CN1380490A

CN1380490A - 由热能转变成流体压力能的方法及其装置

Info

Publication number: CN1380490A
Application number: CN 01107951
Authority: CN
Inventors: 张铁柱
Original assignee: Qingdao University
Current assignee: Qingdao University
Priority date: 2001-04-07
Filing date: 2001-04-07
Publication date: 2002-11-20

Abstract

一种由热能直接转变成流体压力能的方法及装置,克服了现有热能向流体压力能转换过程中需经机械能传递有能量损失的缺点。该方法在含有用双头活塞将缸体分隔成上下活塞室的能量转换装置中完成,初始阶段活塞靠启动力或回程力自上止点移至下止点时,燃料喷入活塞下室并与压缩空气混燃完成第一行程;再由膨胀压力推动活塞自下止点向上止点移动,流体被连续增加压力能后对外做功。该方法及装置提供了一种高效方便的流体压力能,节约原料,减少污染。

Description

由热能转变成流体压力能的方法及其装置

本发明涉及一种能量状态的转换方法及其装置，具体地说是一种由热能直接转变成流体压力能的方法及其所使用的装置。

传统的流体压力能一般是经过机械能转换而获得，而机械能通常是由热能或电能转换而来。但就热能向流体压力能的转换，除了需经机械能状态的过渡外，还有传递与参数变换多个环节，而且涉及的设备装置也相对复杂。热能向机械能转换的现有装置主要有内燃机，由燃烧室、缸体、活塞、连杆、曲柄、喷嘴、活塞环、缸盖、缸底等部件构成，其工作过程通常分为二个冲程或四个冲程完成一个能量转换的循环。当燃烧室内的高压可燃气体燃爆后产生推力带动活塞移动，从而带动连杆和曲柄将热能变换成机械能而对外做功。由于现实中应用流体压力能场合很多，所以经常要将机械能(由热能或电能转换而成)再变换成流体压力能，其常规设备如柱塞泵，主要由缸体、偏心轮、柱塞、弹簧、进出口阀等部件组成，由机械能带动偏心轮从而使柱塞作轴向往复运动，靠密封容积的大小交替变化而形成流体压力能量状态。目前这种由热能向流体压力能转换的技术方法需要通过三个环节，一是由内燃机实现热能向机械能的转换；二是由机械变速连接装置实现机械能的传递与参数变换；三是由流体泵实现机械能向流体压力能的转换。正是因为转换过程的多环节及转换设备本身的原因，使这种能态变换普遍存在转换效率低，转换设备、装置笨重，性能差，且转换状态适应范围小，使用不便等突出缺点。

本发明的目的在于克服现有热能向流体压力能状态转换过程需经过机械能传递等环节而造成能量损失的突出缺点，寻求设计一种由燃烧产生的热能直接变换成流体压力能状态的方法及其装置。由于流体压力能应用领域越来越广，如液压动力传递、风机、泵类等场合，所以本发明方法及其装置可以提供一种简单、高效、方便的流体压力能源。尤其是采用该方法使用的装置简化了设备的结构，可以缩小设备体积，节约原材料，减少污染环节。

为了实现上述发明目的，本发明的方法在含有双头活塞的能量转换装置中完成，分两个过程，也叫两个行程，在第一行程活塞靠启动力(初始循环)或回程力(包括重力、弹簧力和流体压力等)作用自上止点向下止点移动，活塞上室通过进口阀吸入低压流体，而活塞下室在初始阶段首先扫压活塞下室中的气体，当活塞下移至近下止点时，燃料喷入活塞下室并迅速与压缩空气混合而燃爆完成第一行程；第二行程初始由燃爆气体膨胀压力作用使活塞克服流体压力、弹簧力等，自下止点向上止点移动，使活塞上室中的流体被连续增加压力能并由活塞上室排出到流体排出通道对外做功。

在活塞下室，随着双头活塞的下移，进排气口(门)被相继关闭，使活塞下室内形成密闭空间；在第一个行程及第二行程终了阶段，活塞上室与流体进入通道连通，与流体排出通道隔离，而在第二个行程的前期与中期阶段则反之。

在第一行程，活塞下室实现扫气、压缩、燃料喷入及燃烧，而活塞上室则完成流体的吸入或压入；在第二行程，活塞下室实现膨胀排出废气、吸入新空气，而活塞上室完成压力流体的连续排出，实现一个完整的热能向流体压力能的转换循环，如此周而复始。

完成上述能量转换的装置主要由活塞下室(燃烧室)、活塞上室(流体工作室)、双头活塞、缸体、燃料泵、燃料喷嘴、燃烧活塞环，流体活塞环、活塞弹簧及流体通道等部件组成；缸体、缸盖和缸底组成装置的主体固定不动；缸体中双头活塞底部与缸底、缸体内壁构成活塞下室；双头活塞顶部与缸盖、缸体内壁构成活塞上室；双头活塞在缸体中既可以往复运动，又可以将缸体内空间分成两个互相不通透的上、下活塞工作室；燃烧活塞环和流体活塞环分别在活塞下室和活塞上室中套制于双头活塞上，用于保持双头活塞与缸体间的密封。

本发明方法及其装置与现有技术相比，在实现由热能向流体压力能转换方面省去了作为过渡能量状态形式的机械能传递步骤，具有能量转换效率高，工作原理简便，实施过程灵活，涉及的装置结构简单，体积小，不但可以节省能源，而且可以节省原材料等优点。

图1为本发明能量转换装置的结构原理示意图；

图2为本发明实施例单缸液压式内燃发动机结构原理示意图；

图3为本发明实施例单缸内燃式流体活塞泵结构原理示意图。

本发明装置的部件组成主要有：活塞下室(燃烧室)1、活塞上室(流体工作室)2、双头活塞3、缸体4、燃料泵5、排气口6、流体进口阀7、流体出口阀8、燃料喷嘴9、燃烧活塞环10、流体活塞环11、泄流口12、缸盖13、缸底14、活塞弹簧15、流体进入通道16、流体排出通道17、进气门18等。缸体4、缸盖13和缸底14三位配套固定构置成整机体，其内部空间由双头活塞3分为上、下两个活塞室，双头活塞3的底部与缸底14、缸体4内壁构成活塞下室1；双头活塞3顶部与缸盖13、缸体4内壁构成活塞上室2。整机装置的配制可以按常规方法构置而成，其实现热能向流体压力能状态转换的工作过程如下：

第一行程：双头活塞3在启动力(初始循环)或回程力(包括重力、弹簧力或流体压力等)的作用下，自上止点向下止点移动。流体进口阀7开启，流体出口阀8关闭。

在活塞下室1：行程开始阶段，排气口6未被双头活塞3遮盖，实现扫气；随着双头活塞3的下移，排气口6被双头活塞3遮盖，进气门随之关闭，活塞下室1内的空气被压缩；当双头活塞3下移到接近下止点时，燃料喷入活塞下室并迅速与压缩空气混合后着火燃烧，活塞下室1压力迅速增加。

在活塞上室2：在整个行程，活塞上室2与流体进入通道16连通，与流体排出通道17隔离。随着双头活塞3的下移，活塞上室2容积增大，流体经流体进口阀7被连续不断地由流体进入通道16吸入或压入到活塞上室2中。

因此，第一行程，活塞下室1实现扫气、压缩、燃料喷入及燃烧等工作，而活塞上室2完成流体的吸入或压入工作。

第二行程：双头活塞3在气体膨胀压力的作用下，克服活塞弹簧15的弹簧力、双头活塞3本身的重力及流体压力，自下止点向上止点移动。开始及中间阶段，流体进口阀7关闭，流体出口阀8开启。终了阶段，流体进口阀7开启，流体出口阀8关闭。

在活塞下室1：双头活塞3上行到一定行程时，排气口6开启，排出废气；随着活塞3的上移，进气门18开启，活塞下室1内部压力下降，新鲜气体进入活塞下室1。

在活塞上室2：在行程的开始和中间阶段，活塞上室2与流体排出通道17连通，与流体进入通道16隔离。随着双头活塞3的上移，活塞上室2容积减小，具有一定压力的流体经流体出口阀8被连续不断地由活塞上室2排出到流体排出通道17。在行程终了阶段，活塞上室2与流体排出通道17隔离，与流体进入通道16连通，活塞上室2中的流体被送回流体进入通道16。

因此，第二行程，活塞下室1实现排出废气、吸入新鲜空气等工作，而活塞上室2完成压力流体的连续排出工作，排出的流体即获得了一定的压力能量，经流体出口阀8压入到流体压力系统。从而实现了机械能向流体压力能的转换。

本发明中的双头活塞3的两个头部直径可以相同，也可以不相同，其上部的直径依据所用液体性质而定，可以为一体也可以分步制取后通过杆件连接；所用燃料为液体或气体；所用流体为液体或气体或其他工业流质。

实施例1：单缸液压式内燃发动机

在本发明涉及的能量转换装置19上的流体出口阀8(或21)的输出端按现有技术工艺加装储能器22和限压阀23构成高压流体输出的稳压系统，使输出的流体具有稳定的压力供给负载系统29对外做功；再采用常规技术方法配装燃料供给系统24、冷却系统25、润滑系统26、启动点火系统27和配气系统28等构成单缸液压内燃式发动机。

实施例2：单缸内燃式流体活塞泵

根据所使用的流体粘度确定并配制双头活塞3的上部直径，在单缸液压式内燃发动机30的基础上改选加装低压流体进口阀31、高压流体出口阀32和流体输送系统33，即可构成适于所选流体使用的单缸内燃式流体活塞泵。

Claims

1、一种由热能转变成流体压力能的方法，在含有双头活塞的能量转换装置中完成，分为两个行程，其特征在于第一行程，活塞靠启动力或回程力作用自上止点向下止点移动，活塞上室通过进口阀吸入低压流体，而活塞下室在初始阶段首先扫压活塞下室中的气体，当活塞下移至近下止点时，燃料喷入活塞下室并迅速与压缩空气混合而燃爆完成第一行程；而后由燃爆气体膨胀压力作用使活塞克服流体压力、弹簧力等，自下止点向上止点移动，使活塞上室中的流体被连续增加压力能并由活塞上室排出到流体排出通道对外做功。

2、根据权利要求1所述的由热能转变成流体压力能的方法，其特征在于在活塞下室，随着双头活塞的下移，进排气口被相继关闭，使活塞下室内形成密闭空间。

3、根据权利要求1所述的由热能转变成流体压力能的方法，其特征在于第一行程中及第二行程终了阶段，活塞上室与流体进入通道连通，与流体排出通道隔离，而在第二个行程的前期与中期阶段则反之。

4、一种由热能转变成流体压力能的装置，主要由活塞下室、活塞上室、双头活塞、缸体、燃料泵、燃料喷嘴、燃烧活塞环、流体活塞环、活塞弹簧及流体通道等部件组成，其特征在于缸体、缸盖和缸底组成装置主体固定不动，缸体中的双头活塞底部与缸底、缸体内壁构成活塞下室；双头活塞顶部与缸盖、缸体内壁构成活塞上室；双头活塞在缸体中既可以往复运动，又将缸体内空间分成两个互相不通透的上、下活塞工作室。

5、根据权利要求4所述的由热能转变成流体压力能的装置，其特征在于燃烧活塞环和流体活塞环分别在活塞下室和活塞上室中套制于双头活塞上。