CN103104375B - 气缸内燃斯特林发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气缸内燃斯特林发动机，包括压气机、气缸活塞机构B、气缸活塞机构C和回热器，所述气缸活塞机构B与所述气缸活塞机构C构成按斯特林循环工作的动力单元，所述压气机为所述动力单元提供压缩气体，使得所述动力单元得以工作。本发明热效率高，有利于节约能源，且结构简单、实用性强，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及热动力领域，尤其是一种斯特林发动机。
背景技术
传统斯特林发动机为一种外燃机，因此其功率密度和单机功率都严重受限，而且负荷响应差，为了解决这一问题，本发明人提出了内燃热气机即内燃斯特林发动机的技术方案，但在这些技术方案中，要么需要用商业氧源（即由储罐提供的氧源或空气氧源等），要么利用内燃机做功完了后的工质作为内燃斯特林发动机的热缸工质，前者需要商业氧源就不可避免地影响发动机的机动性，后者会使斯特林循环中的工质的压力受限。因此，需要发明一种更新型的内燃斯特林发动机。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：
方案1.一种气缸内燃斯特林发动机，包括压气机、气缸活塞机构B、气缸活塞机构C和回热器，在所述气缸活塞机构B的气缸上设置充气口和往复流通口；在所述气缸活塞机构C的气缸上设置往复流通口；
所述压气机的供气道与所述充气口连通，所述气缸活塞机构B上的所述往复流通口经所述回热器与所述气缸活塞机构C上的所述往复流通口连通，在所述气缸活塞机构C上和/或在所述回热器与所述气缸活塞机构C上的所述往复流通口之间的连通通道上设置冷却器；
在所述气缸活塞机构B的气缸内和/或在所述供气道内设置内燃燃烧室；
在所述气缸活塞机构B上、在所述气缸活塞机构C上、在所述供气道上、在连通所述气缸活塞机构B的气缸与所述气缸活塞机构C的气缸的连通通道上中的至少一处设置乏气导出口及其对应的乏气门。
方案2.在方案1的基础上，进一步在所述供气道上设置储气罐。
方案3.在方案2的基础上，进一步在所述储气罐与所述气缸活塞机构B之间的所述供气道上设置控制阀。
方案4.在方案1至方案3中任一方案的基础上，进一步将所述压气机、所述供气道、所述气缸活塞机构B、所述气缸活塞机构B上的所述往复流通口与所述回热器之间的连通通道以及所述回热器中的部分或全部设为绝热式。
方案5.在方案1至方案3中任一方案的基础上，进一步将所述气缸活塞机构B和所述气缸活塞机构C为V型设置，所述气缸活塞机构B的活塞和所述气缸活塞机构C的活塞与同一曲轴的同一连杆轴颈连接。
方案6.在方案1至方案3中任一方案的基础上，进一步将所述气缸活塞机构B的活塞和所述气缸活塞机构C的活塞与同一曲轴的不同连杆轴颈连接，且此两个所述连杆轴颈的相位差小于180度。
方案7.在方案1至方案3中任一方案的基础上，进一步将多个所述压气机与一个所述气缸活塞机构B连通。
方案8、在方案1至方案3中任一方案的基础上，进一步将所述压气机、所述气缸活塞机构B和所述气缸活塞机构C共轴设置。
方案9.在方案1至方案3中任一方案的基础上，进一步将所述压气机设为叶轮式压气机、罗茨式压气机或螺杆式压气机。
方案10.在方案1至方案3中任一方案的基础上，进一步将所述压气机设为活塞式气体压缩机。
方案11.在方案1至方案3中任一方案的基础上，进一步将所述乏气门受使由所述供气道、所述气缸活塞机构B、所述气缸活塞机构C和连通所述气缸活塞机构B的气缸与所述气缸活塞机构C的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于0.2MPa的控制机构控制。
方案12.在方案10的基础上，进一步将所述活塞式气体压缩机设为对置活塞气体压缩机或缸套活塞一体化气体压缩机。
方案13.在方案10的基础上，进一步将所述气缸内燃斯特林发动机包括八个气缸活塞机构，且此八个气缸活塞机构按90度V型八缸内燃机的气缸活塞机构的布置方式布置，其中，一缸、四缸、五缸和八缸分别设为所述活塞式气体压缩机，六缸和三缸分别设为所述气缸活塞机构B，二缸和七缸分别设为所述气缸活塞机构C，两个所述活塞式气体压缩机与一个邻近的所述气缸活塞机构B连通。
方案14.在方案10的基础上，进一步将所述气缸内燃斯特林发动机包括八个气缸活塞机构，且此八个气缸活塞机构按90度V型八缸内燃机的气缸活塞机构的布置方式布置，其中，二缸、三缸、六缸和七缸分别设为所述活塞式气体压缩机，四缸和五缸分别设为所述气缸活塞机构B，一缸和八缸分别设为所述气缸活塞机构C，两个所述活塞式气体压缩机与一个邻近的所述气缸活塞机构B连通。
方案15.在方案1至方案3中任一方案的基础上，将述气缸内燃斯特林发动机进一步还包括低温冷源，所述低温冷源用于提供低温物质，所述低温物质用于冷却所述气缸活塞机构C中和/或即将进入所述气缸活塞机构C的工质。
方案16.在方案1至方案3中任一方案的基础上，所述气缸内燃斯特林发动机进一步还包括附属涡轮动力机构和附属叶轮压气机，所述乏气导出口与所述附属涡轮动力机构的工质入口连通，所述附属涡轮动力机构的工质出口经附属冷却器与所述附属叶轮压气机的工质入口连通，所述附属叶轮压气机的工质出口与工质闭合回路连通；所述附属涡轮动力机构的工质出口与所述附属叶轮压气机的工质入口之间的连通通道上设有附属工质导出口。
方案17.在方案1至方案3中任一方案的基础上，进一步将所述内燃燃烧室排出的物质的质量流量设为大于从工质闭合回路外导入所述内燃燃烧室的物质的质量流量。
方案18.在方案1至方案3中任一方案的基础上，所述气缸内燃斯特林发动机进一步还包括氧化剂源、氧化剂传感器和氧化剂控制装置，所述氧化剂传感器设置在工质闭合回路内，所述氧化剂传感器对所述氧化剂控制装置提供信号，所述氧化剂源经氧化剂控制阀与所述工质闭合回路连通，所述氧化剂控制装置控制所述氧化剂控制阀。
方案19.在方案1至方案3中任一方案的基础上，进一步将所述压气机和/或所述气缸活塞机构B和/或所述气缸活塞机构C设为活塞液体机构，所述活塞液体机构包括气液缸和气液隔离结构，所述气液隔离结构设置在所述气液缸内。
方案20.在方案19的基础上，进一步将所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力设为大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和。
方案21.在方案1至方案3中任一方案的基础上，进一步将所述乏气导出口及其对应的乏气门设在所述气缸活塞机构C上，且所述气缸活塞机构C上的所述往复流通口处设有往复流通控制门。
方案22.在方案1至方案3中任一方案的基础上，进一步将所述压气机设为四类门气缸活塞机构，所述四类门气缸活塞机构的供气口经所述供气道与所述充气口连通，所述四类门气缸活塞机构的回充口与所述乏气导出口连通。
本发明的原理是：利用一个或多个所述压气机产生的高压或高温高压工质，提供给由所述气缸活塞机构B和所述气缸活塞机构C构成的按斯特林循环工作的动力单元，使该动力单元得以工作。
所述乏气导出口设置的目的是当由所述压气机向该动力单元的工质系统内导入的工质的压力达到一定程度时，将多余工质放出。
本发明中，所谓的按斯特林循环工作包括按理论斯特林循环工作和按实际斯特林循环工作。
本发明中，所述工质闭合回路是指由所述压气机、所述气缸活塞机构B、所述气缸活塞机构C及它们之间的连通通道构成的闭合的工质通道。
本发明中，所谓的往复流通口是指工质可以往复通过的配气口。
本发明中，所谓的充气口是指高压空气或高温高压工质进入所述气缸活塞机构B的配气口。
本发明中，所谓的乏气导出口是指将经过斯特林循环后的气体导出本气缸内然斯特林发动机的配气口。
本发明中，所谓的压气供气冲程是指活塞从下止点运动到上止点，且只有所述供气门打开的过程。
本发明中，所谓的余隙气体做功冲程是指在所述压气供气冲程后，此时活塞处于上止点附近，关闭所有配气门，利用压气供气冲程后存留在气缸内的余隙气体推动活塞向下止点运动的过程。
本发明中，将高温工质接触到的部件（如热缸、内燃缸、高温通道、回热器等）中的部分或全部设为绝热式，是指各部件自身为绝热材料制成或指仅采用了绝热衬里，这样就减少了相关设备的吸热效应，从而提高了热效率。
本发明中，通过调整所述工质闭合回路的工作压力以及热端机构的排量，以控制热端机构的质量排量，使所述内燃燃烧室排出的物质的质量流量M2大于从所述工质闭合回路外导入所述内燃燃烧室的物质的质量流量M1，也就是说除了从所述工质闭合回路外导入所述内燃燃烧室的物质外，还有一部分物质是从所述工质闭合回路中导入所述内燃燃烧室的，由于所述内燃燃烧室是设置在所述工质闭合回路内的，所以也就是说从所述内燃燃烧室排出的物质至少有一部分流回所述内燃燃烧室，即实现了工质在热端机构和冷端机构之间有往复流动。从所述工质闭合回路外向所述内燃燃烧室导入的物质可以是氧化剂、还原剂、压缩气体或高温燃气等。
本发明中，所述热端机构是指所述内燃燃烧室设在其中，或者所述内燃燃烧室中发生燃烧化学反应后产生的工质首先进入其中的配气机构或做功机构，例如所述气缸活塞机构B。
本发明中，所述冷端机构是指工质从所述热端机构流出后进入的气体做功机构或气体压缩机构，例如所述气缸活塞机构C或罗茨式压气机等机构。
本发明中，所述气液缸是指可以容纳气体工质和/或液体，并能承受一定压力的容器，所述气液缸被所述气液隔离结构分隔成气体端和液体端，所述气液缸的气体端设有气体工质流通口，所述气体工质流通口用于与所述工质闭合回路中的其他装置或机构连通；所述气液缸的液体端设有液体流通口，所述液体流通口用于与液压动力机构和/或液体工质回送系统连通。
本发明中，所述气液隔离结构是指可以在所述气液缸中做往复运动的结构体，如隔离板、隔离膜、活塞等，其作用是隔离所述气液缸中的气体工质和液体，优选地，所述气液隔离结构和所述气液缸密封滑动配合。在所述活塞液体机构工作过程中，根据所述气液隔离结构处于所述气液缸内的不同位置，所述气液缸内可能全部是气体工质，也可能全部是液体，或者气体工质和液体同时存在。
本发明中，所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构与传统的活塞连杆机构不同，传统的活塞连杆机构中的活塞可受连杆的推力或拉力停下，从而实现对活塞行程的限制，而在所述气液缸中，当所述气液缸内的气体工质做正功时，所述气液隔离结构受压力向下止点方向移动，将液体以高压形式排出所述气液缸并推动液压动力机构（例如液体马达）对外做功，当液体即将排尽时，改变液体马达工作模式或启动液体工质回送系统，使所述气液缸内的液体不再减少，此时液体会对所述气液缸内的所述气液隔离结构施加制动力，使其停止，以防止其撞击气液缸的液体端底部的壁；当不断向所述气液缸内输入液体时，所述气液隔离结构会不断向上止点方向移动，当到达上止点附近时，停止向所述气液缸内输入液体或者使所述气液缸内的液体减少（流出），尽管如此，所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构仍然会由于惯性向上止点方向运动，此时，如果所述气液缸内的气体工质的压力不够高，则会导致所述气液隔离结构继续向上运动而撞击气液缸顶部的壁，为了避免这种撞击，需要使气液缸内气体工质的压力足够高，使其对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和。
本发明中，在所述气缸内燃斯特林发动机的工作过程中所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和是变化的，因此在工程设计中应保证在任何工作时刻都满足“所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和”的条件，例如通过调整所述工质闭合回路中的工作压力、调整气液隔离结构的质量、调整液体密度或调整液体深度等方式来实现，其中，所述液体深度是指液体在做往复运动方向上的液体的深度。
所谓的“调整所述工质闭合回路中的工作压力”是通过调整流入和/或流出所述工质闭合回路的气体工质的体积流量来实现的，例如可以通过调整所述乏气导出口的开关间隔、每次开启的时间和/或所述乏气导出口处控制阀的开口大小来实现。
本发明中，可以通过调整所述工质闭合回路中的压力（例如可以通过调整所述乏气导出口的开启压力或者开关时间来实现），使所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构的总惯性力，从而防止所述气液隔离结构与所述气液缸碰撞。
本发明中，所述低温冷源是指能提供温度在0℃以下的低温物质的装置、机构或储罐，例如采用商业购买方式获得的储存有低温物质的储罐，所述低温物质可以是液氮、液氧、液氦或液化空气等。当本发明中氧化剂为液氧时，液氧可直接作为所述低温物质。
本发明中，所述低温冷源以直接与所述工质闭合回路连通使所述低温物质与所述工质闭合回路内的工质混合的方式，或者以经换热装置使所述低温物质与所述工质闭合回路内的工质换热的方式，对所述气缸活塞机构C中或即将进入所述气缸活塞机构C的工质进行冷却处理。热气机是一种工作循环接近卡诺循环的动力机构，其热效率的计算可以参考卡诺循环热效率计算公式：从中可知，当冷源温度T2下降时，热效率η升高，而且向冷源排放的热量减少，如果冷源温度T2下降幅度很大，即冷源温度很低，则热效率η很高，向冷源排放的热量很小。由此推断，可用温度相当低的低温物质使冷源温度T2大幅下降，从而大幅减少向冷源排放的热量，有效提高发动机效率。
温度越低的低温物质（例如液氧、液氮或液氦等），在制造过程中需要消耗越多的能量，但是就单位质量而言，对发动机热效率η提升的贡献越大，就好比将能量存储在温度很低的物质中，相当于一种新型电池的概念，所述低温物质可以使用垃圾电等成本很低的能源来制造，从而有效降低发动机的使用成本。
本发明中，所述低温冷源中的所述低温物质发挥冷却作用后，既可导入所述工质闭合回路中，作为气缸内燃斯特林发动机的循环工质，也可不导入所述工质闭合回路中。
本发明中，所谓的两个装置连通，是指流体可以在两个装置之间单向或者双向流通。所谓的连通是指直接连通或经控制机构、控制单元或其他控制部件间接连通。
本发明中，所述氧化剂传感器是指对所述工质闭合回路中的氧化剂的含量进行检测的装置。所述氧化剂传感器对所述氧化剂控制装置提供信号，所述氧化剂控制装置根据所述氧化剂传感器提供的信号以及预先设定的所述工质闭合回路中静态或动态的氧化剂含量设定值对所述氧化剂控制阀进行控制以增加或减少向所述工质闭合回路中供给氧化剂的量，达到调控所述工质闭合回路中氧化剂的含量的目的。
所述氧化剂含量设定值可以是一个数值，也可以是一个数值区间，例如：所述工质闭合回路中的氧化剂含量设定值可以为5％、10％或10%~12%等。
所述氧化剂传感器可以设在远离所述内燃燃烧室的闭合回路上，可保证整个工质闭合回路是在富氧（氧含量大于零）状态下工作，使所述内燃燃烧室内发生稳定的燃烧化学反应，同时还可以防止积碳的发生。
本发明中，所述液氧包括商业液氧或现场制备的液氧。
本发明中，所述燃料可以是碳氢化合物、碳氢氧化合物或固体碳。需要指出的是：采用固体碳作为燃料燃烧后没有水生成，且燃烧后产物中的二氧化碳浓度高，易液化；实施的过程中，固体碳可采用固体预先装配、粉末化后喷入、粉末化后再用液体或气体二氧化碳流化后喷入的方式输入热气机。
本发明中，所述控制阀可设为正时控制阀或非正时控制阀。
本发明中，所述四类门气缸活塞机构是指气缸上设进气口、排气口、供气口和回充口，在所述进气口、所述排气口、所述供气口和所述回充口处依次对应设置进气门、排气门、供气门和回充门的气缸活塞机构。
选择性地，所述乏气门受使由所述供气道、所述气缸活塞机构B、所述气缸活塞机构C和连通所述气缸活塞机构B的气缸与所述气缸活塞机构C的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa、1.8MPa、2MPa、2.2MPa、2.4MPa、2.6MPa、2.8MPa、3MPa、3.2MPa、3.4MPa、3.6MPa、3.8MPa、4MPa、4.2MPa、4.4MPa、4.6MPa、4.8MPa、5MPa、5.2MPa、5.4MPa、5.6MPa、5.8MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa或大于10MPa的控制机构控制。
本发明中，应根据发动机、热气机及热动力领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统。
本发明的有益效果如下:
本发明公开的所述气缸内燃斯特林发动机利用一个或多个所述压气机向由所述气缸活塞机构B和所述气缸活塞机构C构成的按斯特林循环工作的动力单元提供高压空气或提供燃烧后的高温高压气体工质，使由所述气缸活塞机构B和所述气缸活塞机构C构成的按斯特林循环工作的动力单元得以工作，将气体压缩机循环、内燃机循环与热气机循环相结合，利用气体压缩机的压缩气体燃烧后的燃气或内燃机排气作为热气机的循环工质，从而提高了能源的利用率并实现了对发动机排气中的能量进行进一步利用，也使得发动机的热效率得以提高，有利于节约能源，且结构简单、实用性强，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
图3是本发明实施例3的结构示意图；
图4是本发明实施例4的结构示意图；
图5是本发明实施例5的结构示意图；
图6是本发明实施例6的结构示意图；
图7是本发明实施例7的结构示意图；
图8是本发明实施例8的结构示意图；
图9是本发明实施例9的结构示意图；
图10是本发明实施例10的结构示意图；
图11是本发明实施例11的结构示意图；
图12是本发明实施例12的结构示意图；
图13是本发明实施例13的结构示意图；
图14是本发明所述缸套活塞一体化气体压缩机的结构示意图；
图15是本发明所述对置活塞气体压缩机的结构示意图；
图16是本发明实施例16的结构示意图；
图17是本发明实施例17的结构示意图；
图18是本发明实施例18的结构示意图；
图19是本发明实施例19的结构示意图;
图20是本发明实施例20的结构示意图;
图21是本发明实施例21的结构示意图;
图中：
101叶轮式压气机、103罗茨式压气机、104螺杆式压气机、105活塞式气体压缩机、106对置活塞气体压缩机、107缸套活塞一体化气体压缩机、2气缸活塞机构B、3气缸活塞机构C、4回热器、7供气道、70储气罐、71控制阀、9往复流通口、10内燃燃烧室、11乏气导出口、12乏气门、13冷却器、50低温冷源、58氧化剂传感器、52氧化剂控制装置、53氧化剂控制阀、55氧化剂源、80附属涡轮动力机构、81附属叶轮压气机、82附属冷却器、85附属工质导出口、15液体工质回送系统、16液压动力机构、17气液隔离结构、18气液缸、19活塞液体机构、100过程控制机构、25液体工质回送系统、26液压动力机构、27气液隔离结构、28气液缸、29活塞液体机构、200过程控制机构、35液体工质回送系统、36液压动力机构、37气液隔离结构、38气液缸、39活塞液体机构、300过程控制机构、990四类门气缸活塞机构、991进气口、992排气口、993供气口、994回充口。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的气缸内燃斯特林发动机，包括所述压气机、气缸活塞机构B2、气缸活塞机构C3和回热器4，本实例中，将所述压气机具体的设为了活塞式气体压缩机105，在所述气缸活塞机构B2上设置充气口8和往复流通口9，在所述气缸活塞机构C3上设置往复流通口9，所述活塞式气体压缩机105的供气道7与所述充气口8连通，所述气缸活塞机构B2上的所述往复流通口9经所述回热器4与所述气缸活塞机构C3上的所述往复流通口9连通，在所述气缸活塞机构C3上设冷却器13，在所述气缸活塞机构B2内设有内燃燃烧室10，在连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道上设有乏气导出口11及其对应的乏气门12。
本实施例的所述气缸内燃斯特林发动机的工作方式如下：所述活塞式气体压缩机105经所述供气道7向所述气缸活塞机构B2提供压缩气体，该压缩气体在所述内燃燃烧室10中和燃料一起被点燃产生高温高压的工质，使得由所述气缸活塞机构B2和所述气缸活塞机构C3构成的按斯特林循环工作的动力单元得以工作，经至少一个斯特林循环后的气体工质经所述乏气导出口11导出。
选择性地，所述活塞式气体压缩机105、所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构B2上的所述往复流通口9与所述回热器4之间的连通通道以及所述回热器4中部分或全部设为绝热式。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于0.2MPa的控制机构控制。
实施例2
如图2所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1区别在于：所述供气道7上设置储气罐70，所述储气罐70与所述气缸活塞机构B2之间的所述供气道7上设有控制阀71。所述储气罐70用于储存由所述压气机提供的压缩气体，从而为所述气缸活塞机构B2提供压力稳定的气源，同时也使得所述活塞式气体压缩机105的冲程不用必须和所述气缸活塞机构B2的冲程相匹配。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于0.4MPa的控制机构控制。
作为可以变换的实施方式，所述控制阀71可以不设。
本发明的所有实施方式中，都可以参考本实施例设置所述储气罐70及其关联结构。
实施例3
如图3所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1的区别在于：所述冷却器13改为设置在所述回热器4与所述气缸活塞机构C3之间的连通通道上，所述气缸活塞机构B2和所述气缸活塞机构C3为V型设置，且所述气缸活塞机构B2和所述气缸活塞机构C3的活塞与同一曲轴的同一连杆轴颈连接。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于1MPa的控制机构控制。
实施例4
如图4所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1的区别在于：所述气缸活塞机构B2的活塞和所述气缸活塞机构C3的活塞与同一曲轴的不同连杆轴颈连接，且此两个所述连杆轴颈的相位差小于180度。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于1.4MPa的控制机构控制。
实施例5
如图5所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1的区别在于：所述活塞式压气机105、所述气缸活塞机构B2和所述气缸活塞机构C3共轴设置。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于2MPa的控制机构控制。
本发明的所有实施方式中，都可以参考实施例3、实施例4设置所述气缸活塞机构B2和所述气缸活塞机构C3，也可以参考实施5设置所述所述活塞式压气机105、所述气缸活塞机构B2和所述气缸活塞机构C3。
实施例6
如图6所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1的区别在于：两个所述活塞式压气机105经同一所述充气口8与所述气缸活塞机构B2连通，所述乏气导出口11改为设在所述气缸活塞机构C3上。本实施例包括两个所述活塞式压气机105，分别为所述气缸活塞机构B2提供压缩气体，可以提高所述气缸活塞机构B2的进气量，从而提高发动机的效率。所述乏气导出口11设在所述气缸活塞机构C3上可以使乏气直接在冷端排出，减少了系统的热量外排，能够进一步提高发动机的效率。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于1.8MPa的控制机构控制。
实施例7
如图7所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1的区别在于：两个所述活塞式压气机105分别直接与所述气缸活塞机构B2连通。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于2MPa的控制机构控制。
作为可以变换的实施方式，还可以参考实施例6、实施例7的方式将三个以上的所述活塞式压气机105与所述气缸活塞机构B2连通。
实施例8
如图8所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1的区别在于：所述气缸内燃斯特林发动机包括八个气缸活塞机构，且此八个气缸活塞机构按90度V型八缸内燃机的气缸活塞机构的布置方式布置，其中，一缸、二缸、五缸、六缸构成一个单元，三缸、四缸、七缸、八缸构成一个单元，一缸、四缸、五缸和八缸分别设为所述活塞式压气机105，六缸和三缸分别设为所述气缸活塞机构B2，二缸和七缸分别设为所述气缸活塞机构C3，每个单元内的两个所述活塞式压气机105与本单元内的所述气缸活塞机构B2邻近并连通，每个单元内的所述气缸活塞机构B2与本单元内的所述气缸活塞机构C3连通。
本实施例中两个单元分别工作，能够进一步提高发动机的输出功率。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于2.4MPa的控制机构控制。
实施例9
如图9所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1的区别在于：所述气缸内燃斯特林发动机包括八个气缸活塞机构，且此八个气缸活塞机构按90度V型八缸内燃机的气缸活塞机构的布置方式布置，其中，一缸、二缸、五缸、六缸构成一个单元，三缸、四缸、七缸、八缸构成一个单元，二缸、三缸、六缸和七缸分别设为所述活塞式压气机105，四缸和五缸分别设为所述气缸活塞机构B2，一缸和八缸分别设为所述气缸活塞机构C3，每个所述单元内的两个所述活塞式压气机105与本单元内的所述气缸活塞机构B2邻近并连通，每个所述单元内的所述气缸活塞机构B2与本单元内的所述气缸活塞机构C3连通。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于3MPa的控制机构控制。
实施例10
如图10所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1区别在于：所述内燃燃烧室10设在所述供气道7内，所述乏气导出口11设置在所述气缸活塞机构B2上，所述冷却器13设置在所述回热器4与所述气缸活塞机构C3之间的连通通道上。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于4MPa的控制机构控制。
实施例11
如图11所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1区别在于：所述活塞式压气机105用叶轮式压气机101替代。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于4.5MPa的控制机构控制。
实施例12
如图12所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1区别在于：所述活塞式压气机105用罗茨式压气机103替代。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于5MPa的控制机构控制。
实施例13
如图13所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1区别在于：所述活塞式压气机105用螺杆式压气机104替代。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于6MPa的控制机构控制。
实施例14
一种气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1区别在于：所述活塞式压气机105用图14所示的缸套活塞一体化气体压缩机107替代。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于8MPa的控制机构控制。
实施例15
一种气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1区别在于：所述活塞式压气机105用图15所示的对置活塞气体压缩机106替代。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于8.5MPa的控制机构控制。
实施例16
如图16所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1的区别在于：所述气缸内燃斯特林发动机还包括低温冷源50，所述低温冷源50与所述气缸活塞机构C3和所述回热器4之间的连通通道连通，所述低温冷源50提供的低温物质通过与该连通通道内的工质混合的方式，对即将进入所述气缸活塞机构C3的工质进行冷却。本实施例中所述低温冷源50的设置，可以进一步提高发动机的效率。
作为可变换的实施方式，所述低温冷源50可与所述气缸活塞机构C3连通，通过低温物质直接和所述气缸活塞机构C3内的工质混合的方式，对所述气缸活塞机构C3内的工质进行冷却。
作为可变换的实施方式，还可以在所述气缸活塞机构C3与所述回热器4之间的连通通道上或所述气缸活塞机构C3上设换热装置，并将所述低温冷源50提供的低温物质作为换热装置的工质，从而对所述气缸活塞机构C3中或者即将进入所述气缸活塞机构C3中的工质进行冷却。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于9MPa的控制机构控制。
本发明的所有实施方式中，都可以参考本实施例设置所述低温冷源50。
实施例17
如图17所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1的区别在于：所述气缸内燃斯特林发动机还包括附属涡轮动力机构80和附属叶轮压气机81，所述乏气导出口11与所述附属涡轮动力机构80的工质入口连通，所述附属涡轮动力机构80的工质出口经附属冷却器82与所述附属叶轮压气机81的工质入口连通，所述附属叶轮压气机81的工质出口与所述工质闭合回路连通；所述附属涡轮动力机构80的工质出口与所述附属叶轮压气机81的工质入口之间的通道上设有附属工质导出口85。
本实施例中通过设置附属涡轮动力机构80和附属叶轮压气机81，利用乏气做功，对从所述气缸活塞机构C3返回所述压气机的乏气进行压缩，从而减少了系统内热量的外排，进一步提高了发动机的效率。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于10MPa的控制机构控制。
图中所示的所述附属工质导出口85设在所述附属冷却器82与所述附属叶轮压气机81的工质入口之间的通道上；可选择地，所述附属工质导出口85设在所述附属涡轮动力机构80的工质出口与其相邻的所述附属冷却器82之间的通道上。所述附属叶轮压气机81的工质出口与设在所述工质闭合回路上的连通口连通，该连通口和所述乏气导出口11设在所述工质闭合回路上的不同位置。
本发明的所有实施方式中，都可以参考本实施例设置所述附属涡轮动力机构80及其关联结构。
实施例18
如图18所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1的区别在于：所述气缸内燃斯特林发动机还包括氧化剂源55、氧化剂传感器58和氧化剂控制装置52，所述氧化剂传感器58设在所述工质闭合回路内，所述氧化剂传感器58对所述氧化剂控制装置52提供信号，所述氧化剂源55经氧化剂控制阀53与所述工质闭合回路连通，所述氧化剂控制装置52控制所述氧化剂控制阀53。
本实施例通过设置氧化剂源55、氧化剂传感器58、氧化剂控制装置52、氧化剂控制阀53能够精确控制所述工质闭合回路中的氧含量，从而保证所述内燃燃烧室10内发生稳定的化学反应，同时可以防止积碳的发生。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于7.5MPa的控制机构控制。
本发明的所有实施方式中，都可以参考本实施例设置所述氧化剂传感器58及其关联结构。
实施例19
如图19所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1的区别在于：所述压气机、所述气缸活塞机构B2和所述气缸活塞机构C3均设为活塞液体机构。
设为所述压气机的活塞液体机构19包括气液缸18和气液隔离结构17，所述气液隔离结构17设在所述气液缸18内。
所述气液缸18内的气体工质对所述气液隔离结构17的压力大于所述气液缸内18的液体和所述气液隔离结构17做往复运动时的惯性力之和。
所述气液缸18的液体端与液压动力机构16连通，所述液压动力机构16与液体工质回送系统15连通，所述液体工质回送系统15与所述气液缸18的液体端连通；所述液压动力机构16和所述液体工质回送系统15受过程控制机构100控制。
设为所述气缸活塞机构B2的活塞液体机构29包括气液缸28和气液隔离结构27，所述气液隔离结构27设在所述气液缸28内。
所述气液缸28内的气体工质对所述气液隔离结构27的压力大于所述气液缸内28的液体和所述气液隔离结构27做往复运动时的惯性力之和。
所述气液缸28的液体端与液压动力机构26连通，所述液压动力机构26与液体工质回送系统25连通，所述液体工质回送系统25与所述气液缸28的液体端连通；所述液压动力机构26和所述液体工质回送系统25受过程控制机构200控制。
设为所述气缸活塞机构C3的活塞液体机构39包括气液缸38和气液隔离结构37，所述气液隔离结构37设在所述气液缸38内。
所述气液缸38内的气体工质对所述气液隔离结构37的压力大于所述气液缸内38的液体和所述气液隔离结构37做往复运动时的惯性力之和。
所述气液缸38的液体端与液压动力机构36连通，所述液压动力机构36与液体工质回送系统35连通，所述液体工质回送系统35与所述气液缸38的液体端连通；所述液压动力机构36和所述液体工质回送系统35受过程控制机构300控制。
本实施例中，所述乏气门12受使由所述供气道7、所述气缸活塞机构B2、所述气缸活塞机构C3和连通所述气缸活塞机构B2的气缸与所述气缸活塞机构C3的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于10MPa的控制机构控制。
在实施过程中，可仅将所述压气机、所述气缸活塞机构B2和所述气缸活塞机构C3中的一个或两个设为活塞液体机构。
本发明的所有实施方式中，都可以参考本实施例将所述压气机、所述气缸活塞机构B2和所述气缸活塞机构C3中的择一或任择若干设为活塞液体机构。
将所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力设为大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和，可以防止所述气液隔离结构向上运动的过程中处于惯性撞击所述气液缸的顶部，当然在不考虑这一点时，也可以不做此设定。
实施例20
如图20所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例12的区别在于：所述乏气导出口11及其对应的乏气门12设在所述气缸活塞机构C3上,所述气缸活塞机构C3上的所述往复流通口9处设有往复流通控制门91，所述往复流通控制门91和所述乏气门12受控制机构控制使得所述气缸活塞机构C3按照如下工作模式工作：当所述气缸活塞机构C3经过一个或多个往复配气循环后，所述气缸活塞机构C3的活塞离开上止点向下行，且所述气缸活塞机构C3内充入一定量的气体时，所述往复流通控制门91关闭，已存在于所述气缸活塞机构C3内的气体膨胀推动活塞做功，当活塞达到下止点附近时，所述乏气门12开启，随着活塞上行，所述气缸活塞机构C3内的做工后的气体工质即乏气从所述乏气导出口11排除后，所述乏气门12关闭，所述往复流通控制门91打开，再次进入往复配气循环，在往复配气循环中，所述往复流通控制门91处于常开状态，所述乏气门12处于常闭状态。
实施例21
如图21所示的气缸内燃斯特林发动机，其与实施例1的区别在于：所述压气机改设为四类门气缸活塞机构990，所述四类门气缸活塞机构990的供气口993经所述供气道7与所述充气口8连通，所述四类门气缸活塞机构990的回充口994与所述乏气导出口11连通。
本发明的所有实施方式中，都可以参照本实施例设置所述四类门气缸活塞机构990。
上述所有实施方式中，都可以选择性的将所述燃烧室排出的物质的质量流量设为大于从所述工质回路外导入所述燃烧室的物质的质量流量。
作为可以变换的实施方式，本发明的所有实施方式中，都可以参考实施例6、实施例7的方式将两个以上的所述压气机与所述气缸活塞机构B2连通。
本发明的所有实施方式中，都选择性的所述乏气门改为受使由所述供气道、所述气缸活塞机构B、所述气缸活塞机构C和连通所述气缸活塞机构B的气缸与所述气缸活塞机构C的气缸的连通通道构成的工质通道中的最低压力大于0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa、1.8MPa、2MPa、2.2MPa、2.4MPa、2.6MPa、2.8MPa、3MPa、3.2MPa、3.4MPa、3.6MPa、3.8MPa、4MPa、4.2MPa、4.4MPa、4.6MPa、4.8MPa、5MPa、5.2MPa、5.4MPa、5.6MPa、5.8MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa或大于10MPa的控制机构控制。
显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。
Claims (22)
1.一种气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：包括压气机、气缸活塞机构B(2)、气缸活塞机构C(3)和回热器(4)，在所述气缸活塞机构B(2)的气缸上设置充气口(8)和往复流通口(9)；在所述气缸活塞机构C(3)的气缸上设置往复流通口(9)；
所述压气机的供气道(7)与所述充气口(8)连通，所述气缸活塞机构B(2)上的所述往复流通口(9)经所述回热器(4)与所述气缸活塞机构C(3)上的所述往复流通口(9)连通，在所述气缸活塞机构C(3)上和/或在所述回热器(4)与所述气缸活塞机构C(3)上的所述往复流通口(9)之间的连通通道上设置冷却器(13)；
在所述气缸活塞机构B(2)的气缸内和/或在所述供气道(7)内设置内燃燃烧室(10)；
在所述气缸活塞机构B(2)上、在所述气缸活塞机构C(3)上、在所述供气道(7)上、在连通所述气缸活塞机构B(2)的气缸与所述气缸活塞机构C(3)的气缸的连通通道上中的至少一处设置乏气导出口(11)及其对应的乏气门(12)。
2.如权利要求1所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：在所述供气道(7)上设置储气罐(70)。
3.如权利要求2所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：在所述储气罐(70)与所述气缸活塞机构B(2)之间的所述供气道(7)上设置控制阀(71)。
4.如权利要求1至3中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述压气机、所述供气道(7)、所述气缸活塞机构B(2)、所述气缸活塞机构B(2)上的所述往复流通口(9)与所述回热器(4)之间的连通通道以及所述回热器(4)中的部分或全部设为绝热式。
5.如权利要求1至3中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述气缸活塞机构B(2)和所述气缸活塞机构C(3)为V型设置，所述气缸活塞机构B(2)的活塞和所述气缸活塞机构C(3)的活塞与同一曲轴的同一连杆轴颈连接。
6.如权利要求1至3中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述气缸活塞机构B(2)的活塞和所述气缸活塞机构C(3)的活塞与同一曲轴的不同连杆轴颈连接，且此两个所述连杆轴颈的相位差小于180度。
7.如权利要求1至3中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：多个所述压气机与一个所述气缸活塞机构B(2)连通。
8.如权利要求1至3中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述压气机、所述气缸活塞机构B(2)和所述气缸活塞机构C(3)共轴设置。
9.如权利要求1至3中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述压气机设为叶轮式压气机(101)、罗茨式压气机(103)或螺杆式压气机(104)。
10.如权利要求1至3中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述压气机设为活塞式气体压缩机(105)。
11.如权利要求1至3中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述乏气门(12)受使由所述供气道(7)、所述气缸活塞机构B(2)、所述气缸活塞机构C(3)和连通所述气缸活塞机构B(2)的气缸与所述气缸活塞机构C(3)的气缸的连通通道构成的工质通道中的压力大于0.2MPa的控制机构控制。
12.如权利要求10所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述活塞式气体压缩机(105)设为对置活塞气体压缩机(106)或缸套活塞一体化气体压缩机(107)。
13.如权利要求10所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述气缸内燃斯特林发动机包括八个气缸活塞机构，且此八个气缸活塞机构按90度V型八缸内燃机的气缸活塞机构的布置方式布置，其中，一缸、四缸、五缸和八缸分别设为所述活塞式气体压缩机(105)，六缸和三缸分别设为所述气缸活塞机构B(2)，二缸和七缸分别设为所述气缸活塞机构C(3)，两个所述活塞式气体压缩机(105)与一个邻近的所述气缸活塞机构B(2)连通。
14.如权利要求10所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述气缸内燃斯特林发动机包括八个气缸活塞机构，且此八个气缸活塞机构按90度V型八缸内燃机的气缸活塞机构的布置方式布置，其中，二缸、三缸、六缸和七缸分别设为所述活塞式气体压缩机(105)，四缸和五缸分别设为所述气缸活塞机构B(2)，一缸和八缸分别设为所述气缸活塞机构C(3)，两个所述活塞式气体压缩机(105)与一个邻近的所述气缸活塞机构B(2)连通。
15.如权利要求1至3中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述气缸内燃斯特林发动机还包括低温冷源(50)，所述低温冷源(50)用于提供低温物质，所述低温物质用于冷却所述气缸活塞机构C(3)中和/或即将进入所述气缸活塞机构C(3)的工质。
16.如权利要求1至3中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述气缸内燃斯特林发动机还包括附属涡轮动力机构(80)和附属叶轮压气机(81)，所述乏气导出口(11)与所述附属涡轮动力机构(80)的工质入口连通，所述附属涡轮动力机构(80)的工质出口经附属冷却器(82)与所述附属叶轮压气机(81)的工质入口连通，所述附属叶轮压气机(81)的工质出口与工质闭合回路连通；所述附属涡轮动力机构(80)的工质出口与所述附属叶轮压气机(81)的工质入口之间的连通通道上设有附属工质导出口(85)。
17.如权利要求1至3中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述内燃燃烧室(10)排出的物质的质量流量大于从工质闭合回路外导入所述内燃燃烧室(10)的物质的质量流量。
18.如权利要求1至3中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述气缸内燃斯特林发动机还包括氧化剂源(55)、氧化剂传感器(58)和氧化剂控制装置(52)，所述氧化剂传感器(58)设置在工质闭合回路内，所述氧化剂传感器(58)对所述氧化剂控制装置(52)提供信号，所述氧化剂源(55)经氧化剂控制阀(53)与所述工质闭合回路连通，所述氧化剂控制装置(52)控制所述氧化剂控制阀(53)。
19.如权利要求1至3中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述压气机和/或所述气缸活塞机构B(2)和/或所述气缸活塞机构C(3)设为活塞液体机构，所述活塞液体机构包括气液缸和气液隔离结构，所述气液隔离结构设置在所述气液缸内。
20.如权利要求19所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和。
21.如权利要求1至3中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述乏气导出口(11)及其对应的乏气门(12)设在所述气缸活塞机构C(3)上，且所述气缸活塞机构C(3)上的所述往复流通口(9)处设有往复流通控制门(91)。
22.如权利要求1至3中任一项所述气缸内燃斯特林发动机，其特征在于：所述压气机设为四类门气缸活塞机构(990)，所述四类门气缸活塞机构(990)的供气口(993)经所述供气道(7)与所述充气口(8)连通，所述四类门气缸活塞机构(990)的回充口(994)与所述乏气导出口(11)连通。
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