JPH11247714A - 遊星歯車を用いてディスプレーサを駆動するスターリン グサイクル機関 - Google Patents
遊星歯車を用いてディスプレーサを駆動するスターリン グサイクル機関Info
- Publication number
- JPH11247714A JPH11247714A JP9058298A JP9058298A JPH11247714A JP H11247714 A JPH11247714 A JP H11247714A JP 9058298 A JP9058298 A JP 9058298A JP 9058298 A JP9058298 A JP 9058298A JP H11247714 A JPH11247714 A JP H11247714A
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- JP
- Japan
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- displacer
- gear
- planetary gear
- power piston
- shaft
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G2243/00—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
- F02G2243/30—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders
Landscapes
- Retarders (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 パワーピストンとディスプレーサを異な
るシリンダ内で動かすタイプのスターリングエンジンあ
るいはスターリング冷凍機・ヒートポンプにおいて,デ
ィスプレーサを駆動するの際,遊星歯車に偏心させて取
り付けた軸を用いることで,パワーピストンの上死点・
下死点付近のディスプレーサの速さを増加させ,再生熱
量を増大させること.また,膨張・圧縮行程において,
ディスプレーサを動力軸回転速度より速い振動数で揺動
させることで,シリンダ内の作動ガスをヒータやクーラ
に繰り返し導き入れ,熱交換を増進させること. 【構成】 太陽歯車(4)の歯数と遊星歯車(5)
の歯数の比が2:1で内歯歯車(3)を固定した歯車系
で,太陽歯車を動力軸(7)の3倍の速度で回転させ
る.その際,遊星歯車の1つに取り付けた偏心軸(2)
の回転運動を利用してディスプレーサを往復運動させ
る.このとき,ディスプレーサとパワーピストンの位相
差を90°にとって,スターリングサイクルを構成させ
る.
るシリンダ内で動かすタイプのスターリングエンジンあ
るいはスターリング冷凍機・ヒートポンプにおいて,デ
ィスプレーサを駆動するの際,遊星歯車に偏心させて取
り付けた軸を用いることで,パワーピストンの上死点・
下死点付近のディスプレーサの速さを増加させ,再生熱
量を増大させること.また,膨張・圧縮行程において,
ディスプレーサを動力軸回転速度より速い振動数で揺動
させることで,シリンダ内の作動ガスをヒータやクーラ
に繰り返し導き入れ,熱交換を増進させること. 【構成】 太陽歯車(4)の歯数と遊星歯車(5)
の歯数の比が2:1で内歯歯車(3)を固定した歯車系
で,太陽歯車を動力軸(7)の3倍の速度で回転させ
る.その際,遊星歯車の1つに取り付けた偏心軸(2)
の回転運動を利用してディスプレーサを往復運動させ
る.このとき,ディスプレーサとパワーピストンの位相
差を90°にとって,スターリングサイクルを構成させ
る.
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】スターリングエンジンは,近年漸
く実用に供する事ができるようになった新型の原動機で
あって,原理的には極めて高い熱効率が期待できるエン
ジンである.比較的低い温度の熱源を利用するのに向い
ているので,ディーゼルエンジンとの複合機関や小規模
のコ・ジェネレーションシステムに応用可能である.ス
ターリング冷凍機は主に極低温(液体ヘリウム温度程
度)を作るのに使われているが,フロン規制によって通
常の冷凍機・冷暖房装置への応用も期待されている. 【0002】 【従来の技術】現在作られているスターリングサイクル
機関は,高温部・低温部の作動ガスの体積を正弦的また
はそれに近い形で変化させるものに限られている.その
場合,スターリングサイクルの等温圧縮・等積加熱・等
温膨張・等積冷却の4つの基本行程は,明確なものとは
ならない.そのため,熱伝達が十分に行われていると仮
定しても,1サイクル当りの出力が理想値の75%程度
しか得られない. 【0003】 【発明が解決しようとする課題】スターリングサイクル
の,等温圧縮・等積加熱・等温膨張・等積冷却の4つの
基本行程が理想的に行われる場合,1サイクル当たりに
取り出せる仕事は最大になる.しかし実際の動作では,
パワーピストンとディスプレーサを滑らかに動かさねば
ならないので,理想出力よりいくぶん小さくなってしま
う.しかし,従来行われているように,正弦波状または
それに近い形で動かすのでは,得られるべき出力を必要
以上に削ってしまう.同径で別個の高温・低温シリンダ
を使用するタイプと1つのシリンダ内でパワーピストン
とディスプレーサを動かすタイプでは,等積加熱(エン
ジンの場合)以外の行程でロスが大きい.パワーピスト
ンとディスプレーサを異なる径のシリンダ内で動かすタ
イプでは,圧縮行程(エンジンの場合)以外でロスが大
きい.本発明は,4つの基本サイクルの中間的な変化を
する位相幅を極力減少させて,熱効率の向上と体積当た
りの出力の向上を狙っている. 【0004】 【課題を解決するための手段】本発明は,パワーピスト
ンとディスプレーサを異なるシリンダ内で動かすタイプ
のスターリングサイクル機関に適用可能な技術である.
ディスプレーサに作用する圧力はほぼ釣り合っていて駆
動力はさほど大きくないから,この波形を工夫してより
理想に近付けることができる.工夫すべき点は,パワー
ピストンの上死点・下死点付近でディスプレーサをすば
やく動かして等積変化での作動ガス平均温度の変化を大
きくすること,圧縮・膨張の際のディスプレーサの動き
を極力抑えることである. 【0005】駆動波形を前述のようにするために,ディ
スプレーサの駆動波形に3倍高調波を加えて,波形の山
と谷の部分を平坦にし,平均値を横切る点での勾配を急
にする.すなわち,α1cosφ(ψ:位相)の波形に
3倍高調波−α3cos3φを加える.α1/α3=1
/6 になり,山と谷では,位相ほぼ90゜にわたってディス
プレーサの動きがストロークの2%に抑えられる. 【0006】具体的には,太陽歯車の歯数と遊星歯車の
歯数の比が2:1の内歯車固定の遊星歯車を設置する.
この比の遊星歯車では,遊星歯車の周回角速度・自転の
角速度は,太陽歯車の角速度のそれぞれ1/3倍・1倍
なので,太陽歯車を動力軸(パワーピストンのクランク
軸)の3倍の角速度で回転させれば,遊星歯車の中心は
一定の半径(α1)で動力軸と等しい角速度で回転する
一方,遊星歯車の自転角速度はこの3倍になる.そこ
で,1つの遊星歯車にα3だけ偏心した偏心軸を取り付
けると,この軸の位置は,前述のような3倍高調波が加
わった波形で変化するので,この軸に連接棒を接続する
などしてディスプレーサを駆動する.α1/α3=1/
6の場合,偏心軸の軌道は,図2で示されるようにな
る.なお,回転運動を直線往復運動に変換する機構は,
上述のクランク−ピストン機構に類する機構のほか,周
知のいくつかの方法が利用可能である. 【0007】 【作用】エンジンにおける1サイクル当りの出力仕事
は,圧力−体積線図上で状態変化をつないでできた閉曲
線が囲む面積で表すことができる.理想サイクル・従来
の方法・本発明による方法の相違を,熱伝達が十分に行
われた場合に対して,図3に示す.ディスプレーサを正
弦波形で駆動した場合は細実線で表され,破線で表され
た理想的なサイクルに比べ75%程度でしかない.これ
に対して本発明による方法では,α1/α3=1/6の
とき,太実線で表され,理想の90%程度まで出力を向
上させることができる.実際の機関の出力は,摩擦等の
損失により圧力−体積線図で示される値よりも小さくな
るが,減少の程度はディスプレーサの駆動波形にはさほ
ど影響を受けないので,実出力は30〜40%向上する
ことが見込まれる. 【0008】本発明によるディスプレーサの駆動方法で
は,動力軸回転速度の3倍の周波数でディスプレーサを
揺動させることになる.通常,シリンダ内にある作動ガ
スを加熱・冷却することは難しいが,この揺動によって
シリンダ内の作動ガスをヒータやクーラ内に送り込み,
熱交換を増進させることができる.特に,ピストン−ク
ランク機構に類する駆動方法をとる場合のように,駆動
波形が上下対称とならない場合には,圧縮時に比べて交
換熱量が多い膨張時に揺動がより大きくなるように偏心
軸の位置を調整して,より理想的なサイクルを実現する
ことができる. 【0009】 【実施例】実施例を図4に示す.遊星歯車によるディス
プレーサ駆動機構,パワーピストンの回転を3倍に増速
する機構からなる.ディスプレーサの駆動に使われる遊
星歯車とパワーピストンの位相差を90゜にとり,偏心
軸がディスプレーサの上死点・下死点で内側に振れるよ
うに遊星歯車の位相を設定する. 【0010】エンジンの場合の動作は,以下のとおりで
ある.圧縮行程の間,ディスプレーサは加熱器側に十分
寄ったところでほとんど動かず,主に低温部にある作動
ガスが圧縮される.パワーピストンが上死点付近にある
とき,ディスプレーサが加熱器側から冷却器側に大きく
動いて,作動ガスを再生器を通って高温側に送り出す.
このとき再生器に蓄えられていた熱量が作動ガスに与え
られ,作動ガスの平均温度すなわち圧力が上昇する.パ
ワーピストンが膨張行程にある間,ディスプレーサは冷
却器側に十分寄った位置でほとんど動かず,主に高温部
にある作動ガスが膨張して仕事を発生する.パワーピス
トンが下死点付近にあるとき,ディスプレーサは冷却器
側から加熱器側へ大きく動いて,作動ガスを高温部から
低温部に移動させる.このとき再生器内の蓄熱材に熱量
を蓄える.等積加熱・冷却で十分に再生・蓄熱が行われ
るためには,パワーピストンが上死点・下死点付近にあ
る時により多くの作動ガスを高温部と低温部の間で移動
させる必要がある.本発明による作動ガスの移動体積
は,図2に示すように,上死点・下死点をはさむ位相6
0゜の間で行程容積の77%である.これは,正弦波で
ディスプレーサを動かした場合の50%に比べて大幅に
改善されている. 【0011】 【発明の効果】1サイクル当たりの出力仕事が増加する
ので,摩擦等による機械損失の割合が減少して,機関体
積当りの出力や熱効率が格段に向上する.スターリング
サイクル機関は,元来,内燃機関や蒸気圧縮冷凍機に比
べて製造コストが高い欠点がある.しかし,熱効率を十
分高くできれば,エンジンにおける燃料節約や冷凍機に
おける高い動作係数(COP)のメリットがそれに勝っ
て,経済的にも十分に利用価値の高いエンジンや冷凍機
になる.特に,本発明が対象としている,パワーピスト
ンとディスプレーサを異なる径のシリンダ内で動かすタ
イプのスターリングサイクル機関では,ディスプレーサ
の行程容積をパワーピストンのそれに比べて大きくとる
ことで,パワーピストンによる圧縮・膨張の際の作動ガ
スの温度上昇・下降を低減し,等温行程をより理想的に
実現することが可能である.したがって,本発明により
等積変化が理想に近づけば,本来の高い熱効率のメリッ
トを生かしたエンジンや冷凍機が実用化されることが期
待できる.
く実用に供する事ができるようになった新型の原動機で
あって,原理的には極めて高い熱効率が期待できるエン
ジンである.比較的低い温度の熱源を利用するのに向い
ているので,ディーゼルエンジンとの複合機関や小規模
のコ・ジェネレーションシステムに応用可能である.ス
ターリング冷凍機は主に極低温(液体ヘリウム温度程
度)を作るのに使われているが,フロン規制によって通
常の冷凍機・冷暖房装置への応用も期待されている. 【0002】 【従来の技術】現在作られているスターリングサイクル
機関は,高温部・低温部の作動ガスの体積を正弦的また
はそれに近い形で変化させるものに限られている.その
場合,スターリングサイクルの等温圧縮・等積加熱・等
温膨張・等積冷却の4つの基本行程は,明確なものとは
ならない.そのため,熱伝達が十分に行われていると仮
定しても,1サイクル当りの出力が理想値の75%程度
しか得られない. 【0003】 【発明が解決しようとする課題】スターリングサイクル
の,等温圧縮・等積加熱・等温膨張・等積冷却の4つの
基本行程が理想的に行われる場合,1サイクル当たりに
取り出せる仕事は最大になる.しかし実際の動作では,
パワーピストンとディスプレーサを滑らかに動かさねば
ならないので,理想出力よりいくぶん小さくなってしま
う.しかし,従来行われているように,正弦波状または
それに近い形で動かすのでは,得られるべき出力を必要
以上に削ってしまう.同径で別個の高温・低温シリンダ
を使用するタイプと1つのシリンダ内でパワーピストン
とディスプレーサを動かすタイプでは,等積加熱(エン
ジンの場合)以外の行程でロスが大きい.パワーピスト
ンとディスプレーサを異なる径のシリンダ内で動かすタ
イプでは,圧縮行程(エンジンの場合)以外でロスが大
きい.本発明は,4つの基本サイクルの中間的な変化を
する位相幅を極力減少させて,熱効率の向上と体積当た
りの出力の向上を狙っている. 【0004】 【課題を解決するための手段】本発明は,パワーピスト
ンとディスプレーサを異なるシリンダ内で動かすタイプ
のスターリングサイクル機関に適用可能な技術である.
ディスプレーサに作用する圧力はほぼ釣り合っていて駆
動力はさほど大きくないから,この波形を工夫してより
理想に近付けることができる.工夫すべき点は,パワー
ピストンの上死点・下死点付近でディスプレーサをすば
やく動かして等積変化での作動ガス平均温度の変化を大
きくすること,圧縮・膨張の際のディスプレーサの動き
を極力抑えることである. 【0005】駆動波形を前述のようにするために,ディ
スプレーサの駆動波形に3倍高調波を加えて,波形の山
と谷の部分を平坦にし,平均値を横切る点での勾配を急
にする.すなわち,α1cosφ(ψ:位相)の波形に
3倍高調波−α3cos3φを加える.α1/α3=1
/6 になり,山と谷では,位相ほぼ90゜にわたってディス
プレーサの動きがストロークの2%に抑えられる. 【0006】具体的には,太陽歯車の歯数と遊星歯車の
歯数の比が2:1の内歯車固定の遊星歯車を設置する.
この比の遊星歯車では,遊星歯車の周回角速度・自転の
角速度は,太陽歯車の角速度のそれぞれ1/3倍・1倍
なので,太陽歯車を動力軸(パワーピストンのクランク
軸)の3倍の角速度で回転させれば,遊星歯車の中心は
一定の半径(α1)で動力軸と等しい角速度で回転する
一方,遊星歯車の自転角速度はこの3倍になる.そこ
で,1つの遊星歯車にα3だけ偏心した偏心軸を取り付
けると,この軸の位置は,前述のような3倍高調波が加
わった波形で変化するので,この軸に連接棒を接続する
などしてディスプレーサを駆動する.α1/α3=1/
6の場合,偏心軸の軌道は,図2で示されるようにな
る.なお,回転運動を直線往復運動に変換する機構は,
上述のクランク−ピストン機構に類する機構のほか,周
知のいくつかの方法が利用可能である. 【0007】 【作用】エンジンにおける1サイクル当りの出力仕事
は,圧力−体積線図上で状態変化をつないでできた閉曲
線が囲む面積で表すことができる.理想サイクル・従来
の方法・本発明による方法の相違を,熱伝達が十分に行
われた場合に対して,図3に示す.ディスプレーサを正
弦波形で駆動した場合は細実線で表され,破線で表され
た理想的なサイクルに比べ75%程度でしかない.これ
に対して本発明による方法では,α1/α3=1/6の
とき,太実線で表され,理想の90%程度まで出力を向
上させることができる.実際の機関の出力は,摩擦等の
損失により圧力−体積線図で示される値よりも小さくな
るが,減少の程度はディスプレーサの駆動波形にはさほ
ど影響を受けないので,実出力は30〜40%向上する
ことが見込まれる. 【0008】本発明によるディスプレーサの駆動方法で
は,動力軸回転速度の3倍の周波数でディスプレーサを
揺動させることになる.通常,シリンダ内にある作動ガ
スを加熱・冷却することは難しいが,この揺動によって
シリンダ内の作動ガスをヒータやクーラ内に送り込み,
熱交換を増進させることができる.特に,ピストン−ク
ランク機構に類する駆動方法をとる場合のように,駆動
波形が上下対称とならない場合には,圧縮時に比べて交
換熱量が多い膨張時に揺動がより大きくなるように偏心
軸の位置を調整して,より理想的なサイクルを実現する
ことができる. 【0009】 【実施例】実施例を図4に示す.遊星歯車によるディス
プレーサ駆動機構,パワーピストンの回転を3倍に増速
する機構からなる.ディスプレーサの駆動に使われる遊
星歯車とパワーピストンの位相差を90゜にとり,偏心
軸がディスプレーサの上死点・下死点で内側に振れるよ
うに遊星歯車の位相を設定する. 【0010】エンジンの場合の動作は,以下のとおりで
ある.圧縮行程の間,ディスプレーサは加熱器側に十分
寄ったところでほとんど動かず,主に低温部にある作動
ガスが圧縮される.パワーピストンが上死点付近にある
とき,ディスプレーサが加熱器側から冷却器側に大きく
動いて,作動ガスを再生器を通って高温側に送り出す.
このとき再生器に蓄えられていた熱量が作動ガスに与え
られ,作動ガスの平均温度すなわち圧力が上昇する.パ
ワーピストンが膨張行程にある間,ディスプレーサは冷
却器側に十分寄った位置でほとんど動かず,主に高温部
にある作動ガスが膨張して仕事を発生する.パワーピス
トンが下死点付近にあるとき,ディスプレーサは冷却器
側から加熱器側へ大きく動いて,作動ガスを高温部から
低温部に移動させる.このとき再生器内の蓄熱材に熱量
を蓄える.等積加熱・冷却で十分に再生・蓄熱が行われ
るためには,パワーピストンが上死点・下死点付近にあ
る時により多くの作動ガスを高温部と低温部の間で移動
させる必要がある.本発明による作動ガスの移動体積
は,図2に示すように,上死点・下死点をはさむ位相6
0゜の間で行程容積の77%である.これは,正弦波で
ディスプレーサを動かした場合の50%に比べて大幅に
改善されている. 【0011】 【発明の効果】1サイクル当たりの出力仕事が増加する
ので,摩擦等による機械損失の割合が減少して,機関体
積当りの出力や熱効率が格段に向上する.スターリング
サイクル機関は,元来,内燃機関や蒸気圧縮冷凍機に比
べて製造コストが高い欠点がある.しかし,熱効率を十
分高くできれば,エンジンにおける燃料節約や冷凍機に
おける高い動作係数(COP)のメリットがそれに勝っ
て,経済的にも十分に利用価値の高いエンジンや冷凍機
になる.特に,本発明が対象としている,パワーピスト
ンとディスプレーサを異なる径のシリンダ内で動かすタ
イプのスターリングサイクル機関では,ディスプレーサ
の行程容積をパワーピストンのそれに比べて大きくとる
ことで,パワーピストンによる圧縮・膨張の際の作動ガ
スの温度上昇・下降を低減し,等温行程をより理想的に
実現することが可能である.したがって,本発明により
等積変化が理想に近づけば,本来の高い熱効率のメリッ
トを生かしたエンジンや冷凍機が実用化されることが期
待できる.
【図面の簡単な説明】
図1は,ディスプレーサ位置の位相による変化を例示し
たものである. 【符号の説明】 1.3倍高調波を含む波形 2.正弦波のみの波
形 図2は,偏心軸が描く軌道の例を示したものである. 【符号の説明】 1.遊星歯車の軌道 2.偏心軸の軌道 図3は,圧力対体積線図を用いて,従来の方法,本発明
による方法,理想的な場合に対し,出力仕事を比較した
ものであり,本発明による効果を示すものである. 【符号の説明】 1.本発明による改善サイクル 2.正弦波駆動によ
るサイクル 3.理想サイクル 図4は,本発明を実施した例であり,斜視図である. 【符号の説明】 1.連接棒 2.偏心軸 3.内歯歯車 4.太陽歯車 5.遊星歯車 6.増速用歯車 7.動力軸 8.加熱器 9.再生器 10.熱交換シリンダ 11.冷却器 12.ディスプレーサ 13.圧縮膨張シリン
ダ 14.パワーピストン
たものである. 【符号の説明】 1.3倍高調波を含む波形 2.正弦波のみの波
形 図2は,偏心軸が描く軌道の例を示したものである. 【符号の説明】 1.遊星歯車の軌道 2.偏心軸の軌道 図3は,圧力対体積線図を用いて,従来の方法,本発明
による方法,理想的な場合に対し,出力仕事を比較した
ものであり,本発明による効果を示すものである. 【符号の説明】 1.本発明による改善サイクル 2.正弦波駆動によ
るサイクル 3.理想サイクル 図4は,本発明を実施した例であり,斜視図である. 【符号の説明】 1.連接棒 2.偏心軸 3.内歯歯車 4.太陽歯車 5.遊星歯車 6.増速用歯車 7.動力軸 8.加熱器 9.再生器 10.熱交換シリンダ 11.冷却器 12.ディスプレーサ 13.圧縮膨張シリン
ダ 14.パワーピストン
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項目1】スターリングサイクル機関(エンジンな
らびに冷凍機・ヒートポンプ)でディスプレーサを駆動
する際,遊星歯車に偏心させて取り付けた軸を用いて駆
動することで,移動するときはより速く動く一方,ほぼ
静止する位相幅が広くなる波形で動かし,定積の加熱・
冷却行程での作動ガス平均温度の変化を大きくとるこ
と. 【請求項目2】膨張・圧縮行程において,ディスプレー
サを動力軸回転速度より速い振動数で揺動させること
で,シリンダ内の作動ガスをヒータやクーラに繰り返し
導き入れ,熱交換を増進させること.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9058298A JPH11247714A (ja) | 1998-02-28 | 1998-02-28 | 遊星歯車を用いてディスプレーサを駆動するスターリン グサイクル機関 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9058298A JPH11247714A (ja) | 1998-02-28 | 1998-02-28 | 遊星歯車を用いてディスプレーサを駆動するスターリン グサイクル機関 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11247714A true JPH11247714A (ja) | 1999-09-14 |
Family
ID=14002447
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9058298A Pending JPH11247714A (ja) | 1998-02-28 | 1998-02-28 | 遊星歯車を用いてディスプレーサを駆動するスターリン グサイクル機関 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11247714A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7836691B2 (en) | 2004-10-21 | 2010-11-23 | Suction Gas Engine Mfg. Co., Ltd. | Heat engine |
CN104265475A (zh) * | 2014-09-21 | 2015-01-07 | 郭远军 | 一种热能动力发动机输出功率调速器及其调速方法 |
-
1998
- 1998-02-28 JP JP9058298A patent/JPH11247714A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7836691B2 (en) | 2004-10-21 | 2010-11-23 | Suction Gas Engine Mfg. Co., Ltd. | Heat engine |
CN104265475A (zh) * | 2014-09-21 | 2015-01-07 | 郭远军 | 一种热能动力发动机输出功率调速器及其调速方法 |
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