RU2649523C2 - Двигатель внешнего сгорания на основе двигателя Стирлинга гамма-типа, система привода и способ регулирования мощности двигателя - Google Patents
Двигатель внешнего сгорания на основе двигателя Стирлинга гамма-типа, система привода и способ регулирования мощности двигателя Download PDFInfo
- Publication number
- RU2649523C2 RU2649523C2 RU2016118605A RU2016118605A RU2649523C2 RU 2649523 C2 RU2649523 C2 RU 2649523C2 RU 2016118605 A RU2016118605 A RU 2016118605A RU 2016118605 A RU2016118605 A RU 2016118605A RU 2649523 C2 RU2649523 C2 RU 2649523C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- working fluid
- engine
- cylinder
- working
- cylinders
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 12
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title abstract description 6
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 title abstract description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 63
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 24
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 24
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 6
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 claims 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 8
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000003380 propellant Substances 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000008094 contradictory effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
- F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/02—Hot gas positive-displacement engine plants of open-cycle type
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
- F01B7/00—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
- F01B7/16—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with pistons synchronously moving in tandem arrangement
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
- F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
- F02G1/0445—Engine plants with combined cycles, e.g. Vuilleumier
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
- F02G1/045—Controlling
- F02G1/05—Controlling by varying the rate of flow or quantity of the working gas
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G2244/00—Machines having two pistons
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G2244/00—Machines having two pistons
- F02G2244/50—Double acting piston machines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G2244/00—Machines having two pistons
- F02G2244/50—Double acting piston machines
- F02G2244/54—Double acting piston machines having two-cylinder twin systems, with compression in one cylinder and expansion in the other cylinder for each of the twin systems, e.g. "Finkelstein" engines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G2270/00—Constructional features
- F02G2270/80—Engines without crankshafts
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G2270/00—Constructional features
- F02G2270/90—Valves
Abstract
Группа изобретений относится к двигателям внешнего сгорания на основе двигателя Стирлинга гамма-типа. Техническим результатом является повышение эффективности регулирования двигателя. Сущность изобретений заключается в том, что двигатель Стирлинга гамма типа включает последовательно работающий приводной механизм для рабочих поршней и вытеснителей и обеспечивает практически идеальную последовательность операций. Двигатель дополняется регулятором потока рабочего тела и перегородкой, отделяющей работающий подогреватель рабочего тела от остального двигателя во время этапа действия высокого давления. В регуляторе потока рабочее тело перед подогревом проходит через один или более последовательных этапов с вытеснителями/рабочими цилиндрами. Система управления направляет рабочее тело от входного отверстия к первому вытеснителю, далее к первому рабочему цилиндру, и после увеличения объема либо на подогрев, либо к следующему вытеснителю. Охлажденное рабочее тело, в конце концов, направляется обратно к подогревателю, работающему по принципу противотока. 7 н.п. ф-лы, 9 ил.
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к двигателям внешнего сгорания, точнее говоря к усовершенствованному двигателю Стирлинга гамма-типа с регулятором потока рабочего тела и возможностью соединять многочисленные компоненты в последовательный ряд для циркуляции рабочего тела по данному ряду перед ее подогревом. Изобретение обеспечивает практически идеальный расчет времени для работы рабочих поршней и вытеснителей, в результате поток охлажденного рабочего тела выводится к внешнему подогревателю для эффективного восстановления энергии от источника тепла. Время срабатывания регулятора мощности усовершенствовано посредством использования системы смесительных клапанов и фракций рабочего тела разной температуры для регулировки входной мощности и/или промежуточного подогрева рабочего тела в целях выбора оптимального решения между мощностью на валу/результирующим КПД.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Существующие устройства для комбинированной генерации электроэнергии и тепла (CNP), используемые для выработки электроэнергии, работают при обычных температурных параметрах следующим образом:
- Температура топочного газа на выходе из печи составляет 1250°С. Износостойкость строительных материалов и размягчение золы с возникающим в результате шелушением покрытия нагревателя являются ограничивающими факторами для дальнейшего повышения температуры.
- Температура топочного газа на выходе из двигателя Стирлинга составляет 820°С. Средняя температура рабочего тела в двигателях Стирлинга - 650-750°С, таким образом, принимая во внимание необходимую разницу температур для потока тепла от топочного газа к рабочему телу, не представляется возможным дальнейшее охлаждение топочного газа без потери выходной мощности двигателя.
- Температура топочного газа на выходе из системы предварительного подогрева воздуха для горения составляет 650°С. Учитывая вышеперечисленные параметры, современной технологией для выработки электроэнергии является возврат тепла топочного газа от 1250°С до 650°С, остаток тепла расходуется впустую, если не используется для других целей. Следовательно, доведение до минимума верхнего предела диапазона температур между топочным газом и рабочим телом, а также минимизация температуры рабочего тела, используемого для охлаждения топочного газа, являются определяющими факторами для отдачи мощности на валу.
Мертвое пространство, такое как каналы и объем внутренней полости трубок подогревателя, необходимо свести к минимуму по причине их негативного влияния на выходную мощность двигателя, но высокий поток тепла, который требуется в подогревателе, в свою очередь, требует большой площади поверхности внутри трубок подогревателя. Таким образом, требование для сохранения минимума мертвого пространства оказывается противоречивым. Компромисс неизбежен либо в минимизации мертвого пространства, либо в уменьшении температурной разницы между источником тепла и рабочим телом.
Идеальная рабочая последовательность для двигателей Стирлинга гамма-типа предполагает удержание вытеснителя в холодной полости цилиндра во время всего периода расширения, перемещение его в другую полость перед началом обратного хода рабочих цилиндров и удержание вытеснителя в этой позиции до завершения хода. Современные конструкции двигателей Стирлинга используют кривошипно-шатунные приводы / непрерывное движение обоих цилиндров, в результате чего наблюдается существенная потеря мощности в преобразовании энергии давления рабочего тела в механическую работу.
Принято считать, что регулирование мощности двигателей Стирлинга идет медленно, так как отношение тепловой энергии в трубках подогревателя и материалах цилиндра к выходной мощности оказывается очень высоким; и не существует практических методов ускорить охлаждение трубок и цилиндров, когда требуется снизить мощность.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения - способ и система для двигателя внешнего сгорания, включающие стадии процесса и компоненты, известные в двигателе Стирлинга гамма типа, а также добавочную систему отвода рабочего тела, новый поршневой привод и усовершенствованные методы регулирования мощности. Новая добавочная система отвода рабочего тела изолирует систему подогревателя от остальной части двигателя, когда цилиндры в месте подсоединения подогревателя находятся на ступени повышенного/пониженного давления. Кроме того, система отвода направляет рабочее тело от первого вытеснителя к первому рабочему цилиндру, и после ступени расширения, к следующему вытеснителю, и так далее, до самого выхода из подогревателя. Во время прохождения через многочисленные ступени нагнетания/расширения тепловая энергия в рабочем теле преобразуется в механическую работу (и потери), в результате поток охлажденного рабочего тела направляется в подогреватель, в котором высокая теплопередача и небольшая разница температур между рабочим телом и источником тепла достигается посредством использования принципа противотока.
Изобретение обеспечивает два усовершенствования в отношении времени отклика регулятора мощности. Охлажденное рабочее тело может возвращаться на вход первой ступени без подогрева благодаря тому, что в системе используется регулирующий клапан с множественными входами (Фиг. 6, клапан D, вход С). В результате следует немедленное снижение подачи тепла. Кроме того, перегретая часть рабочего тела может быть выведена из подогревателя для придания дополнительной мощности двигателю в случае наличия такой необходимости. Еще одной возможностью является замена коллектора управления (Фиг. 1, деталь 300) коллектором регулятора мощности (Фиг. 7) и нагревание рабочего тела в середине обычного маршрута потока.
Новый поршневой привод работает на основе вращающихся профилированных дисков (Фиг. 1, детали 150-152) и маховиков, контактирующих с поверхностью профилированного края (Фиг. 1, детали 140-142). Профиль диска разделен на основные секции и переходные секции, расположенные между основными секциями. Количество основных секций должно быть кратно четырем. Основные секции управляют позициями и передвижениями поршней следующим образом (Фиг. 3):
Секция 1. Поршень остановлен в верхней позиции;
Секция 2. Поршень движется вниз с постоянной скоростью;
Секция 3. Поршень остановлен в нижней позиции; и
Секция 4. Поршень движется вверх с постоянной скоростью.
Переходные секции предназначены для увеличения и уменьшения скорости поршней с постоянным g-фактором (множителем Ланде). Вращение профилированных дисков привода вытеснителя на четверть цикла опережает вращение профилированных дисков привода рабочего поршня. Движущиеся части поршней и приводов, а также g-факторы, выбираются таким образом, чтобы произведение g-фактора привода вытеснителя и массы вытеснителей и связанных с ними вспомогательных устройств и частей привода, движущихся в направлении рабочего хода, равнялось отрицательному произведению g-фактора привода рабочего поршня и массы рабочих поршней и связанных с ними вспомогательных устройств и частей привода, движущихся в направлении рабочего хода. Центр тяжести массы вытеснителей, связанных с ними вспомогательных устройств и частей привода, движущихся в направлении рабочего хода, расположен на одной линии с центром тяжести массы рабочих поршней, связанных с ними вспомогательных устройств и частей привода, движущихся в направлении рабочего хода. В результате, силы ускорения и торможения движущихся масс компенсируют друг друга, и кинетическая энергия массы торможения проводится через главный вал к массе ускорения. Настоящее изобретение обеспечивает практически идеальную последовательность работы поршней и отсутствие вибрации по причине динамики движущихся частей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания настоящего изобретения, предлагается ссылка на следующие ниже описания в сочетании с прилагаемыми чертежами, где:
ФИГ. 1 раскрывает один вариант осуществления изобретения, в котором основные элементы настоящего изобретения показаны в боковой проекции;
ФИГ. 2 является секционным представлением одного варианта настоящего изобретения, где профилированные диски и маховики поршневого привода показаны с торца;
ФИГ. 3 является схематическим представлением дисков и маховиков поршневого привода, где подробно показаны позиции и области секций, и где наружный торец является профилированным;
ФИГ. 4 показывает альтернативное расположение профилированных поверхностей, когда профилированной является торцевая поверхность диска;
ФИГ. 5 представляет маршруты потока рабочего тела во время движения рабочего поршня вверх и во время движения рабочего поршня вниз;
ФИГ. 6 является блок-схемой альтернативного исполнения настоящего изобретения с двумя ступенями высокого давления/расширения и диаграммное изображение регуляторов мощности с использованием системы регулирующего клапана с множественными входами;
ФИГ. 7 представляет замену коллектора (ФИГ. 1 деталь 300), которая позволяет немедленно подогревать рабочую жидкость в целях оптимизации мощности/эффективности; и
ФИГ. 8 является альтернативной конфигурацией настоящего изобретения, показанного в боковой проекции.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Два варианта осуществления настоящего изобретения, многоступенчатого двигателя внешнего сгорания с последовательным поршневым приводом (100), раскрываются на ФИГ. 1, ФИГ. 8 и ФИГ. 2. Предполагаются и другие конфигурации с разным количеством и позициями нагнетающих цилиндров (210, 220, 230, 240, 710 и 720), рабочего цилиндра (250 и 720), приводов вытеснителей (120, 130, 140, 150 и 121, 131, 141, 151) и привода рабочего поршня (122, 132, 142, 152 и 502, 531). Каждый нагнетающий цилиндр (210, 220, 230, 240 и 710, 720) включает вытеснитель (211, 221, 231, 241 и 231, 141 соответственно) и регенератор (ФИГ. 2 слева от цилиндров). Вытеснители связаны с приводами вытеснителей поршневыми штоками (110, 111), и рабочий поршень также связан с приводом рабочего поршня поршневым штоком (112). Рабочий цилиндр включает рабочий поршень. Рабочие поршни на ФИГ. 1 и ФИГ. 8 двойного действия.
Работа нагнетающих цилиндров и термодинамический принцип в термодинамике двигателя Стирлинга гамма-типа те же, с дополнительными каналами в поршнях и отверстиями в стенке цилиндра, которые используются, чтобы изменять маршрут потока рабочей жидкости, направляя его в цилиндр и из цилиндра и далее к следующему цилиндру или через подогреватель. Ход вытеснителя к холодной полости нагнетающего цилиндра проталкивает рабочее тело через регенератор к горячей полости цилиндра. Рабочее тело нагревается, когда проходит через регенератор, в результате чего повышается давление внутри цилиндра посредством полуадиабатного процесса. Нагнетаемое рабочее тело направляется через вход клапана в направлении рабочего цилиндра, где адиабатный процесс расширения приводит к частичному преобразованию потенциала PV (давление * объем) рабочего тела в механическую работу и снижению давления рабочего тела и температуры; или в направлении следующего нагнетающего цилиндра (где вытеснитель располагается около горячего торца цилиндра), разрешая вывод повышенного давления из того же выхода, после чего вытеснитель движется к холодной полости цилиндра.
В одном конце хода вытеснителя одна группа маршрутов потока рабочего тела через поршневые каналы и отверстия в стенке цилиндра закрывается, другие открываются. В другом конце поршневого хода другая группа маршрутов открывается, а остальные закрываются (ФИГ. 5). Ближе к концу хода рабочего поршня его скорость замедляется до полной остановки, в то же время ход вытеснителя ускоряется до максимальной скорости. То же самое происходит в конце хода вытеснителя - его скорость снижается до полной остановки хода, и одновременно с этим процессом скорость хода рабочего поршня увеличивается до максимального значения.
Каждый поршневой привод включает: радиальный профилированный диск (150, 151 и 152) или альтернативный осевой (ФИГ. 4); маховики, контактирующие с профилированной поверхностью, один или несколько маховиков расположены выше, и один или несколько маховиков расположены ниже. Маховики связаны с рамами поршневого привода (130, 131 132 и 531) подшипниками. Движение и вращение рамы поршневого привода ограничивается направляющими (120, 121 и 122), разрешая движение только в направлении хода поршня. Профилированные диски крепятся к основному валу (101 и 501).
Расположение профилированных дисков и маховиков представлено на ФИГ. 3. Основные секции 1, 2, 3 и 4 предназначены для поршней, движущихся либо с постоянной скоростью, либо остановленных на позиции максимального или минимального хода. Секции ускорения/торможения предназначены для одновременного ускорения вытеснителей и торможения рабочих поршней, или наоборот, одновременного торможения вытеснителей и ускорения рабочих поршней. Расчет времени для секций ускорения/торможения задан таким образом, чтобы их согласовать, а направления динамической нагрузки и размеры приводов вытеснителя и рабочего поршня, поршней и связанных масс заданы противоположными с целью исключить друг друга и таким образом избежать вибраций, генерированных динамическими силами. Вне секций ускорения/торможения, всегда, либо вытеснители движутся с постоянной скоростью, а рабочий поршень неподвижен, либо рабочий поршень движется с постоянной скоростью, а вытеснители неподвижны.
Помимо профилированных дисков с профилированной поверхностью, расположенной на наружной поверхности диска, все вышесказанное действительно и для кольца или выемки в диске, где профилированная поверхность находится на внутренней поверхности кольца или выемки.
Отверстия на цилиндрической поверхности поршней (211, 221, 131, 241 и 711, 721) и отверстия в стенках цилиндра работают как отсечные клапаны. Маршруты потока рабочего тела и направления потока показаны на ФИГ. 5. Верхняя часть рисунка показывает маршруты потока рабочего тела, когда рабочий поршень движется вниз, а нижняя часть - когда рабочий поршень движется вверх. Горячее рабочее тело выходит из подогревателя к соединению, маркированному как «Из подогревателя» ("Fluid from re-heater"), а охлажденное рабочее тело направляется обратно в подогреватель из соединения, маркированного как «в подогреватель» ("Fluid to re-heater").
На ФИГ.6 изображена система смесительного клапана (D), используемая для регулирования мощности. Подогреватель на схеме, работающий по принципу противотока, имеет два выхода и один вход. Но предполагается, что можно использовать систему с большим числом выходов. Отвод рабочего тела к порту (А) системы смесительного клапана осуществляется лишь время от времени с целью быстрого нагревания двигателя. Во время обычной операции основной поток рабочего тела направляется к порту (В) системы смесительного клапана, и небольшая порция, если требуется регулирование температуры, к порту (А). Для быстрого охлаждения двигателя охлажденное рабочее тело направляется к порту (С) системы смесительного клапана.
На ФИГ. 7 показан альтернативный коллектор для замены соединительной детали (300) цилиндров. Коллектор включает трехходовой клапан и два добавочных соединения. В полностью закрытой позиции клапан направляет все рабочее тело от нагнетающего цилиндра 210 к нагнетающему цилиндру 220. В полностью открытой позиции клапана все рабочее тело направляется к подогревателю, а на выходе из подогревателя рабочее тело направляется к нагнетающему цилиндру 220. При частично открытой позиции клапана часть рабочего тела направляется к нагнетающему цилиндру 220, а вся остальная часть - к подогревателю, откуда она возвращается и направляется далее к нагнетающему цилиндру 220. Часть рабочего тела, направленная к подогревателю, нагревается, в результате нагрева возрастает мощность на валу, а общий КПД мощности, передаваемой валом, снижается. Регулирование используется для быстрого увеличения мощности и для коротких периодов, когда требуется высокая мощность на валу.
В конфигурации изобретения, показанной на ФИГ. 1, есть следующие наборы последовательностей операций:
1. Первый нагнетающий цилиндр, вход рабочего тела от источника тепла и выход к первому рабочему цилиндру.
2. Первый рабочий цилиндр, вход рабочего тела от первого нагнетающего цилиндра и выход ко второму нагнетающему цилиндру.
3. Второй нагнетающий цилиндр, вход рабочего тела от первого рабочего цилиндра и выход к источнику тепла или к следующему нагнетающему цилиндру.
В конце хода рабочего поршня вниз (ФИГ. 5) количество массы рабочего тела внутри второго и третьего нагнетающих цилиндров прямо пропорционально отношению значений объем/температура горячей полости, холодной полости и мертвого пространства. Так как большая часть массы рабочего тела во втором нагнетающем цилиндре имеет высокую температуру, а большая часть массы рабочего тела в третьем цилиндре имеет низкую температуру, то большая часть массы рабочего тела окажется в третьем нагнетающем цилиндре в конце хода поршня нагнетающего цилиндра. Движение массы рабочего тела от второго нагнетающего цилиндра к третьему нагнетающему цилиндру снизит потребляемую энергию, необходимую для обратного хода рабочего поршня и компенсирует низкую температуру рабочего тела, входящего во второй последовательный набор ступеней процесса.
Все описания операций, приведенные выше, применимы для использования изобретения в качестве охладителя Стирлинга, где холодная полость цилиндров используется в качестве источника холодильного агента, а подогреватель используется в качестве теплоотвода.
Claims (7)
1. Двигатель, реализованный на основе усовершенствованного двигателя Стирлинга гамма-типа и включающего дополнительный регулятор потока рабочего тела, каналы в вытеснителях и отверстия в стенках цилиндра, последовательный поршневой привод, отличающийся тем, что он использует каналы в поршне или поршнях, которые совместно с отверстием или отверстиями в стенках цилиндра пропускают/блокируют поток рабочего тела, а также тем, что группы вытеснителя и рабочего поршня приводятся в движения поочередно, так что пока одна из групп движется с полной скоростью, вторая находится в состоянии покоя на конечной позиции хода поршня.
2. Способ управления тепловым потоком для двигателей по п. 1, отличающийся тем, что используется регулирующий клапан с множественными входами, связанный с источниками подачи рабочего тела разных температур и обеспечивающий: поток рабочего тела для постоянной работы на полную мощность; поток нагретого рабочего тела для возрастания мощности; поток охлажденного рабочего тела для спада мощности; и смесь потока рабочего тела и охлажденного потока для частичного запуска мощности.
3. Двигатель, в котором для режима последовательной работы задействован комплект из двух нагнетающих цилиндров и одного рабочего цилиндра, отличающийся тем, что маршрут движения рабочего тела в одном случае начинается с входа в первый нагнетающий цилиндр, затем продолжается к рабочему цилиндру и заканчивается выходом из второго нагнетающего цилиндра.
4. Способ регулирования мощности двигателя по п. 3 посредством соединения двух комплектов цилиндров по п. 3 для последовательного режима работы и использования промежуточного коллектора для подогрева, отличающийся тем, что коллектор труб с трехходовым клапаном соединяет первый и второй комплекты цилиндров и пропускает все рабочее тело или часть рабочего тела через подогрев перед входом во второй комплект цилиндров.
5. Двигатель, в котором используется метод преобразования тепла в давление посредством соединения нагнетающих цилиндров для режима последовательной работы, отличающийся тем, что нагнетающие цилиндры с обратным, в отношении один к другому, действием соединены последовательно, и проход для рабочего тела между цилиндрами открыт тогда, когда объем горячей полости первого цилиндра увеличивается или находится на максимуме, а объем холодной полости второго цилиндра уменьшается или находится на минимуме.
6. Двигатель, реализованный на основе усовершенствованного двигателя Стирлинга гамма-типа, где применяется метод для нейтрализации эффекта пустот объема подогревателя во время ступени нагнетания посредством перекрытия канала между подогревателем и нагнетающим цилиндром с помощью запирающего элемента, отличающийся синхронно работающим запирающим элементом в канале потока рабочего тела, отделяющим внутреннее пространство подогревателя и внутреннее пространство нагнетающего цилиндра, в то время как вытеснитель движется к холодной полости нагнетающего цилиндра или находится в состоянии покоя в холодной полости нагнетающего цилиндра.
7. Двигатель, реализованный на основе усовершенствованного двигателя Стирлинга гамма-типа, в котором множественные вытесняющие цилиндры соединены с общим поршневым штоком и связанным поршневым приводом.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20140044 | 2014-02-17 | ||
| FI20140044A FI20140044L (fi) | 2014-02-17 | 2014-02-17 | Monivaiheinen polttomoottori jossa on vaiheittain toimiva mäntä |
| PCT/FI2014/000036 WO2015121528A1 (en) | 2014-02-17 | 2014-12-03 | External combustion engine with sequential piston drive |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016118605A RU2016118605A (ru) | 2018-03-20 |
| RU2016118605A3 RU2016118605A3 (ru) | 2018-03-20 |
| RU2649523C2 true RU2649523C2 (ru) | 2018-04-03 |
Family
ID=53799629
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016118605A RU2649523C2 (ru) | 2014-02-17 | 2014-12-03 | Двигатель внешнего сгорания на основе двигателя Стирлинга гамма-типа, система привода и способ регулирования мощности двигателя |
Country Status (11)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20170321630A1 (ru) |
| JP (1) | JP2017505882A (ru) |
| CN (1) | CN106030086B (ru) |
| CA (1) | CA2926683A1 (ru) |
| DE (1) | DE112014006375T5 (ru) |
| FI (1) | FI20140044L (ru) |
| GB (1) | GB2533725B (ru) |
| HK (1) | HK1225778B (ru) |
| RU (1) | RU2649523C2 (ru) |
| SE (1) | SE1630083A1 (ru) |
| WO (1) | WO2015121528A1 (ru) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102014107308B4 (de) * | 2014-05-23 | 2020-12-17 | Jochen Benz | Doppelzylinder-Stirling-Motor, Mehrzylinder-Stirling-Motor sowie Elektroenergie-Erzeugungssystem |
| CN110886664A (zh) * | 2019-10-15 | 2020-03-17 | 张茹 | 一种高效节能环保热能动力及电能动力循环机 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU653419A1 (ru) * | 1977-05-10 | 1979-03-25 | Украинский Научно-Исследовательский Институт Механизации И Электрификации Сельского Хозяйства Южного Отделения Всесоюзной Ордена Ленина Академии Сельскохозяйственных Наук Имени В.И.Ленина | Способ регулировани мощности многоцилиндрового двигател двойного действи с внешним подводом тепла |
| US4395880A (en) * | 1981-03-11 | 1983-08-02 | Mechanical Technology Incorporated | Double acting stirling engine phase control |
| RU2109156C1 (ru) * | 1995-06-21 | 1998-04-20 | Александр Алексеевич Пустынцев | Транспортабельная теплоэнергетическая установка жизнеобеспечения полевых госпиталей пустынцева |
| WO2009152419A1 (en) * | 2008-06-12 | 2009-12-17 | Berkana, Llc | A stirling engine |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3319416A (en) * | 1965-09-24 | 1967-05-16 | John P Renshaw | Engine function timing control |
| US3830059A (en) * | 1971-07-28 | 1974-08-20 | J Spriggs | Heat engine |
| DE102005042744A1 (de) * | 2005-08-16 | 2007-04-26 | Enerlyt Potsdam GmbH Energie, Umwelt, Planung und Analytik | 4-Zyklen-Universalmaschine |
| DE102005039417B4 (de) * | 2005-08-16 | 2008-06-12 | Andreas Gimsa | 4-Zyklen-Stirlingmotor |
| CA2712734A1 (en) * | 2008-01-23 | 2009-07-30 | Barry Woods Johnston | Fluid pump for heat engine, heat engine, thermal system and method |
| DE102010054306A1 (de) * | 2010-12-13 | 2012-06-14 | Markus Metzger | Wärmekraft- und/oder Kältemaschinenvorrichtung |
| JP2013234637A (ja) * | 2012-05-11 | 2013-11-21 | Toyota Motor Corp | スターリングエンジン |
| DE102012213878B4 (de) * | 2012-08-06 | 2017-10-19 | István Majoros | Wärmekraftmaschine und thermodynamischer Kreisprozess zur Umwandlung von Wärme in Nutzarbeit |
-
2014
- 2014-02-17 FI FI20140044A patent/FI20140044L/fi not_active Application Discontinuation
- 2014-12-03 SE SE1630083A patent/SE1630083A1/sv not_active Application Discontinuation
- 2014-12-03 RU RU2016118605A patent/RU2649523C2/ru not_active IP Right Cessation
- 2014-12-03 US US15/330,921 patent/US20170321630A1/en not_active Abandoned
- 2014-12-03 CA CA2926683A patent/CA2926683A1/en not_active Abandoned
- 2014-12-03 JP JP2016569104A patent/JP2017505882A/ja not_active Revoked
- 2014-12-03 CN CN201480075662.3A patent/CN106030086B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2014-12-03 WO PCT/FI2014/000036 patent/WO2015121528A1/en active Application Filing
- 2014-12-03 DE DE112014006375.4T patent/DE112014006375T5/de not_active Withdrawn
- 2014-12-03 GB GB1604333.3A patent/GB2533725B/en not_active Expired - Fee Related
-
2016
- 2016-12-05 HK HK16113848A patent/HK1225778B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU653419A1 (ru) * | 1977-05-10 | 1979-03-25 | Украинский Научно-Исследовательский Институт Механизации И Электрификации Сельского Хозяйства Южного Отделения Всесоюзной Ордена Ленина Академии Сельскохозяйственных Наук Имени В.И.Ленина | Способ регулировани мощности многоцилиндрового двигател двойного действи с внешним подводом тепла |
| US4395880A (en) * | 1981-03-11 | 1983-08-02 | Mechanical Technology Incorporated | Double acting stirling engine phase control |
| RU2109156C1 (ru) * | 1995-06-21 | 1998-04-20 | Александр Алексеевич Пустынцев | Транспортабельная теплоэнергетическая установка жизнеобеспечения полевых госпиталей пустынцева |
| WO2009152419A1 (en) * | 2008-06-12 | 2009-12-17 | Berkana, Llc | A stirling engine |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106030086A (zh) | 2016-10-12 |
| WO2015121528A1 (en) | 2015-08-20 |
| RU2016118605A (ru) | 2018-03-20 |
| RU2016118605A3 (ru) | 2018-03-20 |
| US20170321630A1 (en) | 2017-11-09 |
| SE1630083A1 (en) | 2016-04-20 |
| GB2533725B (en) | 2017-11-01 |
| CN106030086B (zh) | 2018-04-24 |
| DE112014006375T5 (de) | 2016-11-17 |
| GB2533725A (en) | 2016-06-29 |
| JP2017505882A (ja) | 2017-02-23 |
| FI20140044L (fi) | 2015-08-18 |
| GB201604333D0 (en) | 2016-04-27 |
| CA2926683A1 (en) | 2015-08-20 |
| HK1225778B (zh) | 2017-09-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4077221A (en) | External heat engine | |
| US9494107B2 (en) | Thermodynamic machine | |
| JP4520527B2 (ja) | 外燃式クローズドサイクル熱機関 | |
| JP2009057969A (ja) | ターボ機械における発電 | |
| US20100287936A1 (en) | Thermodynamic machine, particular of the carnot and/or stirling type | |
| US20160201599A1 (en) | Method and thermal engine for utilizing waste heat or geothermal heat | |
| RU2649523C2 (ru) | Двигатель внешнего сгорания на основе двигателя Стирлинга гамма-типа, система привода и способ регулирования мощности двигателя | |
| JP2022547653A (ja) | ヒートポンプ／冷凍システムにおける熱弾性体から熱回収するポンプ機構 | |
| WO2011151888A1 (ja) | 外燃式クローズドサイクル熱機関 | |
| JP5525371B2 (ja) | 外燃式クローズドサイクル熱機関 | |
| US6205788B1 (en) | Multiple heat exchanging chamber engine | |
| JPH071028B2 (ja) | スタ−リング・サイクルのエンジンおよびヒ−トポンプ | |
| WO2008112714A2 (en) | Dual stroke combustion/steam engine | |
| JP5317942B2 (ja) | 外燃式クローズドサイクル熱機関 | |
| RU2565933C1 (ru) | Поршневой двигатель замкнутого цикла | |
| RU2553090C2 (ru) | Тепловая машина, реализующая цикл рейлиса | |
| KR100849506B1 (ko) | 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진 | |
| JP2002221089A (ja) | ガスタービン・コージェネレーションシステム | |
| KR20060071827A (ko) | 엔진실린더, 재생기와 냉각기가 일체형으로 결합된외연열기관 | |
| WO2014209247A1 (en) | A method and system for a thermodynamic power cycle | |
| KR20140036888A (ko) | 폐열을 이용한 이젝터-스터링 사이클 장치 | |
| JP5280325B2 (ja) | 熱回収装置付多気筒外燃式クローズドサイクル熱機関 | |
| JP2005531708A (ja) | 熱エネルギーを運動エネルギーに変換する方法及び装置 | |
| RU2511827C1 (ru) | Способ преобразования теплоты в работу в тепловом двигателе | |
| JP2003138986A (ja) | スターリングエンジン |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191204 |