[发明专利]外加热发动机

说明书

技术领域

本发明涉及外加热发动机(externally heated engine)。更具体地，本发明涉及以相对低的温度和压力运行的外加热发动机的效率的改进。

发明背景

外加热发动机以及尤其是斯特林循环(Stirling cycle)发动机始终保持大的前景，这是因为其理论热效率接近于卡诺循环(Carnot Cycle)的效率。该效率反过来建立在循环中热时和冷时之间的温差上。现今该种发动机的设计师们正设法通过提高发动机热侧的温度而使效率达到最大值。此外，他们利用超高压下的诸如氦气和氢气的小分子气体以便更进一步地优化发动机的输出功率。他们的密切合作导致了商业的失败。高的温度要求使用可经受这些温度的材料。使用诸如钛和不锈钢的特种合金的实际问题和巨大费用结合起来使得制造这种发动机不切实际而拥有和运行该种发动机过于昂贵。高压气体和极端温度已经使得该发动机如此地复杂以致几乎超出了最具经验用户所能达到的有效范围。

本发明采用了完全相反的途径。通过结合使用若干改进，使得设计高效、低温的单缸发动机成为可能。现有设计中要么采用平的气缸壁作为换热器、要么采用壳管式气对气换热器的变体。材料通常是钢或钛，该两者都相对为热的不良导体。

为了克服这些低效性，气缸外空气和气缸内工作流体之间的温差必须非常地大以便在非常有限的可用时间内迫使传输必要的热量。这反过来迫使热源本身甚至以更高的温度运行，以及非常紧固地联接于换热器上。这势必使得交换器的外部部分曝露于甚至更高的温度，从而需要更多的稀有材料。

一些现有技术的发动机采用液体钠作为相变材料，以便更有效地获得气缸内部的热量。除了涉及大的费用以外，具有为制造该装置所需的复杂技术。此外，液体钠毒性强且很烫，因而使用其非常地危险。这种技术不适于在简单的、大量生产的装置中使用。

现有技术的发动机中另外的问题牵涉到发送给蓄热器的空气温度。现有技术中通常涉及到的极端温度使得不可能使用通用的诸如铜的低温管道。这也适于在蓄热器中使用的材料。因为首要考虑到高温下的耐久性，所以蓄热器的外部或蓄热器基体(matrix)中所用的材料都不可优化成用于热性能。

高温问题完全控制了蓄热器设计在现有技术的斯特林发动机中的使用。这导致了值得注意的热力损失以及较大的费用和降低的寿命。蓄热器外壳毫无疑问是由将容许高温的金属制成。这导致了高的对环境的热损失、从环境中获得热量以及从蓄热器一端传导至另一端的热量。这种热传导迫使蓄热器以远离理想的方式运行。

在压缩冲程期间，冷气缸上的换热器必须高效地从工作流体中除去热量。如同具有热侧那样，现有技术的换热器设计要么使用了基本的缸形本身作为散热器、要么使用简单的翅面或者管壳式换热器的一些变体。在所有的这些设计中，为这些方法所固有的热阻迫使散热器以气缸内部和外部之间的大温差(ΔT)运行。

换句话说，冷气缸内部的工作流体温度被迫相当大地高于热量最终散失的外部温度。这大大降低了越过发动机的ΔT，从而限制了发动机的最大效率和输出功率。

由于斯特林循环为封闭式热力循环，所以工作流体必须密封在发动机内部。这导致了几个重要的设计问题。

首先，现有技术的发动机不得不运行在高的温度和压力下。这寄予了对密封的大的需求。为了在高的温度和压力下正常运行(survive)，唯一的实用方法便是像在常规的内燃发动机中那样在活塞上使用密封环。活塞和环组件经受渗漏、或漏气(blow-by)。由于必须不断地对其更换以便避免输出功率的损失及其对循环的干扰，使得来自发动机的流体损耗成为关键性问题。这通常意味着曲轴箱本身也必须密封，从而导致了曲轴箱中的无效功问题，如同活塞对曲轴箱气体做了不必要的功那样。它也意味着曲轴箱如同在发动机自身中使用那样必须充满相同的工作流体。

气缸壁上四处的活塞环碎屑导致了另外的问题。这些中最大的问题在于产生的摩擦。在常规的发动机中，这可耗费发动机大约20％的输出，这是非常严重的损耗。

另外的问题便是润滑。液体油不能简单地喷洒在气缸壁上，因为这将漏入发动机的工作区内并弄污工作流体。这将导致包括不必要的污染、腐蚀以及效率降低的问题。但没有适当的润滑，摩擦损耗甚至变得更大。

本发明解决了现有技术设计中发现的所有这些问题。

发明内容