CN100370128C

CN100370128C - 多级斯特林发动机

Info

Publication number: CN100370128C
Application number: CNB2004800126945A
Authority: CN
Inventors: 森正芳
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2024-04-28
Also published as: CN1788151A

Abstract

一种安装在汽车上的多级斯特林发动机(1)，其中配气活塞(6，7)以及动力活塞(8，9)可滑动地串联装配在该发动机的两个气缸(4，5)中，并且来自安装在汽车上的内燃机的废气顺序流过气缸(4，5)，以加热在该斯特林发动机中用作工作流体的氦气。这两个气缸(4，5)设置成彼此平行，并且加热器(16，17)、蓄热式热交换器(18，19)以及冷却器(20，21)设置在所述气缸(4，5)之间，从而可以提供扁平且紧凑的斯特林发动机。

Description

多级斯特林发动机

技术领域

本发明涉及一种紧凑型多级斯特林发动机，其中加热流体加热多个串联气缸，更具体地涉及一种汽车多级斯特林发动机，其采用从安装在汽车上的内燃机排出的废气作为加热流体。

背景技术

斯特林发动机大致分成如图7A至图7D中所示的四组。

(1)在图7A中所示的α型斯特林发动机具有：按顺序布置的加热器H、蓄热式热交换器R和冷却器C的串联组件；两个气缸S₁和S₂；以及分别可滑动地装配在这些气缸S₁和S₂中的动力缸PP₁和PP₂。加热器H、蓄热式热交换器R和冷却器C的串联组件与气缸S₁和S₂中的顶部空间连接。

(2)在图7B中所示的β型斯特林发动机具有：气缸S；装配在该气缸S中的配气活塞(displacer piston)DP；动力活塞PP，其与配气活塞DP串联连接并且装配在气缸S中；以及按顺序布置的加热器H、蓄热式热交换器R和冷却器C的串联组件。加热器H、蓄热式热交换器R和冷却器C的串联组件，与在气缸S中在配气活塞DP上方延伸的空间S_A和在配气活塞DP下方延伸的空间S_B连接。空间S_A和空间S_B通过加热器H、蓄热式热交换器R和冷却器C的串联组件而彼此连通。

(3)在图7C中所示的γ型斯特林发动机具有：配气缸DS；配气活塞DP，其装配在该配气缸DS中并且在配气缸DS中限定了空间DS_A和DS_B；动力缸PS；动力活塞PP，其装配在动力缸PS中并且在动力缸PS中限定了空间PS_A；以及加热器H、蓄热式热交换器R和冷却器C的串联组件。加热器H、蓄热式热交换器R和冷却器C的串联组件与那两个空间DS_A和DS_B连接。在配气缸DS中的空间DS_B与在动力缸PS中的空间PS_A彼此连通。

(4)在图7D中所示的双作用斯特林发动机具有：四个交错气缸S₁、S₂、S₃和S₄；四个串联组件，每个串联组件都由加热器H、蓄热式热交换器R和冷却器C构成；旋转斜板(未示出)，它们分别设置在气缸S₁、S₂、S₃和S₄的中间部分内；以及动力活塞PP₁、PP₂、PP₃和PP₄，它们分别设置在气缸S₁、S₂、S₃和S₄中并且与旋转斜板互锁。由加热器H、蓄热式热交换器R和冷却器C构成的每个串联组件与在其中一个相邻气缸中的顶部空间S_A和在另一个气缸中的底部空间S_B连接。

在JP1-294946A中所公开的废热利用系统包括水冷内燃机和两个与该水冷内燃机组合的β型斯特林发动机。这两个β型斯特林发动机的一个利用由用于冷却水冷内燃机的冷却水提供的热量进行操作，而另一个β型斯特林发动机利用由从水冷内燃机排出的废气提供的热量进行操作。

这种采用冷却水和废气作为β型斯特林发动机的热源的已知废热利用系统需要具有高密封效果的复杂管道。因此，难以以低成本形成具有小型轻便结构的废热利用系统。

虽然该废热利用系统设有两个β型斯特林发动机，但是因为其中一个β型斯特林发动机采用了其温度低于废气温度并且为100℃量级的冷却水作为热源，所以输出和效率较低。

作出本发明以克服那些困难，因此本发明的目的在于提供一种成本低、轻便、紧凑、可靠并且能够高效地产生出高输出的多级斯特林发动机。

发明内容

本发明提供了一种多级斯特林发动机，其包括：多个气缸，每个气缸在内部保持有工作流体，并且设有串联设置并装配在该气缸中的配气活塞和动力活塞；多个加热器，它们分别与所述气缸组合，以利用由热源提供的高温加热流体来加热包含在所述多个气缸中的工作流体，所述多个加热器的每一个与所述多个气缸的每一个的一端连接；以及加热流体通道，其用于使加热流体通过所述加热器；其特征在于，在所述多个气缸的相邻两个之间插设有多个热交换器，所述多个热交换器包括所述多个加热器、用于冷却所述多个气缸内的工作流体的多个冷却器以及多个蓄热器，每个蓄热器都插设在其中一个加热器与其中一个冷却器之间；并且所述多个冷却器的每一个与所述多个气缸的每一个的另一端连接。

在根据本发明的多级斯特林发动机中，高温加热流体顺序流过用于加热保持在所述多个气缸中的工作流体的所述多个加热器，以加热该工作流体。因此，与设有单个气缸的单级斯特林发动机相比较，该多级斯特林发动机能够以高回收率回收加热流体的能量，以提高该多级斯特林发动机的输出。

由于均包括加热器、蓄热器和冷却器的每个热交换器插设在所述多个气缸的相邻两个之间，因此该多级斯特林发动机可以形成为简单、小型、轻便的结构。只使用一种加热流体，这样简化了结构并且降低了成本。

根据本发明的斯特林发动机还可以包括：输出轴，其与装配在所述多个气缸中的配气活塞和动力活塞相连接；与该输出轴连接的发电机；以及将该输出轴和发电机封装在其中的外壳。

因此，该多级斯特林发动机的输出轴不必设置有密封装置，从而不会受到在输出轴设有密封装置的情况下可能作用在输出轴上的磨损。因此，改善了该多级斯特林发动机的输出和耐久性，可以采用原子量较小的易泄漏气体作为工作流体，可以降低对工作流体的流动阻力，并且可以避免由于工作流体泄漏而导致的操作成本增大。

根据本发明，该多级斯特林发动机可以具有一发动机外壳，并且用于封装所述输出轴和发电机的所述外壳可以作为该发动机外壳的一部分。因此，可以简化组成部件，并且可以减少组成部件的数量从而形成结构紧凑、重量轻的多级斯特林发动机，并且可有助于降低成本。

优选地，所述加热流体是从内燃机排出的废气，并且所述加热流体通道包括一上游排气管，该上游排气管在所述气缸中的一个气缸的相对两侧延伸，并且连接到与所述一个气缸组合的加热器的相对两侧部分上。

这样，该高温废气用作加热流体，并且加热流体顺序流过所述多个加热器。因此，废气的热量可以得到有效利用，并且可以有效地转变成电能。因此，可以减小该多级斯特林发动机的厚度，并且可以减小在相邻气缸之间的空间以形成小尺寸的多级斯特林发动机。

优选地，其中，所述加热流体通道包括一下游排气管，该下游排气管用于在废气已经与其中一个加热器中的工作流体进行了热交换之后运送该废气，并且该下游排气管在所述气缸中的另一气缸的相对两侧延伸。

因此，可以减小该多级斯特林发动机的厚度，并且可以减小在相邻气缸之间的空间以形成小尺寸的多级斯特林发动机。

在根据本发明优选实施例的多级斯特林发动机中，所述多个气缸彼此平行地设置。另外，与所述多个气缸的相应配气活塞和动力活塞连接的所述输出轴对齐，并且所述发电机安装成与所述输出轴的轴线对齐。所述多个热交换器结合成一个单元。

附图说明

图1为在本发明第一实施例中的多级斯特林发动机的侧视图；

图2为图1中所示的多级斯特林发动机的平面图；

图3为图1中所示的多级斯特林发动机的正视图；

图4为沿图2中的线IV-IV剖开的纵向剖视图；

图5为在本发明第二实施例中的多级斯特林发动机的纵向剖视图；

图6为在本发明第三实施例中的多级斯特林发动机的纵向剖视图；以及

图7A至图7D为按照类型分的典型传统斯特林发动机的示意图。

具体实施方式

下面将参照图1至图4对本发明第一实施例中的多级斯特林发动机进行说明。

在本发明第一实施例中的两级斯特林发动机1与未示出的汽车内燃机组合。该斯特林发动机1利用从内燃机排出并且由未示出的废气排放控制装置净化的废气作为热源，使用由包括在内燃机中的冷却器冷却的冷却水作为冷源(heat sink)，并且使用氦气(He)作为工作流体。

参照图1、图2和图4，该两级斯特林发动机1具有第一级斯特林发动机2(其具有立式第一气缸4)和立式第二级斯特林发动机3(其具有第二气缸5)。第一热交换器40和第二热交换器41设置在第一气缸4和第二气缸5之间。第一气缸4和第二气缸5设置成彼此平行，并且间隔开的距离与第一热交换器40和第二热交换器41的纵向尺寸总和基本上相等。如图4所示，第一配气活塞6和第二配气活塞7分别可滑动地装配在第一气缸4和第二气缸5的上部。第一动力活塞8和第二动力活塞9分别可滑动地装配在第一气缸4和第二气缸5的下部。分别与第一配气活塞6和第二配气活塞7连接的活塞杆6a和7a分别可滑动地贯穿第一动力活塞8和第二动力活塞9。

两个凸轮轴支架10安装于第一气缸4的下端，并且两个凸轮轴支架11安装于第二气缸5的下端。凸轮轴12和13分别可转动地支承在那对凸轮轴支架10和那对凸轮轴支架11上。第一配气活塞6的活塞杆6a和第一动力活塞8的活塞杆8a通过已知的互锁机构14(例如，十字头机构、菱形机构或止转棒轭(Scotch yoke)机构)与凸轮轴12互锁。第二配气活塞7的活塞杆7a和第二动力活塞9的活塞杆9a通过与互锁机构14类似的已知互锁机构15而与凸轮轴13互锁。第一配气活塞6和第二配气活塞7的相应相位分别相对于第一动力活塞8和第二动力活塞9的相位提前大约90°。另外，在第一配气活塞6和第二配气活塞7之间存在180°的相位角差。

发电机30插设在凸轮轴12和13之间。该发电机30具有分别与凸轮轴12和13连接的旋转轴30a和30b。第一级斯特林发动机2和第二级斯特林发动机3操作以驱动发电机30。

第一热交换器40和第二热交换器41沿纵向，即沿着如图4所示的横向布置在第一气缸4和第二气缸5之间。第一热交换器40具有按照顺序向下布置的第一加热器16、第一蓄热式热交换器18和第一冷却器20。第二热交换器41具有按照顺序向下布置的第二加热器17、第二蓄热式热交换器19和第二冷却器21。穿过第一热交换器40的第一加热器16、第一蓄热式热交换器18和第一冷却器20形成一氦气通道。穿过第二热交换器41的第二加热器17、第二蓄热式热交换器19和第二冷却器21形成一氦气通道。

第一配气活塞6将第一气缸4的内部分成第一上腔室22和第一下腔室23。第一上腔室22和第一下腔室23分别通过连接通道24和25与第一加热器16、第一蓄热式热交换器18和第一冷却器20连通。第二配气活塞7将第二气缸5的内部分成第二上腔室26和第二下腔室27。第二上腔室26和第二下腔室27分别通过连接通道28和29与第二加热器17、第二蓄热式热交换器19和第二冷却器21连通。第一上腔室22、第一下腔室23、连接通道24和25、第二上腔室26、第二下腔室27以及连接通道28和29填充有压力为100atm.(大气压)量级的高压氦气。

曲柄箱32限定有在第一气缸4、第二腔室5、第一冷却器20和第二冷却器21的下方延伸的密封曲柄腔室31。该曲柄箱32具有一上部和一下部，它们用螺栓39紧固在一起。凸轮轴12和13、互锁机构14和15以及发电机30保持在曲柄腔室31中。

参照图2，设有排气管33，其用于运送从未示出的内燃机排出并且经未示出的废气净化器净化的废气。该排气管33朝着第一级斯特林发动机2延伸并且分叉成多个分支排气管34。这些分支排气管34在第一级斯特林发动机2的顶部的相对两侧水平延伸。分支排气管34分别穿过第一加热器16的左右侧壁，并且这些分支排气管34的下端通入到第一加热器16的废气通道中。第一加热器16和第二加热器17的相应废气通道水平延伸并且连接在一起。分支排气管35在第二气缸5的顶部的相对两侧延伸，并且具有分别与第二加热器17的左右侧壁连接的上游端、和与排气歧管36连接的下游端。在排气歧管36的下游端连接有一消音器(未示出)。

参照图1，冷却水管37与用于冷却循环流过内燃机的冷却水的散热器(未示出)或另一散热器(未示出)连接，如图3所示，该冷却水管37沿着第一斯特林发动机2的右侧朝着第二斯特林发动机3水平延伸。冷却水管37的平行下游端部分分别穿过第一冷却器20和第二冷却器21的右侧壁，并且与形成在第一冷却器20和第二冷却器21中的冷却水通道连接。冷却水回流管38的平行上游端部分分别穿过第一冷却器20和第二冷却器21的左侧壁，并且与第一冷却器20和第二冷却器21的冷却水通道连接。

由发电机30产生的能量用于驱动马达以便驱动内燃机的附件，例如压缩机、冷却水泵、润滑油泵和用于泵送动力转向流体的泵。多余的能量用于给蓄电池(未示出)充电。

在第一实施例中的多级斯特林发动机如图1至图4中所示那样构成。从内燃机排出并且由废气净化器净化的废气流动通过排气管33和左右分支排气管34，并且流过贯穿第一加热器16的左右侧壁的分支排气管34的下游端部分而进入第一加热器16和第二加热器17中。废气将热量传递给在第一加热器16和第二加热器17中的高压氦气。然后，该废气流过与第二加热器17的左右侧壁连接的一对分支排气管35而进入排气歧管36中。因此，在第一加热器16和第二加热器17中垂直流动的氦气被加热。

在流过散热器(未示出)的同时被冷却的冷却水，流过贯穿第一冷却器20和第二冷却器21的右侧壁的冷却水管36而进入第一冷却器20和第二冷却器21中。冷却水吸收了来自在第一冷却器20和第二冷却器21中垂直流动的高压氦气的热量。在冷却了氦气之后，该冷却水通过第一冷却器20和第二冷却器21的左侧壁而排放到冷却水回流管38中。

第一配气活塞6和第二配气活塞7的往复运动的相应相位分别相对于第一动力活塞8和第二动力活塞9的往复运动的相应相位提前90°。在第一配气活塞6和第二配气活塞7之间的相位角为180°。因此，在第一级斯特林发动机2和第二级斯特林发动机3中，氦气根据第一上气缸腔室22和第二上气缸腔室26的相应容积以及第一下气缸腔室23和第二下气缸腔室27的相应容积的变化，而流过第一加热器16、第二加热器17、第一蓄热式热交换器18、第二蓄热式热交换器19以及第一冷却器20和第二冷却器21。因此，氦气在第一上气缸腔室22和第二上气缸腔室26以及第一下气缸腔室23和第二下气缸腔室27之间流动。当第一上气缸腔室22的容积增大时，在第一上气缸腔室22、第一下气缸腔室23以及连接通道24和25中的氦气的压力增大，因此第一动力活塞8在氦气压力的作用下向下运动以驱动凸轮轴12。当第二上气缸腔室26的容积增大时，在第二上气缸腔室26、第二下气缸腔室27以及连接通道28和29中的氦气的压力增大，因此第二动力活塞9在氦气压力的作用下向下运动以驱动凸轮轴13。因此，驱动发电机30以产生能量。

由发电机30产生的能量用于驱动附件(未示出)，或者用于给蓄电池(未示出)充电。

由废气净化器(未示出)净化并且流进第一加热器16中的高温废气被用作第一级斯特林发动机2的热源。废气的温度在已经将废气的热量传递给第一加热器16中的氦气之后下降。然后，废气流进第二加热器17中，并且用作第二级斯特林发动机3的热源。由于高温废气在两级处用作热源，因此该两级斯特林发动机1高效地产生出高能量。

由于第一级斯特林发动机2和第二级斯特林发动机3的相应第一气缸4和第二气缸5彼此平行，因此第一加热器16、第二加热器17、第一蓄热式热交换器18、第二蓄热式热交换器19、第一冷却器20和第二冷却器21紧密垂直层叠在第一气缸4和第二气缸5之间。曲柄腔室3 1形成在第一气缸4、第二气缸5、第一冷却器20和第二冷却器21的下方，并且发电机30设置在曲柄腔室31的中部。因此，该两级斯特林发动机1结构紧凑，其形状类似于相对于与图4的纸面垂直的方向具有小尺寸的扁平矩形实心体。因此，该两级斯特林发动机1可以容易地安装在汽车的狭窄发动机室中或安装在踏板下方的死区中。

相对简单且紧凑的两级斯特林发动机1重量轻，并且可以低成本地制造。

第一级斯特林发动机2、第二级斯特林发动机3、第一加热器16、第二加热器17、第一蓄热式热交换器18、第二蓄热式热交换器19、第一冷却器20、第二冷却器21以及发电机30封装在单个闭合外壳中，并且没有任何贯穿该外壳的旋转或滑动轴。因此，即使在采用分子量较小并且压力高达100atm.的高压氦气作为工作流体的情况下，该高压氦气也不会泄漏到大气中，因此该两级斯特林发动机1不必补充昂贵的氦气，并且能够以较低的操作成本进行操作。由于工作流体为分子量较小的氦气，因此由于工作流体在该两级斯特林发动机1中的流动而导致的功率损耗较小，从而可以提高该两级斯特林发动机1的输出和效率。

由于发电机30插设在第一级斯特林发动机2和第二级斯特林发动机3之间，因此第一级斯特林发动机2和第二级斯特林发动机3的相应凸轮轴12和13较短、抗扭转、重量轻并且耐久。

虽然在图1至图4所示的该两级斯特林发动机1的第一热交换器40和第二热交换器41分开形成，但是第一热交换器40和第二热交换器41可以安装在单个外壳中，并且，该外壳的内部可以通过相对于如图5所示的横向设置在外壳中部处的垂直隔壁42，而分成分别用于第一热交换器40和第二热交换器41的空间。当第一热交换器40和第二热交换器41这样安装在单个外壳中时，可以减少组成部件的数量，从而可以简化结构。因此，该两级斯特林发动机1可以形成为较小尺寸，并且以低成本制造。

虽然在图1至图4中所示的两级斯特林发动机1中，发电机30安装在由包括上、下半个外壳的曲柄箱32限定的曲柄腔室31中，但是该发电机30可以设有高刚度发电机外壳30c，并且该发电机外壳30c可以用作如图6所示的曲柄箱32的一部分。当发电机外壳30c用作曲柄箱32的一部分时，可以明显地减少曲柄箱32的重量和材料以实现显著的重量和成本降低。如图6所示，将励磁线圈30d安装在发电机外壳30c的内周边上，并且转子30e通过旋转轴30a和30b而支承在发电机外壳30c中的空间的中央部分处。

第一加热器16和第二加热器17的暴露于废气的壁面可以涂覆有废气净化催化剂，从而将第一加热器16和第二加热器17还用作废气净化装置。

尽管本发明被描述成应用于β型两级斯特林发动机，但是本发明也可以应用于具有三级或更多级的多级斯特林发动机、以及设有多个配气缸和多个动力缸的任意类型的多级斯特林发动机。

Claims

1.一种多级斯特林发动机，其包括：

多个气缸(4，5)，每个气缸在内部保持有工作流体，并且设有串联设置并装配在该气缸(4，5)中的配气活塞(6，7)和动力活塞(8或9)；多个加热器(16，17)，它们分别与所述气缸(4，5)组合，以利用由热源提供的高温加热流体来加热包含在所述多个气缸(4，5)中的工作流体，所述多个加热器(16，17)的每一个与所述多个气缸(4，5)的每一个的一端连接；以及加热流体通道(33，34，35，36)，其用于使加热流体通过所述加热器(16，17)；

其特征在于，在所述多个气缸(4，5)的相邻两个之间插设有多个热交换器(40，41)，所述多个热交换器(40，41)包括所述多个加热器(16，17)、用于冷却所述多个气缸(4，5)内的工作流体的多个冷却器(20，21)以及多个蓄热器(18，19)，每个蓄热器都插设在其中一个加热器(16，17)和其中一个冷却器(20，21)之间；并且所述多个冷却器(20，21)的每一个与所述多个气缸(4，5)的每一个的另一端连接。

2.如权利要求1所述的多级斯特林发动机，其特征在于，还包括：输出轴(12，13)，其与装配在所述多个气缸(4，5)中的配气活塞(6，7)和动力活塞(8，9)相连接；与该输出轴(12，13)连接的发电机(30)；以及将该输出轴(12，13)和发电机(30)封装在其中的外壳(32，30c)。

3.如权利要求2所述的多级斯特林发动机，其特征在于，所述多级斯特林发动机具有一发动机外壳(30c)，并且用于封装所述输出轴(12，13)和发电机(30)的所述外壳为该发动机外壳(30c)的一部分。

4.如权利要求1所述的多级斯特林发动机，其特征在于，所述加热流体是从内燃机排出的废气，并且所述加热流体通道(33，34，35，36)包括一上游排气管(33，34)，该上游排气管在所述气缸(4，5)中的一个气缸(4)的相对两侧延伸，并且连接到与所述一个气缸(4)组合的加热器(16)的相对两侧部分上。

5.如权利要求4所述的多级斯特林发动机，其特征在于，所述加热流体通道(33，34，35，36)包括一下游排气管(35，36)，该下游排气管用于在废气已经与所述加热器(16，17)中的一个加热器(16)中的工作流体进行了热交换之后运送该废气，并且该下游排气管(35，36)在所述气缸(4，5)中的另一气缸(5)的相对两侧延伸。

6.如权利要求1所述的多级斯特林发动机，其特征在于，所述多个气缸(4，5)彼此平行地设置。

7.如权利要求2所述的多级斯特林发动机，其特征在于，与所述多个气缸(4，5)的相应配气活塞(6，7)和动力活塞(8，9)连接的所述输出轴(12，13)对齐，并且所述发电机(30)安装成与所述输出轴(12，13)的轴线对齐。

8.如权利要求1所述的多级斯特林发动机，其特征在于，所述多个热交换器(40，41)结合成一个单元。