專(zhuān)利名稱(chēng)：一種往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)及其進(jìn)給系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)和一種用于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，例如蘭金(Rankine)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)這種熱機(jī)的流體進(jìn)給系統(tǒng)，這類(lèi)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是其往復(fù)運(yùn)動(dòng)不依賴(lài)于內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)(如內(nèi)燃機(jī))。
背景技術(shù)：
蘭金循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是一種最早期類(lèi)型的能提供機(jī)械功的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于此類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用蒸汽作為其工作流體(并因此被認(rèn)為是蒸汽驅(qū)動(dòng))，因此通常被稱(chēng)為“蒸氣機(jī)”。蒸汽機(jī)是往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其典型特征是有一個(gè)在圓柱筒內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞以及一個(gè)進(jìn)給閥和一個(gè)排氣閥(通常位于圓柱筒的同一端)，該活塞通過(guò)一個(gè)連桿和一個(gè)曲柄連接到一個(gè)飛輪或類(lèi)似裝置上。
在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間，當(dāng)活塞位于“上死點(diǎn)”(簡(jiǎn)寫(xiě)為“TDC”)時(shí)，進(jìn)給閥被打開(kāi)，使得流體從蒸發(fā)器進(jìn)入。膨脹的流體驅(qū)動(dòng)活塞進(jìn)入膨脹(即動(dòng)力)沖程，此時(shí)進(jìn)給閥閉合，使得流體在圓柱筒內(nèi)膨脹到一個(gè)較低的壓強(qiáng)。當(dāng)活塞到達(dá)“下死點(diǎn)”(簡(jiǎn)寫(xiě)為“BDC”)時(shí)，排氣閥打開(kāi)使得通常仍有較大壓強(qiáng)的蒸汽在活塞向上退回TDC的返回沖程中排出。
在這一過(guò)程中，最理想的情況是以無(wú)限快的速度打開(kāi)或閉合進(jìn)給閥，并且在動(dòng)力沖程早期就閉合進(jìn)給閥，從而提供一個(gè)高的膨脹比。然而在20世紀(jì)初期，閥門(mén)的控制技術(shù)不發(fā)達(dá)，在這類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)發(fā)展過(guò)程中閥門(mén)的效率都很低。事實(shí)上，進(jìn)給閥不能盡快閉合是發(fā)展復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)(二級(jí)、三級(jí)、甚至四級(jí)膨脹發(fā)動(dòng)機(jī))的一個(gè)主要因素。在復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)中，蒸汽將被引入第二級(jí)——一個(gè)更大容積的圓柱筒，在其中進(jìn)行同樣的膨脹運(yùn)動(dòng)。有時(shí)還有第三級(jí)甚至第四級(jí)，蒸汽在其中均重復(fù)以上行為。
盡管這一類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)性能通常能夠令人滿(mǎn)意，但隨后的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了更高效率和更高馬力重量比的發(fā)動(dòng)機(jī)，如內(nèi)燃機(jī)、氣輪機(jī)及其類(lèi)似裝置。因此蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的使用迅速減少，以致于變得非常稀少。
然而隨著環(huán)境和污染問(wèn)題越來(lái)越受重視，以及化石類(lèi)燃料的價(jià)格持續(xù)上漲，最近人們又重新開(kāi)始關(guān)注蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是對(duì)于廢熱發(fā)電或熱電聯(lián)供(CHP)系統(tǒng)。
相應(yīng)地，人們需要改進(jìn)原來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是這類(lèi)蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)給閥系統(tǒng)以及一般意義上的各種以受控行為將高壓氣體或蒸汽填充到一個(gè)圓柱筒中的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種用于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)圓柱體，其內(nèi)部有一個(gè)往復(fù)式活塞和一個(gè)變體積的膨脹腔室，該膨脹腔室能夠收集從進(jìn)給閥進(jìn)入的工作流體，該進(jìn)給系統(tǒng)包括- 一個(gè)導(dǎo)閥，具有開(kāi)放狀態(tài)和閉合狀態(tài)，在開(kāi)放狀態(tài)下輔助流體從中經(jīng)過(guò)而作用在進(jìn)給閥上；以及- 控制導(dǎo)閥狀態(tài)的操作裝置，在這一裝置中進(jìn)給閥根據(jù)輔助流體的行為而開(kāi)放。
本發(fā)明還提供了一種使用上述工作流體進(jìn)給系統(tǒng)的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，以及這種往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的一種操作方法。在這方面，發(fā)動(dòng)機(jī)可能有一套或多套往復(fù)式活塞/圓柱筒組件，至少使用了一套與本發(fā)明相關(guān)的進(jìn)給系統(tǒng)。
事實(shí)上，本發(fā)明還提供了一種往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)圓柱體，其內(nèi)部有一個(gè)往復(fù)式活塞和一個(gè)變體積的腔室，該腔室能夠收集從進(jìn)給閥進(jìn)入的工作流體，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括一套工作流體進(jìn)給系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。工作流體進(jìn)給系統(tǒng)包括一個(gè)具有開(kāi)放狀態(tài)和閉合狀態(tài)的導(dǎo)閥，在開(kāi)放狀態(tài)下輔助流體從導(dǎo)閥中經(jīng)過(guò)而作用在進(jìn)給閥上，該系統(tǒng)還包括一套控制導(dǎo)閥狀態(tài)的操作裝置，在這一裝置中進(jìn)給閥適合于根據(jù)輔助流體的行為而開(kāi)放。排氣裝置包括至少一個(gè)位于活塞上的排氣閥和至少一個(gè)位于活塞上的排氣孔，排氣閥被設(shè)計(jì)成自動(dòng)開(kāi)放式，當(dāng)活塞上方的壓強(qiáng)降至排氣孔壓強(qiáng)的域值時(shí)排氣閥自動(dòng)打開(kāi)。
理想地，如下文將要描述的，往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)將是一種蘭金循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)使用蒸汽作為工作流體，并且只有一套往復(fù)式活塞/圓柱筒組件，優(yōu)選地按照單流體準(zhǔn)則運(yùn)行。然而，可以理解的是，往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)不必包含傳統(tǒng)意義上的“活塞”和“圓柱筒”，而僅僅需要有一個(gè)膨脹室和一個(gè)正排量膨脹器。
例如，汪克爾(Wankel)旋轉(zhuǎn)膨脹腔室就是一種不包含活塞/圓柱筒組件的系統(tǒng)，它由一個(gè)繞偏心軸旋轉(zhuǎn)的三角馬達(dá)組成，并且與一個(gè)外旋輪線型殼體的內(nèi)側(cè)相嚙合。因此，以下所提到的活塞/圓柱筒組件將被解釋為包含此類(lèi)組件。
此外，在優(yōu)選地配置中工作流體和輔助流體將來(lái)自同一供給源。事實(shí)上應(yīng)該注意到，大多數(shù)情況下工作流體將是來(lái)自鍋爐的蒸汽，輔助流體也將是蒸汽，均由同一鍋爐提供(雖然發(fā)動(dòng)機(jī)也可能使用太陽(yáng)能或其他低級(jí)熱源，并且可能使用有機(jī)工作流體)。因此，本說(shuō)明書(shū)中提到的“輔助流體”均不能被解釋為不同于工作流體(或者有不同來(lái)源)的另一種流體。
可以理解的是，本發(fā)明的進(jìn)給系統(tǒng)提供進(jìn)給閥的快速開(kāi)放和閉合功能，以及在膨脹(即動(dòng)力)沖程初期控制關(guān)閉進(jìn)給閥時(shí)間的功能。這種可變閥門(mén)時(shí)間的簡(jiǎn)單性避免了一些傳統(tǒng)蒸氣機(jī)中需要保持恒定的進(jìn)給閥開(kāi)通和閉合時(shí)間的模式，這些傳統(tǒng)的蒸汽機(jī)需要通過(guò)節(jié)氣裝置使系統(tǒng)工作在部分功率下，這顯然會(huì)降低效率。
另外，本發(fā)明允許間接控制(通過(guò)導(dǎo)閥)而不是直接控制進(jìn)給閥，這將省去一套需要在高速下產(chǎn)生較大力的電子或機(jī)械裝置。

發(fā)明內(nèi)容
與導(dǎo)閥一起使用的輔助流體可以是任何可用的流體，可以壓縮成任何可用的形式，例如可以是任何可用的壓縮液體或氣體/蒸汽。雖然可用的液壓液也能滿(mǎn)足要求，但通常仍希望使用蒸汽作為輔助流體。事實(shí)上，可用的流體包括水、空氣、氮?dú)狻⒑铣苫虻V物油以及象水/乙二醇這樣的混合物。
考慮到本發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)選的工作流體是蒸汽(如下所述)，任何用于此目的蒸汽生成系統(tǒng)也可用來(lái)生成可用于導(dǎo)閥的蒸汽(即作為輔助流體)。例如，在某種優(yōu)選的形式中，工作流體和輔助流體所用的蒸汽由同一個(gè)鍋爐生成(如前文所述)。
鍋爐可以有多種形式，但一般均包含一個(gè)用來(lái)裝水的腔體結(jié)構(gòu)，例如一系列管道。在腔體外部加熱，熱量由腔體壁導(dǎo)入，使得水被加熱蒸發(fā)而產(chǎn)生蒸汽。通常還會(huì)進(jìn)一步加熱生成超高溫蒸汽。常見(jiàn)的鍋爐類(lèi)型包括火管式鍋爐、水管式鍋爐和快熱鍋爐。所有類(lèi)型的鍋爐均連續(xù)或周期性的向鍋爐中注滿(mǎn)水。
導(dǎo)閥優(yōu)選地在兩種狀態(tài)之間工作，即開(kāi)放狀態(tài)和閉合狀態(tài)。在開(kāi)放狀態(tài)下，導(dǎo)閥允許輔助流體從中經(jīng)過(guò)而作用在進(jìn)給閥上。在優(yōu)選形式下，導(dǎo)閥被推向其開(kāi)放狀態(tài)，這一過(guò)程中需要抗拒閉合力，于是導(dǎo)閥的靜止位置即使其閉合狀態(tài)。考慮到過(guò)大的壓力將打開(kāi)閥門(mén)而不是閉合閥門(mén)，因此這種裝置的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是該導(dǎo)閥可以作為一個(gè)鍋爐過(guò)壓情況下的緊急釋放閥。
導(dǎo)閥可以采用任何形式，例如可以是提升閥、柱形閥或擋板閥。當(dāng)采用提升閥時(shí)，該提升閥優(yōu)選地以將提升頭從其座上移開(kāi)的方式打開(kāi)閥門(mén)，從而通過(guò)流體。
當(dāng)采用柱形閥時(shí)，該柱形閥的優(yōu)選配置是一個(gè)位于套筒內(nèi)的分節(jié)式圓柱形閥芯，該套筒上有徑向?qū)Я骺?。?duì)于這種形式的柱形閥，閥芯在套筒內(nèi)滑動(dòng)可以暴露并打開(kāi)導(dǎo)流孔。這種閥門(mén)的優(yōu)勢(shì)是它可以是重疊式的。這在閥芯的行程中提供了一個(gè)死區(qū)，在死區(qū)中進(jìn)給閥既不與鍋爐也不與排氣孔進(jìn)行流體交換，這防止了鍋爐與排氣孔之間的短路。
當(dāng)采用擋板閥時(shí)，該擋板閥的優(yōu)選配置包括一個(gè)在兩個(gè)相對(duì)的噴嘴間由輔助流體的連續(xù)蒸汽驅(qū)動(dòng)而擺動(dòng)的擋板，該蒸汽是經(jīng)壓降孔而來(lái)的。每個(gè)噴嘴優(yōu)選與進(jìn)給閥里相應(yīng)的腔室聯(lián)通，在一種實(shí)施方式下進(jìn)給閥包括一個(gè)由彈簧固定在中央的閥芯。
本發(fā)明系統(tǒng)中的進(jìn)給閥優(yōu)選可以工作在開(kāi)放和閉合狀態(tài)下的類(lèi)型，并且與從導(dǎo)閥流入的輔助流體的行為相適應(yīng)。在開(kāi)放狀態(tài)下，進(jìn)給閥允許工作流體進(jìn)入圓柱筒的膨脹腔室，并在膨脹過(guò)程中對(duì)活塞做功。同樣在優(yōu)選形式下，進(jìn)給閥被推向其開(kāi)放狀態(tài)，這一過(guò)程中需要抗拒閉合力，于是進(jìn)給閥的靜止位置即是其閉合狀態(tài)。
進(jìn)給閥也可以采用任何形式，理想的形式是提升閥或柱形閥。在一種實(shí)施方式下，進(jìn)給閥是提升閥，它包括一個(gè)在圓柱筒中向著提升柄運(yùn)行的提升活塞。由導(dǎo)閥進(jìn)入的輔助流體優(yōu)選地向提升活塞施加作用力，這一作用力克服通常用于保持提升頭閉合的復(fù)原裝置(例如彈簧)的閉合力。這一過(guò)程將打開(kāi)進(jìn)給閥。優(yōu)選地，輔助流體工作的提升活塞的面積大于提升頭面積，假設(shè)輔助流體和工作流體的壓強(qiáng)相同。
在這種形式下，進(jìn)給閥可以被定向到兩個(gè)方向中的任何一個(gè)方向，與其開(kāi)放狀態(tài)下壓力流體的流動(dòng)相關(guān)。優(yōu)選的定向設(shè)置使得鍋爐壓強(qiáng)趨向于閉合該閥門(mén)。這將避免采用強(qiáng)復(fù)原力來(lái)保持閥門(mén)閉合，而相反的定向設(shè)置就需要采用強(qiáng)復(fù)原力來(lái)保持閥門(mén)閉合。另外，這種定向設(shè)置有利于避免滲漏，由于高的壓強(qiáng)導(dǎo)致高的閉合力，進(jìn)而導(dǎo)致高的密封壓強(qiáng)(即閥座接觸壓強(qiáng))。
本發(fā)明的操作裝置優(yōu)選地控制導(dǎo)閥在開(kāi)放狀態(tài)和閉合狀態(tài)之間的操作。操作裝置可以提供合適的機(jī)械、電子、電磁、壓電或其它操作裝置，優(yōu)選形式是提供電子控制的電操作裝置。合適的裝置應(yīng)該能夠提供與所描述的電子裝置近似的導(dǎo)閥操作精度和速度。
在優(yōu)選形式下，操作裝置是一個(gè)電子控制螺線管，電子控制由一個(gè)與計(jì)時(shí)裝置相關(guān)聯(lián)的控制模塊提供。在這種形式下，控制模塊可能包含一個(gè)處理器(例如一個(gè)微型控制器)，該處理器能夠處理靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)以便向螺線管發(fā)送控制信號(hào)(經(jīng)由輸出端口)，該控制信號(hào)可以控制或保持螺線管以便控制導(dǎo)閥在開(kāi)放狀態(tài)和閉合狀態(tài)之間運(yùn)行。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選形式下，至少某些動(dòng)態(tài)參數(shù)是由一個(gè)從計(jì)時(shí)裝置到控制模塊的信號(hào)提供或確定的。另一方面，靜態(tài)參數(shù)可以嵌入到控制模塊中(例如在FLASH內(nèi)存、EPROM或者微處理器自身內(nèi)存中)，這樣處理器就可以得到該參數(shù)。在本發(fā)明的這一類(lèi)型中，靜態(tài)參數(shù)被有效地預(yù)編程到控制模塊中。
優(yōu)選地，動(dòng)態(tài)參數(shù)的處理提供諸如發(fā)動(dòng)機(jī)操作過(guò)程中曲柄位置和速度之類(lèi)的數(shù)據(jù)。
提供給處理裝置的其它動(dòng)態(tài)參數(shù)可以是發(fā)動(dòng)機(jī)的任何操作條件，如工作流體或輔助流體的壓強(qiáng)、溫度或者圓柱筒內(nèi)的壓強(qiáng)，但計(jì)時(shí)裝置通常不提供這些數(shù)據(jù)。
計(jì)時(shí)裝置可以是任何形式的旋轉(zhuǎn)位置傳感器，它能向處理器提供實(shí)時(shí)的曲柄位置數(shù)據(jù)。優(yōu)選的形式是，計(jì)時(shí)裝置是一個(gè)隨發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄一起旋轉(zhuǎn)的計(jì)時(shí)盤(pán)。優(yōu)選地，該計(jì)時(shí)盤(pán)上有預(yù)制的凸起，各個(gè)凸起代表著預(yù)先設(shè)置的曲柄的位置。計(jì)時(shí)傳感器能夠檢測(cè)到每一個(gè)經(jīng)過(guò)的凸起并生成相應(yīng)的計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)送給處理裝置，以此確定曲柄的角速度和位置數(shù)據(jù)。
通過(guò)將靜態(tài)參數(shù)預(yù)編入控制模塊，處理裝置能夠在操作過(guò)程中確定在下次到達(dá)TDC之前多長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)向螺線管供給能量。這些靜態(tài)參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)的某些性能相關(guān)，例如螺線管供給能量和導(dǎo)閥打開(kāi)之間的延遲時(shí)間，導(dǎo)閥打開(kāi)和進(jìn)給閥打開(kāi)之間的延遲時(shí)間，與氣流相關(guān)的延遲時(shí)間以及改變發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件導(dǎo)致的這些延遲時(shí)間的變化。這使得螺線管得以在活塞到達(dá)TDC時(shí)，精確地在所要求的時(shí)間內(nèi)操作導(dǎo)閥進(jìn)而打開(kāi)進(jìn)給閥。
優(yōu)選地，螺線管接受一個(gè)非常高的初始電壓，使得電流、相應(yīng)的磁場(chǎng)以及由此形成的螺線管插棒回縮力快速增加，并減少了延遲時(shí)間另外，一旦螺線管插棒有了初始移動(dòng)，電壓和電流優(yōu)選地降低到一個(gè)“保持”值以使插棒維持在內(nèi)縮位置(此時(shí)導(dǎo)閥在其開(kāi)放狀態(tài))，此時(shí)需克服復(fù)原裝置(例如一個(gè)復(fù)位彈簧)的閉合力。在這種形式下，不需要檢測(cè)插棒的初始運(yùn)動(dòng)，該時(shí)間將作為一個(gè)初始靜態(tài)參數(shù)被輸入到控制模塊中。
同樣，也可以將另一些與發(fā)動(dòng)機(jī)性能相關(guān)的靜態(tài)參數(shù)預(yù)編入控制模塊，例如螺線管釋放能量和導(dǎo)閥閉合之間的延遲時(shí)間，導(dǎo)閥閉合和進(jìn)給閥閉合之間的延遲時(shí)間，與氣流相關(guān)的延遲時(shí)間以及改變發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件導(dǎo)致的這些延遲時(shí)間的變化等。這樣，處理裝置優(yōu)選地在預(yù)期的進(jìn)給閥閉合時(shí)間前一刻向螺線管發(fā)送釋放能量的信號(hào)。
在這方面，考慮到要獲得高的膨脹比，因此進(jìn)給閥應(yīng)該在TDC后盡可能短的時(shí)間開(kāi)放，并且任何閉合延遲時(shí)間都應(yīng)盡可能短。在一種實(shí)施方式下可以通過(guò)引入能夠快速耗散螺線管場(chǎng)能量的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，該裝置能夠在螺線管釋放能量時(shí)保證插棒在復(fù)原裝置(例如復(fù)位彈簧)作用下快速伸出。
螺線管需要充滿(mǎn)能量來(lái)打開(kāi)導(dǎo)閥，如果沒(méi)有這種快速耗散裝置，則螺線管的能量釋放過(guò)程可能在螺線管充滿(mǎn)能量之前就開(kāi)始。這自然將導(dǎo)致進(jìn)給閥不能完全打開(kāi)，或者說(shuō)將導(dǎo)致能量損失。
最后，本發(fā)明的進(jìn)給系統(tǒng)也可用于在活塞到達(dá)TDC之前控制膨脹腔室死區(qū)內(nèi)的壓強(qiáng)增加。在一種實(shí)施方式下，可以在膨脹腔室中設(shè)計(jì)壓力傳感器來(lái)監(jiān)控圓柱筒壓強(qiáng)。這可為控制模塊提供進(jìn)一步的動(dòng)參數(shù)來(lái)輕微改變進(jìn)給閥的開(kāi)放時(shí)間。例如，當(dāng)圓柱筒壓強(qiáng)在活塞向TDC運(yùn)動(dòng)過(guò)程的末期變得過(guò)高時(shí)，控制模塊可以提前向螺線管供給能量以便提前打開(kāi)進(jìn)給閥，這將使壓強(qiáng)通過(guò)進(jìn)給閥釋放到鍋爐中。
為了給出往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)一般意義上的工作方式，以下將簡(jiǎn)要介紹一種使用概要。與本發(fā)明一致，所介紹的是一種包含工作流體進(jìn)給系統(tǒng)的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)。
一旦開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，蒸汽驅(qū)動(dòng)的蘭金循環(huán)類(lèi)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的操作步驟通常如下1.當(dāng)活塞移動(dòng)到TDC附近時(shí)，操作裝置打開(kāi)導(dǎo)閥使得輔助流體通過(guò)導(dǎo)閥，這一過(guò)程中需要克服閥門(mén)閉合力。操作裝置優(yōu)選前文介紹的電控螺線管和計(jì)時(shí)裝置，它能夠按照開(kāi)放和閉合狀態(tài)以及開(kāi)放和閉合的速度及時(shí)間來(lái)預(yù)先控制導(dǎo)閥在其開(kāi)放和閉合狀態(tài)之間運(yùn)行。
2.于是蒸汽進(jìn)入經(jīng)過(guò)合理造型的進(jìn)給閥，使得進(jìn)給閥克服閉合力而打開(kāi)。
3.工作流體(蒸汽)經(jīng)過(guò)進(jìn)給閥進(jìn)入圓柱筒的膨脹腔室，在其中膨脹并驅(qū)動(dòng)活塞進(jìn)入其膨脹(動(dòng)力)沖程，由TDC向BDC運(yùn)動(dòng)。
4.操作裝置關(guān)閉導(dǎo)閥，避免蒸汽進(jìn)入進(jìn)給閥，使閉合力關(guān)閉進(jìn)給閥。
5.一旦活塞經(jīng)過(guò)BDC，則活塞進(jìn)入返回沖程返回TDC。圓柱筒內(nèi)的膨脹蒸汽通過(guò)排氣閥排出，排氣閥位于圓柱筒壁或活塞頭部，優(yōu)選活塞頭部。后一種設(shè)計(jì)可以防止活塞在返回沖程中頂著蒸汽壓力進(jìn)行工作，下文將詳細(xì)介紹。
6.當(dāng)活塞再次接近TDC時(shí)，操作裝置再次克服閉合力而打開(kāi)導(dǎo)閥，允許輔助流體(蒸汽)從中經(jīng)過(guò)。
7.重復(fù)步驟1至6。
關(guān)于活塞頭部排氣閥的使用，如果使用這種閥門(mén)則優(yōu)選的設(shè)計(jì)是當(dāng)活塞上方的壓強(qiáng)降至排氣孔壓強(qiáng)的域值時(shí)排氣閥自動(dòng)打開(kāi)。在這方面，活塞優(yōu)選地包括與排氣閥相關(guān)聯(lián)的排氣孔，這些活塞排氣孔與圓柱筒(或曲軸箱，如果要求使用)上配套的排氣孔相通。
優(yōu)選地，活塞排氣孔和圓柱筒壁排氣孔被設(shè)計(jì)成在整個(gè)沖程中均重疊的形式，使得在任何曲柄角度下，只要排氣閥打開(kāi)就可以排氣。在一種更優(yōu)選的實(shí)施方式下，還使用一種傳統(tǒng)的排氣孔，該排氣孔由活塞在將要到達(dá)BDC時(shí)打開(kāi)。當(dāng)圓柱筒壓強(qiáng)降得不夠低，使得活塞頭部的排氣孔無(wú)法打開(kāi)時(shí)，利用這一設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)排氣。
這種排氣閥能夠非常早且非常快速地切斷，本發(fā)明的進(jìn)給閥系統(tǒng)使用這種排氣閥，使得發(fā)動(dòng)機(jī)可以以非常高的效率運(yùn)行在所有載荷條件下。事實(shí)上，這兩個(gè)裝置的存在使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在不同的排量上工作，有效地成為了一個(gè)可變排量發(fā)動(dòng)機(jī)。另外，圓柱筒的尺寸應(yīng)設(shè)計(jì)得使在滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，氣體的完全膨脹發(fā)生在BDC，這種設(shè)計(jì)將使效率最大化。這樣在部分負(fù)荷時(shí)應(yīng)減少進(jìn)給氣體的量使得完全膨脹發(fā)生在活塞到達(dá)BDC之前。
在本發(fā)明的具體實(shí)施方式
中，活塞頭部排氣閥將打開(kāi)使得氣體可以反向通過(guò)閥門(mén)(即進(jìn)入活塞上方的膨脹腔室)，這將避免在膨脹腔室中形成局部真空并保證效率。
活塞頭部的排氣閥可以是任何形式的閥門(mén)，但對(duì)于優(yōu)選的閥門(mén)類(lèi)型，由活塞加速而產(chǎn)生的慣性力應(yīng)不會(huì)過(guò)多地影響該閥門(mén)。另外，排氣閥應(yīng)該保證在TDC的閥門(mén)閉合系統(tǒng)不會(huì)損傷或破壞該閥門(mén)。
因此活塞頭部的排氣閥優(yōu)選彈簧閥，最理想的是簧片閥。但也可以使用其他裝置，例如帶壓縮螺旋彈簧裝置的提升閥。
另外，圓柱筒頭部可以使用板簧來(lái)輔助關(guān)閉簧片閥并減輕活塞頭部排氣閥對(duì)圓柱筒頭部的沖擊。這種沖擊在某種程度上也被氣體緩沖，當(dāng)簧片閥表面與彈簧片表面接觸時(shí)，中間的氣體必須被排擠出去，也有其它的緩沖設(shè)置，如在圓柱筒頭部發(fā)出的流體射流，或者覆蓋在彈簧上的流體，所有這些方式都有助于延長(zhǎng)簧片閥的壽命。
綜上所述，可以看到本發(fā)明的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)提供了一個(gè)關(guān)于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的操作和控制問(wèn)題的簡(jiǎn)單解決方法，這些操作和控制問(wèn)題與許多年來(lái)的許多類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)均相關(guān)。
尤為重要的是，本發(fā)明的系統(tǒng)對(duì)于使用蒸汽作為工作流體來(lái)驅(qū)動(dòng)活塞的蘭金循環(huán)熱機(jī)的進(jìn)給閥系統(tǒng)尤其有用。由于通過(guò)早期切斷的方式在一個(gè)圓柱筒中就能實(shí)現(xiàn)高的膨脹比，因此本發(fā)明可以建立一個(gè)有效的往復(fù)式蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)卻沒(méi)有多個(gè)膨脹圓柱筒所帶來(lái)的費(fèi)用、復(fù)雜性、重量和尺寸。
另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是本閥門(mén)的計(jì)時(shí)可以是完全程序控制的。事實(shí)上，與許多機(jī)構(gòu)不同，工作流體到膨脹腔室的導(dǎo)通與斷開(kāi)時(shí)間可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)獨(dú)立變化，并且不需要復(fù)雜的機(jī)構(gòu)。


以下將通過(guò)附圖中給出的一個(gè)實(shí)例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明?？梢岳斫獾氖?，以下的敘述并不妨礙前文內(nèi)容的通用性。
如圖所示圖1是一個(gè)包含工作流體進(jìn)給系統(tǒng)的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的透視圖，是本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)例；圖2是圖1中往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的截面圖；圖3a是圖2中截面圖的部件分解視圖，其中活塞靠近TDC；圖3b是圖2中截面圖的部件分解視圖，其中活塞由TDC向BDC移動(dòng)；圖3c是圖2中截面圖的部件分解視圖，其中活塞靠近BDC；圖4a和圖4b是用于本發(fā)明實(shí)例中的導(dǎo)閥和進(jìn)給閥設(shè)備的主方案簡(jiǎn)圖；圖5是用于本發(fā)明實(shí)例中的導(dǎo)閥和進(jìn)給閥設(shè)備的備選方案簡(jiǎn)圖；圖6是一個(gè)活塞的透視圖，該活塞適用于本發(fā)明的一種遠(yuǎn)期應(yīng)用實(shí)例；圖7a到7d是圖2中截面圖的部件分解視圖，依次顯示圖6中活塞的動(dòng)作；并且圖8是圖2中截面圖的部件分解視圖，顯示了本發(fā)明的一種遠(yuǎn)期應(yīng)用實(shí)例。
優(yōu)選實(shí)例的詳細(xì)描述圖1給出了一個(gè)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)10，該發(fā)動(dòng)機(jī)以蘭金循環(huán)方式工作并使用蒸氣作為其工作流體。發(fā)動(dòng)機(jī)10中并非所有組件都是設(shè)備運(yùn)行所必須的，以下將對(duì)此做簡(jiǎn)要解釋。
發(fā)動(dòng)機(jī)10通常包含一個(gè)用來(lái)產(chǎn)生蒸氣的鍋爐12，該蒸氣用作工作流體和本發(fā)明優(yōu)選的進(jìn)給系統(tǒng)所需的輔助流體。在這方面，對(duì)于一個(gè)熟練的技術(shù)人員而言，發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)方面的流道不必都顯示在所有圖中。例如從鍋爐12到導(dǎo)閥的流道并不在所有截面視圖中都顯示，但它顯然始終存在。發(fā)動(dòng)機(jī)10包括一個(gè)在圓柱筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)的往復(fù)式活塞和一個(gè)變體積膨脹腔室，該膨脹腔室通常編號(hào)為14。往復(fù)式活塞通過(guò)一個(gè)曲柄28(圖1中未完全顯示)可活動(dòng)地連接到一個(gè)發(fā)電機(jī)16上。
圖1中還有一些與本發(fā)明無(wú)關(guān)的部件，如螺線管22和用于向鍋爐加水的高壓油泵，以及安裝在圓柱筒TDC端的多個(gè)散熱葉片26。
關(guān)于本發(fā)明的圖示實(shí)例的進(jìn)給系統(tǒng)，圖1清楚地顯示了用于控制導(dǎo)閥運(yùn)動(dòng)的操作裝置的多個(gè)方面。特別是圖1中顯示了螺線管18和計(jì)時(shí)盤(pán)20，計(jì)時(shí)盤(pán)20可活動(dòng)地連接到曲柄28上。圖2中的計(jì)時(shí)盤(pán)比圖1更為詳細(xì)，從圖2中可以清楚地看到計(jì)時(shí)盤(pán)與曲柄相連。另外，在圖2中也能清楚地看到圓柱筒30與其內(nèi)部的活塞32可以作相互往復(fù)運(yùn)動(dòng)(在正常模式下)。
圖2還清楚地顯示了其他一些零件，例如鍋爐12，發(fā)電機(jī)16，葉片26以及水進(jìn)給螺線管/閥門(mén)裝置22/24，但本說(shuō)明書(shū)不對(duì)這些零件作詳細(xì)描述。事實(shí)上，至于活塞32、圓柱筒30、曲柄28、發(fā)電機(jī)16以及與它們相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件的構(gòu)形和運(yùn)轉(zhuǎn)方式，一個(gè)熟練的技術(shù)人員完全可以理解，因此不再進(jìn)一步描述其細(xì)節(jié)。這些零件也不構(gòu)成本發(fā)明的進(jìn)給系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。
然而，圖2中用A標(biāo)記的區(qū)域中的零件的構(gòu)形及其相互作用對(duì)本發(fā)明很重要，因此以下將對(duì)這些零件以及本實(shí)例中操作裝置的圖示零件一起做詳細(xì)描述，這里所說(shuō)的操作裝置的圖示零件包括計(jì)時(shí)盤(pán)20和螺線管18。
圖3a、3b、3c最好地顯示了本發(fā)明實(shí)例的進(jìn)給系統(tǒng)。在這方面，雖然這幾幅圖按照順序給出了不同條件下的進(jìn)給系統(tǒng)，但每幅圖中進(jìn)給系統(tǒng)的大多數(shù)零件都是不變的。因此本文在描述順序操作之前，先描述那些不變的零件。
僅看圖3a，螺線管18被可活動(dòng)地連接到導(dǎo)閥上，該導(dǎo)閥的形式是提升閥34。提升閥34可因螺線管插棒37(其內(nèi)部有連接件35)的收縮而打開(kāi)，這一過(guò)程需要克服由彈簧36提供的閉合力。在開(kāi)放狀態(tài)下，提升閥允許輔助流體(蒸汽)通過(guò)并進(jìn)入進(jìn)給閥40的腔室38，在本實(shí)例中進(jìn)給閥的形式也是提升閥。另外，蒸汽可以通過(guò)通道45被加載到一個(gè)噴射器(未顯示)中。
當(dāng)輔助流體進(jìn)入腔室38時(shí)，其壓強(qiáng)將提升頭42推開(kāi)，使得進(jìn)給閥40打開(kāi)，這一過(guò)程需要克服由彈簧44提供的閉合力。這樣工作流體就能從鍋爐12經(jīng)過(guò)蒸汽加載管道48進(jìn)入圓柱筒的前膨脹腔室46。
當(dāng)螺線管18釋放能量時(shí)，彈簧36的閉合力關(guān)閉提升閥34，切斷進(jìn)入進(jìn)給閥腔室38的蒸汽，使得彈簧44的閉合力切斷進(jìn)入膨脹腔室的蒸汽。在這方面，應(yīng)該清楚必要時(shí)蒸汽可以通過(guò)氣孔39從進(jìn)給閥腔室38中排放到系統(tǒng)冷凝器上。
關(guān)于螺線管18運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的計(jì)時(shí)，回到圖1，計(jì)時(shí)盤(pán)20由兩個(gè)上凸起52和54和一個(gè)下凸起(未顯示)，該下凸起在計(jì)時(shí)盤(pán)下方并與凸起52相差30°。
當(dāng)計(jì)時(shí)盤(pán)隨著曲柄23旋轉(zhuǎn)時(shí)敏感器56和58檢測(cè)這幾個(gè)凸起。在TDC(見(jiàn)圖2中活塞32的位置)凸起54經(jīng)過(guò)敏感器56，而凸起52則在TDC之前0°經(jīng)過(guò)敏感器。這些凸起經(jīng)過(guò)這些點(diǎn)的時(shí)間被作為動(dòng)態(tài)參數(shù)記錄到控制模塊(可能包含一個(gè)微處理器)里，該控制模塊也是本發(fā)明的操作裝置的一部分。
根據(jù)上文的敘述，在知道螺線管的延遲時(shí)間的情況下控制模塊可以計(jì)算向螺線管供給能量的近似時(shí)間以便在活塞到達(dá)或接近TDC時(shí)打開(kāi)進(jìn)給閥，這里的延遲時(shí)間主要來(lái)源于螺線管電感、導(dǎo)閥和進(jìn)給閥的慣性力和壓強(qiáng)力。盡管循環(huán)過(guò)程中存在速度波動(dòng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)存在加速或減速，但通過(guò)對(duì)適用的靜、動(dòng)參數(shù)的合理編程，控制模塊可以精確地實(shí)現(xiàn)這種控制。
下凸起(未顯示)在活塞到達(dá)TDC一段時(shí)間(在本實(shí)例中約30°)后經(jīng)過(guò)敏感器58。這將幫助控制模塊確定釋放螺線管能量的時(shí)間，以便打開(kāi)進(jìn)給閥，這一操作也同樣需要知道延遲時(shí)間。在這方面，可以理解的是為了提供較大或較小的膨脹率，該角度會(huì)相應(yīng)地小于或大于30°。
以下將通過(guò)比較圖3a、3b和3c來(lái)介紹發(fā)動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行過(guò)程。
前文已經(jīng)提到，圖3a顯示了活塞32在圓柱筒30內(nèi)接近TDC(或剛剛通過(guò)TDC)的情形。螺線管18釋放能量，使得彈簧36關(guān)閉提升閥34，進(jìn)而使得導(dǎo)閥進(jìn)入閉合狀態(tài)。此時(shí)輔助流體(蒸氣)不再進(jìn)入進(jìn)給閥40，同時(shí)工作流體不再進(jìn)入膨脹腔室。
在圖3b中，螺線管18已經(jīng)被供給能量，使得提升閥34打開(kāi)，蒸氣進(jìn)入進(jìn)給閥腔室38，這一過(guò)程需要克服彈簧36的閉合力。這部分蒸氣已經(jīng)克服彈簧44的閉合力而打開(kāi)了進(jìn)給閥40，使得工作流體(蒸氣)經(jīng)通道43進(jìn)入膨脹腔室。在圖3b中，蒸氣的膨脹運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)活塞從TDC(向BDC)進(jìn)入其膨脹(動(dòng)力)沖程。
在圖3c中，在膨脹沖程末期螺線管再次釋放能量，使得進(jìn)給閥40閉合，進(jìn)入返回沖程。
圖4a、4b和圖5給出了可互換的導(dǎo)閥和進(jìn)給閥，它們都適合用于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例的進(jìn)給系統(tǒng)。
圖4a給出了一種形式為柱形閥60的導(dǎo)閥。圓柱形閥芯62由X處的螺線管(或其它適用的機(jī)械、電磁或壓電控制器)控制，該螺線管需要克服復(fù)原裝置的回復(fù)力，本例中的復(fù)原裝置是一個(gè)彈簧64。在圖4a中，柱形閥處于閉合狀態(tài)，阻止輔助流體(蒸氣)進(jìn)入供給孔64和排放孔66。圖4a還顯示了中央閥芯65在分節(jié)式入口67和排放孔66之間優(yōu)選的重疊式設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)避免在供給孔64和低壓返回孔68之間發(fā)生短路。
一旦被供給能量，螺線管移動(dòng)柱形閥到其開(kāi)放狀態(tài)，對(duì)于圖4a即是移動(dòng)到左側(cè)，使得輔助流體(蒸氣)通過(guò)閥門(mén)。當(dāng)螺線管釋放能量，柱形閥進(jìn)入閉合狀態(tài)時(shí)，閥內(nèi)殘留的蒸氣通過(guò)低壓返回孔68排出。
圖4b顯示了一個(gè)進(jìn)給閥，其形式也是柱形閥，運(yùn)行方式與上文的導(dǎo)閥相似。不過(guò)柱形閥70由從導(dǎo)閥的排放孔66流向腔室72的輔助流體(蒸氣)的入流量控制。
同樣，柱形閥70打開(kāi)過(guò)程中也需要克服復(fù)原裝置提供的回復(fù)力，本例中復(fù)原裝置是一個(gè)彈簧74。在開(kāi)放狀態(tài)時(shí)，高壓工作流體(蒸氣)經(jīng)過(guò)進(jìn)給孔76進(jìn)入柱形閥70，再穿過(guò)柱形閥70到排放孔78，最后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)圓柱筒的工作腔室。
圖5中裝置與圖4a/4b中裝置的區(qū)別在于用一個(gè)活動(dòng)擋板裝置替換了導(dǎo)閥的圓柱裝置。擋板裝置82包括在兩個(gè)相對(duì)的噴嘴86、88之間擺動(dòng)的擋板84，兩個(gè)噴嘴連續(xù)噴出由進(jìn)給壓降口90、92進(jìn)入的輔助流體(蒸氣)。
每個(gè)噴嘴86、88與進(jìn)給閥端部的相應(yīng)腔室94、96相通，該進(jìn)給閥的形式為柱形閥98，與上文描述的柱形閥相同。在此配置中，圓柱形閥芯100由兩個(gè)獨(dú)立的復(fù)原裝置固定在閥門(mén)中央，復(fù)原裝置的形式是彈簧102、104。
通過(guò)線圈106、108利用電磁方式可以驅(qū)動(dòng)擋板，當(dāng)擋板84不在中間位置時(shí)噴嘴86、88的反壓力不相同，此時(shí)閥芯100因?yàn)閮啥藟簭?qiáng)不同而被推向一側(cè)，這一過(guò)程需要克服彈簧102、104使閥芯居中的力。
另一種可選方案是利用與擋板相連的中央反饋彈簧來(lái)代替閥芯100兩端的對(duì)中彈簧102、104。
可以理解的是，圖4a、4b和圖5的所示的不同閥門(mén)配重與組合各有其優(yōu)缺點(diǎn)，只有針對(duì)具體應(yīng)用才能確定那種設(shè)計(jì)最適合。
下面進(jìn)一步介紹圖6所示的實(shí)例，圖6給出了一個(gè)頭部有排氣閥的活塞，排氣閥的形式是一個(gè)與排氣孔35相聯(lián)通的簧片閥33。在這種形式下，安裝有排氣閥的活塞的優(yōu)選的運(yùn)行順序如下1.當(dāng)活塞在氣體膨脹作用下向下運(yùn)動(dòng)時(shí)(如圖7a所示)，氣體壓強(qiáng)逐漸降低直到該壓強(qiáng)與排氣孔壓強(qiáng)之間的壓力差不足以保持簧片閥閉合。此時(shí)簧片閥打開(kāi)，這一時(shí)刻在滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是活塞接近BDC的時(shí)刻。需要注意的是圓柱筒壁上的排氣孔37在活塞接近BDC時(shí)打開(kāi)(即可連通)，這一設(shè)計(jì)確保閥門(mén)能夠開(kāi)放。當(dāng)氣體沒(méi)有完全膨脹時(shí)，這一設(shè)計(jì)使得腔室內(nèi)壓強(qiáng)下降，進(jìn)而使得簧片閥打開(kāi)。
2.圖7b顯示了活塞接近BDC但圓柱筒壁排氣孔37尚未暴露，同時(shí)簧片閥33已經(jīng)打開(kāi)的情形。
3.圖7c顯示了活塞到達(dá)BDC，同時(shí)簧片閥33打開(kāi)的情形。
4.當(dāng)活塞從BDC向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，簧片閥33保持開(kāi)放狀態(tài)，使得活塞上方的氣體通過(guò)簧片閥經(jīng)氣孔37排出，于是氣體就不在活塞上方形成壓強(qiáng)。
5.當(dāng)活塞接近TDC時(shí)，安裝在圓柱筒頭部的簧片139與簧片閥33接觸，使得簧片閥33在活塞到達(dá)TDC或到達(dá)之前閉合，如圖7d所示。如果簧片閥33在到達(dá)TDC之前閉合，則殘留氣體將受到某種程度的壓縮。
6.在這一階段，進(jìn)給閥將被打開(kāi)，高壓氣體將進(jìn)入這個(gè)相對(duì)小的壓縮腔體中。當(dāng)活塞離開(kāi)TDC時(shí)，這些高壓氣體將關(guān)閉簧片閥33，使得氣體推動(dòng)活塞進(jìn)入其向下沖程。可以理解的是，本閥門(mén)設(shè)置允許采用全單流運(yùn)轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行維護(hù)。
圖8給出了一個(gè)更進(jìn)一步的實(shí)例，主要是回收來(lái)自進(jìn)給閥系統(tǒng)的能量，尤其是來(lái)自導(dǎo)閥運(yùn)轉(zhuǎn)和用于操作進(jìn)給閥的輔助流體的能量。在這方面，可以理解的是以用于控制進(jìn)給閥的能量為主。
通常(由導(dǎo)閥)使用高壓(輔助)流體來(lái)控制進(jìn)給閥。在輔助流體可壓縮的場(chǎng)合，對(duì)進(jìn)給閥的控制不需要該流體產(chǎn)生顯著的膨脹，這樣在進(jìn)給閥閉合后，一部分能量就可以通過(guò)將流體排入圓柱筒的膨脹腔室而被回收。理想狀態(tài)是，這一并入過(guò)程發(fā)生在膨脹沖程初期，使得這部分附加的流體也用于驅(qū)動(dòng)活塞。
圖8顯示了一套用于將輔助流體引入膨脹腔室的裝置。當(dāng)導(dǎo)閥關(guān)閉時(shí)，導(dǎo)閥上方的輔助流體經(jīng)過(guò)導(dǎo)閥排氣孔120從導(dǎo)閥排出，再經(jīng)過(guò)一個(gè)檢驗(yàn)閥122進(jìn)入膨脹腔室。由于此時(shí)膨脹腔室處于高壓狀態(tài)，因此這一過(guò)程可能妨礙進(jìn)給閥的閉合。為了避免這種情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)了一個(gè)與檢驗(yàn)閥上游的排氣管道相通的附加腔體。這一設(shè)計(jì)使得氣體迅速降低到一個(gè)中間壓強(qiáng)，進(jìn)而使得進(jìn)給閥可以按照要求閉合。當(dāng)膨脹腔室中的氣體壓強(qiáng)降得足夠低時(shí)，這部分儲(chǔ)存的氣體將開(kāi)始通過(guò)檢驗(yàn)閥進(jìn)入膨脹腔室。
最后，可以理解得是，本說(shuō)明書(shū)所描述的設(shè)備配置還有一些其它的變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇。
權(quán)利要求
1.一種用于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)圓柱筒和一個(gè)變體積的膨脹腔室，該圓柱筒內(nèi)部有一個(gè)往復(fù)式活塞，該腔室能夠收集從進(jìn)給閥進(jìn)入的工作流體，這種進(jìn)給系統(tǒng)包括-一個(gè)具有開(kāi)放狀態(tài)和閉合狀態(tài)的導(dǎo)閥，在開(kāi)放狀態(tài)下輔助流體經(jīng)過(guò)導(dǎo)閥作用在進(jìn)給閥上；以及-用于控制導(dǎo)閥狀態(tài)的操作裝置；其中進(jìn)給閥適合于根據(jù)輔助流體的行為而打開(kāi)。
2.權(quán)利要求1所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中工作流體和輔助流體來(lái)自于一個(gè)單一的流體源。
3.權(quán)利要求2所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中單一流體源是來(lái)自鍋爐的蒸汽。
4.上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中輔助流體是任何適于壓縮的液體或氣體/蒸汽。
5.權(quán)利要求4所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中輔助流體是水、空氣、氮?dú)?、合成油、礦物油以及它們的任何適合的混合物。
6.上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中導(dǎo)閥在開(kāi)放狀態(tài)和閉合狀態(tài)之間工作，在開(kāi)放狀態(tài)下導(dǎo)閥允許輔助流體從中經(jīng)過(guò)以作用在進(jìn)給閥上。
7.權(quán)利要求6所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中進(jìn)給閥在進(jìn)入開(kāi)放狀態(tài)時(shí)需要克服閉合力，因此在靜止?fàn)顟B(tài)下導(dǎo)閥處于閉合狀態(tài)。
8.權(quán)利要求7所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中導(dǎo)閥被設(shè)計(jì)成一個(gè)緊急釋放閥。
9.上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中導(dǎo)閥包括提升閥、柱形閥或擋板閥。
10.權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中導(dǎo)閥是一個(gè)柱形閥，該柱形閥包括一個(gè)在套筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)的分節(jié)式圓柱閥芯，該套筒有徑向?qū)Я骺住?br> 11.權(quán)利要求10所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中閥芯在套筒內(nèi)滑動(dòng)以暴露和打開(kāi)導(dǎo)流孔。
12.權(quán)利要求11所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中閥門(mén)是重疊形式，這樣在閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中就存在一個(gè)死區(qū)，使得進(jìn)給閥不會(huì)與供應(yīng)孔或排出孔進(jìn)行流體交換。
13.權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中導(dǎo)閥是一個(gè)擋板閥，該擋板閥包括一個(gè)在兩個(gè)相對(duì)的噴嘴間由輔助流體的連續(xù)蒸汽驅(qū)動(dòng)而擺動(dòng)的擋板，該蒸汽是經(jīng)壓降孔而來(lái)的。
14.權(quán)利要求13所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)中，其中每個(gè)噴嘴與進(jìn)給閥上相應(yīng)的腔室相通。
15.上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中進(jìn)給閥在開(kāi)放和閉合狀態(tài)之間工作。
16.權(quán)利要求15所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中進(jìn)給閥根據(jù)從導(dǎo)閥進(jìn)入的輔助流體的行為而工作。
17.權(quán)利要求15或16所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中在開(kāi)放狀態(tài)下進(jìn)給閥允許工作流體進(jìn)入圓柱筒的膨脹腔室，并在流體膨脹過(guò)程中驅(qū)動(dòng)活塞。
18.權(quán)利要求17所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中進(jìn)給閥在進(jìn)入開(kāi)放狀態(tài)時(shí)需要克服閉合力，因此在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)給閥處于閉合狀態(tài)。
19.上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中進(jìn)給閥是一個(gè)提升閥或柱形閥。
20.權(quán)利要求19所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中進(jìn)給閥是一個(gè)提升閥，該提升閥包括一個(gè)在圓柱筒中向著提升柄運(yùn)動(dòng)的提升活塞，并且從導(dǎo)閥進(jìn)入的輔助流體向提升活塞施加作用力，這一作用力克服通常用于保持提升頭閉合的復(fù)原裝置的閉合力。
21.權(quán)利要求20所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中輔助流體作用的提升活塞的面積大于提升頭面積，假設(shè)輔助流體和工作流體的壓強(qiáng)相同。
22.權(quán)利要求21所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中提升閥在開(kāi)放時(shí)可以被定向到兩個(gè)方向中的任何一個(gè)方向，該方向受壓流體的流動(dòng)相關(guān)。
23.權(quán)利要求22所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中提升閥的方向應(yīng)該是使得流體供應(yīng)源的壓強(qiáng)趨向于閉合該閥門(mén)。
24.權(quán)利要求6至23中任意一項(xiàng)所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中操作裝置控制導(dǎo)閥在其開(kāi)放狀態(tài)和閉合狀態(tài)之間運(yùn)行。
25.權(quán)利要求24所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中操作裝置提供電子控制的電操作。
26.權(quán)利要求25所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中操作裝置是電子控制的螺線管，其電子控制由與計(jì)時(shí)裝置相連接的控制模塊提供。
27.權(quán)利要求26所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中控制模塊包含一個(gè)處理器，該處理器能夠處理靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)以便向螺線管發(fā)送控制信號(hào)，該控制信號(hào)適合于控制或保持該螺線管以便控制導(dǎo)閥在開(kāi)放狀態(tài)和閉合狀態(tài)之間運(yùn)動(dòng)。
28.權(quán)利要求27所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中至少某些動(dòng)態(tài)參數(shù)是由一個(gè)從計(jì)時(shí)裝置到控制模塊的信號(hào)提供或測(cè)定的。
29.權(quán)利要求27或28所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中靜態(tài)參數(shù)可以嵌入到控制模塊中，以使它們能夠被處理器得到。
30.權(quán)利要求29所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中靜態(tài)參數(shù)被有效地預(yù)編程到控制模塊中。
31.上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中計(jì)時(shí)裝置包括一個(gè)隨發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄一起旋轉(zhuǎn)的計(jì)時(shí)盤(pán)。
32.權(quán)利要求31所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中計(jì)時(shí)盤(pán)上有預(yù)制的凸起，各個(gè)凸起代表著預(yù)先設(shè)置的曲柄的位置。
33.權(quán)利要求32所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括計(jì)時(shí)傳感器，此計(jì)時(shí)傳感器能夠檢測(cè)到每一個(gè)經(jīng)過(guò)的凸起并生成相應(yīng)的計(jì)時(shí)信號(hào)發(fā)送給處理裝置，從而確定曲柄的角速度和位置數(shù)據(jù)。
34.權(quán)利要求26至33中任意一項(xiàng)所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中螺線管能夠接收一個(gè)非常高的初始電壓，使得電流、相應(yīng)的磁場(chǎng)以及由此形成的螺線管插棒回縮力快速增加，并減少了延遲時(shí)間。
35.權(quán)利要求34所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中一旦螺線管插棒有了初始移動(dòng)，電壓和電流則降低到一個(gè)保持值以使插棒維持在內(nèi)縮位置，此時(shí)導(dǎo)閥克服復(fù)原裝置的閉合力處于開(kāi)放狀態(tài)。
36.權(quán)利要求34所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括能夠快速耗散掉螺線管場(chǎng)能量的裝置，該裝置能夠在螺線管釋放能量時(shí)保證插棒在復(fù)原裝置作用下快速伸出。
37.上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括在活塞到達(dá)上死點(diǎn)(TDC)前，控制膨脹腔室死區(qū)內(nèi)壓強(qiáng)增加的裝置。
38.權(quán)利要求34所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，其中壓強(qiáng)控制裝置包括一個(gè)安裝在膨脹腔室內(nèi)用于監(jiān)控圓柱筒壓強(qiáng)的壓強(qiáng)傳感器。
39.一種操作往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)圓柱筒和一個(gè)變體積的膨脹腔室，該圓柱筒內(nèi)部有一個(gè)往復(fù)式活塞，該腔室能夠收集從進(jìn)給閥進(jìn)入的工作流體，所述發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步包括一種工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，該進(jìn)給系統(tǒng)包括-一個(gè)包含開(kāi)放狀態(tài)和閉合狀態(tài)的導(dǎo)閥，在開(kāi)放狀態(tài)下輔助流體流過(guò)導(dǎo)閥作用在進(jìn)給閥上；以及-用于控制導(dǎo)閥狀態(tài)的操作裝置；其中進(jìn)給閥適合于根據(jù)輔助流體的行為而打開(kāi)，所述的方法包括以下步驟a)當(dāng)活塞接近上死點(diǎn)(TDC)時(shí)，運(yùn)行操作裝置以克服閉合力打開(kāi)導(dǎo)閥，使得輔助流體從中流過(guò)；b)輔助流體作用于進(jìn)給閥，使得進(jìn)給閥克服閉合力而打開(kāi)；c)工作流體經(jīng)過(guò)進(jìn)給閥進(jìn)入圓柱筒的膨脹腔室，在其中膨脹并驅(qū)動(dòng)活塞離開(kāi)TDC進(jìn)入膨脹(動(dòng)力)沖程，并向下死點(diǎn)(BDC)運(yùn)動(dòng)；d)運(yùn)行操作裝置以關(guān)閉導(dǎo)閥，避免輔助流體到達(dá)進(jìn)給閥，使閉合力關(guān)閉進(jìn)給閥；e)一旦活塞經(jīng)過(guò)BDC，則活塞進(jìn)入返回沖程返回TDC，圓柱筒內(nèi)膨脹的工作流體通過(guò)排氣閥排出；并且f)當(dāng)活塞再次接近TDC時(shí)，運(yùn)行操作裝置以克服閉合力打開(kāi)導(dǎo)閥，再次使輔助流體從中經(jīng)過(guò)。
40.權(quán)利要求39所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的操作方法，其中排氣閥被設(shè)計(jì)成自動(dòng)打開(kāi)的形式，當(dāng)活塞上方的壓強(qiáng)降至排氣孔壓強(qiáng)的域值時(shí)，排氣閥能夠自動(dòng)打開(kāi)。
41.權(quán)利要求40所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的操作方法，其中活塞具有與排氣閥相關(guān)聯(lián)的排氣孔，該活塞排氣孔與沿圓柱筒壁排列的排氣孔相通。
42.權(quán)利要求41所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的操作方法，其中活塞排氣孔和圓柱筒壁排氣孔被設(shè)計(jì)成在整個(gè)沖程中均重疊的形式，使得在任何的曲柄角度下，只要排氣閥打開(kāi)就可以排氣。
43.一種往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，包括至少一個(gè)圓柱筒和一個(gè)變體積的膨脹腔室，圓柱筒內(nèi)部有一個(gè)往復(fù)式活塞，腔室能夠收集從進(jìn)給閥進(jìn)入的工作流體，所述的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步包括一種工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，這種進(jìn)給系統(tǒng)包括-一個(gè)具有開(kāi)放狀態(tài)和閉合狀態(tài)的導(dǎo)閥，在開(kāi)放狀態(tài)下輔助流體從中流過(guò)并作用在進(jìn)給閥上；以及-用于控制導(dǎo)閥狀態(tài)的操作裝置；其中進(jìn)給閥適合于根據(jù)輔助流體的行為而打開(kāi)。
44.權(quán)利要求43所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中包括多個(gè)圓柱筒和一套與之相關(guān)的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)，每個(gè)圓柱筒內(nèi)有一個(gè)往復(fù)式活塞。
45.權(quán)利要求43或44所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)是使用蒸汽作為工作流體的蘭金(Rankine)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。
46.權(quán)利要求43至45中任意一項(xiàng)所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中至少一個(gè)圓柱筒是膨脹腔室，并且其往復(fù)式活塞是正排量膨脹器。
47.權(quán)利要求43至46中任意一項(xiàng)所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中工作流體與輔助流體來(lái)自于單一的流體源。
48.權(quán)利要求47所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中單一流體源是來(lái)自鍋爐的蒸汽。
49.權(quán)利要求43至48中任意一項(xiàng)所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中輔助流體是任何適于壓縮的液體或氣體/蒸汽。
50.權(quán)利要求49所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中輔助流體是水、空氣、氮?dú)狻⒑铣捎?、礦物油以及它們的任何適合的混合物。
51.權(quán)利要求43至50中任意一項(xiàng)所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中每個(gè)圓柱筒包括至少一個(gè)排氣閥，每個(gè)活塞的頭部至少有一個(gè)排氣閥。
52.權(quán)利要求51所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中活塞頭部的排氣閥包括一個(gè)彈簧閥、簧片閥或者一套帶壓縮螺旋彈簧裝置的提升閥。
53.權(quán)利要求52所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中活塞頭部的排氣閥是一個(gè)簧片閥，并且在圓柱筒頭部使用一個(gè)板簧來(lái)輔助關(guān)閉簧片閥。
54.權(quán)利要求53所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步包括從圓柱筒頭部發(fā)出的流體射流或覆蓋在彈簧上的流體，它們能夠緩沖活塞頭部排氣閥對(duì)圓柱筒頭部的沖擊。
55.權(quán)利要求43至54中任意一項(xiàng)所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)是蘭金循環(huán)熱機(jī)。
56.一種往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，包括至少一個(gè)圓柱筒和一個(gè)變體積的膨脹腔室，該圓柱筒內(nèi)部有一個(gè)往復(fù)式活塞，該腔室能夠收集從進(jìn)給閥進(jìn)入的工作流體，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括一個(gè)工作流體進(jìn)給系統(tǒng)和排氣裝置，所述的工作流體進(jìn)給系統(tǒng)包括一個(gè)具有開(kāi)放狀態(tài)和閉合狀態(tài)的導(dǎo)閥以及用于控制導(dǎo)閥狀態(tài)的操作裝置，在導(dǎo)閥開(kāi)放狀態(tài)下輔助流體從中流過(guò)并作用在進(jìn)給閥上，該進(jìn)給閥適合于根據(jù)輔助流體的行為而打開(kāi)，所述的排氣裝置包括至少一個(gè)在活塞上的排氣閥和至少一個(gè)在活塞上的排氣孔，所述的排氣閥被設(shè)計(jì)成自動(dòng)打開(kāi)的形式，當(dāng)活塞上方的壓強(qiáng)降至排氣孔壓強(qiáng)的域值時(shí)，排氣閥自動(dòng)打開(kāi)。
57.權(quán)利要求56所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中活塞上至少一個(gè)排氣孔與圓柱筒壁上的排氣孔相通，當(dāng)排氣閥打開(kāi)時(shí)，活塞和圓柱筒壁上的排氣孔在圓柱筒的整個(gè)沖程的大部分過(guò)程中均重疊。
58.權(quán)利要求57所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中活塞頭部的排氣閥包括一個(gè)彈簧閥、簧片閥或者一套帶壓縮螺旋彈簧裝置的提升閥。
59.權(quán)利要求57所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中活塞頭部排氣閥是一個(gè)簧片閥，并且在圓柱筒頭部使用一個(gè)板簧來(lái)輔助關(guān)閉該簧片閥。
60.權(quán)利要求59所述的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步包括從圓柱筒頭部發(fā)出的流體射流或覆蓋在彈簧上的流體，它們能夠緩沖活塞頭部排氣閥對(duì)圓柱筒頭部的沖擊。
61.權(quán)利要求56至60中任意一項(xiàng)所述的種往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)是蘭金循環(huán)熱機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)及其工作流體進(jìn)給系統(tǒng)。該發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)圓柱筒(30)和一個(gè)變體積的膨脹云室，該圓柱筒內(nèi)部有一個(gè)往復(fù)式活塞(32)，該云室能夠收集從進(jìn)給閥(40)進(jìn)入的工作流體。這種進(jìn)給系統(tǒng)包括一個(gè)具有開(kāi)放狀態(tài)和閉合狀態(tài)的導(dǎo)閥(34)。在開(kāi)放狀態(tài)下，輔助流體經(jīng)過(guò)導(dǎo)閥作用在進(jìn)給閥(40)上。該系統(tǒng)還包括一個(gè)用于控制導(dǎo)閥狀態(tài)的操作工具(18)。進(jìn)給閥(40)適合于根據(jù)輔助流體的行為而打開(kāi)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)還包括排氣裝置，該排氣裝置在活塞(32)或圓柱筒壁上開(kāi)孔。工作流體也可作為輔助流體。
文檔編號(hào)F01K13/02GK1643238SQ03807338
公開(kāi)日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2003年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月28日
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