CN107559047A - 活塞型轴向膨胀器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及活塞型轴向膨胀器(4)，包括：用于压力下的蒸汽的进气汽缸盖(10)，其包括蒸汽进气开口(100)，膨胀区域，其包括多个汽缸(110)，在各个汽缸中滑动的活塞(111)由斜板(20)连接至轴(40)，每个活塞与轴平行。多个提升阀(12)，在进气汽缸盖中与轴正交布置，允许蒸汽交替进气到汽缸，每个阀(12)由布置在轴上的凸轮(21)控制，每个阀的提升机构(13)，其与凸轮配合，每个阀的返回机构，进气汽缸盖包括：封闭的且经润滑的中间区域(10A)，其包括凸轮及阀的提升机构和返回机构，外围区域(10B)，进气开口通向外围区域，外围区域围绕中间区域延伸。

Description

活塞型轴向膨胀器

技术领域

本发明涉及活塞型轴向膨胀器。

背景技术

已知将来自发动机的热转化成机械能的系统。已知这样的组件特别用于转化由内燃机发动机发出的热，所述热特别在排气排出的过程中耗散并且因此损失。

这样的组件受到严格的重量限制和尺寸限制。因此其倾向于变得越来越紧凑。

这些系统利用工作流体工作，所述工作流体经受热力学郎肯循环，所述热力学郎肯循环包括压缩、可能通过过热补充的蒸发、在膨胀器中膨胀以及冷凝。在膨胀器中膨胀使得能够使可移动构件(例如活塞)致动以便获得机械能。

特别关注的是这样的系统，其包括膨胀器，所述膨胀器包括在压力下用于蒸汽的进气汽缸盖，所述膨胀器包括用于蒸汽的进气开口以及包括多个汽缸的膨胀区域，其中在各个汽缸中滑动的活塞由斜板连接至轴，每个活塞平行于所述轴。

布置在进气汽缸盖中的多个阀使得蒸汽交替进气到所述汽缸中，每个阀由布置在轴上的凸轮控制并与每个阀的提升机构和返回机构相配合。

在这种类型的膨胀器中，活塞可以是单动式的，即仅在一侧通过蒸汽的膨胀发生机械做功，或者是双动式的，即在其两侧均通过蒸汽的膨胀而发生机械做功。

文献WO 2005/073511(参考图1和图6)描述包括单动式活塞的膨胀器。在这些膨胀器中，阀杆与凸轮之间的连接因为其置于曲轴箱中得以润滑，所述曲轴箱还包括斜板。然而，这种构造具有以下缺点：需要很长的阀杆，这增加它们的质量并由此增加惯性荷载。阀的返回机构(通常为弹簧)因此必须具有相应的大小，这进一步增加膨胀器的质量和尺寸。此外，阀的结构几乎不能与双动式的活塞的使用相协调。实际上，在图1的情况中，轴将会妨碍阀从而避免润滑剂流入含有高压蒸汽的汽缸盖中，且设置专门的密封件是有必要的，这些密封件昂贵且在膨胀器的操作温度下不是很可靠。在图6的情况中，阀在膨胀器的外围定位对于双动式的活塞的使用更为有利，但是会需要增大膨胀器的外径。

文献US 4,262,579描述另一种活塞型轴向膨胀器。该文献没有显示从凸轮延伸到汽缸的区域的任何限制，每个活塞在所述汽缸中滑动。因此，由阀杆引起的任何泄露的蒸汽都会损失掉。此外，蒸汽膨胀器的进气角一般很小，这特别要求稳定的阀升程，并且对于在高速下旋转的膨胀器，特别要求刚度较大的阀返回弹簧。这些弹簧体积大，特别是在轴向方向上，它们对膨胀器的紧凑性不利。

然而，在趋于装载这种转化系统的车辆的应用中，有必要使得系统的不同部件的尺寸和质量最小化。

发明内容

本发明的一个目的是改正现有的膨胀器的缺点，并设计一种活塞型轴向膨胀器，该活塞型轴向膨胀器更紧凑，同时还提供较好的润滑，并能够避免由可能的泄露导致的蒸汽损失。

依据本发明，提出的活塞型轴向膨胀器包括：

-用于压力下的蒸汽的进气汽缸盖，所述进气汽缸盖包括蒸汽进气开口，

-膨胀区域，其包括多个汽缸，其中在各个汽缸中滑动的活塞由斜板连接至轴，每个活塞与所述轴平行，

-多个提升阀，所述多个提升阀在所述进气汽缸盖中与所述轴正交布置，以允许蒸汽交替进气于所述汽缸，每个阀由布置在轴上的凸轮控制，

-每个阀的提升机构，其与所述凸轮配合，

-每个阀的返回机构，

所述膨胀器的特征在于，所述进气汽缸盖包括：

-封闭的且经润滑的中间区域，其包括凸轮以及阀的提升机构和返回机构，

-外围区域，所述进气开口通向所述外围区域，所述外围区域围绕所述中间区域延伸。

"上"或"下"表示在膨胀器的正常使用过程中相对于膨胀器的相对的位置。

"纵向"表示与轴的轴线平行的方向。

术语"中间"和"外围"相对于轴的轴线定义：中间区域包括所述轴的轴线，外围区域环绕中间区域的至少部分。

在特别有利的实施方式中，所述外围区域仅仅围绕中间区域的上部分延伸。

优选地，所述外围区域与中间区域的下部分不包括共同的壁。

根据一个实施方案，膨胀器还包括用于中间区域的润滑回路，所述回路包括：

-通道，其布置在轴内并通过润滑剂进入开口与所述中间区域导通，并且

-润滑剂输出开口，其布置在所述中间区域的下部分的壁中。

此外，中间区域在其上部分有利地包括用于蒸汽的贯通开口，该贯通开口与膨胀器的排气区域流体连接。

根据优选的实施方案，每个阀的返回机构包括扭转杆和返回摇臂，所述返回摇臂在每个阀的扭转杆与杆之间延伸，以施加将阀的盖挤压至所述阀的座的力。

优选地，扭转杆与轴平行。

根据一个有利的实施方案，返回摇臂由叉部固定至阀杆。

优选地，所述叉部在两个接触点处与阀顶部接触，所述两个接触点的轴线与所述返回摇臂的旋转轴线不平行，从而使得叉部引起杆绕所述杆的轴线的旋转。

此外，用于每个阀的提升机构包括固定至各个阀的枢转的摇臂，所述摇臂(所谓的凸轮随动摇臂)与凸轮配合以将所述阀的盖与所述阀的座分开。

根据一个实施方案，活塞为双动式的。

附图说明

其它特征和优势将参照随附的附图，通过随后的详细说明揭示，其中：

-图1为朗肯回路(Rankine circuit)的示意图，

-图2为根据本发明的一个实施方案的膨胀器外部的立体图，

-图3为在图2的膨胀器的汽缸盖处的横截面图，

-图4为图2的膨胀器的纵向截面图，

-图5和图6为根据本发明的一个实施方案的阀的提升机构和返回机构的立体图，

-图7为返回摇臂的特定实施方案的立体图，

-图8为在根据本发明的另一个实施方案的膨胀器的汽缸盖处的横截面图，

-图9为在根据本发明的一个实施方案的膨胀器的汽缸盖处的横截面图。

具体实施方式

图1显示实施朗肯热力循环的回路。

在该图中显示的是包含工作流体的回路1，回路1包括：

-泵2，通常为设计成传送工作流体流动的泵，该泵在其排出装置处建立40巴的压力；

-第一换热器3，其在后文中被称为“蒸发器”；

-膨胀器4；

-第二换热器5，其在后文中被称为“冷凝器”；

-旁路装置6。

泵2向蒸发器3供应通常约40巴的压力下的液态工作流体。

蒸发器3设置在高温介质中，因此完成该高温介质与工作流体之间的换热使得工作流体蒸发并且转变成气态。

离开蒸发器3的工作流体因此为气态并且处于压力下。

工作流体然后通过膨胀器4，在膨胀器4中发生膨胀。

工作流体在膨胀器4中的膨胀涉及到可移动装置(例如旋转机械轴)，因此允许回收工作流体的能量。

可移动装置有利地联接至内燃机发动机的轴，以便再注入机械转矩。可移动装置还可以联接至能量转化装置(例如发电机)，以便允许将源自膨胀的能量转化成电能。

离开膨胀器4的工作流体因此为气态并且处于低压(通常约2.2巴)下。

然后工作流体经过冷凝器5，所述冷凝器5设置在低温介质中以便完成工作流体与该低温介质之间的换热以降低工作流体的温度，并且使其恢复液态。

离开冷凝器5的工作流体因此为液态并且处于低压(通常约2.2巴)下。工作流体然后通过泵2再注入回路1并且重复之前描述的循环。

所示回路1进一步包括旁路设备6，所述旁路设备6被设计成能够取出膨胀器4上游的全部或一部分工作流体并且在膨胀器4下游将其再注入回路1，因此充当膨胀器4的短路。所述设备通常被称为“旁路”。

这样的旁路设备6有利的用在回路1的起始阶段从而允许建立回路1中的温度和压力条件和/或实现曲轴箱17中的温度升高，或者在需要的情况下调节回路1的操作。

图2为根据本发明的一个实施方案的膨胀器外部的立体图。

在该实施方案中，膨胀器包含双动式活塞，压力下的蒸汽被容纳在位于膨胀器的两侧的两个汽缸盖10中。尽管其为优选地，但是这种构造不受限制，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下，应用具有单动式活塞的结构。

膨胀器4包括每个汽缸盖10中的用于压力下的蒸汽的进气开口100，还包括两个排气开口200。

图3为在图2的正常使用的位置的膨胀器的汽缸盖处的横截面图。图4是所述膨胀器的纵向截面图。

汽缸盖10具有用于压力下的蒸汽的进气开口100。

汽缸盖还包括中间区域10A和外围区域10B。为了下文更详细地阐述，外围区域10B部分地围绕中间区域10A。更准确地是，外围区域10B仅仅围绕中间区域10A的上部分延伸。

开口100通向汽缸盖的外围区域10B。

膨胀器4包括设置在膨胀区域的汽缸110(在图4的膨胀器的每一侧在数量上有三个)，每个活塞111在膨胀区域滑动(见图4)。如上所述，在该图中，活塞是双动式的，但是该构造并非限制性的。

每个活塞111由斜板20连接至轴40(见图4)，每个活塞平行于轴40。在正常使用位置，轴40在大致水平的平面内延伸。该板布置在曲轴箱14中，曲轴箱14包括在膨胀器的运行状态下处于流体状态的润滑剂。每个活塞与斜板之间的连接由此得以润滑。

每个汽缸与排气区域流体连接，排气区域通过排气开口200与膨胀器导通，用于将处于膨胀状态的工作流体排出。

在延伸至汽缸盖10的区域中，轴40支撑凸轮21。所述凸轮能够形成轴的整体部分或者与轴分开制造然后再刚性固定至轴。

所述凸轮21控制多个阀12(在图3的实施方案中是三个，该数目仅仅是示例性的)，以允许在压力下的蒸汽从外围区域10B进气到各个汽缸110中。

阀12为提升阀。以其自身已知的方式，这种阀包括：

-圆形盖120，其起到进气汽缸盖与每个汽缸之间的封闭构件的作用。当阀处于关闭位置时，其挤压布置在汽缸盖中的阀座101，以确保汽缸的密封；

-柱形杆121，其直径基本上小于盖的直径，这通过设置在汽缸盖中的阀导向件102而提供阀的竖直导向；

-套环122，其通过较大曲率半径而将盖120连接至杆121，

-顶部123，其位于杆的与盖相对的端部，顶部123联接至与凸轮21配合的阀的提升机构13。

提升阀布置在与轴的轴线大致正交的平面内。

提升阀的一个优势是它们尺寸小，这能够使惯性荷载最小，从而有利于膨胀器的紧凑性。此外，提升阀是这样一种进气系统，其要求仅仅杆与导向件之间的接触中良好润滑。盖与座之间的接触(是该机构的最热的接触)能够利用低润滑自行满足，例如利用与膨胀器的工作流体一起循环的润滑剂的沉积。工作流体中质量比例小于或等于5％的润滑剂是足够的。

如在图3中可见的，凸轮以及阀的提升机构和返回机构位于汽缸盖的中间区域10A。

该区域10A为封闭的且经润滑的，这确保相关的机械连接的良好运作，同时还避免在阀导向件处出现泄漏的情况下的蒸汽损失。

实际上，区域10A有利地包括排出孔103，其用于这种朝向汽缸的排气区域的可能的蒸汽泄露。因此，蒸汽被再注入到蒸汽回路。

此外，润滑剂通过在轴40中形成的孔22而从曲轴箱引入到中间区域10A。所述孔在轴40的内部沿纵向延伸并通过径向孔23而通向区域10A。

为实现该目的，润滑剂由设置在轴40的一端的油泵15从曲轴箱14通过通道150泵送。

从而被引入到中间区域10A的润滑剂能够润滑不同的机械连接，之后润滑剂由于重力而落入到所述区域10A的下部分。

中间区域10A还包括布置在所述区域的下部分的壁中的润滑剂输出开口104。所述开口与曲轴箱14流体连接，以允许润滑剂返回到曲轴箱。

因为中间区域10A的下部分与经受高温的外围区域10B不具有共同的壁，因而润滑剂在从中间区域10A排出之前不会被无用地加热，这防止润滑剂劣化。

此外，油泵15位于膨胀器的端部，导管能够由此设置在中间区域的下部分以用于从曲轴箱向油泵供应润滑剂，并用于从油泵为膨胀器的一定区域供给。因此，导管(未示出)也能够设置在下部分，以用于使为轴的旋转密封件供给的润滑剂排出。

在图2至图4示出的实施方案中，活塞为双动式的并且膨胀器包括在膨胀器的两侧的两个进气汽缸盖10。在轴中形成的纵向孔22能够向两个进气汽缸盖的每一个的中间区域供应润滑剂。

可替换地或者作为补充方案，导管103能够设置在一个或者多个汽缸的排气区域与中间区域10A之间，以允许排出的蒸汽在膨胀之后朝向中间区域10A流动。这种构造在工作流体搀入润滑剂的情况下允许单独使用存在于蒸汽中的润滑剂或者作为来自轴的润滑剂的补充而润滑在阀的控制中所涉及的机械连接。

阀提升机构和返回机构的优选的实施方案将会参考图5和图6而更为详细地进行描述。

阀的提升机构包括摇臂130，所谓的“凸轮随动摇臂(cam follower rocker arm)”绕平行于轴的轴线枢转并具有与凸轮接触的区域131。所述摇臂通过与区域131相对的区域而与阀12的顶部123联接，从而在区域131与凸轮21配合的时候在阀上施加推力。这种推力具有使阀的盖120从其座101分开的效果，从而允许蒸汽容纳在相应的汽缸中。

膨胀器还包括用于阀的返回装置，这能够施加力以抵靠阀的座而挤压阀的盖。

在图5和图6中的所示的实施方案中，这种返回装置包括在膨胀器中沿纵向布置的扭转杆132。在扭转杆一端处，扭转杆刚性地固定至摇臂133(所谓的“返回摇臂”)。在扭转杆相对的端部，扭转杆刚性地固定至管134，在管134内部布置该扭转杆。所述管134自身固定至汽缸盖。提升阀使杆132稍微地扭转，这种扭转减少杆中的回复力矩。

返回摇臂133固定至阀的在顶部附近的杆121。返回摇臂133与杆121之间的连接由叉部1330实现，所述叉部1330延伸至返回摇臂的与扭转杆相对的端部。叉部1330具有两个围绕杆121的平行的臂，各臂之间的距离等于杆的直径。

凸轮的旋转速度实际上较高，并且阀的打开角度非常小。从而阀的移动引起特别高的惯性荷载。因此必须减小阀的质量，并且必须以相当大的回复力抵抗惯性。但是，在不施加较大的弹性预载的情况下，用紧凑的弹簧对于利用的较小的提升高度实现充分的回复力是不可能的。该预载引起凸轮随动摇臂在所述凸轮上不断地摩擦，这增加电动机的摩擦和磨损。扭转杆能够具有较高的刚度，这能够避免使用相当大的预载。

无论实施扭转杆的方式如何，这种返回机构具有较大的紧凑性是特别有利的。事实上，在具有相同的刚度的情况下，作为返回装置，扭转杆比常规使用的螺旋弹簧具有更小的尺寸。

图7为返回摇臂的有利的实施方案的立体图，所述摇臂133适合用于在图5和图6中显示的返回机构中。

叉部1330的臂与阀的顶部123之间的接触C1，C2允许杆绕其轴线旋转。这种旋转由返回摇臂的旋转轴线X与叉部的接触点C1，C2的轴线X’之间的较小的角α引起，在两个接触处的每一个产生不同的力。这能够永久地将阀的盖配合至阀的座上，并从而限制膨胀器的整个使用期中的泄露。

图8为在根据本发明的轴向膨胀器的另一个实施方案的汽缸盖处的横截面图。与前面的图的附图标记相同的附图标记指示于前面的实施方案功能相同的元件，因此不再描述。

在该实施方案中，返回功能不是由扭转杆实现，而是由布置在各个阀的阀导向件与顶部之间的每个弹簧140实现。弹簧140从而在阀上施加回复力以抵靠阀的座挤压阀。

然而这种实施方案是不太优选的，因为弹簧140必须刚度较大，且体积由此非常大的，这不利于膨胀器的紧凑性。

此外，提升阀的控制规则十分严格，因为与内燃机发动机相比，每个阀仅仅在十分小的角度范围(大约70-80°)内打开。阀的提升高度相对于内燃机发动机也较小(大约2mm)。如果提升速度太高，阀射出阀的座，并且阀的惯性使得返回机构难于与凸轮保持接触，或者保持在如图8中的凸轮随动摇臂上(如果其为适用的)。在这种情况下(称为“阀浮升”)，阀的打开持续期间不再受控(冲击运作)，并且在重新开始接触时的冲击导致系统的长期故障。

在图9的实施方案中，活塞为双动式的并且膨胀器包括两个在膨胀器的两侧的进气汽缸盖10。每个汽缸盖10具有三个用于压力下的蒸汽的进气开口100a、100b、100c。

每个汽缸盖还包括中间区域10A和外围区域10B，进气开口100a、100b、100c通向外围区域。该实施方案在限制汽缸盖的尺寸并由此限制它们的质量和成本的方面是特别有利的。

最后，不言而喻，已给出的示例当然仅仅是特定说明，决不是限制本发明的应用领域。

参考文献

WO 2005/073511

US 4,262,579

Claims (11)

1.活塞型轴向膨胀器(4)，其包括：

进气汽缸盖(10)，其用于压力下的蒸汽并包括蒸汽进气开口(100)，

膨胀区域，其包括多个汽缸(110)，其中在各个汽缸中滑动的活塞(111)由斜板(20)连接至轴(40)，每个活塞与所述轴平行，

多个提升阀(12)，所述多个提升阀(12)在所述进气汽缸盖(10)中与所述轴(40)正交布置以允许蒸汽交替进气到所述汽缸(110)，每个阀(12)由布置在轴(40)上的凸轮(21)控制，

每个阀的提升机构(13)，其与所述凸轮配合，

每个阀的返回机构，

所述膨胀器的特征在于，所述进气汽缸盖(10)包括：

封闭的且经润滑的中间区域(10A)，其包括凸轮和阀的提升机构和返回机构，

外围区域(10B)，所述进气开口(100)通向所述外围区域(10B)，所述外围区域(10B)围绕所述中间区域(10A)延伸。

2.根据权利要求1所述的活塞型轴向膨胀器，其中所述外围区域(10B)仅仅围绕中间区域(10A)的上部分延伸。

3.根据权利要求2所述的活塞型轴向膨胀器，其中所述外围区域(10B)与所述中间区域(10A)的下部分不包括共同的壁。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的活塞型轴向膨胀器，进一步包括用于中间区域(10A)的润滑回路，所述回路包括：

通道(22)，其配置在轴之内并通过润滑剂进入开口(23)与所述中间区域(10A)导通，以及

润滑剂输出开口(104)，其布置在所述中间区域(10A)的下部分的壁中。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的活塞型轴向膨胀器，其中所述中间区域(10A)在其上部分包括用于蒸汽贯通开口(103)，所述贯通开口(103)与所述膨胀器的排气区域流体连接。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的活塞型轴向膨胀器，其中每个阀的返回机构包括扭转杆(132)和返回摇臂(133)，所述返回摇臂(133)在每个阀的所述扭转杆(132)与杆(121)之间延伸，以施加将阀(120)的盖挤压至所述阀的座(101)的力。

7.根据权利要求6所述的活塞型轴向膨胀器，其中所述扭转杆(132)平行于所述轴(40)。

8.根据权利要求6所述的活塞型轴向膨胀器，其中所述返回摇臂(133)由叉部(1330)固定至阀杆(121)。

9.根据权利要求8所述的活塞型轴向膨胀器，其中叉部(1330)在两个接触点处与阀顶部接触，所述两个接触点的轴线(X’)与所述返回摇臂(133)的轴线(X)不平行，从而使得叉部(1330)引起杆(121)绕所述杆的轴线的旋转。

10.根据权利要求1至3中的任一项所述的活塞型轴向膨胀器，其中每个阀的提升机构(13)包括固定至各个阀的枢转的凸轮随动摇臂(130)，所述凸轮随动摇臂与所述凸轮(21)配合，以将所述阀的盖(120)与所述阀的座(101)分开。

11.根据权利要求1至3中的任一项所述的活塞型轴向膨胀器，其中所述活塞(111)为双动式的。