单缸体往复式活塞复合ICE/ORC动力装置的制作方法

单缸体往复式活塞复合ice/orc动力装置
技术领域
1.本发明描述了用于生成动力的装置、系统和方法，其利用具有减少的或零有害排放的新型单缸体往复式活塞发动机。该单缸体包括复合的内燃(internal combustion，ic)部分和有机朗肯循环(organic rankine cycle，orc)部分，各个部分使一个或多个部分的相应活塞位移，并且所有活塞连接到单缸体动力装置的公共曲轴并且驱动该公共曲轴，该公共曲轴可联接到一个或多个发电机。
2.发明背景
3.内燃机(internal combustion engine，ice)本质上是低效的。目前的ice努力实现20％-35％的效率。由ice燃料燃烧产生的大部分能量作为热量损失掉了。
4.本发明提出了具有内燃(ic)部分和有机朗肯循环(orc)部分的混合式复合发动机，其解决方案是捕获ic机的损失的热量并且在orc部分中将其转换成用于发动机的额外机械能并且随后转换成电能。
5.此外，本发明利用氢作为ic燃料以便促进目标“2050年碳中和”。
6.本发明解决了目前电池和燃料电池替代品的高初始和寿命周期成本，同时提供了极高的效率，并且通过利用熟悉的技术，克服了与再加工、再训练和维护相关联的大量成本。
7.附图简要说明
8.现在将仅通过示例的方式参考附图来描述本发明，附图中：
9.图1例示了根据本发明的在同一单缸体中复合有ic和orc部分的单缸体的示例性系统的概略示意图；
10.图2例示了可用于实现本发明的典型的ic机缸体；
11.图3例示了根据本发明的具有连杆以及ic活塞和orc活塞的典型曲轴，其中，曲轴的各个端联接到发电机；
12.图4例示了活塞和缸室的示意图；其中，图4a例示了ic活塞、缸室和阀；以及图4b例示了orc活塞、汽缸orc膨胀室、orc流体入口和出口以及汽缸内压力和温度传感器；
13.图5例示了根据本发明的完全可变阀致动(fvva)；
14.图6例示了根据本发明的驱动公共曲轴的ic和orc活塞汽缸的示例性布置和正时循环；
15.图7例示了根据本发明的定制的入口/排出歧管；
16.图8例示了根据本发明的废气再循环(egr)示意图；
17.图9例示了根据本发明的ic-orc单缸体发动机的过程和部件的实施例的详细视图，其中，orc入口是并联的，并且orc流体单独地注入到各个orc汽缸，并且orc活塞以单个膨胀级操作：注入-膨胀-提取到冷凝器，即每次orc流体注入orc汽缸中时活塞进行一次向下/下行冲程位移，然后orc流体在活塞的向上/上行冲程位移时排出到冷凝器中；
18.图10例示了根据本发明的ic-orc单缸体发动机的过程和部件的另一个实施例的详细图，其中orc入口是串联的和/或并联地具有增加量，其中，orc流体在orc汽缸之间串联
地循环和转移，使得orc活塞在每次“新鲜的”orc流体注入时以多个膨胀级操作：例如，注入汽缸5中-使活塞5位移-排出orc流体并且转移注入汽缸6中-使活塞6位移-{将orc流体转移回汽缸5-重复n次}-然后排出到冷凝器，即，每次orc流体注入orc汽缸中时在汽缸中重复膨胀，直到控制器基于来自图4b所示的压力和温度传感器的数据认为orc流体压力和热量已经耗尽；
19.图11例示了根据本发明的分叉的氢和雾化水注入ic汽缸的示意图；
20.图12例示了根据本发明的具有相应的输入口/阀和输出口/阀的ic汽缸4和orc汽缸5的图；以及
21.图13例示了根据图10的实施例的具有相应的输入口/阀和输出口/阀的orc汽缸5和orc汽缸6以及orc流体路径的图。


技术实现要素：

22.根据本发明的第一方面，提供了一种单缸体往复式活塞发动机动力装置，包括：
23.两个或更多个汽缸，各个汽缸在其中容纳有活塞；
24.内燃(ic)部分，其控制至少一个活塞的位移；
25.有机朗肯循环(orc)部分，其控制至少一个活塞的位移；
26.其中，ic活塞和orc活塞连接到单缸体发动机动力装置的公共曲轴并驱动该公共曲轴；并且
27.其中，有机朗肯循环通过由内燃部分中的燃烧生成的热量来操作，并且通过注入加热且加压的orc流体来实现orc部分中的活塞的位移。
28.优选地，单缸体发动机联接到一个或多个发电机。
29.优选地，一个或多个发电机被布置为对可再充电电池组或超级电容器组充电。
30.优选地，一个或多个发电机被布置为转动发动机的曲轴以便使其起动，即，用作单缸体发动机的一个或多个起动电机。
31.优选地，一个或多个发电机的轴与发动机的曲轴成直线地联接，使得曲轴和发电机轴在跨曲轴的长度延伸的相同虚拟线性轴线上延伸。
32.优选地，曲轴的至少一端联接到一个或多个发电机。
33.优选地，联接至曲轴的至少一端的一个或多个发电机被布置为实现曲轴的动态平衡。
34.优选地，加热且加压的orc流体从高压罐注入到orc部分汽缸中，从而引起活塞在其中向下位移，并且在活塞向上位移时，orc流体排出到冷凝器中，以在orc循环中再循环。
35.根据本发明的第二方面，加热且加压的orc流体从高压罐注入到第一orc部分汽缸中，从而引起第一活塞在其中向下位移；
36.在第一活塞向上位移时，orc流体从第一汽缸排出：
37.其中，如果orc流体压力和热量已降低到预定的第一阈值以下，则认为orc流体是耗尽流体，并且排出到冷凝器中以在orc循环中再循环；
38.如果没有降低到预定的第一阈值以下，则orc流体转移并注入到第二orc部分汽缸中，从而引起第二活塞在其中向下位移；
39.其中，orc流体因此在orc部分汽缸之间连续地循环，直到被认为耗尽；并且
40.其中，当耗尽orc流体排出到冷凝器中时，其被从高压罐注入到一个汽缸中的加热且加压的orc流体替换。
41.根据本发明的第三方面，加热且加压的orc流体从高压罐注入到第一orc部分汽缸中，从而引起第一活塞在其中向下位移；
42.在第一活塞向上位移时，orc流体从第一汽缸排出：
43.其中，如果orc流体压力和热量高于预定的第二阈值，则orc流体转移并注入到第二orc部分汽缸中，从而引起第二活塞在其中向下位移；
44.如果没有，那么orc流体的一部分注入到冷凝器中，以在orc循环中再循环，并且该部分用来自高压罐的加热且加压的orc流体替换；
45.所得到的混合orc流体然后注入到第二orc部分汽缸中，从而引起第二活塞在其中向下位移；
46.并且其中，orc流体因此在orc部分汽缸之间连续地混合和再循环。
47.优选地，单缸体是新的定制单缸体，或者其是改变用途的标准ic发动机缸体，其中，多个汽缸和活塞保持完整以用于ic操作，并且其余汽缸和活塞被布置为由orc部分汽缸内的orc流体驱动。
48.优选地，有机朗肯循环从发动机单缸体、废热和/或发动机冷却系统中的一者或组合回收热量。
49.优选地，有机朗肯循环回收利用一种有机orc流体或具有两个不同温度操作范围的两种有机orc流体或布置为以两个或更多个不同温度操作范围操作的单个混合orc流体。
50.优选地，当利用被布置为以两个或更多个不同温度操作范围操作的混合物或两种orc流体时，第一范围被配置为以从高温回收的发动机热量(例如废热)操作，并且第二范围被配置为以从冷却剂和清除热量回收来回收的发动机热量操作。
51.优选地，汽缸具有湿衬里，以使得能够灵活地控制汽缸的立方容积。
52.根据本发明的第四方面，提供了一种用于利用上述发动机发电的系统。
53.根据本发明的第五方面，提供了一种用于利用上述发动机发电的方法。
具体实施方式
54.本发明描述了用于生成动力的装置、系统和方法，其利用具有减少的或零有害排放的新型单缸体往复式活塞发动机的新型设计。该单缸体包括复合的内燃(ic)部分和有机朗肯循环(orc)部分，各个部分使一个或多个部分的相应活塞位移，并且所有活塞连接到单缸体动力装置的公共曲轴并且驱动该公共曲轴。
55.在本说明书中，单缸体可以可互换地称为公共缸体或发动机缸体，或简称为缸体。
56.缸体的内燃机(ice)部件可以利用本领域已知的任何可燃燃料(例如汽油、柴油等)以及气态流体(例如甲烷、丁烷或丙烷)。然而，为了减少或避免产生的碳排放，优选使用更清洁的可燃燃料(例如氢)。
57.在本说明书中，ice部分的一个或多个活塞和汽缸将被称为一个或多个ice活塞和一个或多个ice汽缸。
58.在有机朗肯循环(orc)部分中，一个或多个活塞和汽缸将被称为一个或多个orc活塞和一个或多个orc汽缸。一个或多个orc活塞由内部orc循环驱动，该orc循环利用由发动
机的内燃部分中的燃烧生成的热量来操作。
59.使用逆流热交换器回收来自发动机的所有高等级“废”热。orc部分加热合适的orc有机流体，例如乙醇或甲醇或“混合”替代品。
60.ic部分和orc部分生成动力以使其相应的ic活塞和orc活塞彼此独立地位移。然而，当ic和orc活塞连接到公共曲轴并驱动公共曲轴时，它们的点火和位移正时同步，以实现从活塞位移到曲轴旋转的最大能量传递，并因此实现最大提取功。图3示出了连接到ic活塞和orc活塞的曲轴110。
61.双功能电动发电机
62.在一个实施例中，单缸体发动机联接到一个或多个发电机。曲轴的至少一端联接到一个或多个发电机。该联接使得一个或多个发电机的轴直接或经由齿轮布置联接/连接到单缸体的曲轴。该联接可以位于轴和曲轴的端部。一个或多个发电机连接到可再充电电池组或超级电容器组并布置为对其充电。
63.一个或多个发电机的轴与发动机的曲轴成直线地联接，使得曲轴和发电机轴在跨曲轴的长度延伸的相同虚拟线性轴线上延伸。当连接多于一个发电机时，它们可以在相同的虚拟线性轴线上成直线地串联联接，从而形成一个长的连续关节轴。机电离合器可用于将发电机与连续关节轴联接或分离。
64.图3示出了可联接到至少一个发电机121和122的曲轴110；并且该联接在相同虚拟线性轴线a上串联成直线，从而形成一个长的连续关节轴。
65.替代性地，曲轴和发电机轴可以通过各种角度或平行布置的齿轮联接。
66.一个或多个发电机可再充电电池组或超级电容器组被布置为驱动电动机。
67.在另外的实施例中，发电机可被布置为转动发动机的曲轴以便使其起动，即，用作单缸体发动机的一个或多个起动电机。一个或多个电动发电机可以用作起动电机以在起动时转动发动机的曲轴。为了开始点火(如果安装了多于一个的电动发电机)，可以使用例如电子离合器来分离发动机起动过程不需要的所有发电机。
68.联接至曲轴的至少一端的一个或多个发电机被布置为实现曲轴的动态平衡。
69.发电机可以位于曲轴的前或后动力输出处。
70.一个或多个电动发电机的设计优选是具有回收到orc过程的高等级热量的油冷扁平设计或开关磁阻设计。
71.发动机负荷和动力生成可通过根据需要例如经由电子离合器切断或机械地分离一个或多个发电机来控制。
72.电动发电机将实现再生制动，其中回收的能量存储在超/超级电容器或电池组中。
73.ic和orc操作
74.根据功和负荷要求，ic部分和orc部分可同时操作，或者各个部分可单独地关闭。作为示例，ic部分是可操作的，并且orc部分可关闭，直到发动机和orc子系统达到所需的orc操作温度。同样，ic部分可关闭，并且orc部分将继续操作曲轴并对电池组充电，直到所有热量已从发动机中清除，并且所有热量已在orc流体和orc部分中耗尽。
75.因为ic部分和orc部分在相同的发动机缸体中，所以可根据发动机的类型和所需的功来构造ic和orc汽缸数量的组合。
76.本发明与新的定制的单缸体一起工作，并且改变标准ice发动机缸体的用途和修
改该缸体，其中，多个汽缸和活塞保持不被接触以便ic操作，并且其余汽缸和活塞被布置为由orc子系统驱动。
77.所提出的发明的原理可应用于具有两个或更多个汽缸且具有各种对齐方式(例如直列式、v形、w形、水平对置(boxer)、线性等)的任何发动机缸体。所提出的单缸体可以用于车辆发动机、卡车发动机、大型船舶、静态和轨道动力装置等。
78.为了更好地描述本发明，将描述如图2所示的采用6汽缸缸体的示例。
79.参考图1，图2的缸体已经被修改，使得汽缸1至汽缸4保持为ic汽缸，并且汽缸5和汽缸6被修改为由orc部分驱动。该布置在图3、图9、图10和图14中进一步示出。
80.ic汽缸和orc汽缸已经在该布置中作为示例并且为了便于参考以便传达本发明而示出。其它布置也是可能的，其中，ic汽缸可在orc汽缸前面，或者ic汽缸和orc汽缸均匀地或非均匀地互换。
81.在一些实施例中，为了增加从发动机提取的热量，orc汽缸被布置为优选地靠近水，冷却剂泵。
82.参考图1，单缸体100包括ic部分200和orc部分300。为了该示例的目的，缸体包括作为ic汽缸的汽缸1、汽缸2、汽缸3、汽缸4和作为orc汽缸的汽缸5和汽缸6。这些汽缸的相应活塞用相同的附图标记表示，即活塞1、活塞2等。
83.图2例示了可用于实现本发明的典型的ic发动机缸体100，并且图3示出了发动机的曲轴110。
84.参考图9和图10，本发明提出了一种单缸体往复式活塞发动机动力装置，包括：两个或更多个汽缸，各个汽缸在其中容纳有活塞(示出了具有6个汽缸(1、2、3、4、5和6)的示例，其中，汽缸1至汽缸4是ic部分汽缸，汽缸5和汽缸6是orc部分汽缸)；
85.内燃(ic)部分200，其控制活塞1至4中的至少一者的位移；以及有机朗肯循环(orc)部分，其控制活塞5和活塞6中的至少一者的位移；其中，ic活塞和orc活塞连接到单缸体发动机动力装置100的公共曲轴110并驱动该公共曲轴；以及
86.其中，有机朗肯循环通过由内燃部分中的燃烧生成的热量来操作，并且通过注入加热且加压的orc流体来实现orc部分中的活塞的位移。
87.参看ic部分200，燃烧燃料(例如氢h2)被注入汽缸1至汽缸4中。雾化水(下面和图11中更详细地描述)也注入ic汽缸中。
88.热量回收-从发动机的ic部分、从排出和egr以及从发动机冷却系统以及所清除热量回收热量。
89.回收的热量用于操作有机朗肯循环(orc)。参考图9和图10，来自热量回收的加热的orc流体收集在高压罐中。加热且加压的orc流体然后注入orc部分汽缸(5和6)中。orc流体注入活塞处于上止点的一个或多个汽缸中，并且注入的orc流体引起活塞在其中的完全向下位移。
90.图9例示了根据本发明的ic-orc单缸体发动机的过程和部件的实施例的详细视图，其中，orc入口是并联的，并且orc流体单独地注入到各个orc汽缸，并且orc活塞以单个膨胀级操作：注入-膨胀-提取到冷凝器，即每次orc流体注入orc汽缸中时活塞进行一次向下/下行冲程位移，然后orc流体在活塞的向上/上行冲程位移时排出到冷凝器中。
91.因此，在一个实施例中，加热且加压的orc流体从高压罐注入到orc部分汽缸中，从
而引起活塞在其中向下位移，并且在活塞向上位移时，orc流体排出到冷凝器中，以在orc循环中再循环。汽缸5和汽缸6的入口彼此独立，并且根据冲程正时注入orc流体。来自冷凝器的orc流体被泵送回到循环中以由egr冷却器(参见图7)和热量回收加热，然后送回到高压罐等中。
92.图10例示了根据本发明的ic-orc单缸体发动机的过程和部件的另一个实施例的详细图，其中orc入口串联和/或并联地具有增加量，其中，orc流体在orc汽缸之间串联地循环和转移，使得orc活塞在每次“新鲜的”orc流体注入时以多个膨胀级操作：例如，注入汽缸5中-使活塞5位移-排出orc流体并且转移注入汽缸6中-使活塞6位移-{将orc流体转移回汽缸5-重复n次}-然后排出到冷凝器，即，每次orc流体注入orc汽缸中时在汽缸中重复膨胀，直到控制器基于来自图4b所示的压力和温度传感器的数据认为orc流体压力和热量已经耗尽。
93.参考图10，orc汽缸中的orc循环可以是根据以下两个实施例中的一者：
94.加热且加压的orc流体从高压罐注入第一orc部分汽缸(5)中，从而引起第一活塞(活塞5)在其中向下位移；在第一活塞(5)向上位移时，orc流体从第一汽缸(5)排出：其中，如果orc流体压力和热量已降低到预定的第一阈值以下，则orc流体被认为是耗尽流体，并且排出到冷凝器中以在orc循环中再循环；如果没有，那么orc流体转移并注入第二orc部分汽缸(6)中，从而引起第二活塞(6)在其中向下位移；其中，orc流体因此在orc部分汽缸之间(5至6至5至
…
)连续地循环，直到被认为耗尽；并且其中，当耗尽的orc流体注入冷凝器中时，其被从高压罐注入一个汽缸中的加热且加压的orc流体替换。
95.控制器从热传感器和压力传感器(参见图4b)获取压力和热量数据，并且控制orc流体到过程中的下一个汽缸或到冷凝器的流动。
96.在另一实施例中，加热且加压的orc流体从高压罐注入第一orc部分汽缸5中，从而引起第一活塞5在其中向下位移；在第一活塞5向上位移时，orc流体从第一汽缸排出：其中，如果orc流体压力和热量高于预定的第二阈值，则orc流体转移并注入第二orc部分汽缸6中，从而引起第二活塞6在其中向下位移；如果没有，那么orc流体的一部分排出到冷凝器中以在orc循环中再循环，并且该部分被来自高压罐的加热且加压的orc流体替换；所得到的混合orc流体然后注入第二orc部分汽缸6中，从而引起第二活塞6在其中向下位移；并且其中，orc流体因此在orc部分汽缸之间连续地混合和再循环。
97.图12示出了ic汽缸和orc汽缸的入口和出口的示意图。更具体地，在ic部分200中示出了ic汽缸4，其具有一起被标记为241的燃烧燃料注入器-入口阀、雾化水注入阀240和排出阀244。
98.在orc部分300中示出了orc汽缸5，其具有orc流体入口阀351、到下一orc汽缸353的循环出口流体阀(例如，当orc流体转移到orc汽缸6时)以及到冷凝器的出口流体阀354。
99.图13示出了根据图10的实施例的orc部分300中的两个orc汽缸5和6的入口和出口以及orc流体路径的示意图。
100.汽缸5包括orc流体入口阀351，并且汽缸6包括orc流体入口阀361，这两者均可从高压罐和/或另一个orc汽缸的循环orc流体阀/出口接收orc流体。例如，到汽缸6的下一个orc汽缸363的循环出口流体阀将orc流体转移到汽缸5中。例如，到汽缸5的下一个orc汽缸353的循环出口流体阀将orc流体转移到汽缸6中。如果多于两个的orc汽缸可用，那么流体
的循环由orc循环流体控制器控制，并且还取决于orc汽缸的冲程循环。
101.图13还示出了到汽缸5的冷凝器354的出口流体阀和到汽缸6的冷凝器364的出口流体阀。
102.orc汽缸
103.参考图4，修改的orc汽缸将保持与每个ic汽缸相同的构造。可以改变汽缸盖以适应这些变化。ic燃料入口阀修改成orc流体入口；ic排出阀变成orc流体出口。如图5所示的完全可变阀致动(fvva)可用作orc流体入口和出口/阀。
104.旧的注入器开口可被修改为容纳压力和热传感器，以测量汽缸内部的orc流体的压力和热量。标准活塞可操作用于orc，但优选地orc部分活塞将为凹形的。
105.如图10和图11所示，取决于每个orc汽缸多达两个的应用，加热的orc流体被收集并保持在高压罐中，直到经由一个或多个标准的完全可变阀注入orc部分汽缸中。一旦注入，orc流体膨胀，从而在活塞上施加动力，该动力沿着汽缸向下驱动活塞至bdc。曲轴和连杆的动作然后将驱动活塞回到tdc。然后，取决于余热和压力，耗尽或半耗尽的orc流体可以注入第二orc汽缸中。该过程将在两个orc汽缸之间继续，直到所有有用能量都已被使用。orc流体然后经由一个或多个出口阀返回到冷凝器。
106.参考图3和图6，orc活塞被布置为一个在上止点(tdc)处，而另一个在下止点(bdc)处。这使得在第一活塞下行冲程中从tdc到bdc的orc膨胀提取最大功，并且另一活塞处于相反的峰值，使得在汽缸之间的流体转移中提取最大功。
107.作为示例，ic机的汽缸体在正常操作条件下维持在70摄氏度以下，即，随着活塞的下行冲程而产生的流体的膨胀增大体积并减小第一汽缸中的压力。这种膨胀是吸热的。因此，由orc在第一活塞上做功。在第一活塞的上行冲程时，略微减压的orc流体转移到相邻的第二汽缸。在第二活塞的下行冲程时，如果orc流体仍高于设定的压力和温度阈值，则其被转移回第一汽缸。如果流体低于阈值，则其被排出到冷凝器中，并且第一活塞的入口阀打开，以接收新的orc流体，从而提取更多的功。当所有有用的机械功被提取时，转向阀将流体引导到冷凝器。控制器可基于orc流体的剩余压力来致动三通阀，即将流体倾泄到冷凝器，或者将高压orc重新充入第一汽缸。完全独立的可变阀系统允许这种灵活性。该过程是迭代的。
108.orc部分加热合适的orc有机流体，例如乙醇或甲醇或“混合”替代品。作为示例，当使用乙醇时，在常温和常压(ntp)、20℃的温度和1atm(101.325kpa)的绝对压力下，乙醇的沸点约为70℃。汽缸体温度将为+/-70℃。因此预期显著的吸热反应。这将优化机械功的潜力，并且耗尽的orc流体在返回到冷凝器时变得接近其液态。取决于应用和动力输出，orc系统的最大温度估计为+/-500℃。
109.在一个实施例中，侧向动作的液压或气动弹簧设计的入口阀和排出阀允许阀室包围最终orc排出阀以完成orc循环。取决于应用，可使用每个orc汽缸多达2个阀。这些动作可以是水平、侧向动作。orc流体的状况将确定可能的orc膨胀(流体从一个汽缸转移到另一个汽缸)的次数。在其它实施例中，也可以采用机电阀。
110.所有的汽缸(ice和orc)都优选地安装有湿衬里，以使得能够灵活地控制汽缸的立方容积。
111.具有ic汽缸的机械架构和在同一单缸体内将汽缸用作orc膨胀器是独特的。
112.发动机的概述
113.通过结合以下内容来优化效率：
114.·
通过将曲轴直接连接到一个或多个优选扁平设计的ecdc电机/发电机来维持稳态动力单元每分钟转数。其它电气或轴动力生成装置也是可以应用的；
115.·
将汽缸体“分割”成四个“燃烧汽缸”四冲程构造，其中剩余的两个汽缸利用从子系统和废气回收的所有显热由“两冲程动作”有机朗肯循环设计提供动力。优选地，orc流体将为甲醇或乙醇，但也可采用其它低或零臭氧消耗的替代品；
116.·
orc汽缸可作为单级、两级或三级膨胀器操作，这取决于orc流体的温度/压力状况。这通过快速动作的多路(优选)入口阀和排出阀操作跨过两个汽缸和有机流体排出来实现；
117.·
在具有1-5-3-6-2-4的点火顺序的六汽缸缸体的示例中，汽缸5和汽缸6将优选地专用于orc系统，其中汽缸1、汽缸3、汽缸4和汽缸2在氢燃料的四冲程压燃下操作。
118.·
优选地，pem技术应被并入在燃烧空气入口中以使供应到ice单元的氧气富集，从而减少惰性nox气体。
119.·
浪涌电池系统将收获过剩的动力(例如汽车应用中的再生制动、过剩的发电容量)，并且从而被存储以满足高负荷条件，例如爬坡和初始起动条件；
120.·
四个燃烧汽缸应具有以下特征：
121.ο火花辅助压缩点火系统，优选地为马勒(mahler)型；
122.ο完全可变的独立控制的入口阀和排出阀，以便于可变的压缩，并且还避免不必要的“泵送损失”；
123.ο优选地，涡轮增压或机械增压，以增加感应增压；
124.ο应用歧管水注入(内部冷却器效应)连同直接(汽缸内)水注入(从来自废气的冷凝的过滤水收获)以实现感应冷却，避免汽缸热点，产生高度湍流的燃料空气混合；通过控制最大燃烧气体温度来最小化nox形成，并且产生闪蒸蒸汽以增加汽缸动力输出，如图7所示；
125.ο应用积极点火正时以优化效率和动力；
126.ο当不需要动力时能够“断开”单个汽缸，从而减少泵送损失；
127.ο避免与凸轮轴驱动系统相关联的动力损失；单独的起动电机、单独的交流发电机、高压燃料泵(如在柴油机中)和最小化的散热器风扇冷却动力需求。
128.·
发动机使用废气再循环(egr)的温度和体积控制，如图8所示。这将防止提前点火和“热点”预燃烧，并且可以预期，由于egr气体将被部分地预冷却，ice单元的总燃烧效率将增加，同时确保接近零nox排放。
129.除了其它辅助方法之外，使用氢作为燃料，所提出的发明具有在64％至72％范围内的潜在mbhp效率。颗粒排放将几乎为零。nox排放水平将可忽略不计。一氧化碳和二氧化碳排放将为零。臭氧消耗排放将低于或接近低于可测量水平。预期润滑油仅有微不足道的排放物。
130.所提出的动力系统可以以比燃料电池更低的成本制造，并且效率将与当前的燃料电池系统类似或更好；
131.所提出的动力系统可以以比大型电池系统更小的成本制造。寿命周期维护成本将
低于任一替代方案，并且再使用/再循环将具有显著更低的成本。此外，所提出的发明将有助于发动机缸体的回收和整修，然后发动机缸体将能够产生更清洁的动力并驱动发电机、卡车、车辆、船舶等。
132.单缸体可以是新的定制单缸体，或者其是改变用途的标准ic发动机缸体，其中，多个汽缸和活塞保持完整以用于ic操作，并且其余汽缸和活塞被布置为由orc部分汽缸内的orc流体驱动。
133.有机朗肯循环可以从发动机单缸体、废热和/或发动机冷却系统中的一者或组合回收热量。有机朗肯循环回收利用一种有机orc流体或具有两个不同温度操作范围的两种有机orc流体或被布置为以两个或更多个不同温度操作范围操作的单个混合orc流体；当利用被布置为以两个或更多个不同温度操作范围操作的混合物或两种orc流体时，第一范围被配置为以从高温回收的发动机热量(例如废热)操作，并且第二范围被配置为以从冷却剂和一般的清除热量回收来回收的发动机热量操作。
134.下面提供关于发动机的过程的另外细节。
135.氢燃烧过程
136.在ic部分使用氢作为燃料的一个优选实施例中，可以进一步使用下面的特征。
137.微量的氢注入压燃式发动机内的火花辅助系统，优选地为马勒(mahler)tm系统。
138.氢燃料根据动力需要(即，贫乏的或化学计量的)在从3000000帕斯卡到10000000帕斯卡的高压下注入。
139.氢注入器可以是单个的，但是在优选实施例中，氢注入器可以分叉，以最大化氢与增压空气气体的混合，如图11所示。
140.通过打开和关闭氢供应阀确定更大的注入压力范围。经由ecu由动力需求确定正时控制。
141.动力需求由ecu规定。同样，经由sssi/ecu完成废气温度监测：
142.i)超滤水(来自egr)紧接在汽缸内的燃烧温度达到将形成nox的时刻之前的时刻注入汽缸盖，如图11所示。
143.ii)雾化水注入经由两个角度在5至12度之间的超细喷嘴进行，如图11所示，这取决于汽缸直径和冲程。
144.iii)水注入防止了汽缸和排出阀内“热点”的风险，以避免提前点火。
145.iv)该过程将有助于“闪蒸蒸汽(flash-steam)”过程增加来自各个ice汽缸的动力输出。
146.v)注入的水将被定时为紧接在达到nox阈值温度之前达到峰值ice汽缸温度区域。
147.在以氢为燃料的发动机中集成水注入、闪蒸蒸汽和高级燃烧控制在本领域中是未知的。
148.将组合的氢和水注入汽缸盖中是独特的构造。
149.再次参考图11，氢注入分布可以是标准的单一形式的注入器或优选地是分叉的注入器。氢注入器分叉的目的是优化增压空气和氢的快速分配，以实现汽缸中的均匀可燃混合物。
150.现有的发动机缸体、连杆、曲轴、活塞设计和润滑被如下所述地修改：
151.·
加强的连杆；
152.·
避免不相容的金属；
153.·
加强的曲轴(如果需要)；
154.·
由ptfe或类似化合物制造的orc活塞环；
155.·
将ws2和ms2固体润滑剂包括到发动机油中(减少磨损和降低摩擦损失)以特别解决“干”燃料的影响；
156.·
根据/如果需要改进的活塞；
157.·
重新设计的汽缸盖，其适应完全独立的可变阀和致动器的设计的变化；
158.·
活塞优选地是凹形的。
159.当改变标准ice发动机缸体的用途和修改标准ice发动机缸体时，汽缸盖需要如下所述的一些修改：
160.阀座将需要加工为容纳阀，并且需要特殊的金属涂层。根据应用，一个或两个入口阀和一个或两个排出阀将并入到各个汽缸。
161.汽缸盖和阀装置将被修改。用于ic和orc汽缸的阀座将需要修改以接受完全可变的燃料和完全可变的orc流体注入和排出阀和致动器。
162.与标准的垂直(提升)阀相反，该修改将便于装配如图5所示的完全可变的水平阀fvva。
163.缸体和底壳-到ca入口的正排放底壳；对sssi/ecu的正底壳压力监测；以及尽可能实用的外部绝热汽缸体。
164.排出歧管-双壳构造，其保持热量并在壳之间绝热；如图7所示，监测注水过程的废气温度。
165.曲轴-在某些取决于最大动力输出的条件下，将需要曲轴的冶金硬化和涂布；曲轴将被加工为允许前后动力输出；曲轴轴承将由抵抗来自可能存在于缸体底部内的任何氢的降解的材料制成。
166.连杆-将被冶金处理和加强以承受氢燃料和更大的动力传递；连杆轴承将由抵抗来自可能存在于缸体的底部内的任何氢的降解的材料制成。

技术特征：
1.一种单缸体往复式活塞发动机动力装置，包括：两个或更多个汽缸，各个汽缸在其中容纳有活塞；内燃(ic)部分，其控制至少一个所述活塞的位移；有机朗肯循环(orc)部分，其控制至少一个所述活塞的位移；其中，ic活塞和orc活塞连接到所述单缸体发动机动力装置的公共曲轴并驱动所述公共曲轴；并且其中，所述有机朗肯循环通过由所述内燃部分中的燃烧生成的热量来操作，并且通过注入加热且加压的orc流体来实现所述orc部分中的所述活塞的位移。2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述单缸体发动机联接到一个或多个发电机。3.根据权利要求2所述的发动机，其中，所述一个或多个发电机被布置为对可再充电电池组或超级电容器组充电。4.根据权利要求2或3所述的发动机，其中，所述一个或多个发电机被布置为转动所述发动机的曲轴以便使其起动，即，用作所述单缸体发动机的一个或多个起动电机。5.根据权利要求2至4中任一项所述的发动机，其中，所述一个或多个发电机的轴与所述发动机的所述曲轴成直线地联接，使得所述曲轴和所述发电机的轴在跨所述曲轴的长度延伸的相同虚拟线性轴线上延伸。6.根据权利要求5所述的发动机，其中，所述曲轴的至少一端联接到一个或多个发电机。7.根据权利要求6所述的发动机，其中，联接至所述曲轴的所述至少一端的所述一个或多个发电机被布置为实现所述曲轴的动态平衡。8.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其中，所述加热且加压的orc流体从高压罐注入到orc部分汽缸中，从而引起所述活塞在其中向下位移，并且在活所述活塞向上位移时，所述orc流体排出到冷凝器中，以在orc循环中再循环。9.根据权利要求1至7中任一项所述的发动机，其中，所述加热且加压的orc流体从高压罐注入到第一orc部分汽缸中，从而引起第一活塞在其中向下位移；在所述第一活塞向上位移时，所述orc流体从第一汽缸排出：其中，如果orc流体压力和热量已降低到预定的第一阈值以下，则认为所述orc流体是耗尽流体，并且排出到冷凝器中以在所述orc循环中再循环；如果没有降低到所述预定的第一阈值以下，则所述orc流体转移并注入到第二orc部分汽缸中，从而引起第二活塞在其中向下位移；其中，所述orc流体因此在所述orc部分汽缸之间连续地循环，直到被认为耗尽；并且其中，当耗尽的orc流体排出到所述冷凝器中时，所述耗尽的orc流体被从所述高压罐注入到一个所述汽缸中的加热且加压的orc流体替换。10.根据权利要求1至7中任一项所述的发动机，其中，所述加热且加压的orc流体从高压罐注入到第一orc部分汽缸中，从而引起第一活塞在其中向下位移；在所述第一活塞向上位移时，所述orc流体从第一汽缸排出：其中，如果所述orc流体压力和热量高于预定的第二阈值，则所述orc流体转移并注入
到第二orc部分汽缸中，从而引起第二活塞在其中向下位移；如果没有高于所述预定的第二阈值，则所述orc流体的一部分注入到冷凝器中，以在所述orc循环中再循环，并且所述部分被来自所述高压罐的加热且加压的orc流体替换；所得到的混合orc流体随后注入到第二orc部分汽缸中，从而引起第二活塞在其中向下位移；并且其中，所述orc流体因此在所述orc部分汽缸之间连续地混合和再循环。11.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其中，所述单缸体是新的定制单缸体，或者其是改变用途的标准ic发动机缸体，其中，多个所述汽缸和所述活塞保持完整以用于ic操作，并且其余汽缸和活塞被布置为由所述orc部分汽缸内的所述orc流体驱动。12.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其中，所述有机朗肯循环从所述发动机单缸体、废热和/或发动机冷却系统中的一者或其组合回收热量。13.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其中，所述有机朗肯循环回收利用一种有机orc流体、或具有两个不同温度操作范围的两种有机orc流体、或布置为以两个或更多个不同温度操作范围操作的单个混合orc流体。14.根据权利要求13所述的发动机，其中，当利用被布置为以两个或更多个不同温度操作范围操作的混合物或两种orc流体时，第一范围被配置为以从高温回收的发动机热量(例如废热)操作，并且第二范围被配置为以从冷却剂和一般清除热量回收来回收的发动机热量操作。15.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其中，所述汽缸具有湿衬里，以能够灵活地控制汽缸的立方容积。16.一种用于利用根据权利要求2至15所述的发动机来发电的系统。17.一种用于利用根据权利要求2至15所述的发动机来发电的方法。

技术总结
公开了用于生成动力的装置、系统和方法，其利用具有减少的或零有害排放的新型单缸体往复式活塞发动机。单缸体包括复合内燃(IC)部分和有机朗肯循环(ORC)部分。单缸体发动机包括：两个或更多个汽缸，各个汽缸在其中容纳有活塞；复合内燃(IC)部分，其控制至少一个活塞的位移；以及有机朗肯循环(ORC)部分，其控制至少一个活塞的位移；其中，IC活塞和ORC活塞连接到单缸体发动机动力装置的公共曲轴并驱动该公共曲轴；并且其中，有机朗肯循环通过由内燃部分中的燃烧生成的热量来操作，并且通过注入加热且加压的ORC流体来实现ORC部分中的活塞的位移。的位移。的位移。


技术研发人员：克里斯托弗
受保护的技术使用者：CAE（IP）有限公司
技术研发日：2021.08.30
技术公布日：2023/7/4