專利名稱：外加熱發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及外加熱發(fā)動機。更具體地，本發(fā)明涉及以相對低的溫度和壓力運行的外加熱發(fā)動機的效率的改進。
背景技術(shù)：
外加熱發(fā)動機以及尤其是斯特林循環(huán)發(fā)動機始終保持良好的前景，這是因為其理論熱效率接近于卡諾循環(huán)的效率。該效率反過來建立在循環(huán)中熱時和冷時之間的溫差上。 現(xiàn)今該種發(fā)動機的設(shè)計師們正設(shè)法通過提高發(fā)動機熱側(cè)的溫度而使效率達到最大值。此外，他們利用超高壓下的諸如氦氣和氫氣的小分子氣體以便更進一步地優(yōu)化發(fā)動機的輸出功率。其結(jié)合效果導(dǎo)致了商業(yè)的失敗。高的溫度要求使用可經(jīng)受這些溫度的材料。使用諸如鈦和不銹鋼的特種合金的實際問題和巨大費用結(jié)合起來使得制造這種發(fā)動機不切實際而擁有和運行該種發(fā)動機過于昂貴。高壓氣體和極端溫度已經(jīng)使得該發(fā)動機如此地復(fù)雜以致幾乎超出了最具經(jīng)驗用戶所能達到的有效范圍。本發(fā)明采用了完全相反的途徑。通過結(jié)合使用若干改進，使得設(shè)計高效、低溫的簡單發(fā)動機成為可能。為了克服舊發(fā)動機的低效性，氣缸外空氣和氣缸內(nèi)工作流體之間的溫差必須非常地大以便在非常有限的可用時間內(nèi)迫使傳輸必要的熱量。這反過來迫使熱源本身甚至以更高的溫度運行，以及非常緊固地聯(lián)接于熱交換器上。這勢必使得交換器的外部部分曝露于甚至更高的溫度，從而需要更多的稀有材料。現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動機中另外的問題牽涉到發(fā)送給蓄熱器的空氣溫度?，F(xiàn)有技術(shù)中通常涉及到的極端溫度使得不可能使用通用的諸如銅的低溫管道。這也適于在蓄熱器中使用的材料。因為首要考慮到高溫下的耐久性，所以蓄熱器的外部或蓄熱器基體中所用的材料都不可優(yōu)化成用于熱性能。高溫問題完全控制了蓄熱器設(shè)計在現(xiàn)有技術(shù)的斯特林發(fā)動機中的使用。這導(dǎo)致了值得注意的熱力損失以及較大的費用和降低的壽命。蓄熱器外殼毫無疑問是由將容許高溫的金屬制成。這導(dǎo)致了高的對環(huán)境的熱損失、從環(huán)境中獲得熱量以及從蓄熱器一端傳導(dǎo)至另一端的熱量。這種熱傳導(dǎo)迫使蓄熱器以很不理想的方式運行。在壓縮沖程期間，冷氣缸上的熱交換器必須高效地從工作流體中除去熱量。如同具有熱側(cè)那樣，現(xiàn)有技術(shù)的熱交換器設(shè)計要么使用了基本的缸形本身作為散熱器、要么使用簡單的翅面或者管殼式熱交換器的一些變體。在所有的這些設(shè)計中，為這些方法所固有的熱阻迫使散熱器以氣缸內(nèi)部和外部之間的大溫差(Δ T)運行。
換句話說，冷氣缸內(nèi)部的工作流體溫度被迫相當大地高于熱量最終散失的外部溫度。這大大降低了越過發(fā)動機的ΔΤ，從而限制了發(fā)動機的最大效率和輸出功率。由于斯特林循環(huán)為封閉式熱力循環(huán)，所以工作流體必須密封在發(fā)動機內(nèi)部。這導(dǎo)致了幾個重要的設(shè)計問題。首先，現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動機不得不運行在高的溫度和壓力下。這寄予了對密封的大的需求。為了在高的溫度和壓力下正常運行，唯一的實用方法便是像在常規(guī)的內(nèi)燃發(fā)動機中那樣在活塞上使用密封環(huán)?；钊铜h(huán)組件經(jīng)受滲漏、或漏氣。由于必須不斷地對其更換以便避免輸出功率的損失及其對循環(huán)的干擾，使得來自發(fā)動機的流體損耗成為關(guān)鍵性問題。 這通常意味著曲軸箱本身也必須密封，從而導(dǎo)致了曲軸箱中的無效功問題，如同活塞對曲軸箱氣體做了不必要的功那樣。它也意味著曲軸箱如同在發(fā)動機自身中使用那樣必須充滿相同的工作流體。氣缸壁上四處的活塞環(huán)碎屑導(dǎo)致了另外的問題。這些中最大的問題在于產(chǎn)生的摩擦。在常規(guī)的發(fā)動機中，這可耗費發(fā)動機大約20%的輸出，這是非常嚴重的損耗。另外的問題便是潤滑。液體油不能簡單地噴灑在氣缸壁上，因為這將漏入發(fā)動機的工作區(qū)內(nèi)并弄污工作流體。這將導(dǎo)致包括不必要的污染、腐蝕以及效率降低的問題。但沒有適當?shù)臐櫥?，摩擦損耗甚至變得更大。舊發(fā)動機的另外的問題在于大部分的工作流體沒有完全遍布發(fā)動機運動。需要一種發(fā)動機，其增加參與過程的工作流體的量。另外，需要一種發(fā)動機，其具有可變的壓縮比以允許根據(jù)用于為發(fā)動機供能的熱源的溫度來最大化功率輸出。還需要一種發(fā)動機，其具有可變的定時以在各個溫度、壓力和發(fā)動機速度條件下優(yōu)化功率輸出。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計中發(fā)現(xiàn)的所有這些問題。

發(fā)明內(nèi)容
簡要地說，本發(fā)明包括具有活塞和置換器的外加熱發(fā)動機。第一活塞在第一氣缸內(nèi)往復(fù)運動。該活塞具有第一側(cè)(工作側(cè))和相對于第一側(cè)的第二側(cè)。活塞的第一側(cè)和第一氣缸限定了容納工作流體的工作室，該工作流體可包含任何可用的氣體?；钊牡诙?cè)和第一氣缸限定了容納反向流體的相對室。置換器在第二氣缸內(nèi)往復(fù)運動。加熱器在置換器的氣缸熱室內(nèi)加熱工作流體。優(yōu)選地，該室由熱源加熱以便工作流體具有至多500華氏度的溫度同時熱源和工作流體之間的溫差小于5華氏度?？尚械氖抢眯∮?12華氏度的工作流體生成可用的能量。一個熱源是廢核燃料的冷卻池，其低于212華氏度。當前，該可能的能量源被釋放到大氣并且不使用。工作流體可通過熱交換器或注熱器而加熱。加熱流體被傳送至注熱器并流過繞著導(dǎo)熱材料的凹槽，從而直接將熱量注入發(fā)動機內(nèi)。熱量通過隔熱材料而截留在發(fā)動機內(nèi)部。工作流體沿縱向流經(jīng)導(dǎo)熱材料。該導(dǎo)熱材料具有通路以便工作流體可縱向地從中穿過。用于工作流體的縱向通道是狹窄的并在注熱器全部可用的長度上延伸。優(yōu)選地，注熱器具有用于加熱流體的凹槽，該凹槽包括許多沿注熱器全部可用的外部長度而形成螺旋或螺線圖案的平行凹槽。螺旋凹槽可2個、3個、4個或更多個地組成一套，從而彼此平行地延伸以及加熱流體同時地注入。通過將這些凹槽保持為非常地窄和深，獲得了非常高的長/深比值和低溫差，同時提供了足夠可用的截面面積以便容許足量的加熱流體流動和提供熱量輸入。加熱流體和熱交換器的金屬之間的溫差將僅為約5華氏度。優(yōu)選地，發(fā)動機包括與活塞相關(guān)聯(lián)的隔膜以便隔開工作室和相對室。該隔膜像下文中將要詳細描述的那樣提供了許多益處。由于利用了隔膜，故有益于控制反向流體壓力。 這防止了越過隔膜的大壓差，若不受控制，該壓差會導(dǎo)致隔膜破裂。第二個理由是結(jié)合發(fā)動機的節(jié)流控制作用而改變反向側(cè)上的壓力。也就是說，像升高和降低工作流體壓力一樣，同樣地作用于反向流體，以避免對相對室中的氣體作不必要的功以及保護隔膜。工作流體壓力通過對發(fā)動機節(jié)流的方式而受到控制。隨著推動更多的工作流體進入發(fā)動機中，通過由控制系統(tǒng)提高其壓力，發(fā)動機將會提高其輸出功率，這是因為更工作流體的體積將會在發(fā)動機循環(huán)內(nèi)外傳輸更多的熱并從而做更多的功。降低壓力將具有相反的效果。采用該種方式，可連續(xù)地改變發(fā)動機輸出，從而匹配負荷狀態(tài)。在置換器類型發(fā)動機中，為了迫使發(fā)動機內(nèi)最大可能百分比的工作流體有效地參與到熱力過程中，盡可能多的流體必須替代地自始至終地掃過發(fā)動機，從熱側(cè)到冷側(cè)并再次返回。這通過與發(fā)動機其余體積相比使置換器體積非常大而實現(xiàn)。這確保了大多數(shù)的工作流體有效地促成了該處理過程。工作流體在封閉流體路徑中的氣缸的熱室和冷室之間運動。封閉流體路徑是指在正常運行期間，與例如不斷地吸入燃燒空氣并向大氣中排出燃燒副產(chǎn)物的內(nèi)燃機相比，流體在室之間往復(fù)運動。本發(fā)明中的封閉流體路徑必要時允許導(dǎo)入其它的工作流體以及用于壓力。第一氣缸中工作流體和反向流體之間的壓差保持在5 PSI至35 PSI之間。通過保持加壓的反向流體，在保持隔膜完整性的同時較高的工作流體壓力也是有可能的。此外， 反向流體通過降低為壓縮工作流體所必需的功而有助于壓縮沖程。然而，反向流體壓力沒有如此地高以致妨礙做功沖程。優(yōu)選地，反向流體壓力保持在最小和最大工作流體壓力之間。理想地，反向流體壓力保持在最小和最大工作流體壓力的平均值處。外加熱發(fā)動機可具有低于10個大氣壓力的工作流體。外加熱發(fā)動機可具有大于60 PSI壓力的工作流體。在封閉流體路徑中提供了蓄熱器。蓄熱器是發(fā)動機某些循環(huán)期間的臨時貯熱室。 由于溫度低于現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動機，本發(fā)明可采用由聚四氟乙烯材料制成的殼體。該材料不導(dǎo)熱。因而繞著網(wǎng)格不存在熱的短回路。現(xiàn)有技術(shù)中蓄熱器以非常高的溫度運行，因而僅可使用全金屬的內(nèi)部構(gòu)件。由于該金屬網(wǎng)格的各層都觸到相鄰層，從而自蓄熱器的熱側(cè)到冷側(cè)建立了連續(xù)的導(dǎo)熱路徑。這導(dǎo)致了高溫能量朝向冷側(cè)的連續(xù)損失。在本發(fā)明中，蓄熱器以足夠低的溫度運行以便允許采用非金屬的網(wǎng)格層。優(yōu)選地， 非金屬網(wǎng)格層在每10個左右金屬層之后使用。這些非傳導(dǎo)層分散了傳導(dǎo)路徑、并因而阻止了從蓄熱器熱側(cè)到冷側(cè)的不必要的能量損失。此外，由于可做出例如編織玻璃纖維的非金屬網(wǎng)格層，其具有足夠的熱容量以便略微地增加蓄熱器的保溫能力，從而無須增加不必要的、未波及容量而更進一步地增加蓄熱作用。優(yōu)選地，在蓄熱器中除了金屬網(wǎng)格層和隔熱網(wǎng)格層之外，使用了第三種類型的層。 具體地，可使用具有較大孔口圖案的堅實的較厚銅層。該孔口排列成用于分散和再分布蓄熱器中的氣流以便確保完全高效地利用全部的網(wǎng)格容量。較厚的銅還保持若干附加熱，這更進一步地增加了蓄熱能力。該蓄熱室如同現(xiàn)有技術(shù)的蓄熱室一樣在網(wǎng)格內(nèi)不需要不銹鋼
7絲，但可包括比鋼具有高得多的熱導(dǎo)率的銅絲。銀因其甚至更高的性能而可用作銅的替換物。銅網(wǎng)格可涂上金剛石，且可包括以外筒和芯型形式的諸如聚四氟乙烯的高熔點隔熱聚合物。蓄熱器可包括根據(jù)金剛石銅復(fù)合材料而構(gòu)建的穿孔盤。這些選擇允許通過利用較少的網(wǎng)格而隨后具有減少的泵送損耗。替代地，能夠使用具有一系列管段的蓄熱器，該管段由隔熱材料(例如玻璃纖維)分開。該管例如可為銅、銀、金剛石涂層金屬，或其組合。發(fā)動機以下列方式運行。施加到熱側(cè)的熱量導(dǎo)致諸如空氣、甲烷或其它氣體的工作流體壓力升高、和產(chǎn)生膨脹。這推動活塞運動，從而做有用功。工作流體然后在其流向冷側(cè)的途中經(jīng)過蓄熱器。在該處理過程中，它留下了其大部分的熱量暫時存儲在蓄熱器網(wǎng)格基體中。流體因而到達冷側(cè)以降低很多的溫度。一旦在冷側(cè)，流體被壓縮回到其原有的、較小的體積。這需要除去一些優(yōu)選地排出到回收裝置的熱量。從而這些熱量被回收和再利用。最后，流體經(jīng)由蓄熱器回流至熱側(cè)。在途中，它獲得了留在蓄熱器網(wǎng)格基體中的熱量。流體因而以升高很多的溫度和壓力到達熱氣缸。隨著經(jīng)由熱的注熱器或熱交換器而增加了更多的熱量，流體再次進入膨脹過程，從而開始了新的發(fā)動機循環(huán)?；钊椭脫Q器設(shè)置成往復(fù)運動以便工作流體的體積被交替地壓縮和膨脹。外加熱發(fā)動機可包括裝接在活塞上的隔膜以便產(chǎn)生活塞和氣缸之間的密封。該隔膜可以是由編織網(wǎng)格層分開的兩層薄橡膠以增加隔膜的強度。該隔膜事實上具有零摩擦力和零開裂力。隔膜具有低的熔點溫度。泄漏是如此的緩慢以至可以忽略。該單元成本低廉， 并將在正常運轉(zhuǎn)十億次循環(huán)之后才會失效。在外加熱發(fā)動機中可采用該種隔膜的原因在于本發(fā)明中低的溫度和壓力。沒有這種低的溫度和壓力，高的溫度和壓力使用隔膜是不切實際的。在現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計中，隔膜將必須部分地由薄的、高溫金屬制成，同時具有防熱性能。這將大大地增加摩擦和降低使用壽命，從而否定了隔膜的優(yōu)勢。然而，對于本發(fā)明，隔膜有可能消除發(fā)動機中的摩擦主源。也就是說，除去活塞環(huán)。 現(xiàn)有技術(shù)的斯特林發(fā)動機由于摩擦將至少耗損其輸出功率的20%。對于本發(fā)明而言消除了該摩擦的大多數(shù)。該隔膜還根除了傳統(tǒng)活塞環(huán)式密封中存在的滲漏問題。因為沒有滲漏， 所以工作流體和反向流體不會混合，因此如果該兩種流體不一樣的話，該工作流體不會因反向流體而污染。由于隔膜所提供的理想密封，工作流體和反向流體不必一樣。例如可使用諸如干氮的反向流體以便避免封裝在機罩中容量的氧化和污染。此外，諸如氦氣的輕氣體可用作工作流體以便獲得熱力學(xué)的益處，同時仍舊利用諸如空氣或氮氣的重氣體作為反向流體，從而避免在相對側(cè)上密封較輕氣體的消耗和困難，或者大量提供其以便彌補滲漏。此外，對于隔膜而言，不需要在氣缸中潤滑，這是因為隔膜本質(zhì)上是無摩擦的。通過除去潤滑油，工作流體不會被潤滑劑污染。在發(fā)動機的一個實施例中，活塞適于在第一氣缸內(nèi)運動?；钊哂械谝粋?cè)和與第一側(cè)相對的第二側(cè)。第一側(cè)和第一氣缸限定工作室并且第二側(cè)和第一氣缸限定包含反向流體的相對室。置換器適于在第二氣缸內(nèi)運動。置換器具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對的第二側(cè)。 置換器的第一側(cè)和第二氣缸限定冷室并且置換器的第二側(cè)和第二氣缸限定熱室。在第一和第二氣缸之間具有封閉流體路徑，其包括工作流體。工作流體能夠在工作室、冷室和熱室之間運動。蓄熱器位于封閉流體路徑內(nèi)。熱源被提供用于加熱工作流體。冷源也可被提供來冷卻工作流體。聯(lián)桿被提供以使活塞往復(fù)運動。在一些實施例中，第一盤連接到第一軸部分和第二盤連接到第二軸部分。叉架能夠連接到第一盤和第二盤并且可適用于在徑向方向上相對于第一盤和第二盤的位置調(diào)節(jié)。 優(yōu)選地，聯(lián)桿連接到叉架，使得叉架的位置調(diào)節(jié)導(dǎo)致活塞位置在氣缸內(nèi)變化。優(yōu)選地，第一氣缸具有第一氣缸部分和第二氣缸部分，第一氣缸還包括活塞盤和間隔盤?；钊B接到活塞盤并且間隔盤適于附接在第一氣缸部分和活塞盤以及第二氣缸部分和活塞盤中的一者之間。優(yōu)選地，鄰近間隔盤處具有墊圈。額外的間隔件和墊圈可根據(jù)需要使用。通過將間隔件放置在活塞盤的一側(cè)或另一側(cè)上，氣缸內(nèi)的隔膜位置變化，并且由此隔膜在其達到上止點之前能夠行進的距離能夠變化。通過改變活塞沖程，掃過的體積量變化。因為發(fā)動機其余的體積是固定的，隔膜的位置變化改變發(fā)動機的壓縮比，其可用于適應(yīng)發(fā)動機熱源的各種溫度。在一些實施例中，置換器聯(lián)桿適于導(dǎo)致置換器往復(fù)運動。置換器聯(lián)桿連接到置換器聯(lián)桿盤。置換器聯(lián)桿盤連接到第一軸部分并且活塞聯(lián)桿盤連接到第二軸部分。第一軸部分和第二軸部分可操作地彼此連接。軸部分的一個操作地連接到第一盤和第二盤。第一盤相對于第二盤的角位置是可調(diào)節(jié)的。通過調(diào)節(jié)第一盤相對于第二盤的角位置，置換器相對于活塞的相對位置變化。取決于溫度、壓力、每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)和其他發(fā)動機條件，角位置的調(diào)節(jié)能夠用于優(yōu)化發(fā)動機性能。在一個實施例中，第一盤和第二盤包括多個孔并且還包括銷，該銷適于插入孔中以固定第一盤相對于第二盤的位置。另外，螺紋孔可用于接收穿過第一盤和第二盤的至少一個中的孔插入的螺栓。在一些實施例中，置換器聯(lián)桿通過置換器凸輪組件運動。置換器凸輪組件包括第一凸輪和第二凸輪。第一凸輪和第二凸輪均具有槽，槽中具有槽徑。置換器聯(lián)桿適于遵循第一凸輪和第二凸輪的槽徑。第一凸輪和第二凸輪的每個中的槽徑與每個凸輪的中心的距離不同。置換器聯(lián)桿能夠連接到銷并且銷能夠插入第一凸輪和第二凸輪每個的槽中。在舊發(fā)動機中，旋轉(zhuǎn)曲柄盤施加正弦運動到置換器。本發(fā)明的凸輪組件能夠配置成導(dǎo)致置換器存在于沖程的兩端并且從一端快速運動到另一端。優(yōu)選地，槽徑具有第一部分，其與凸輪中心的距離不變。槽徑具有第二部分，其也與凸輪中心的距離不變。槽徑能夠在這兩個部分之間快速過渡。當銷在不變直徑的每個部分中時，置換器存在于沖程的兩端。當銷在這兩部分之間的過渡中，置換器從一端點快速運動到另一端點。當置換器存在于其沖程端部時， 熱力學(xué)循環(huán)做好準備。當與發(fā)動機熱端中收集的氣體一起存在時，在大部分做功沖程期間， 氣體保持盡可能接近熱量增加的等溫膨脹的理想狀態(tài)。類似地，通過在基本上整個壓縮沖程期間使氣體存在于冷端，這部分循環(huán)接近壓縮熱量被除去的等溫壓縮的理想狀態(tài)。在一些實施例中，置換器冷室包括附接到冷室外表面的冷卻元件，其有助于提取壓縮熱量。在一些實施例中，置換器熱室包括附接到熱室外表面的加熱元件，其有助于取代膨脹熱量。表面加熱和冷卻元件二者都不使發(fā)動機增加任何死體積。


本發(fā)明現(xiàn)在將通過實例的方式并結(jié)合附圖進行描述，圖中 圖1是結(jié)合本發(fā)明使用的發(fā)動機的簡化概念圖2是本發(fā)明的沖程調(diào)節(jié)裝置的剖視圖；圖3是本發(fā)明的沖程調(diào)節(jié)裝置的一部分的前視圖； 圖4是圖3的裝置的端部視圖； 圖5是圖2的沖程調(diào)節(jié)裝置的一部分的前視圖； 圖6是圖5的裝置的側(cè)視圖； 圖7是本發(fā)明的活塞和氣缸的分解剖視圖； 圖8是本發(fā)明的定時調(diào)節(jié)裝置的剖視圖； 圖9是圖8的定時調(diào)節(jié)裝置的分解剖視圖； 圖10是圖8的定時調(diào)節(jié)裝置的一部分的前視圖； 圖11是圖8的定時調(diào)節(jié)裝置的另一部分的前視圖； 圖12是本發(fā)明的沖程定時調(diào)節(jié)裝置的剖視圖13a是示出在第一位置的圖12的沖程定時調(diào)節(jié)裝置的一部分的剖視圖； 圖1 是示出在第二位置的圖12的沖程定時調(diào)節(jié)裝置的一部分的剖視圖； 圖13c是示出在第三位置的圖12的沖程定時調(diào)節(jié)裝置的一部分的剖視圖； 圖13d是示出在第四位置的圖12的沖程定時調(diào)節(jié)裝置的一部分的剖視圖； 圖14是本發(fā)明的置換器組件的簡化概念圖。
具體實施例方式圖1至圖14示出了本發(fā)明。更具體地說，參照圖1，示出了本發(fā)明的原理性概要。 活塞和置換器組件100被提供，以用于產(chǎn)生功率。圖7中更詳細示出的活塞組件110包括活塞112，其安裝成在氣缸114中往復(fù)運動。在活塞112的端部是隔膜116。隔膜116由隔膜盤118保持就位。隔膜116限定工作室122和相對室IM之間的邊界。活塞桿312促進活塞112的往復(fù)運動并且由軸承150保持在適當?shù)姆较蛏?。當活?12在氣缸114中往復(fù)運動時，隔膜116在氣缸114內(nèi)運動。隔膜116通過任何適當裝置(例如螺栓和墊圈(未示出))附接到活塞112的前表面136。隔膜116形成工作室122和相對室IM之間的無摩擦密封?；钊?12被包含在機罩或氣缸殼體102中。圖7示出了活塞組件110的剖視圖。推桿312將一端314附接到活塞112并在另一端316附接到滑動器組件320?；瑒悠鹘M件320適于線性運動。聯(lián)桿322樞軸連接到滑動器組件320并且允許線性運動到旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)換。軸承326引導(dǎo)推桿312的運動。如圖1和2所示，聯(lián)桿322連接到安裝曲軸422的盤組件410。曲軸422由軸承似4支撐。曲軸422分成多個部分，其中兩個42 和422b在圖2中示出。盤組件410包括用于聯(lián)桿322的新穎的安裝布置以允許活塞112的位置調(diào)節(jié)，如圖2-6所示。聯(lián)桿322 由夾具456附接到附接桿454。盤組件410包括第一盤430和第二盤432。曲軸部分42 連接到第一盤430。第一盤430包括螺栓孔440。第二盤432連接到曲軸部分422b并包括螺栓孔442。U形調(diào)節(jié)叉架450由螺栓444和446附接到第一盤430和第二盤432。如圖6 所示，叉架450具有槽452。螺栓444和446穿過槽452，使得叉架450能夠在垂直方向上被調(diào)節(jié)，如圖2可見。附接桿妨4被提供在叉架450的腿460和462之間。附接桿妨4能夠通過擰松螺栓444和446而上下滑動。當附接桿妨4位于進一步遠離曲軸422時，聯(lián)桿 322相對于氣缸114的位置變化。當聯(lián)桿322的位置變化時，氣缸114中的活塞112位置也必須變化。氣缸114設(shè)計成使得活塞112的位置能夠相對于氣缸114變化。如圖7所示，氣缸114具有第一端部件11 和第二端部件114b。在第一端部件11 和第二端部件114b之間是多個間隔件130 和墊圈132。第一端部件114a，第二端部件114b，間隔件130和墊圈132全部具有孔160， 穿過該孔以接收螺栓162。推桿312通過軸承150進入第一端部件lHa。在推桿312的末端，盤118將隔膜116在氣缸114內(nèi)保持就位。通過將間隔件130和墊圈132從盤118的一側(cè)運動到另一側(cè)，盤118的位置相對于氣缸114變化，并且由此隔膜116的位置相對于氣缸114變化，有效地改變活塞112的沖程長度。活塞112的沖程變化改變發(fā)動機的壓縮比。如圖1和14可見，發(fā)動機包括置換器或或往復(fù)器210，其通過推桿218在其氣缸 214中替代地來回運動。置換器210替代地將工作流體從熱端230運動到冷端232。導(dǎo)管 240和242將置換器氣缸熱端230和冷端232連接到注熱器250和吸熱器252。由箭頭2M 代表的工作流體循環(huán)通過注熱器250。由箭頭256代表的冷卻的流體循環(huán)通過吸熱器252。 圖14以簡化示意圖的形式示出了流體流經(jīng)發(fā)動機的置換器組件200。工作流體通過由箭頭262代表的噴嘴260離開置換器組件200的冷側(cè)232并且進入熱交換器252。加熱的流體通過進入噴嘴270和離開噴嘴272在熱交換器252中循環(huán)。如本領(lǐng)域已知的，加熱的流體和工作流體相互隔離且不混合。工作流體經(jīng)過蓄熱器280并傳熱到蓄熱器觀0。工作流體然后進入到冷熱交換器250，如箭頭282所示。工作流體在噴嘴284進入冷熱交換器并在噴嘴286離開。同樣，冷流體和工作流體不混合。工作流體在噴嘴288進入置換器氣缸 214，如箭頭290所示。當置換器210在相對方向上運動時，工作流體反轉(zhuǎn)流動并且過程重復(fù)。加熱元件276附接到熱端230的外表面234。冷卻元件278附接到冷端232的外表面 236。圖8-11示出了定時調(diào)節(jié)組件510。曲軸部分422b和曲軸部分422c是定時調(diào)節(jié)組件510的部件。曲軸部分422b在孔560中連接到第一盤512。曲軸部分422c在孔562中連接到第二盤514。銷520和孔522被提供以旋轉(zhuǎn)地將第一盤512固定到第二盤514。螺栓530和532分別通過孔534和536插入也將第一盤512相對于第二盤514固定。螺栓 530和532分別擰入孔538和540中。當銷520和螺栓530和532從盤512和514移走時， 第一盤512能夠相對于第二盤514旋轉(zhuǎn)。第一盤512相對于第二盤514的新位置然后由銷 520和螺栓530、532固定。因為軸部分422b和軸部分422c形成單個軸422，當?shù)谝槐P512 的旋轉(zhuǎn)位置相對于第二盤514的旋轉(zhuǎn)位置變化時，置換器210的橫向位置將相對于活塞112 的橫向位置變化。圖12和13a_13d示出了置換器210的往復(fù)運動凸輪組件610。曲軸部分422c具有附接到其上的凸輪612。類似地，曲軸部分422d具有附接到其上的凸輪614。每個凸輪 612和614具有凹槽616，最佳如圖13a_13d可見。銷620插入每個盤612和614的凹槽中。 當盤612和614旋轉(zhuǎn)時，銷620在圖13a中箭頭630的方向上徑向運動。置換器210的聯(lián)桿640連接到銷620。當銷620的徑向位置變化時，這確定了置換器210的聯(lián)桿640的橫向位置，并且由此確定了置換器210的橫向位置。當銷620位于最接近曲軸422的點時，置換器210處于其往復(fù)運動路徑的一端。當銷620位于最遠離曲軸422的點時，置換器210 處于其往復(fù)運動路徑的另一端。圖13a_13d示出了用于凸輪的各個位置的銷620的徑向位置。在圖13a中，銷620位于最接近曲軸422處。當凸輪612旋轉(zhuǎn)到圖13b所示的位置時， 銷620向外徑向運動。當凸輪612繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，銷620運動到圖13c中的位置，其最遠離曲軸422。最后，當凸輪612旋轉(zhuǎn)到圖13d中的位置時，銷620更接近曲軸422運動。槽616 的形狀確定置換器210在其端點296和四8 (圖14)存在的時間量，和置換器210從氣缸 214的一端296運動到另一端四8的速度。通過使置換器210存在于其往復(fù)運動路徑的端部，并且從端部到端部快速運動，增強了熱到工作流體的傳入和傳出。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解具有許多同樣可行的動力傳輸方法以及所述各種元件的物理布置。上述說明意欲提供原理性的概述而不應(yīng)視作對本發(fā)明的限制。盡管本發(fā)明已參照各種具體實施例進行了描述，但應(yīng)當理解的是在所述的本發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍內(nèi)可做出許多變化。因此，本發(fā)明并非意圖局限于所述實施例，而是應(yīng)將具有所附權(quán)利要求的術(shù)語所限定的全部范圍。
權(quán)利要求
1.一種外加熱發(fā)動機，包括a)適于在第一氣缸內(nèi)運動的活塞，所述活塞具有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述第一側(cè)和所述第一氣缸限定了工作室，所述第二側(cè)和所述第一氣缸限定了包含反向流體的相對室；b)適于在第二氣缸內(nèi)運動的置換器，所述置換器具有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述置換器的第一側(cè)和所述第二氣缸限定了冷室，所述置換器的第二側(cè)和所述第二氣缸限定了熱室；c)所述第一和第二氣缸之間的封閉流體路徑，所述封閉流體路徑包括工作流體，所述工作流體能夠在所述工作室，所述冷室和所述熱室之間運動；d)所述封閉流體路徑內(nèi)的蓄熱器；e)用于加熱所述工作流體的熱源；f )適于使所述活塞往復(fù)運動的聯(lián)桿；g)連接到第一軸部分的第一盤；h)連接到第二軸部分的第二盤；i)連接到所述第一盤和所述第二盤的叉架，所述叉架適用于在徑向方向上相對于所述第一盤和所述第二盤的位置調(diào)節(jié)；j)所述聯(lián)桿連接到所述叉架，使得所述叉架的位置調(diào)節(jié)導(dǎo)致所述活塞的位置在所述氣缸內(nèi)變化。
2.如權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，進一步包括用于冷卻所述工作流體的冷源。
3.如權(quán)利要求1所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述第一氣缸具有第一氣缸部分和第二氣缸部分，所述第一氣缸還包括活塞盤和間隔盤，其中所述活塞連接到所述活塞盤并且所述間隔盤適于附接在所述第一氣缸部分和所述活塞盤以及所述第二氣缸部分和所述活塞盤中的一者之間。
4.如權(quán)利要求3所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，進一步包括鄰近所述間隔盤的墊圈。
5.如權(quán)利要求4所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，進一步包括所述第一氣缸部分和所述第二氣缸部分之間的第二間隔盤和第二墊圈。
6.一種外加熱發(fā)動機，包括a)適于在第一氣缸內(nèi)運動的活塞，所述活塞具有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述第一側(cè)和所述第一氣缸限定了工作室，所述第二側(cè)和所述第一氣缸限定了包含反向流體的相對室；b)適于在第二氣缸內(nèi)運動的置換器，所述置換器具有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述置換器的第一側(cè)和所述第二氣缸限定了冷室，所述置換器的第二側(cè)和所述第二氣缸限定了熱室；c)所述第一和第二氣缸之間的流體路徑，封閉流體路徑包括工作流體，所述工作流體能夠在所述工作室，所述冷室和所述熱室之間運動；d)所述流體路徑內(nèi)的蓄熱器；e)用于加熱所述工作流體的熱源；f)適于使所述活塞往復(fù)運動的活塞聯(lián)桿，所述活塞聯(lián)桿連接到活塞聯(lián)桿盤；g)適于使所述置換器往復(fù)運動的置換器聯(lián)桿，所述置換器聯(lián)桿連接到置換器聯(lián)桿盤， 所述置換器聯(lián)桿盤連接到第一軸部分并且所述活塞聯(lián)桿盤連接到第二軸部分，所述第一軸部分和所述第二軸部分可操作地彼此連接；h)所述第一軸部分和所述第二軸部分中的一個操作地連接到第一盤和第二盤，其中所述第一盤相對于所述第二盤的角位置是可調(diào)節(jié)的。
7.如權(quán)利要求6所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，進一步包括用于冷卻所述工作流體的冷源。
8.如權(quán)利要求6所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述第一盤相對于所述第二盤的角位置的調(diào)節(jié)改變了所述置換器相對于所述活塞的相對位置。
9.如權(quán)利要求8所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述第一盤和所述第二盤包括多個孔并且還包括銷，所述銷適于插入所述孔中以固定所述第一盤相對于所述第二盤的位置。
10.如權(quán)利要求9所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，進一步包括所述第一盤和所述第二盤的至少一個中的螺紋孔，以用于接收穿過所述第一盤和第二盤的至少一個中的孔插入的螺栓。
11.一種外加熱發(fā)動機，包括a)適于在第一氣缸內(nèi)運動的活塞，所述活塞具有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述第一側(cè)和所述第一氣缸限定了工作室，所述第二側(cè)和所述第一氣缸限定了包含反向流體的相對室；b)適于在第二氣缸內(nèi)運動的置換器，所述置換器具有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述置換器的第一側(cè)和所述第二氣缸限定了冷室，所述置換器的第二側(cè)和所述第二氣缸限定了熱室；c)所述第一和第二氣缸之間的流體路徑，封閉流體路徑包括工作流體，所述工作流體能夠在所述工作室，所述冷室和所述熱室之間運動；d)所述流體路徑內(nèi)的蓄熱器；e)用于加熱所述工作流體的熱源；f)適于使所述置換器往復(fù)運動的置換器聯(lián)桿，所述置換器聯(lián)桿適于由置換器凸輪組件運動；g)所述置換器凸輪組件包括第一凸輪和第二凸輪，所述第一凸輪和所述第二凸輪均具有凹槽，所述凹槽中具有槽徑；h)所述置換器聯(lián)桿適于遵循所述第一凸輪和所述第二凸輪的槽徑。
12.如權(quán)利要求11所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，進一步包括用于冷卻所述工作流體的冷源。
13.如權(quán)利要求11所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述第一凸輪和所述第二凸輪的每個中的槽徑與每個凸輪的中心的距離不同。
14.如權(quán)利要求13所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述置換器聯(lián)桿連接到銷并且所述銷插入所述第一凸輪和所述第二凸輪的每個的凹槽中。
15.一種外加熱發(fā)動機，包括a)適于在第一氣缸內(nèi)運動的活塞，所述活塞具有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述第一側(cè)和所述第一氣缸限定了工作室，所述第二側(cè)和所述第一氣缸限定了包含反向流體的相對室；b)適于在第二氣缸內(nèi)運動的置換器，所述置換器具有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述置換器的第一側(cè)和所述第二氣缸限定了冷室，所述置換器的第二側(cè)和所述第二氣缸限定了熱室；c)所述第一和第二氣缸之間的封閉流體路徑，所述封閉流體路徑包括工作流體，所述工作流體能夠在所述工作室，所述冷室和所述熱室之間運動；d)所述封閉流體路徑內(nèi)的蓄熱器；e)用于加熱所述工作流體的熱源；f)具有外表面的置換器冷室，其中冷卻元件附接到所述冷室的外表面。
16.如權(quán)利要求15所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，進一步包括用于冷卻所述工作流體的冷源。
17.—種外加熱發(fā)動機，包括a)適于在第一氣缸內(nèi)運動的活塞，所述活塞具有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述第一側(cè)和所述第一氣缸限定了工作室，所述第二側(cè)和所述第一氣缸限定了包含反向流體的相對室；b)適于在第二氣缸內(nèi)運動的置換器，所述置換器具有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述置換器的第一側(cè)和所述第二氣缸限定了冷室，所述置換器的第二側(cè)和所述第二氣缸限定了熱室；c)所述第一和第二氣缸之間的封閉流體路徑，所述封閉流體路徑包括工作流體，所述工作流體能夠在所述工作室，所述冷室和所述熱室之間運動；d)所述封閉流體路徑內(nèi)的蓄熱器；e)用于加熱所述工作流體的熱源；f)具有外表面的置換器熱室，其中加熱元件附接到所述熱室的外表面。
18.如權(quán)利要求17所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，進一步包括用于冷卻所述工作流體的冷源。
19.如權(quán)利要求17所述的外加熱發(fā)動機，其特征在于，所述置換器冷室具有外表面，并且其中冷卻元件附接到所述冷室的外表面。
全文摘要
提供了具有活塞和置換器的外加熱發(fā)動機。活塞的位置能夠由氣缸中的聯(lián)桿和間隔件、墊圈的一端上的叉架和盤組件調(diào)節(jié)。置換器相對于活塞的相對位置能夠通過改變曲軸組件中的一對盤的相對位置而改變。通過聯(lián)桿使置換器往復(fù)運動，聯(lián)桿由置換器凸輪組件運動。置換器凸輪組件包括第一凸輪和第二凸輪。第一凸輪和第二凸輪均具有槽徑。置換器聯(lián)桿遵循凸輪的槽徑以使置換器存在于其沖程的兩端并且更快速地從一端運動到另一端。
文檔編號F02G1/053GK102439281SQ201080022131
公開日2012年5月2日 申請日期2010年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者P. 霍夫曼 G., J. 伊德 R. 申請人:更新熱力學(xué)有限責(zé)任公司