热机
阅读：833发布：2020-05-11
专利汇可以提供热机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 热机 ，包括： 压缩机 和膨胀机 排量 元件(210，211)，其在分别的压缩和膨胀室(111，111′，102，102′)内往复运动，并且按照自由 活塞 配置按直线布置，与该压缩和膨胀室(111，111′，102，102′)分开的一 燃烧器 (116)，以及一直线 能量 转换装置(212，213)，通过使 工作 流体 经受具有基本上恒压燃烧的热 力 循环的方式，提供了固体、液体或气体 燃料 至 水 力能、 电能 或 气动 能的能量转换。压缩室(102，102′)的进入和排出 阀 ，以及至燃烧器(116)的燃料喷射速度由 电子 控制器 主动控制，以避免 发动机 损坏，并在广泛的负载范围内保持 热力学 效率。，下面是热机专利的具体信息内容。
1.一种热机，其特征在于，包括：
一压缩室；
一第一正排量元件，其能在所述压缩室内往复运动；
一膨胀室；
一第二正排量元件，其能在所述膨胀室内往复运动；
其中，所述第一和第二正排量元件机械耦合以按照自由活塞配置一致地往复运动；
管道装置，用于从所述压缩室传导所述工作流体至所述膨胀室；
加热装置，用于供应热量给所述管道装置的一加热部分内的一工作流体；
第一阀装置，用于控制所述工作流体流动进入所述压缩室；
第二阀装置，用于控制所述工作流体从所述压缩室流动至所述加热部分；
第三阀装置，用于控制工作流体从所述加热部分流动至所述膨胀室；
第四阀装置，用于控制所述工作流体流出所述膨胀室；
一传感器，其适合于根据该第一/二正排量元件的位置和/或速度输出信号；以及一控制器，其用于依照该传感器输出的信号来连续控制该第三和/或第四阀装置和/或对该工作流体的热量供给速度。
2.如权利要求1所述的热机，其特征在于，该热机按照开循环运行。
3.如权利要求1或2所述的热机，其特征在于，该加热装置为燃烧器。
4.如权利要求2和3所述的热机，其特征在于，通过输出用于连续控制至该燃烧器的燃料喷射速度的信号，该控制器适合于连续控制对该工作流体的热量供给。
5.如前述权利要求任一项所述的热机，其特征在于，该控制器控制该第一、第二、第三和第四阀装置。
6.如前述权利要求任一项所述的热机，其特征在于，该第二排量部件将该膨胀室分成两个膨胀副室，并且该第三阀装置适合于控制工作流体交替流动至每个膨胀副室。
7.如权利要求6所述的热机，其特征在于，该第一排量部件将该压缩室分成两个压缩副室，并且该第一阀装置适合于控制工作流体交替流动至每个压缩副室。
8.如前述权利要求任一项所述的热机，其特征在于，进一步包括一能量转换装置，其包括至少一耦合的往复运动的元件以与所述第一和第二排量部件共同往复运动。
9.如权利要求8所述的热机，其特征在于，所述能量转换装置布置在该压缩室和该膨胀室之间。
10.如前述权利要求任一项所述的热机，其特征在于，进一步包括一热交换器，其用于从传导自该膨胀室的工作液体传递热量至传导自该压缩室的工作液体。
11.如前述权利要求任一项所述的热机，其特征在于，对应于该第一/二排量部件上负载力的变化，当该传感器所输出的信号显示该第一/二排量部件的动能变化时，该控制器适合于调整打开和/或关闭该第三和/或第四装置的正时和/或调整至该工作流体的热量输入速度，从而保持稳定的发动机运行。
12.如前述权利要求任一项所述的热机，其特征在于，当该传感器所输出的信号显示该第一/二排量元件的动能增加足够使该第二排量部件越过预定的终点时，该控制器适合于提前关闭该第四阀装置。
13.如前述权利要求任一项所述的热机，其特征在于，当该传感器所输出的信号显示该第一/二排量元件的动能减少足够使该第二排量部件不能到达预定的终点时，该控制器适合于延迟关闭该第三阀装置。
热机
技术领域
[0001] 本发明涉及一种热机。
背景技术
[0002] 研究人员和工程师已经关注将热有效转换为机械功超过一个世纪，并且近些年来可见到对发电带来的污染物排放的日益重视。虽然内燃机在许多情况下提供了优秀的燃料转换效率，但是外燃机在废气排放水平上具有无与伦比的表现，这主要是由于明显较低的燃烧温度。通常公认为对人体健康有害的废气成份，例如氧化氮、一氧化碳及微粒物质，正逐渐被世界各地的政府所管制，尤其是在人口稠密的地区。由于可以理解的环境效益，具有可与内燃机的燃料效率相竞争的外燃机将具有重大吸引力。
[0003] 沃伦(美国专利第3577729号)描述了一种根据焦耳(也称为布雷顿)热力循环运行的热机，也就是具有基本上恒压的燃烧。该热机与传统燃气轮机的运行类似，但是将往复的活塞—气缸装置用于压缩机和膨胀机单元。与燃气轮机中使用的转子式机械相比，对这些组件使用往复式机械提高了压缩和膨胀效率，然而，这样也急剧降低了系统功率重量比。贝尔和帕特里奇(贝尔·MA，帕特里奇·T；一种往复式焦耳循环发动机的热力学设计，机械工程师学会会报：动力能源杂志，第217卷，239-246页，2003年)以及莫斯等人(莫斯·RW，罗斯基利·AP，南达·SK；用于家用热电联产系统的往复式焦耳循环发动机，应用能源，第80卷，169-185页，2005年)讨论了这种“往复式焦耳循环发动机概念”，他们论证了该发动机高燃料效率的潜力。这些报告还显示了对摩擦损耗的高敏感度，并且建议这种发动机的设计必需非常小心以最小化机械摩擦。
[0004] 班森(美国专利第4044558号)描述了一种闭循环往复式焦耳循环发动机，其使用直线自由活塞发动机配置和直线负载。这一配置比曲轴发动机更紧凑，而且通过直接使用直线功率输出显著减少该系统中的摩擦损耗。闭循环的使用赋予工作流体选择的灵活性，有益于系统性能和增加寿命。然而，闭循环发动机需要热交换器从外部来源传递热量至工作流体。热交换器内的材料性质限制了闭循环发动机内允许的最大循环温度，进而限制了可获得的循环效率。如沃伦所提议的，在班森所描述的系统中使用开循环看来可令人满意的改进燃料效率，但是与之关联的是许多考验。
[0005] 自由活塞发动机原理广泛地描述于文献中。使用自由活塞机械的主要考验详细记载于文献中：由于缺乏曲轴机构，从其它传统发动机可知，需要其它控制活塞运动的装置。行程长度需要高精密控制以免导致活塞和气缸盖之间的机械接触(“超行程”)，因为超行程可能对发动机造成灾难性损坏。同时，需要低气缸余隙容积以达到高容积效率下的有效率的压缩和膨胀，从而来保持高发动机效率。此外，在自由活塞发动机中，发动机附件的供能和控制，例如阀、燃料喷射、冷却泵以及润滑泵必需通过替代的方式来解决。在传统发动机中，旋转泵可以很容易由曲轴来驱动，并且阀和燃料喷射的正时可以通过曲柄位置来控制。自由活塞发动机不具有旋转动力输出或曲柄角度所提供的位置参照，并且，活塞行程长度不是固定的。
[0006] 往复式焦耳循环发动机内的一进一步潜在考验是通过燃烧室的流体的脉冲性质，这是由往复运动的压缩和膨胀装置所引起。为保证有效的燃烧、低排放形成和燃烧稳定性，可能需要根据工作流体流量来变化燃料喷射速度。在曲轴发动机内，为增加压缩机气缸排放后的燃料流量，脉动燃料喷射的执行相对直接机械，这是由于这些组件都是由曲轴位置控制并且不会发生正时困难。在自由活塞发动机内，必需开发一种替代的方法。
发明内容
[0008] 根据本发明，提供了一种热机，包括：一压缩室；一第一正排量元件，其能在所述压缩室内往复运动；一膨胀室；一第二正排量元件，其能在所述膨胀室内往复运动；其中，所述第一和第二正排量元件机械耦合以按照自由活塞配置一致地往复运动；管道装置，用于从所述压缩室传导所述工作流体至所述膨胀室；加热装置，用于供应热量给所述管道装置的一加热部分内的一工作流体；第一阀装置，用于控制所述工作流体流动进入所述压缩室；第二阀装置，用于控制所述工作流体从所述压缩室流动至所述加热部分；第三阀装置，用于控制工作流体从所述加热部分流动至所述膨胀室；第四阀装置，用于控制所述工作流体流出所述膨胀室；一传感器，其适合于根据该第一/二正排量元件的位置和/或速度输出信号；以及一控制器，其用于依照该传感器输出的信号来连续控制该第三和/或第四阀装置和/或对该工作流体的热量供给速度。
[0009] 通过提供一传感器，其适合于根据该第一/二正排量元件的位置和/或速度输出信号，以及一控制器，其用于依照该传感器输出的信号来可变控制该第三和/或第四阀装置和/或对该工作流体的热量供给速度，该发动机能够实现较高的燃料效率、排量元件的增强控制及较大的运行灵活性，特别是对负载变化的较大适应性。传感器信号能够用来识别超行程或发动机停转的危险或运行状态的波动。因此，该控制器允许阀正时和/或热量供给速度的精密控制，由此能够对广泛范围的负载保持高燃料效率，允许其在具有快速改变负载需求的应用中使用，并且避免停转或发动机损坏。
[0010] 优选地，该热机按照开循环运行。
[0011] 使用开循环使其能够实现较高发动机循环效率。当使用闭循环时，需要换热器来传递热量至工作流体，并且换热器的材料性质限制了最大循环温度。使用开循环，可以使用较高的温度，增加了发动机的燃料效率。在开循环系统中，燃料可以直接注入工作流体中，提供了更快的热传递并因此提供了更好的发动机的控制和对改变状态的适应性。使用开循环所带来的增强的可控制性构成了这个发动机超出现有技术的一个主要优点。
[0012] 优选地，该加热装置为燃烧器。
[0013] 优选地，通过输出用于连续控制至该燃烧器的燃料喷射速度的信号，该控制器适合于连续控制对该工作流体的热量供给。
[0014] 好处在于，这样允许快速改变给工作流体的热量供给的速度，使发动机能够对负载改变快速响应。负载变化通过由传感器所监视的排量元件的速度的意外改变来识别。控制器响应这样的变化而使至燃烧器的燃料喷射速度适应，从而保持有效率的发动机运行。而且，这个特征有助于提供用于控制给工作流体热量供给速度的装置，以补偿通过燃烧室的工作流体流动的脉冲性质。
[0015] 在一实施例中，该控制器控制该第一、第二、第三和第四阀装置。
[0016] 虽然第一和第二阀装置可以被动地来控制，但是可以通过使用该控制器来控制所有的阀装置来进一步增强发动机控制。
[0017] 该第二排量部件可以将该膨胀室分成两个膨胀副室，并且该第三阀装置适合于控制工作流体交替流动至每个膨胀副室。
[0018] 好处在于，以这种方式将第二排量元件像双动活塞一样配置提高了发动机的效率。
[0019] 该第一排量部件可以将该压缩室分成两个压缩副室，并且该第一阀装置适合于控制工作流体交替流动至每个压缩副室。
[0020] 该热机可以进一步包括一能量转换装置，其包括至少一耦合的往复运动的元件以与所述第一和第二排量部件共同往复运动。
[0021] 好处在于，这样使得排量部件的往复运动能够转换为如电能、气动能或水力能。
[0022] 该能量转换装置可以布置在该压缩室和该膨胀室之间。
[0023] 好处在于，布置能量转换装置在该压缩室和该膨胀室之间，意味着第一和第二排量部件之间的机械耦合仅需要延伸穿过该压缩室和膨胀室的一端，最小化系统摩擦和泄漏。
[0024] 该热机进一步可以包括一热交换器，其用于从传导自该膨胀室的工作液体传递热量至传导自该压缩室的工作液体。
[0025] 好处在于，包含再生式换热器或蓄热器使得发动机效率在显著较低的压力比下达到峰值。
[0026] 优选地，对应于该第一/二排量部件上负载力的变化，当该传感器所输出的信号显示该第一/二排量部件的动能变化时，该控制器适合于调整打开和/或关闭该第三和/或第四装置的正时和/或调整至该工作流体的热量输入速度，从而保持稳定的发动机运行。
[0027] 这样，该发动机有利于适应较宽范围的负载，以及适应变化的负载。
[0028] 在一实施例中，当该传感器所输出的信号显示该第一/二排量元件的动能增加足够使该第二排量部件越过预定的终点时，该控制器适合于提前关闭该第四阀装置并延迟该第三阀装置的打开。
[0029] 好处在于，这样避免了由于排量元件超行程造成的发动机损坏。
[0030] 在一实施例中，当该传感器所输出的信号显示该第一/二排量元件的动能减少足够使该第二排量部件不能到达预定的终点时，该控制器适合于延迟关闭该第三阀装置。
[0032] 下面将通过优选的实施例结合相应的附图来说明本发明，仅用于举例而非限制本发明，其中：
[0033] 图1为本发明一实施例，显示了其主要组件和一适当配置；
[0034] 图2所示为一替代实施例，其使用用于改进循环效率的再生式热交换器和一替代的系统配置；
[0035] 图3显示了在发动机运行的一整个循环期间两个气缸室内的流体压力；
[0036] 图4显示了使用发动机阀控制来在短暂的运行期间实现活塞运动控制；以及[0037] 图5显示了一些主要发动机设计变量的影响，并且能够用作设计指导。
具体实施方式
[0038] 图1显示了根据本发明一第一实施例的一热机系统。该系统运行于具有基本上恒压燃烧的一外部燃烧循环上，类似于传统的燃气轮机。压缩和膨胀装置由按照直线自由活塞配置布置的双动往复式气缸构成，并且负载使用直线作用负载装置来引出，例如直线发电机或液压缸。使用电子控制器来控制气缸阀的开和关，以及燃料喷射的速度。
[0039] 该系统包含一膨胀气缸100，其内具有一往复式活塞101。活塞101通过精密的机械加工或使用如传统发动机内常见的活塞环与气缸100的壁密封，并且其将气缸100分成两个工作室102和102′。活塞101固定至一杆103，并且该杆103延伸穿过气缸100的一端或两端，其优选被具有适当密封的衬套来支承。如传统发动机所知，气缸100内部表面的润滑应当通过注入润滑油来提供，或者在制造时在表面上外加润滑层(也被称为固体膜润滑)。在气缸100的每一端上，阀系统104或104′提供对各自的工作室102或102′与排气通道105之间的流体连接的控制。类似地，在该气缸的每一端上，阀系统106或106′提供对各自的工作室102或102′与燃烧产物通道107之间的流体连接的控制。阀系统104、104′、106和106′在图1中图示为传统的提升型阀，但是，它们可以是适合于工作在高温的任意类型的阀，例如旋转阀或滑动阀。阀系统104、104′、106和106′包含致动器，其通过电能、气动能或水力能驱动工作室102和102′与燃烧产物通道107和排气通道105之间的连接的开和关。优选地，可以使用电磁阀致动器。阀系统104、104′、106和106′的运行为电子控制，每个阀在任意时间的所需位置(开或关)通过控制信号108a-d传递。
[0040] 该系统进一步包含一压缩气缸109，其内具有一将气缸109分成两个工作室111和111′的往复式活塞110。杆103延伸穿过气缸109的一端或两端，并且被固定至活塞110。
气缸109的缸内表面的润滑和活塞110与气缸109之间的密封类似于以上所述来提供。在气缸109的每一端上，阀系统113或113′连通各自的工作室111或111′至一进入空气通道112，而阀系统114或114′连通各自的工作室111或111′至一压缩空气通道115。阀系统113、113′、114和114′的运行类似于以上所述，但是阀系统的开和关通过控制信号
108e-h来控制。
气缸109的缸内表面的润滑和活塞110与气缸109之间的密封类似于以上所述来提供。在气缸109的每一端上，阀系统113或113′连通各自的工作室111或111′至一进入空气通道112，而阀系统114或114′连通各自的工作室111或111′至一压缩空气通道115。阀系统113、113′、114和114′的运行类似于以上所述，但是阀系统的开和关通过控制信号
108e-h来控制。
[0041] 连通压缩空气通道115和燃烧产物通道107的是一燃烧器116。该燃烧器116假定为具有类似于用于传统燃气轮机的燃烧器的设计。该燃烧器包含燃烧室117、燃料喷射器118以及用于点燃可燃混合物的内部装置。燃料通过燃料管线119供应，其具有用于控制至燃料喷射器118的燃料流速的电子控制阀120。用于阀120的电子控制信号通过控制信号121提供。
[0042] 一位置传感器，由一静止部件122和一非静止部件122′组成。非静止位置传感器部件122′固定至杆103。静止位置传感器122记录非静止部件122′的位置并且生成位置传感信号124，位置传感信号124在任何时候指出杆103的位置。该传感器可以是霍尔效应传感器，但是熟练的技术人员也可以使用其它类型的传感器。杆103进一步具有一负载连接点123，其可以耦接至一直线作用负载。该负载可以为任意类型，例如直线电机、液压泵或气动压缩机。电子控制器125接收位置信号124，并且基于这一信号的即时的值和早先的值来生成阀信号108a-f和燃料喷射信号121，从而控制气缸阀的开和关以及燃料流速。
[0043] 通过使用具有无限可变阀正时和燃料喷射速度精密控制的开循环，可实现高燃料效率和运行灵活性。直线发动机配置赋予了固有的低系统摩擦损耗以及一具有高功率重量比的紧凑系统。
[0044] 精密的阀控制结合通过燃料喷射控制的热量流率直接控制还赋予该发动机显著增强的机械控制。通过使用活塞位置传感器识别超行程的危险和利用电子控制器相应调整阀正时，解决了与活塞运动控制相关的考验，从而消除了发动机损坏的任何风险。这也赋予了该系统对运行条件的改变的优秀响应，允许在具有快速改变负载需求的应用中使用，而现有技术的系统则不适合这样的应用。使用开循环所带来的增强的可控制性构成了本发明所提出系统超出现有技术的一个主要优点。
[0045] 图2显示了该系统的一替代实施例。除如上所述的那些组件之外，图2所示的实施例包含一再生式热交换器204(也称为蓄热器recuperator)，空气进入过滤器209和209′，以及一直线电机负载装置212和213。为了清楚，图中省略了控制系统，并且简化了阀系统。流体流经发动机的方向用箭头表示。阀系统104和106(参见图1)用一三通阀系统201代替，并且阀系统104′和106′用一三通阀系统201′代替。每个阀系统201或
201′为电子控制并且包含一致动器，而且能够以三个位置其中之一进行命令：关，不允许流过阀；进入，流体仅能在燃烧产物通道107和各自的工作室102或102′之间流动；以及排气，流体仅能在各自的工作室102或102′和流动通道202之间流动。膨胀气缸活塞101配备有传统设计的活塞环211，从而最小化工作室102或102′的泄露。
201′为电子控制并且包含一致动器，而且能够以三个位置其中之一进行命令：关，不允许流过阀；进入，流体仅能在燃烧产物通道107和各自的工作室102或102′之间流动；以及排气，流体仅能在各自的工作室102或102′和流动通道202之间流动。膨胀气缸活塞101配备有传统设计的活塞环211，从而最小化工作室102或102′的泄露。
[0046] 进入空气通道112(见图1)用两个分开的包括进入空气过滤器的进入管道209和209′代替。这样可允许大气直接使用于发动机，没有杂质进入系统的风险，与传统燃烧发动机类似。存在于这一实施例中的阀系统113、113′、114及114′为被动单向阀，也就是，它们的开和关由通过单个阀的瞬时压差所控制。(这样的阀也称为止回阀或逆止阀)单向阀113、113′、114及114′的设置应该使得当压缩气缸活塞110往复运动时，大气泵入压缩空气通道115。
[0047] 蓄热器204按照传统热交换器方式工作，也就是，将两个流体通道用一大表面积薄壁隔开，使热量可以在两通道内的流体之间传递。蓄热器204的放置应当引导流动通道202内的流体通过第一通道进口205，然后通过出口206排放至排气通道105。同样地，压缩空气通道115内的流体允许进入第二蓄热器通道进口207，然后通过出口208排放至流体通道203。流体通道203连接至燃烧器116，并且燃烧器出口连接至燃烧产物通道107，类似于以上所述。
[0048] 图2所示实施例包括一担当负载的直线发电机，其包括一静止部分212(定子)和一移动部分213(传送器)。该电机为传统设计，使用了放置于定子内的线圈和放置于传送器内的永磁体。在所示实施例中，传送器213嵌入杆103内，从而最小化系统整体重量和体积。出于同样的原因，图2所示实施例中负载装置放置于压缩气缸和膨胀气缸之间。使用这样的配置，杆103仅需延伸穿过压缩气缸109和膨胀气缸100的一端，最小化系统摩擦和泄漏。
[0049] 基本系统运行
[0050] 参见图1，该发动机的运行如下所述。活塞总成由杆103、膨胀气缸活塞101、压缩气缸活塞110和位置传感器122′组成。该活塞总成实现直线往复运动，其由任何时候作用于其上的合力所驱动，并且由膨胀气缸100、压缩气缸109以及耦接至负载连接点123的负载装置的设计所约束。如箭头所示，假设该活塞总成朝向左手边(LHS)移动。允许大气至进入空气通道112，然后自进入空气通道112经由处于“开”位置的阀系统113′进入压缩气缸室1111。压缩气缸室111内的空气被压缩，然后在右至左行程期间的某一时刻，命令阀系统114打开并且压缩空气自压缩气缸室111内排出至压缩空气通道115。
[0051] 运行中，压缩气缸109内所压缩的空气自压缩空气通道115流动至燃烧器116。在燃烧器116内，燃料由燃料喷射器118喷射并点燃，产生高温燃烧产物。燃烧产物通过燃烧产物通道107流动至膨胀气缸100。在活塞总成开始其朝向左手边的运动时，进口阀系统106′打开并允许燃烧产物自燃烧产物通道107进入膨胀气缸室102′。在该行程期间的某一时刻，进口阀106′关闭，然后膨胀气缸室102′内收集的燃烧产物膨胀至较低压力水平，同时对活塞101作工。在活塞总成朝左移动的整个期间，阀系统104打开，并且来自之前行程的燃烧产物自室102排放至排气通道105，然后通过排气出口处理。
[0052] 当活塞总成抵达其左手边终点时，该循环的第二部分开始。膨胀气缸阀系统104关闭，然后允许燃烧产物通过阀系统106的开口至膨胀气缸室102。作用于活塞101的来自燃烧产物的压力使活塞总成加速朝向右手边。同时，来自之前行程的膨胀的燃烧产物自膨胀气缸室102′通过阀系统104′的开口排放至排气通道105。在压缩气缸109内，阀系统114的关闭和阀系统113的打开允许大气进入室111，而阀系统113′的关闭和随后阀系统
114′的打开允许之前行程里进入室111′的空气被压缩以及排放至压缩空气通道115。
114′的打开允许之前行程里进入室111′的空气被压缩以及排放至压缩空气通道115。
[0053] 基于活塞总成位置信号124，阀系统104、104′、106、106′、113、113′、114及114′的打开和关闭由电子控制器125控制。
[0054] 燃烧器116内的燃烧引起的工作流体内能的增加使工作流体经受热力循环。气缸100内的工作流体的膨胀所产生的能量总额大于气缸109内的压缩所需能量，从而确保系统的连续运行以及允许剩余能量通过耦接至连接点123的负载装置提取并转换为高水平能量，例如电能、水力能或气动能。
[0055] 图2所示实施例的运行除遵照如上所述进行外，还有：
[0056] 当压缩机气缸活塞110往复运动时，每个压缩机气缸阀系统113、113′、114及114′的打开和关闭由通过每个阀的瞬时压差所控制。阀系统113和113′的配置使得当关联的室111或111′内的压力低于各自的进入管道209或209′内的压力时，阀是打开的；
否则，阀是关闭的。阀系统114和114′的配置使得当各自的室111或111′内的压力高于压缩空气通道115内的压力时，阀是打开的；否则，阀是关闭的。
否则，阀是关闭的。阀系统114和114′的配置使得当各自的室111或111′内的压力高于压缩空气通道115内的压力时，阀是打开的；否则，阀是关闭的。
[0057] 当活塞总成朝向左手边终点行进时，三通阀201的设置使得膨胀的燃烧产物能够从室102排放至通道202。当活塞总成到达其左手边终点时，三通阀201切换至“进入”设置，从而允许流体从燃烧产物通道107流入室102。在该活塞总成朝向右手边终点运动期间的某一时刻，三通阀201关闭，然后室102内的流体膨胀至较低压力水平。在活塞以相反方向运动期间，三通阀201′的运行类似于阀201。
[0058] 当膨胀的燃烧产物从膨胀气缸100排放时，在膨胀的燃烧产物从蓄热器出口206排放至排气通道105之前，其被引导从通道202至蓄热器204的第一通道。当压缩空气从压缩气缸109排放至压缩空气通道115时，在其通过通道203被供给至燃烧器116之前，其被引导通过蓄热器204的第二通道。在蓄热器204内，热量从膨胀的燃烧产物传递至压缩空气。
[0059] 图3显示了一整个发动机循环从头到尾的膨胀气缸室102和压缩气缸室111′内的压力。室102′和111内的压力为图3所示图像的镜像图。压力p1表示低压侧内的流体压力，包括排气通道105和进入空气通道112。压力p2表示高压侧内的压力，包括压缩空气通道115、燃烧器116和燃烧产物通道107，以及用于如图2所示配置的通道202和203。
[0060] 假设活塞总成开始于左手边终点(LEP)，位于图中的点1。在这一点，阀106打开，然后室102内的压力变得等于p2(图3a所示)。当活塞总成朝向右手边终点(REP)移动时，来自通道107的燃烧产物允许进入处于压力p2的室102，直至阀106在点3关闭。其后，室102内的压力由于该室内流体膨胀而下降，然后在右手边终点(点5)达到等于p1的压力。压缩气缸室111′(图3b)在左手边终点关闭，并且，当活塞总成朝向右手边终点移动时，室111′内的流体被压缩并且压力增加。当该压力在点4达到p2时，阀114′打开然后压缩的流体排放入压缩空气通道115。在右手边终点，阀114′关闭(点5)，而阀113′和104打开(点6)。从右手边终点至左手边终点的返回行程期间，室102内的压缩的燃烧产物通过阀104排放入排气通道105，此时允许空气通过阀113′从进入空气通道112进入室1111。这样就完成发动机运行的一个循环。相对的室102′和111镜像这一运行过程。
[0061] 其它运行问题
[0062] 启动。该系统的启动存在几种方式。使用外部装置连接在杆103上可给予活塞总成在终点之间的驱动，直至达到自我维持的系统运行。这等同于那些使用于传统发动机中的启动系统。一个替代的选择是注入加压的空气进入压缩空气通道115。这样会启动活塞总成的运动，而且，伴随控制器125的运行，燃料能够喷射和点燃以启动系统。一第三替代的选择是使用负载装置的驱动模式。取决于负载装置的类型，通过适当的负载装置控制，存储的水力能、气动能或电能可提供给这一系统以驱动活塞总成直至实现启动。如图2所示的第二实施例中，使用适当的电力电子电路来允许电机212和213以驱动模式运行，可以实现启动。最适合的启动方式取决于该系统的特定设计以及使用该系统的工厂。
[0063] 附件的驱动。发动机附件，例如水泵、润滑油泵以及燃料泵，可以由外部装置驱动，或通过来自活塞总成的直接连接驱动，或通过使用所产生能量的一部分来驱动，可以是电能、气动能或水力能形式。可以预料，在许多情况下优选为后面的选择。
[0064] 运行的优化。通过允许控制器调整阀系统正时和燃料喷射速度，发动机的运行能够对任意运行条件优化。特别地，这关系到膨胀气缸内的“截止点”，图3a中点3。根据负载水平和其它运行条件变化截止点，以使燃烧产物膨胀至排气通道压力，从而精确地最大化来自燃烧产物的能量提取和该系统的燃料效率。类似的控制可以应用于压缩气缸，通过使用图2所示的单向阀，这样的控制自动伴随。通过优化截止点，系统能够对广泛范围的负载保持高燃料效率，而这一点是现有技术系统的局限。
[0065] 活塞运动控制。使用具有可控制的阀和燃料喷射的开循环，赋予了显著增强的活塞运动控制可能性并解决了广泛报告的与自由活塞发动机控制相关的问题。由于该系统的低惯性(与例如曲柄系统和传统发动机内的飞轮相比较)，负载变化对自由活塞发动机将具有更加直接的影响。一闭循环系统，例如班森(美国专利4044558)所描述的，对于负载变化的响应慢，原因在于供热是通过热交换器内的热传递来完成，是一个固有缓慢的过程。因此，对于快速变化的负载，存在发动机停转的风险。燃料直接喷射入工作流体的开循环系统对至发动机的热流动将具有优秀的控制，并因此对负载变化具有快许多的响应。在此提出的该系统因此较好的适合于具有变化负载需求的应用。
[0066] 然而，由于没有大的能量储存，例如传统发动机内的飞轮，剧烈的负载变化仍然可能危害发动机的运行稳定性。快速负载增加和快速负载减少都可能导致自由活塞发动机内的稳定性问题，这些情况将在下面分别讨论。
[0067] 在快速的负载减少情况下，活塞总成的动能将会增加而具有超行程的风险。考虑图3a所示的点6和1之间的行程。这一行程由准许进入室102′的高压燃烧产物驱动，同时室102内的膨胀的燃烧产物如图所示排出。在从右手边终点至左手边终点的这一行程期间，如果负载快速减少，当接近左手边终点时，活塞总成的动能将高于正常。这可能导致超行程，以及在最坏的情况下，活塞碰撞气缸盖。甚至阀106在左手边终点预定的打开允许高压流体进入室101也不能提供足够大的压力来阻止活塞总成并避免紧急情况。
[0068] 这种情况在本发明中通过使用瞬时活塞位置测量和电子控制阀系统来解决。如果负载发生减少，这会使活塞总成加速。通过位置测量，控制器检测到速度变化并且识别出超行程的任何风险。如果存在这样的风险，控制器提前阀104的关闭并延迟阀106的打开，从而当活塞总成接近左手边终点时使室102有效形成气弹簧。调节阀正时所至程度取决于情况的严重性。图4a中显示了这一情况。会导致活塞总成达到机械限制的负载减少在点6和I1之间识别出来。在点I1，阀104提早关闭，然后室102内的压力迅速上升。作为结果，高压力有助于阻止活塞总成超行程或使其仅具有较小超行程。当活塞总成速度方向相反时，进入阀106打开并且接下去的行程延续不受影响。
[0069] 相反地，快速负载增加可能导致活塞总成达不到名义上的终点，并且在最坏的情况下发动机会停转。那样的情况同样地由控制器基于测得的活塞总成速度来预测。图4b所示，负载增加在点2和3之间识别出来。在这种情况下，延迟阀106的关闭直至点3′，从而在该行程较长的一部分使室102内保持高压，并因此对活塞101作更多的功。(额外的功在图中以阴影表示)虽然这样导致了燃料效率下降，原因是流体在点5没有完全膨胀，但是其仅在几个循环的时候发生，因此对发动机的整体效率几乎没有影响。在负载减少和负载增加两种情况下，负载改变后一达到稳定运行，阀正时就恢复到最佳燃料效率所需的那些值。
[0070] 因此，除提供了优于现有技术系统的燃料效率和功率密度，本发明还提供了精密控制活塞运动的解决方案，特别涉及了对快速负载变化的紧急刹车或响应。这减少了发动机损坏或不稳定运行的风险，并且允许发动机用于更加显著广泛的应用范围，包括那些具有高度负载变化需求的应用。
[0071] 设计依据
[0072] 对于阀系统和流动通道的设计要求与传统发动机的相似：低热传递损耗、低流动压力损耗及紧凑设计。对于燃烧器和再生式热交换器(如果使用)采用同样的设计要求，不管怎样，对于这些组件可能采用一些额外的设计要求。由于往复式的压缩机和膨胀机，当前系统的流动特性将是脉冲的，与传统燃气轮机不同。这并不排除使用传统组件；莫斯等人建议，这些特性仅需要稍微大一些的热交换器。对于燃烧器，脉冲燃料喷射的实施可能需要考虑，取决于燃烧器和气缸之间的流动通道的体积；大的流动体积会减少压力波动并允许传统燃烧器的使用。
[0073] 主要的设计依据是压缩机和膨胀机气缸的体积，以及最大循环温度，也就是实践中在燃烧器出口的流体温度。这些变量将决定系统压力比，也就是在高压侧和低压侧之间的压力比，以及决定循环热效率。
[0074] 图5a显示图1所示的第一实施例和图2所示第二实施例中压力比对循环效率的影响。与没有再生式换热器的“简单循环”相比较，蓄热器的使用在显著较低的压力比下产生了效率峰值。贝尔和帕特里奇推荐膨胀气缸和压缩气缸之间的体积比大约为3，从而在再生式系统中达到最佳效率。
[0075] 由标准热力循环分析可知，高的最高循环温度提高热效率。该系统中允许的最高循环温度由燃烧产物通道、膨胀气缸阀系统及膨胀气缸的材料性质所限制。推荐在这些组件中使用适合于高温运行的材料。图5b显示了最大循环温度为750K、1000K及1250K的理论循环效率(也就是不考虑机械损耗或气体流动损耗)。超过1000K的温度在大部分情况下允许使用标准金属合金；使用例如陶瓷材料可允许更高的运行温度。
[0076] 该发动机的功率输出主要取决于往复运动速度。不同于传统发动机，自由活塞发动机的表现类似于质量弹簧系统，并且往复运动速度严重受移动质量影响。因此，对于需要高发动机功率重量比的应用来说，负载装置和活塞总成需要使用轻重量组件。
[0077] 就所有热机来说，最小化热传递损耗、泄漏和机械损耗是获得最佳燃料效率的关键重点。
[0078] 最后，可以预期，本发明适合于用在几个单独单元提供大规模应用所需功率输出的大规模工厂中。这样的配置给予显著的运行效益：单独单元可以根据工厂的负载需求来切换开启或关闭；几个单元的运行使用一个公用的燃烧器是可能的；几个单元的运行使用一个公用的蓄热器是可能的；以及单元的布置和控制其运行速度可以最小化系统共振和噪音。
[0079] 通过使用有效率的热力循环、机械上简单的发动机设计以及发动机运行的电子控制，本发明提供了一种具有优于现有技术燃料效率的紧凑系统。该系统适合于范围广泛的应用和规模的能量转换。通过使用具有电子可控制阀的开循环，对自由活塞发动机系统内的活塞运动控制的考验提出了解决方法，正是活塞运动控制的考验至今阻碍了自由活塞发动机概念的广泛商业成功。因此本发明适合于需要广泛发动机负载范围和具有快速变化负载需求的应用。
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