CN210889140U - 一种斯特林发动机装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及发动机技术领域，尤其是涉及一种斯特林发动机装置。该斯特林发动机装置包括：主动气缸、被动气缸和加热器。本实用新型提出的一种斯特林发动机装置采用双缸作用方式，加热器加热主动气缸热腔中的气体，冷腔中的冷气体流入热腔，推动第一活塞朝向第一转轮运动，带动第一转轮转动；冷腔中的气体进入被动气缸的进气腔，推动第二活塞朝向第二转轮运动，带动第二转轮转动，直至第二活塞到达左止点。由于第一、第二转轮和转轴等组件的惯性使其继续旋转，第一活塞和第二活塞反向移动，主动气缸通过第一进气门吸入外界气体，被动气缸通过出气口排出气体，完成一个工作循环。主动气缸的冷腔和热腔始终有温度差，使斯特林发动机装置能够持续运行。

Description

一种斯特林发动机装置

技术领域

本实用新型涉及发动机技术领域，具体涉及一种斯特林发动机装置。

背景技术

斯特林发动机是通过气缸内工作介质(氢气或氦气)经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力，因此又被称为热气机。斯特林发动机是一种外燃发动机，其有效效率一般介于汽油机与柴油机之间。在国内和国外，斯特林发动机已经成熟的应用在潜水艇上，还没有像内燃机那样普遍用于民用汽车上。在国外，美国、巴西和英国等少数国家开始少量生产斯特林乙醇发动机用到汽车上，功率还是偏低。

目前，在国内，斯特林乙醇发动机正处于研制试用阶段。市场上的斯特林发动机中冷腔和热腔循环是封闭式的，采用定容下吸热的气体循环方式。这种循环方式存在以下问题：当室温＜22℃时，斯特林发动机可以长期运转；当室温≥30℃时，启动2-3分钟后，主动气缸活塞的前后两腔(冷腔和热腔)温度差很小，斯特林发动机会停止运转，这样在夏天就不能连续运转，造成斯特林发动机的输出功率偏低，致使其运行推广受到限制。

为了使主动气缸活塞前后的气体产生温度差，中国专利CN101280737A的技术方案由多个加热管组成加热器管组加强加热，采用冷却管组加强冷却，容易造成加热器和冷却器损坏且结构复杂造成气体在加热器和冷腔器中的流动阻力大，实际运行效率低。

如何设计一种结构简单且循环运行效率高的斯特林发动机成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种斯特林发动机装置，主动气缸和被动气缸单向连通，使双缸与外界单向连通，形成持续的温度差，简化了工艺，提高了运行效率。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案：

一种斯特林发动机装置，包括：底座；主动气缸，固定设置在所述底座上，所述主动气缸内形成有对流空间；第一活塞，配合设置在所述主动气缸的对流空间内，所述第一活塞将所述主动气缸内的对流空间分隔为相互连通的热腔和冷腔；第一进气门，与所述冷腔连通，所述第一进气门的一端向外界气体开放以使所述冷腔和所述外界气体单向连通；被动气缸，固定设置在所述底座上并与所述主动气缸相互分离设置；所述被动气缸与所述冷腔连通，所述被动气缸上设置有出气口；第二活塞，配合设置在所述被动气缸内，所述第二活塞与所述被动气缸形成进气腔；所述进气腔与所述冷腔单向连通；连接机构，分别与所述第一活塞和所述第二活塞传动连接，所述连接机构带动所述第一活塞和所述第二活塞分别在所述主动气缸和所述被动气缸内往复移动，推动所述冷腔内的气体被压缩流向所述进气腔并从出气口排出，将外界气体通过所述第一进气门导入所述冷腔；以及加热器，固定设置在所述底座上并位于所述主动气缸的底部，用于加热所述热腔内的气体，以使气体在所述热腔和所述冷腔间往复流动并被周期性加热。

进一步地，所述连接机构包括传动连接的第一转轮、第一连接机构和传动连接的第二转轮、第二连接机构，所述第一转轮和所述第二转轮同轴传动连接，所述第一连接机构与所述第一活塞传动连接，将所述第一活塞的直线运动转变为所述第一转轮的转动；所述第二连接机构与所述第二活塞传动连接，将所述第二活塞的直线运动转变为所述第二转轮的转动。

进一步地，所述第一连接机构包括依次连接的中轴、关节头、第一连杆和第一曲柄，所述中轴的第一端与所述第一活塞固定连接，第二端穿过所述冷腔并向外延伸与所述关节头连接，所述关节头与所述第一连杆铰接，所述第一连杆与所述第一曲柄铰接，所述第一曲柄与所述第一转轮固接。

进一步地，所述被动气缸远离所述进气腔的一侧设置有开口，所述第二连接机构为曲柄连杆机构，所述曲柄连杆机构中第二连杆的第一端与所述第二活塞铰接，第二端穿过所述被动气缸并向外延伸与所述曲柄连杆机构中的第二曲柄铰接。

进一步地，所述第一曲轴与所述第二曲轴相差90°。

进一步地，所述第二活塞具有靠近所述第二转轮的第一极限位置和远离所述第二转轮的第二极限位置，所述第二活塞到达所述第一极限位置时，所述第一、第二转轮在惯性力下继续转动，带动所述第一、第二活塞背向所述第一、第二转轮移动，所述外界气体通过所述第一进气门进入所述冷腔内，所述进气腔的气体从所述出气口排出。

进一步地，所述第一进气门包括第一单向阀，所述第一单向阀限制所述冷腔内的气体向所述外界气体中流出。

进一步地，所述进气腔与所述冷腔之间设置有连接通路，所述连接通路连通所述进气腔与所述冷腔；所述连接通路上设置有第二单向阀，所述第二单向阀限制所述进气腔内的气体向所述冷腔内流动。

进一步地，还包括移动臂，所述移动臂与所述被动气缸滑动连接，所述移动臂上设置有第一气口，所述第一气口具有与所述被动气缸上的出气口连通的连通状态和与所述出气口错开的断开状态。

进一步地，所述移动臂上固定设置有第一碰销和第二碰销，所述第一碰销和所述第二碰销相对设置，当所述第二活塞朝向所述第一转轮移动时，所述第二活塞抵靠所述第一碰销并推动所述移动臂移动，以使所述第一气口处于连通状态；当所述第二活塞背向所述第一转轮移动时，所述第二活塞抵靠所述第二碰销并推动所述移动臂移动，以使所述第一气口处于断开状态。

本实用新型实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、本实用新型实施例中采用了双缸作用方式，加热器加热主动气缸热腔中的气体，冷腔中的冷气体流入热腔，推动第一活塞朝向第一转轮运动，通过第一连接机构带动第一转轮转动；冷腔中的气体被压缩进入被动气缸的进气腔，推动第二活塞朝向第二转轮运动，通过第二连接机构驱动第二转轮转动，直至第二活塞到达左止点。由于第一、第二转轮和转轴等组件的惯性使其继续旋转，第一活塞和第二活塞反向移动，主动气缸通过第一进气门吸入外界气体，被动气缸通过出气口排出气体，完成一个工作循环。主动气缸的冷腔和热腔始终有温度差，使斯特林发动机装置能够持续运行。

2、本实用新型实施例中采用了移动臂和第一气口，第二活塞往复移动碰触第一碰销和第二碰销，使第一气口和出气口连通或断开，以使进气腔中的气体排出至外界或冷腔内的气体流入进气腔内。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种斯特林发动机装置的结构示意图；

图2为图1的A向视局部视图；

图3为主动气缸的结构示意图；

图4为图3的A-A剖视图；

图5为图4的B-B剖视图；

图6为本实用新型实施例中斯特林发动机装置的工作原理图。

附图标记说明

1-底座，2-主动气缸，3-酒精灯，301-毛毡垫，4-支架，5-第一活塞，6-固定塞，7-热腔，8-冷腔，9-密封头，10-中轴，11-第一转轮，12-第一连接机构，1201-关节头，1202-第一连杆，1203-第一曲柄，13-管接头，14-第一单向阀，15-第一气管，16-传动机构，1601-转轴，1602-支承套，1603-外隔套，1604-轴承，1605-内隔套，1606-顶套；

17-第二转轮，18-第二单向阀，19-被动气缸，20-第二活塞，21-第二连接机构，2101-第二曲柄，2102-第二连杆，22-移动臂，23-第一碰销，24-第二碰销，25-第一气口，26-第二气口，27-进气腔，28-第二气管。

具体实施方式

下面为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

图1-图6示出了本实用新型提出的一种斯特林发动机装置的结构示意图。为叙述方便，下文中所称的“上”、“下”、“左”、“右”与附图本身的上、下、左、右方向一致，但不对本实用新型结构起限定作用。

如图1-图6所示，一种斯特林发动机装置，包括：底座1、主动气缸2、第一活塞5、第一进气门、被动气缸19、第二活塞20、连接机构和加热器。

其中，底座1，设置在整个斯特林发动机装置的底部，底座1的截面为倒T型，能够将主动气缸2和被动气缸19支撑起一定的高度。

主动气缸2，固定设置在底座1上。主动气缸2的第一端封闭，第二端设置有密封头9，密封头9与主动气缸2的第二端密封连接，使主动气缸2内形成相对封闭的对流空间。可选的，密封头9与主动气缸2的连接处设置有O型圈，从而在密封头9与主动气缸2之间形成密封连接结构。

第一活塞5，配合设置在主动气缸2的对流空间内，第一活塞5将主动气缸2内的对流空间分隔为冷腔8和热腔7。主动气缸2的内径可以为φ22mm，第一活塞5的外径可以为φ21.4mm，主动气缸2和第一活塞5在直径上有0.6mm的间隙，这个间隙可以使冷腔8中的冷气体流入热腔7，以实现对流循环。

第一进气门，包括第一单向阀14和第一气管15。主动气缸2上设置有进气口，进气口与第一气管15连通，第一气管15的另一端向外界气体开放。第一单向阀14设置在第一气管15上，以使冷腔8与外界气体连通，并且只能使外界气体向主动气缸2的冷腔8内流动。可选的，第一气管15可以置于水槽内或连接制冷设备(第一气管15的出口保持向外界气体开放)使进入主动气缸2内冷腔8的气体温度进一步降低，使冷腔8和热腔7内形成持续较大的温度差，进而使斯特林发动机装置能够持续运行，增大输出功率。

主动气缸2的密封头9处连接有管接头13，该管接头13与主动气缸2的冷腔8连通。

被动气缸19，固定设置在底座1上，被动气缸19与主动气缸2相互分离设置。被动气缸19的第一端封闭，第二端设置有开口。

第二活塞20，配合设置在被动气缸19内，第二活塞5与被动气缸19形成有进气腔27。进气腔27与主动气缸2的冷腔8之间设置有连接通路，该连接通路包括第二气管28。被动气缸19上设置有与进气腔27连通的进气口，该进气口通过第二气管28与管接头13连通，使被动气缸19的进气腔27与主动气缸2的冷腔8连通，以使冷腔8内的气体流入被动气缸19的进气腔27内。

第二气管28上设置有第二单向阀18，第二单向阀18限制进气腔27内的气体向冷腔8内流动，使主动气缸2的冷腔8与进气腔27单向连通，使气体只能从主动气缸2的冷腔8流入被动气缸19的进气腔27内。可选的，第一气管15和第二气管28均为PVC软管，便于气体流动。

被动气缸19上还设置有出气口即第二气口26，进入进气腔27内的气体通过第二气口26排出至外界气体中。

加热器，嵌设在底座1上，并与底座1固定连接。该加热器可以为酒精灯3，该酒精灯3对应设置在主动气缸2的热腔7部分的底部，酒精灯3的火焰部用于加热热腔7内的气体，以使气体在热腔7和冷腔8间往复流动并被周期性加热。酒精灯3上设置有毛毡垫301，以密封酒精灯3防止酒精灯3中的乙醇挥发散失。酒精灯3产生的动力使转轮快速旋转，转速可达100-150r/min，用0.5kg左右的力量才能使之停止运动。

连接机构包括第一转轮11、第一连接机构12、第二转轮17和第二连接机构21。其中第一转轮11和第二转轮17通过传动机构16同轴传动连接，该传动机构16包括转轴1601、支承套1602、外隔套1603、两个轴承1604、内隔套1605和顶套1606，支承套1602通过支架4支撑，该支架4与底座1通过螺钉连接；转轴1601的两端分别连接第一转轮11和第二转轮17，转轴1601由两个轴承1604固定，使第一转轮11和第二转轮17能够绕转轴1601的轴心线旋转。可选的，该轴承1604为深沟球轴承1604，摩擦系数小，极限转速高，尺寸范围与形式变化多样。

第一连接机构12与第一活塞5传动连接，包括依次连接的中轴10、关节头1201、第一连杆1202和第一曲柄1203，中轴10穿设在第一活塞5上，其第一端与第一活塞5固定连接，第二端穿过冷腔8并向外延伸与关节头1201连接；中轴10与第一活塞5的连接处设置有固定塞6，固定中轴10的同时增加气密性。中轴10与主动气缸2密封连接，增加主动气缸2的气密性。关节头1201与第一连杆1202铰接，第一连杆1202与第一曲柄1203通过销轴铰接，第一曲柄1203与第一转轮11固接，将第一活塞5的直线运动转变为第一转轮11的转动。

第二连接机构21为曲柄连杆机构，该曲柄连杆机构包括第二曲柄2101和第二连杆2102。第二连杆2102的第一端与第二活塞20通过销轴铰接，第二端穿过被动气缸19的开口并向外延伸与第二曲柄2101铰接，第二曲柄2101与第二转轮17固定连接，将第二活塞20的直线运动转变为第二转轮17的转动。

第一曲柄1203的中心距不小于第二曲柄2101的中心距，且第一曲柄1203和第二曲柄2101相差90°，死点位置相互错开，这样能保证不出现卡死现象。第一转轮11、第二转轮17和转轴1601等组件具有一定的重量，保证工作循环的后1/4圈有足够的惯性可以转过。

第二活塞20具有靠近第一转轮11的第一极限位置(即左止点)和远离第一转轮11的第二极限位置(即右止点)，当第二活塞20到达第一极限位置时，第一转轮11、第二转轮17等的惯性使其继续旋转，第一活塞5向热腔7移动压缩，第二活塞20向进气腔27移动压缩，由于第一单向阀14和第二单向阀18的作用，通过第一进气门吸入外界气体，并通过第二气口26排出。当第二活塞20到达第二极限位置时，压缩过程结束，完成一个工作循环。

本实用新型提出的一种斯特林发动机装置，还包括移动臂22，被动气缸19的底部铣出有滑动槽，该移动臂22滑动连接在该滑动槽内，并能够沿第二活塞20的移动方向做往复运动。移动臂22上设置有第一气口25，第一气口25具有与被动气缸19上的第二气口26连通的连通状态和与第二气口26错开的断开状态。移动臂22的横截面为U型，该U型的两侧边分别固定设置有第一碰销23和第二碰销24，第一碰销23和第二碰销24相对设置。当第二活塞20朝向第一转轮11移动时，第二活塞20抵靠第一碰销23并推动移动臂22向左移动至第二活塞20处于第一极限位置，使移动臂22上的第一气口25和第二气口26连通，即第一气口25处于连通状态；当第二活塞20背向第一转轮11移动时，将进气腔27内的气体向外排出；第二活塞20抵靠第二碰销24并推动移动臂22向右移动至第二活塞20处于第二极限位置，使移动臂22上的第一气口25与第二气口26错开，即第一气口25处于断开状态，完成一个工作循环。

本实用新型一种实施例的工作原理是：斯特林发动机装置运行时，酒精灯3加热主动气缸2热腔7内的气体，气体温度升高。冷腔8内的气体通过第一活塞5和主动气缸2缸壁的间隙流入热腔7，推动第一活塞5向冷腔8移动压缩，带动第一转轮11旋转。在第一活塞5移动的同时，第一进气门封闭，冷腔8内的气体通过第二气管28排入被动气缸19的进气腔27，从而推动被动气缸19的第二活塞20朝向第二转轮17移动带动第二转轮17旋转，此时第一气口25和第二气口26错开。当第二活塞20移动到第一极限位置时，推动移动臂22向左移动，第一气口25和第二气口26连通；此时，第一转轮11和第二转轮17运转3/4圈。由于第一连接机构12和第二连接机构21中各组件的惯性，第一转轮11和第二转轮17继续旋转，第一活塞5向热腔7移动压缩，将外界气体吸入冷腔8内；第二活塞20向进气腔27移动压缩，将进气腔27内的气体排出到空气中，主动气缸2的冷腔8和热腔7始终有温度差，保证斯特林发动机装置的长期连续工作，开始下一个循环。

综上所述，本实用新型提出的一种斯特林发动机装置采用双缸作用方式，加热器加热主动气缸热腔中的气体，冷腔中的冷气体流入热腔，推动第一活塞朝向第一转轮运动，通过第一连接机构带动第一转轮转动；冷腔中的气体被压缩进入被动气缸的进气腔，推动第二活塞朝向第二转轮运动，通过第二连接机构驱动第二转轮转动，直至第二活塞到达左止点。由于第一、第二转轮和转轴等组件的惯性使其继续旋转，第一活塞和第二活塞反向移动，主动气缸通过第一进气门吸入外界气体，被动气缸通过出气口排出气体，完成一个工作循环。主动气缸的冷腔和热腔始终有温度差，使斯特林发动机装置能够持续运行。本实用新型实施例中采用了移动臂和第一气口，第二活塞往复移动碰触第一碰销和第二碰销，使第一气口和出气口连通或断开，以使进气腔中的气体排出至外界或冷腔内的气体流入进气腔内。

在本实用新型中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种斯特林发动机装置，其特征在于，包括：

底座；

主动气缸，固定设置在所述底座上，所述主动气缸内形成有对流空间；

第一活塞，配合设置在所述主动气缸的对流空间内，所述第一活塞将所述主动气缸内的对流空间分隔为相互连通的热腔和冷腔；

第一进气门，与所述冷腔连通，所述第一进气门的一端向外界气体开放以使所述冷腔和所述外界气体单向连通；

被动气缸，固定设置在所述底座上并与所述主动气缸相互分离设置；所述被动气缸与所述冷腔连通，所述被动气缸上设置有出气口；

第二活塞，配合设置在所述被动气缸内，所述第二活塞与所述被动气缸形成进气腔；所述进气腔与所述冷腔单向连通；

连接机构，分别与所述第一活塞和所述第二活塞传动连接，所述连接机构带动所述第一活塞和所述第二活塞分别在所述主动气缸和所述被动气缸内往复移动，推动所述冷腔内的气体被压缩流向所述进气腔并从出气口排出，将所述外界气体通过所述第一进气门导入所述冷腔；以及

加热器，固定设置在所述底座上并位于所述主动气缸的底部，用于加热所述热腔内的气体，以使气体在所述热腔和所述冷腔间往复流动并被周期性加热。

2.根据权利要求1所述的斯特林发动机装置，其特征在于，所述连接机构包括传动连接的第一转轮、第一连接机构和传动连接的第二转轮、第二连接机构，所述第一转轮和所述第二转轮同轴传动连接，所述第一连接机构与所述第一活塞传动连接，将所述第一活塞的直线运动转变为所述第一转轮的转动；所述第二连接机构与所述第二活塞传动连接，将所述第二活塞的直线运动转变为所述第二转轮的转动。

3.根据权利要求2所述的斯特林发动机装置，其特征在于，所述第一连接机构包括依次连接的中轴、关节头、第一连杆和第一曲柄，所述中轴的第一端与所述第一活塞固定连接，第二端穿过所述冷腔并向外延伸与所述关节头连接，所述关节头与所述第一连杆铰接，所述第一连杆与所述第一曲柄铰接，所述第一曲柄与所述第一转轮固接。

4.根据权利要求3所述的斯特林发动机装置，其特征在于，所述被动气缸远离所述进气腔的一侧设置有开口，所述第二连接机构为曲柄连杆机构，所述曲柄连杆机构中第二连杆的第一端与所述第二活塞铰接，第二端穿过所述被动气缸并向外延伸与所述曲柄连杆机构中的第二曲柄铰接。

5.根据权利要求4所述的斯特林发动机装置，其特征在于，所述第一曲轴与所述第二曲轴相差90°。

6.根据权利要求5所述的斯特林发动机装置，其特征在于，所述第二活塞具有靠近所述第二转轮的第一极限位置和远离所述第二转轮的第二极限位置，所述第二活塞到达所述第一极限位置时，所述第一、第二转轮在惯性力下继续转动，带动所述第一、第二活塞背向所述第一、第二转轮移动，所述外界气体通过所述第一进气门进入所述冷腔内，所述进气腔的气体从所述出气口排出。

7.根据权利要求1所述的斯特林发动机装置，其特征在于，所述第一进气门包括第一单向阀，所述第一单向阀限制所述冷腔内的气体向所述外界气体中流出。

8.根据权利要求1所述的斯特林发动机装置，其特征在于，所述进气腔与所述冷腔之间设置有连接通路，所述连接通路连通所述进气腔与所述冷腔；所述连接通路上设置有第二单向阀，所述第二单向阀限制所述进气腔内的气体向所述冷腔内流动。

9.根据权利要求2所述的斯特林发动机装置，其特征在于，还包括移动臂，所述移动臂与所述被动气缸滑动连接，所述移动臂上设置有第一气口，所述第一气口具有与所述被动气缸上的出气口连通的连通状态和与所述出气口错开的断开状态。

10.根据权利要求9中所述的斯特林发动机装置，其特征在于，所述移动臂上固定设置有第一碰销和第二碰销，所述第一碰销和所述第二碰销相对设置，当所述第二活塞朝向所述第一转轮移动时，所述第二活塞抵靠所述第一碰销并推动所述移动臂移动，以使所述第一气口处于连通状态；当所述第二活塞背向所述第一转轮移动时，所述第二活塞抵靠所述第二碰销并推动所述移动臂移动，以使所述第一气口处于断开状态。

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