CN104963784B - 一种基于反复活塞供热的斯特林发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于斯特林发动机领域，公开了一种基于反复活塞供热的斯特林发动机，它包括废气处理装置、换热器、制冷装置、压缩机、传动轴、涡轮、斯特林热端加热腔、斯特林热端、斯特林冷端制冷腔、斯特林冷端、燃气发生器等，本发明供热系统使用反复活塞双缸燃烧供气，其活塞两侧均有燃烧做功，具有较高的功重比，能够使整个斯特林发动机系统重量降低；燃烧产生的燃气经过涡轮，带动压缩机对进气增压，有利于提高燃烧效率；同时涡轮带动制冷设备，将空气降温，冷却斯特林发动机的冷端，进而提高了斯特林发动机的效率；本发明设计出了功重比较高、清洁的热端供给系统，同时减低了冷端的温度，提高了斯特林发动机的效率和减低了排放，具有较好的市场前景。
Description
技术领域
本发明属于斯特林发动机领域，公开了一种基于反复活塞供热的斯特林发动机。
背景技术
目前斯特林发动机热端多利用太阳能或者野外使用各种燃料燃烧，冷端一般采用空气冷却，往往研究重点在于热端供热的整个系统的高效和清洁，较少考虑热端与冷端的综合利用。对于斯特林发动机而言，冷端和热端温差越大，其发动机的功率和效率就越高，本发明意在综合考虑热端和冷端的温差，设计出清洁的热端供给系统，同时减低冷端的温度，提高斯特林发动机的效率和功率，本发明结构简单，具有很好的使用效果。
发明内容
为解决以上技术缺陷，本发明揭示一种基于反复活塞供热的斯特林发动机发明，本发明是采用以下技术方案来实现的。
一种基于反复活塞供热的斯特林发动机，它包括废气处理装置、换热器、制冷装置、压缩机、传动轴、涡轮、斯特林热端加热腔、斯特林热端、斯特林冷端制冷腔、斯特林冷端、飞轮、燃气发生器，其中换热器增温一侧进口为燃气和空气混合气进口，换热器增温一侧出口、压缩机进口、压缩机出口、燃气发生器进口、燃气发生器出口、涡轮进口、涡轮出口、斯特林热端加热腔进口、斯特林热端加热腔出口、换热器降温一侧进口、换热器降温一侧出口、废气处理装置进口等进出口依次通过各自腔体或者导管连接；制冷装置进口为空气进口，制冷装置出口、斯特林冷端制冷腔进口、通过导管连接，斯特林冷端制冷腔出口与空气相通；斯特林热端加热腔安装在斯特林热端处，斯特林冷端制冷腔安装在斯特林冷端处；涡轮固定在传动轴上，压缩机和制冷装置的动力输入轴与传动轴连接。斯特林发动机是一种外燃机，热端需要供热，冷端需要制冷，两端的温度具有一定温差，即可做功，如上整个循环均围绕能源的充分利用考虑，燃气经过涡轮做功，之后在热端加热腔中加热热端，然后在换热器中加热燃油和空气的混合气，整个过程充分利用了燃气发生器输出的燃气的压力和温度能源，对斯特林发动机整体效率的提高具有重要的作用。
作为本技术的进一步改进，上述燃气发生器包括燃烧室圆柱面、燃烧室平面板、燃烧室盖板、点火装置、进出气结构、活塞、燃烧室凸起导轨、活塞凹槽，其中燃烧室圆柱面、两个燃烧室盖板与燃烧室平面板组成燃烧室腔体，活塞安装于腔体内部，将腔体分成两个部分；点火装置，进出气结构安装于燃烧室盖板上，一侧盖板上安装有两个进出气结构和一个点火装置，活塞通过活塞凹槽与固定于燃烧室圆柱面内部的燃烧室凸起导轨配合滑动。本发明中的燃气发生器采用反复活塞双缸双燃烧腔内燃机作为热源供给设备，其活塞两侧均有燃烧做功，具有较高的功重比，能够使整个斯特林发动机系统重量降低。另外，为了提高该内燃机的效率增加了压缩机，将燃油和空气混合气增压，高压的进气能够提高内燃机的效率。压缩机的动力源于内燃机燃气推动涡轮做功，涡轮通过传动轴带动压缩机增压，这里和常规内燃机涡轮增压一个原理；经过涡轮降压的燃气温度依然可以加热斯特林发动机的热端，因为本发明中使用的反复活塞双缸燃气发生器，两个燃烧腔交替供给燃气，温度能够保证斯特林发动机热端达到一个较高的温度。涡轮带动的传动轴同时还带动制冷装置，将空气制冷降温，用来冷却斯特林发动机的冷端，可以看到反复活塞双缸燃气发生器不仅加热斯特林发动机热端，而且还驱动制冷设备和驱动压缩机，这均得益于反复活塞双缸燃气发生器的活塞两侧交替燃烧做功提供的较高的功率。
作为本技术的进一步改进，所述的进出气结构包括进出气控制板、控制板拉杆、进出气通道，其中进出气通道安装在燃烧室盖板一侧，且与燃气发生器内腔相通，控制板拉杆末端固定有进出气控制板，进出气控制板安装于燃气发生器的内腔，且控制板拉杆竖直穿过进出气通道，且穿出进出气通道顶端与控制杆控制机构连接。控制杆在控制杆控制结构作用下，沿控制杆轴线移动，会使控制板对进出气孔起到开关作用，这和现在内燃机进出气控制一个原理，至于控制杆控制机构本发明不做设计，可借鉴内燃机转轴凸轮控制，或者使用电控控制。
作为本技术的进一步改进，所述的活塞包括活塞盖板、传热棒、活塞圆柱面，其中两个活塞盖板安装在活塞圆柱面上下端面上，两个活塞盖板和一个活塞圆柱面以及活塞往复运动时所对应的燃烧室平面板区域组成活塞内腔，一定数量的传热棒竖直安装在活塞内腔中。因为活塞两边均有燃烧室，所以活塞冷却是一个关键的问题，活塞中增加传热棒为了平衡两个活塞盖板的温度，尽量减少活塞的热损伤。
作为本技术的进一步改进，活塞传热棒为圆柱体或者椭圆柱体，且并排安装在活塞内部，圆柱体和椭圆柱体为常规传热体形状，具有一定的工程实用性。同时传热棒横截面可以为各种形状，以及传热棒的布局可以根据传热需要设计，不同的燃烧室大小，不同的燃料对活塞的热冲击的量是不同的，这里就需要对传热棒进行针对的优化设计。
作为本技术的进一步改进，燃气发生器中的燃烧室中热力循环可以为两冲程也可以为四冲程循环。
相比于传统的斯特林供热系统，本发明中供热和制冷系统使用了单活塞双缸的发动机，这种发动机因为活塞两侧均有燃烧做功，功重比很大，满足了制热和制冷的功率能量要求；本发明中内燃机活塞是封闭在燃烧室中的，是无法提供机械功的，本发明利用该内燃机提供热燃气用于斯特林发动机热端加热，这是一种对该内燃机结构的非常好利用实例。对于内燃机中的活塞使用了传热棒，能够减少活塞受热发生的损坏的可能性，使该内燃机具有一定的安全性的优点，涡轮增压的转轴连接制冷装置，提供对空气的制冷从而冷却斯特林发动机的冷端，增加了斯特林发动机冷热端的温差，提高的斯特林发动机的功率。
本设计在综合考虑斯特林发动机的效率，供热效率和热源来源以及重量的各种情况下，设计出功重比较高清洁的热端供给系统，同时减低了冷端的温度，提高了斯特林发动机的效率和减低了排放，具有较好的市场前景。
附图说明
图1是斯特林冷热源提供系统示意图。
图2是燃气发生器示意图。
图3是无平面板的燃气发生器示意图。
图4是活塞内部示意图。
图5是燃气发生器剖视图。
图6是燃气发生器俯视图。
图7是控制板示意图。
图8是进出气通道示意图。
图9是活塞运动示意图。
图中标号名称：1、燃烧室圆柱面，2、燃烧室平面板，3、点火装置，4、进出气结构，5、进出气通道，6、进出气控制板，7、传热棒，8、活塞盖板，9、活塞，10、燃烧室凸起导轨，11、活塞凹槽，12、控制板控制杆，13、废气处理装置，14、换热器，15、制冷装置，16、压缩机，17、传动轴，18、涡轮，19、斯特林热端加热腔，20、斯特林热端，21、斯特林冷端制冷腔，22、斯特林冷端，23、飞轮，24、燃气发生器，25、活塞圆柱面，26、燃烧室盖板。
具体实施方式
如图1所示，一种基于反复活塞供热的斯特林发动机，它包括废气处理装置、换热器、制冷装置、压缩机、传动轴、涡轮、斯特林热端加热腔、斯特林热端、斯特林冷端制冷腔、斯特林冷端、飞轮、燃气发生器，其中换热器增温一侧进口为燃气和空气混合气进口，换热器增温一侧出口、压缩机进口、压缩机出口、燃气发生器进口、燃气发生器出口、涡轮进口、涡轮出口、斯特林热端加热腔进口、斯特林热端加热腔出口、换热器降温一侧进口、换热器降温一侧出口、废气处理装置进口等进出口依次通过各自腔体或者导管连接；制冷装置进口为空气进口，制冷装置出口、斯特林冷端制冷腔进口、通过导管连接，斯特林冷端制冷腔出口与空气相通；斯特林热端加热腔安装在斯特林热端处，斯特林冷端制冷腔安装在斯特林冷端处；涡轮固定在传动轴上，压缩机和制冷装置的动力输入轴与传动轴连接。斯特林发动机是一种外燃机，热端需要供热，冷端需要制冷，两端的温度具有一定温差，即可做功，如上整个循环均围绕能源的充分利用考虑，燃气经过涡轮做功，之后在热端加热腔中加热热端，然后在换热器中加热燃油和空气的混合气，整个过程充分利用了燃气发生器输出的燃气的压力和温度能源，对斯特林发动机整体效率的提高具有重要的作用。
如图2、3、5、6所示，上述燃气发生器包括燃烧室圆柱面、燃烧室平面板、燃烧室盖板、点火装置、进出气结构、活塞、燃烧室凸起导轨、活塞凹槽，其中燃烧室圆柱面、两个燃烧室盖板与燃烧室平面板组成燃烧室腔体，活塞安装于腔体内部，将腔体分成两个部分；点火装置，进出气结构安装于燃烧室盖板上，一侧盖板上安装有两个进出气结构和一个点火装置，活塞通过活塞凹槽与固定于燃烧室圆柱面内部的燃烧室凸起导轨配合滑动。本发明中的燃气发生器采用反复活塞双缸双燃烧腔内燃机作为热源供给设备，其活塞两侧均有燃烧做功，具有较高的功重比，能够使整个斯特林发动机系统重量降低。另外，为了提高该内燃机的效率增加了压缩机，将燃油和空气混合气增压，高压的进气能够提高内燃机的效率。压缩机的动力源于内燃机燃气推动涡轮做功，涡轮通过传动轴带动压缩机增压，这里和常规内燃机涡轮增压一个原理；经过涡轮降压的燃气温度依然可以加热斯特林发动机的热端，因为本发明中使用的反复活塞双缸燃气发生器，两个燃烧腔交替供给燃气，温度能够保证斯特林发动机热端达到一个较高的温度。涡轮带动的传动轴同时还带动制冷装置，将空气制冷降温，用来冷却斯特林发动机的冷端，可以看到反复活塞双缸燃气发生器不仅加热斯特林发动机热端，而且还驱动制冷设备和驱动压缩机，这均得益于反复活塞双缸燃气发生器的活塞两侧交替燃烧做功提供的较高的功率。
如图7、8所示，所述的进出气结构包括进出气控制板、控制板拉杆、进出气通道，其中进出气通道安装在燃烧室盖板一侧，且与燃气发生器内腔相通，控制板拉杆末端固定有进出气控制板，进出气控制板安装于燃气发生器的内腔，且控制板拉杆竖直穿过进出气通道，且穿出进出气通道顶端与控制杆控制机构连接。控制杆在控制杆控制结构作用下，沿控制杆轴线移动，会使控制板对进出气孔起到开关作用，这和现在内燃机进出气控制一个原理，至于控制杆控制机构本发明不做设计，可借鉴内燃机转轴凸轮控制，或者使用电控控制。
如图4所示，所述的活塞包括活塞盖板、传热棒、活塞圆柱面，其中两个活塞盖板安装在活塞圆柱面上下端面上，两个活塞盖板和一个活塞圆柱面以及活塞往复运动时所对应的燃烧室平面板区域组成活塞内腔，一定数量的传热棒竖直安装在活塞内腔中。因为活塞两边均有燃烧室，所以活塞冷却是一个关键的问题，活塞中增加传热棒为了平衡两个活塞盖板的温度，尽量减少活塞的热损伤。
如图4所示，活塞传热棒为圆柱体或者椭圆柱体，且并排安装在活塞内部，圆柱体和椭圆柱体为常规传热体形状，具有一定的工程实用性。同时传热棒横截面可以为各种形状，以及传热棒的布局可以根据传热需要设计，不同的燃烧室大小，不同的燃料对活塞的热冲击的量是不同的，这里就需要对传热棒进行针对的优化设计。
如图1、3所示，本发明中供热和制冷系统使用了单活塞双缸的发动机，这种发动机因为活塞两侧均有燃烧做功，功重比很大，满足了制热和制冷的功率能量要求；本发明中内燃机活塞是封闭在燃烧室中的，是无法提供机械功的，本发明利用该内燃机提供热燃气用于斯特林发动机热端加热，这是一种对该内燃机结构的非常好利用实例。对于内燃机中的活塞使用了传热棒，能够减少活塞受热发生的损坏的可能性，使该内燃机具有一定的安全性的优点，涡轮增压的转轴连接制冷装置，提供对空气的制冷从而冷却斯特林发动机的冷端，增加了斯特林发动机冷热端的温差，提高的斯特林发动机的功率。
燃气发生器中的燃烧室中热力循环可以为两冲程也可以为四冲程循环。如图9所示，以燃烧室中四冲程循环为例说明燃烧室燃气做功循环，如图a所示，活塞向右移动，过程中左边空腔进气，右边排气；如图b所示，活塞向左移动，过程中左边燃气压缩，右边进气；如图c所示，活塞向右移动，过程中左边燃气点火燃烧膨胀做功，右边燃气压缩；如图d所示，活塞向左移动，左边排气，右边点火燃烧膨胀做功，以四个循环做了燃气两次做功。
Claims (5)
1.一种基于反复活塞供热的斯特林发动机，其特征在于包括废气处理装置、换热器、制冷装置、压缩机、传动轴、涡轮、斯特林热端加热腔、斯特林热端、斯特林冷端制冷腔、斯特林冷端、飞轮、燃气发生器，其中换热器增温一侧进口，换热器增温一侧出口、压缩机进口、压缩机出口、燃气发生器进口、燃气发生器出口、涡轮进口、涡轮出口、斯特林热端加热腔进口、斯特林热端加热腔出口、换热器降温一侧进口、换热器降温一侧出口、废气处理装置进口依次通过各自腔体或者导管连接；制冷装置进口、制冷装置出口、斯特林冷端制冷腔进口、通过导管连接，斯特林冷端制冷腔出口与空气相通；斯特林热端加热腔安装在斯特林热端处，斯特林冷端制冷腔安装在斯特林冷端处；涡轮固定在传动轴上，压缩机和制冷装置的动力输入轴与传动轴连接；
上述燃气发生器包括燃烧室圆柱面、燃烧室平面板、燃烧室盖板、点火装置、进出气结构、活塞、燃烧室凸起导轨、活塞凹槽，其中燃烧室圆柱面末端固定有燃烧室平面板，两个燃烧室盖板安装在燃烧室圆柱面上下端面上，燃烧室圆柱面、两个燃烧室盖板与燃烧室平面板组成燃烧室腔体，活塞安装于燃烧室腔体内部，将腔体分成两个腔体；点火装置、进出气结构安装于燃烧室盖板上，一侧盖板上安装有两个进出气结构和一个点火装置；活塞通过活塞凹槽与固定于燃烧室内圆柱面末端两侧的燃烧室凸起导轨配合滑动。
2.根据权利要求1所述的一种基于反复活塞供热的斯特林发动机，其特征在于所述进气结构和出气结构构成相同，进出气结构包括进出气控制板、控制板拉杆、进出气通道，其中进出气通道一端安装在燃烧室盖板开有圆孔处的外侧，且与燃气发生器内腔相通，控制板拉杆末端固定有进出气控制板，控制板拉杆竖直穿过进出气通道，且末端的进出气控制板位于燃气发生器内腔，另一端穿出进出气通道顶端。
3.根据权利要求2所述的一种基于反复活塞供热的斯特林发动机，其特征在于所述的活塞包括活塞盖板、传热棒、活塞圆柱面，其中两个活塞盖板安装在活塞圆柱面上下端面上，两个活塞盖板和一个活塞圆柱面以及活塞往复运动时所对应的燃烧室平面板区域组成活塞内腔，一定数量的传热棒竖直安装在活塞内腔中。
4.根据权利要求3所述的一种基于反复活塞供热的斯特林发动机，其特征在于所述活塞传热棒为圆柱体或者椭圆柱体，且并排安装在活塞内部。
5.根据权利要求4所述的一种基于反复活塞供热的斯特林发动机，其特征在于所述燃气发生器中的燃烧室中热力循环为两冲程或四冲程循环。
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| CN105781784A (zh) * | 2015-07-10 | 2016-07-20 | 方亚琴 | 一种斯特林发动机 |
| CN105781784B (zh) * | 2015-07-10 | 2017-05-10 | 邱盛尧 | 一种斯特林发动机 |
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| CN104963784A (zh) | 2015-10-07 |
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