[发明专利]自由活塞发动机发电设备

说明书

公开了自由活塞发动机发电设备。特别地，公开了包含用于改善自由活塞发动机的控制和效率的装置的自由活塞发动机发电设备。该自由活塞发动机发电设备包括：第一燃烧缸，其具有固定到轴的第一燃烧活塞；流体膨胀器，其包括膨胀缸，所述膨胀缸在其中具有膨胀器活塞，所述膨胀器活塞固定到所述轴，用于与所述第一燃烧活塞一同往复运动；底循环，其具有工作流体；以及热交换器。

公开了自由活塞发动机发电设备(free-piston engine power plant)。特别地，公开了包含用于改善自由活塞发动机的控制和效率的装置的自由活塞发动机发电设备。

背景

自由活塞发动机是线性发动机，其中往复运动的发动机基本上没有旋转部件。电力输出可以经由线性发动机转换设备(例如，线性发电机或液压泵)或经由排气涡轮机(exhaust gas turbine)来完成。以下呈现了对不同的自由活塞发动机配置的综述：Mikalsen R.,Roskilly A.P；自由活塞发动机历史和应用(A review of free-pistonengine history and applications)；实用热力工程学(Applied Thermal Engineering),2007；27:2339-2352。以下呈现了对一些最近的自由活塞发动机发展的概述：HanipahM.R.,Mikalsen R.,Roskilly A.P；用于汽车应用的最新商用自由活塞发动机的发展(Recent commercial free-piston engine developments for automotiveapplications)；实用热力工程学(Applied Thermal Engineering),2015；75:493-503。

自由活塞发动机的一个挑战是对活塞运动的控制，因为活塞组件并不通过曲柄机构限制其运动，而是将在任何给定时间在作用在活塞组件上的不同力的影响下自由移动。在自由活塞燃气发电机(free-piston gas generators)中，另外的挑战是(往复运动的)自由活塞燃烧发动机与(旋转动态的)发电涡轮机的匹配。这是因为来自发动机的脉冲式的流动对于在稳定流动状态下提供最佳效率的涡轮机而言不太理想。

本发明的实施方案力图提供一种自由活塞发动机发电设备，与已知的系统相比，该自由活塞发动机发电设备具有改善的性能，包括改善的控制能力和运行灵活性以及更高的燃料效率。

本发明的实施方案是提供一种自由活塞发动机发电设备，与已知的系统相比，该自由活塞发动机发电设备具有改善的性能，包括改善的控制能力和运行灵活性以及更高的燃料效率。

公开内容的简要概述

根据第一方面，提供了一种自由活塞发动机发电设备，该自由活塞发动机发电设备包括：

第一燃烧缸，其具有固定到轴的第一燃烧活塞；

流体膨胀器，其包括膨胀缸，所述膨胀缸在其中具有膨胀器活塞，所述膨胀器活塞固定到所述轴，用于与所述第一燃烧活塞一同往复运动；

底循环，其具有工作流体；以及

热交换器，其适合于将来自所述第一燃烧缸的排气流的热传递到所述工作流体；

其中，所述流体膨胀器适合于充当用于所述工作流体的膨胀器，并且其中阀被提供以控制所述工作流体流入和流出所述流体膨胀器。

有利地，提供流体膨胀器(其具有固定到往复运动的轴的膨胀器活塞)和阀(以控制工作流体流入和流出流体膨胀器)允许流体膨胀器被用于在自由活塞发动机发电设备中帮助活塞运动控制。

通过控制阀以向膨胀缸供应工作流体或从膨胀缸排出工作流体，或者替代地封闭膨胀缸以提供反弹室，流体膨胀器降低了偏离止点位置(dead centre positions)的风险。这降低了在活塞和缸盖之间的机械接触(该机械接触对发动机而言可能是毁灭性的)的风险，并且改善了发动机运行稳定性，例如在燃烧过程中的循环之间的变动的影响下。