CN106224123B - 一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机 - Google Patents

Abstract

斯特林发动机是一种独特的外燃机，因为它理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率，使用中的外燃机气缸内充有一定容积及压力的气体工质，为了保证高速度的活塞直线推拉运动，缸内的中高压气体必须保持长时间的无泄漏，与外部传动机构连接的传动轴，要求高度密封润滑及几乎无轴向机械磨损，因此必然对结构材料及工艺提出更高的要求，从而造成发动机成本的提高而影响普及推广。本发明一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，采用高性能陶瓷材料，利用陶瓷与陶瓷之间的平面超低摩擦系数，近似冰面的润滑性能，及陶瓷的耐高温、耐腐蚀、耐磨损以及高度密封性能，采用矩形活塞及矩形气缸，组成平面密封润滑，双轴侧平面开窗动力输出的无轴向磨损结构。有效解决了原斯特林发动机轴向高技术要求发展瓶颈，使性能优秀的外然机效率更高，寿命更长，能更快的在绿色新能源等众多领域得到普及应用。

Description

一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机

技术领域

本发明属于外热发动机领域，涉及一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机。

背景技术

1816年伦敦的牧师罗巴特斯特林了发明一种外燃发动机，该发动机可以使多种燃料连续地燃烧，受热蒸发的膨胀气体作为动力使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却反复地进行这样的循环过程，所以命名为“斯特林发动机”。它的特点首先是燃烧连续，由于工质不燃烧，因此没有内燃机的爆震现象，噪音低；其次可以使用任何燃料，其燃烧室在外，燃烧的过程与工质无关，适用于各种热源，对燃烧方式无特殊要求，体积小、重量轻、噪音低、寿命长、维护方便、燃烧效率高，斯特林发动机是独特的热机，因为它理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。

斯特林发动机机优良的性能在已军事即潜艇上广泛应用，尤其利用在太阳能光热发电方面，太阳能光热发电应用较多的太阳能槽式、塔式光热发电的光电转化率也只有9%和11%，太阳能光伏发电上的光电转化效率一般都在8%—15%左右，且衰减很快，相比之下，太阳能斯特林发电系统通过太阳能聚焦装置收集太阳光，再反射到系统的集热器上，巨大的热量加热斯特林发动机中的惰性气体，气体受热膨胀推动活塞运动，从而带动发电机发电，碟式太阳能斯特林光热发电的光电转化率已高达33%，而且还存在应用灵活、无需消耗大量水资源、占地面积小等优势。

如此优秀的发动机自发明距今已有200年的时间，在今天人类面临化石能源逐渐走向枯竭的能源危机时代，外燃发动机还没有得到大范围的普及应用，以目前世界上较先进的四缸斯特林外燃机机为例，该机在四个封闭的气缸内充有一定容积及压力的氢气作为工质，气缸一端为热腔另一端为冷腔，工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热膨胀做功，燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，通过付缸循环在热冷缸之间也不更换，为了保证活塞的高速度直线推拉运动同时，缸内中高压气体工质能保持长时间无泄漏，与外部传动机构连接的传动轴摩擦部位，必须是高度密封润滑及几乎无轴向磨损，因此必然对结构材料及工艺提出更高的要求，从而造成发动机成本的提高而影响普及推广。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明目的是提出一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机。

为实现上述发明的目的采用如下技术方案：

所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，采用高性能陶瓷材料，利用陶瓷与陶瓷平面之间超低摩擦系数的近似冰面润滑性能，及陶瓷的耐高温、耐腐蚀、耐磨损以及高度密封性能，采用内部矩形活塞组成的矩形气缸，形成平面密封润滑，双轴侧开窗动力输出无轴向磨损结构斯特林发动机。

本发明所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机矩形气缸，上盖板金属层、上盖板陶瓷层与下盖板金属层、下盖板陶瓷层分别均采用复合烧结工艺，装配时陶瓷面朝内，复合层盖板中部开有通透的盖板滑动窗。

本发明所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机矩形气缸，采用与陶瓷膨胀系数最接近的合金钢层，与纳米级高性能陶瓷材料层在高温高压下烧结成复合体，分别制成上下两半陶瓷层向外的矩形活塞，及上下陶瓷面向内的上下气缸壁，活塞陶瓷面与矩形缸上下气缸壁向内的陶瓷面呈陶瓷平面摩擦运动，上下气缸壁摩擦面中部开有滑动窗口，上下活塞中部传动轴垂直安装，横向输出活塞往返运动动能；缸体除活动窗口处摩擦面以外，由前金属盖板、后金属盖板、上盖板金属层、下盖板金属层及左金属盖板、右金属盖板通过定位销及螺栓密封连接组成矩形气缸。

本发明所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，采用与陶瓷膨胀系数最接近的合金钢层，与纳米级高性能陶瓷材料层在高温高压下烧结成平面复合体，组成上下两层，陶瓷面向外的矩形活塞，与陶瓷面向内气缸壁组成矩形气缸，矩形活塞在缸内的冷热缸区呈陶瓷平面摩擦往返运动，上层气缸壁摩擦面及下层气缸壁摩擦面中部开有滑动窗口，上活塞中部传动轴、下活塞中部传动轴垂直安装，横向输出活塞往返运动动能，形成平面密封润滑，双轴侧开窗动力输出无轴向磨损结构斯特林发动机。

本发明所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机矩形气缸内，活塞分上下两部分，装配时上下活塞陶瓷层面向外，上半活塞金属层下半活塞金属层中间有缝隙对接，对接处对称均布凹陷部分内安装有数组压力弹簧，保持上下陶瓷面的平面滑动密封压力，钢制的活塞上传动轴与下传动轴中间呈凹凸面定位插接，上下活塞金属层面向热缸及冷缸方向两端头面，加工有数组盲孔以加大冷热缸腔体容积及扩大导热热管的占用空间。

本发明所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，缸体上盖板金属层与下盖板金属层的滑动窗口边缘部位镶嵌有永磁材料，运行时长期吸附有油基磁流体润滑材料，保证缸体摩擦面的定点高性能润滑及密封。

本发明所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，运行时冷热缸区域均设有导热热管。

本发明所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机四缸例，采用附加冷却管道的水冷式散热方式。

由于采用了以上方法，本发明所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机优势：

1、陶瓷的耐高温、耐腐蚀、耐磨损以及高度密封性能，使得该发动机成本更低，寿命更长。

2、平面陶瓷摩擦的冰面润滑效果及高密封性能，可进一步提高整机热能转换效率。

3、以金属与陶瓷复合新材料组成的矩形缸斯特林发动机，有效解决了原斯特林发动机轴向高技术要求发展瓶颈，使如此优秀的外然机能更快的在新能源等领域得到普及应用。

附图说明

图1、是一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机矩形主缸同轴侧视分解原理示意图。

图2、是本发明一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机四缸例同轴侧视结构示意图。

图中：1、受热传导热管，2、后金属盖板，3、上活塞盲孔，4、左金属盖板，5、上半活塞金属层，6、上盖板金属层，7、上盖板限位压板，8、上半活塞传动轴，9、上盖板滑动窗，10、上半活塞陶瓷层，11、冷缸导气孔，12、上盖板陶瓷层，13、传动曲轴，14、曲轴连杆，15、前金属盖板，16、叉式传动杆、17、右金属盖板，18、下盖板金属层，19、下盖板限位压板，20、下半活塞传动轴，21、下盖板滑动窗、22、下半活塞陶瓷层，23、下盖板陶瓷层，24、下半活塞金属层，25、热缸导气孔，26、下半活塞盲孔，27、活塞弹簧、28、散热副缸，29、矩形气缸，30、冷却管道。

具体实施方式

结合附图1对本发明结构加以说明：

所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，采用与陶瓷膨胀系数最接近的合金钢层，与纳米级高性能陶瓷材料层在高温高压下烧结成平面复合体，组成上下两层，陶瓷面向外的矩形活塞，与陶瓷面向内气缸壁组成矩形气缸29，矩形活塞在缸内的冷热缸区呈陶瓷平面摩擦往返运动，上层气缸壁摩擦面及下层气缸壁摩擦面中部开有滑动窗口9、21，上活塞中部传动轴8、下活塞中部传动轴20垂直安装，横向输出活塞往返运动动能，形成平面密封润滑，双轴侧开窗动力输出无轴向磨损结构斯特林发动机。

所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，采用复合烧结工艺制成的矩形气缸29包括气缸壁上盖板金属层6、上盖板陶瓷层12与下盖板金属层18、下盖板陶瓷层23，装配时均是陶瓷面朝内。

所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，采用复合烧结工艺制成的，上下两半陶瓷层向外的矩形活塞，中部安装有数组调节压力弹簧27，自动调节密封摩擦压力；缸体内两端留有冷、热缸气体容积，中部可保持活塞往返运动，缸体热缸区域导气孔25与冷缸区域导气孔11通过散热副缸28呈密封气体循环。

所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，缸体外部双轴通过叉式传动杆16曲轴连杆14与其他气缸以相位差推动传动曲轴13输出旋转动力。

所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，矩形活塞面向热缸及冷缸方向两端头面，加工有数组盲孔26以加大冷热缸腔体容积及扩大导热热管1的占用空间。

所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，缸体上盖板金属层6与下盖板金属层18的上盖板滑动窗9、下盖板滑动窗21边缘部位镶嵌有永磁材料，运行时长期吸附有油基磁流体润滑材料。

所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，运行时冷热缸区域均设有导热热管。

图2是本发明一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机四缸例同轴侧视结构示意图，图中为四个矩形气缸29与四个矩形付气缸28结构，工作时外燃料热能通过受热传导热管1使高温热腔中气体工质迅速加热膨胀推动活塞运动，四缸传动通过曲轴，以及曲轴相连接的交连齿轮及惯性轮等配套传动机构，以90度相位差交替工作，热冷腔气体依次通过冷缸导气孔11及热缸导气孔25，进入相应副缸28冷却，组成交替连续的的卡诺循环工作过程，该例采用附加冷却管道30的水冷式散热方式。

Claims (7)

1.一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，采用与陶瓷膨胀系数最接近的合金钢层，与纳米级高性能陶瓷材料层在高温高压下烧结成平面复合体，组成上下两层，陶瓷面向外的矩形活塞，与陶瓷面向内气缸壁组成矩形气缸（29），矩形活塞在缸内的冷热缸区呈陶瓷平面摩擦往返运动，上层气缸壁摩擦面及下层气缸壁摩擦面中部开有滑动窗口（9、21），上活塞中部传动轴（8）、下活塞中部传动轴（20）垂直安装，横向输出活塞往返运动动能，形成平面密封润滑，双轴侧开窗动力输出无轴向磨损结构斯特林发动机。

2.根据权利要求1所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，采用复合烧结工艺制成的矩形气缸（29）包括气缸壁上盖板金属层（6）、上盖板陶瓷层（12）与下盖板金属层（18）、下盖板陶瓷层（23），装配时均是陶瓷面朝内。

3.根据权利要求1所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，采用复合烧结工艺制成的，上下两半陶瓷层向外的矩形活塞，中部安装有数组调节压力弹簧（27），自动调节密封摩擦压力；缸体内两端留有冷、热缸气体容积，中部可保持活塞往返运动，缸体热缸区域导气孔（25）与冷缸区域导气孔（11）通过散热副缸（28）呈密封气体循环。

4.根据权利要求1所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，缸体外部双轴通过叉式传动杆（16）曲轴连杆（14）与其他气缸以相位差推动传动曲轴（13）输出旋转动力。

5.根据权利要求3所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，矩形活塞面向热缸及冷缸方向两端头面，加工有数组盲孔（26）以加大冷热缸腔体容积及扩大导热热管（1）的占用空间。

6.根据权利要求2所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，缸体上盖板金属层（6）与下盖板金属层（18）的上盖板滑动窗（9）、下盖板滑动窗（21）边缘部位镶嵌有永磁材料，运行时长期吸附有油基磁流体润滑材料。

7.根据权利要求1所述的一种无轴向磨损矩形缸斯特林发动机，运行时冷热缸区域均设有导热热管。