。

所述的阀块组件中包括了进排气阀组，进排气阀组包括进气单向阀1和排气单向阀2。进气单向阀1起控制工质向斯特林发动机单向进气的作用，排气单向阀2起控制工质从斯特林发动机向高压气瓶单向排气的作用。以四缸斯特林发动机为例，每缸各装一个进气单向阀1和一个排气单向阀2，为保证各缸的工质循环最高压力和最低压力相等，在其中一对进排气单向阀（必须为同一缸）的阀片上各开一个平衡孔就可以保证机内工质在各缸平均分配。原因可以解释为：以工质循环最高压力为例，假如各缸的工质循环压力不相等，那么进气管路中的压力是四个缸工质循环压力的最低值，排气管路中的压力为四个缸工质循环压力的最高值，如果四个缸中某一缸的进排气单向阀开有平衡孔，相当于将进气管路、发动机和排气管路通过一个孔径微小的平衡孔连通，工质在发动机内部将重新分配，随着循环的深入各缸工质循环压力将相等。

本发明的斯特林发动机机内工质系统适用于氢气、氦气等多种工质，同时也适用于四缸机、八缸机等多缸机。

本领域技术人员应该认识到，以上实施例仅用于说明本发明而非限制本发明所描述的技术方案，并不局限于以上的形式，还可以对本发明进行修改或等同的替换，如改变单向节流阀和排气单向节流阀4的形式，改变平衡孔孔径的大小，只要是采用节流方法来平衡各缸工质循环压力的方法；一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，都将落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种斯特林发动机机内工质系统，包括进气系统组件、排气系统组件、工质压缩机（15）和管系，所述的进气系统组件，从机外到机内，由与外围进气管路或补气管路相连的进气管路、进气电磁阀（8）、进气压力传感器（7）和进气单向阀（1）组成；所述的排气系统组件，从机内到机外，由排气单向阀（2）、排气压力传感器（12）、排气电磁阀（13）、单向阀（14）和工质压缩机（15）组成，其特征在于：在所述的斯特林发动机任选一缸上，其进气单向阀（1）、排气单向阀（2）的阀片上开有平衡孔；在所述的进气管路和排气管路之间，串接有一个短路电磁阀（9），用于控制使斯特林发动机的低压工作腔和高压工作腔相连瞬时连通，使压力平衡。

2.根据权利要求1所述的斯特林发动机机内工质系统，其特征在于：所述的进气电磁阀（8）、排气电磁阀（13）、短路电磁阀（9）、进气压力传感器（7）、排气压力传感器（12）通过阀块集成一体，形成工质阀块组件。

3.根据权利要求1或2所述的斯特林发动机机内工质系统，其特征在于：在所述的斯特林发动机缸套上的帽式密封腔上，设置一根工质油气分离管路，工质经过油气分离器（5）和单向阀节流阀（6）流回到斯特林发动机工作循环中。

4.根据权利要求1或2所述的斯特林发动机机内工质系统，其特征在于：在所述的工质阀块组件上设置有一个溢流阀（10）和一个手动放气阀（11）。

5.根据权利要求3所述的斯特林发动机机内工质系统，其特征在于：在所述的工质阀块组件上设置有一个溢流阀（10）和一个手动放气阀（11）。

6.根据权利要求1或2所述的斯特林发动机机内工质系统，其特征在于：在所述的工质压缩机（15）出口管路上，设置一个油气分离器（16）。

7.根据权利要求5所述的斯特林发动机机内工质系统，其特征在于：在所述的工质压缩机（15）出口管路上，设置一个油气分离器（16）。

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