CN85104323A - 双活塞v型斯特林发动机 - Google Patents

Abstract

双活塞斯特林发动机包括热交换器，冷却器26和回热器28与压缩腔22紧密相连以获得最小的冷通道容积，密封装置54和56取代了活塞密封、滑块、活塞杆，还有一个简化了的功率控制系统10。

Description

本发明是提供一个斯特林发动机，特别是双活塞V型斯特林发动机。

随着斯特林发动机效益的恢复和进一步地扩大，人们在尽力不断地改善他们的设计，G·Walker在《斯特林发动机》（1980第一版，一书中阐述了基本斯殊林发动机的工作原理。其要点是：斯特林发动机是根据加热和冷却工作流体（气体）的原理来工作的，通过气体的膨胀和压缩来做有用功。该书图解地说明了各种各样的斯特林发动机的设计，并附加说明了它们各自的优点。

一个典型的斯特林循环，由一个受控容积组成，而该受控容积分为下面毗邻的几部分，压缩腔（或冷腔）、冷却器、加热器和膨胀腔（或热腔）。在实际的结构中，这些腔往往要通过无效容腔或连接管道连接起来。由热力学原理可知，当这些无用空腔或连接窄道处于工作流体密度较大的冷空腔时，其结构要比这些无效空腔或连接管道处于工作流体受热且密度较小的热空腔时紧凑。在大多数情况下，最大的连接容积是在加热器与膨胀腔以及冷却器与冷空腔之间，这两部分之间的冷却管道对功率密度和效率最无益处，所以，本设计的目的之一就是要减小这部分的容积。

此外，这种发动机大多使用比空气轻的气体，如氢气，氦气作为工作流体。因为这些气体的导热性好，比热大而且粘度小，但是，轻于空气的气体的发动机的缺点之一是需要一固定的气体存贮量，因此在工作气体和周围空间之间的密封就变得相当复杂。常见的氢气和氦气发动机在活塞和滑块（吸收侧壁截荷）之间的杆上来用滑动密封，其目的是防止油液从曲柄轴箱泄漏进入工作腔，以及工作流体从工作腔泄漏进入曲柄轴箱，这样的结构增加了发动机的复杂性，且使重量和体积增大。

其它的设计设想采用空气作为工作流体，由于这些空气循环发动机避免了轻于空气的气体的发动机所需要的一些密封要求，有补偿空气相对恶劣的流体特性的优点。因为许多空气循环发动机相对地要重一些，有必要改善这一点且使其简化。为此必须克服各种设计上的困难，特别是要提供一个有效的功率重量比。

无论是空气循环发动机还是轻于空气的气体循环发动机，都希望使其趋于合理化，同时，简化其设计，减少它们的重量，还要保持或者提高它们的效率。

由于在一些应用中，原先的斯特林发动机设计已经被实践所认可，所以现在的问题是基于这种设计尽可能提高其效率和降低其成本。

本发明的主要目的之一是提供一个结构比较简单，成本低且效率高的斯特林发动机。

本发明的另一个目的是减少斯特林发动机中的无效容积借以改善和提高它们的热力学效率。

本发明还有一个目的是消除以前所采用的活塞密封设计的复杂性和一些伴随问题。

本发明的另一目的是简化发动机的控制系统，从而使其更加简易并降低它的成本。

本发明所设计的斯特林发动机，特别适用于单动式两活塞90°V型结构，把冷却器和回热器直接在靠近压缩腔处围在冷活塞上从而减少了冷却压缩管道的容积，同时提供了一个对曲柄轴箱实现密封的密封结构，从而省去了活塞密封，滑块或活塞杆。此外，也包含一个简化的功率控制系统。

所提出的设计是比较简单而且有效的，在工作中可以使用空气或轻于空气的气体作为工作流体。此外，由于设计的本质是模块化设计，很容易成组使用以产生一个较大的功率发动机。

这里通过结合几个视图对本发明所做的说明，上述斯特林发动机的设计意图，优点以及其它的特点将显而易见。

图1，是单动式双活塞V型斯特林发动机的简图。

图2、是斯特林循环发动机主要部分的部件分解图。

图3、压缩控制的简图。

参照视图，图1表示双活塞发动机或工作循环10的基本布局，可以看出，为了在工作循环过程中得到最大的体积变化，没有使用驱气活塞而使用双活塞结构。该活塞发动机包含一个平头压缩活塞12和一个园顶形膨胀活塞14，两活塞由一对连杆16和18驱动，连杆16和18与同一曲轴20相连，两活塞轴线按曲柄转角分离排列，曲柄转角等于两活塞间的理想分离角。典型的理想角度大约为90°，使得膨胀腔壁容易加工且提高了平衡性。

如图所示，压缩活塞12设置在园柱形压力腔22中腔24形成膨胀腔，每一个活塞都装有活塞环25，该环用来在工作循环和曲柄轴箱间起密封作用。紧挨着压缩腔22，有一个冷却器26，和一个回热器28，这两个部分都按标准工序制造。此外，尽管可以使用各种各样的冷却器以满是不同的要求，但这里一般选用根据我1984年4月30日递交的题为“斯特林发动机热交换器”的美国相关专利（605，473号）制造出的冷却器为合适。回热器28装在腔30中，而冷却器26大多具有它自己的空腔32。

连接管34把回热器和加热管36连在一起。膨胀腔24也借助于连接管38与加热器36相连。注意，加热器的形状构成一通气管道，适合插入一个焰道管，但由于适合于这种用途的任何加热结构均可以采用，所以这里就不再赘述了。

活塞上的活塞裙部40、42装有摩擦塑性套（如聚四氟乙稀做成的套），这在无油空压器中广泛使用。

因为，不需要活塞杆，杆密封及滑块，所以不需要使用油作为润滑剂。因为油可能泄漏进入斯特林循环中。这里，连接杆16和18通过滚柱轴承与曲柄轴20连接，每个滚柱轴承采用油脂润滑并具有密封措施，也可以采用干润滑剂（如石墨）。因此就不需要用油作为润滑剂。

但是，由于这种发动机承受载荷比较高，所以希望对滚柱轴承采用积极措施予以冷却。这可以通过给作为活塞滚柱轴承内滚圈46（仅表示了一个）的曲柄轴（空心的）通冷却剂来实现，同时，曲柄轴20也作为冷却循环48的一组成部分。另一方向，活塞的运动而泵入的空气可流向滚柱轴承和外滚道。如果必要可以装一个单向阀，通过产生一个净流循环来使空气通过外冷却器。

缸体组件52的曲柄轴箱空腔区域50用来保持中间循环压力，而中间循环压力的作用是使轴承和活塞环卸载。对此如图2所示，除端盖56以外，曲柄轴也装有压力密封件54，曲柄轴由曲柄轴箱中的主轴承58支承。

参照图3它表示一个控制系统60。尽管这个控制系统的效率比以前所用的复杂系统低（见1976年12月28号颁布的美国专利号3，999，388），但也可令人满意地工作且具有廉价的优点。一个简单的多级节流（线性响应）流量变送阀62借助于导管64、导管66把冷却器26和压缩活塞12之间的冷空腔和曲柄轴箱50连接起来。阀62可以只包括一个由一个截止阀片断流的多级节流阀板，另外阀62还有一个围绕压缩活塞的旁道通道。为了不超过最大功率，阀62被打开一定的程度，允许一部分工作流体分流进入曲柄轴箱50（处于平均压力下）再从曲柄轴箱流回，而不经过热交换器，从而减小了循环的压力波动。阀的开动只需很小的力，因而可以通过一个人力杠杆完成。

很明显，这样的结构设计非常简单，成本比较低且可靠性高，这种发动机的设计是标准化的，很容易和其它发动机共用一个燃烧室且组合在同一个曲柄轴上。注意，在一个多级循环发动机中，完全可以对多级发动机的压缩系统实现联动控制，类似的循环组合也使装配件有一个完好的动平衡。

至此，本发明的目的和优点显而易见，尽管选择地提出了一个最佳实施例，在这里作了详细说明，但它的范围不应该仅限于此，而应该由附加权项所决定。

Claims (10)

1、一个斯特林循环包括：在冷却空腔往复运动的压缩活塞和在膨胀空腔往复运动的膨胀活塞，它们沿轴线相互以大约90°的相角分开；冷却装置；回热装置；所说的回热装置与冷却装置紧紧相连。而该冷却装置又与冷空腔紧挨，从而减小冷通道的容积；加热装置与所说的回热装置和膨胀空腔相连，它们一起构成斯特林工作循环。

2、一个斯特林循环包括有一个发动机内腔，该内腔由压缩缸体和膨胀缸体及曲柄轴箱组成，放置在各自缸体中的压缩活塞和膨胀活塞在所说的内腔中通过轴承和曲柄轴连接，所说的曲柄轴处由活塞和曲柄轴确定的曲柄轴箱内，活塞由活塞本体和装在本体上的导套组成，从而减少了往复运动过程中缸体与活塞之间的摩擦，曲柄轴箱是经过密封的，以防止通过活塞的工作流体经轴箱外泄，冷却曲柄轴和轴承的装置排除了曲柄轴箱对油的需要。

3、根据权项2要求的发明，所说的活塞带有活塞裙，所说的导套装置包括有装在活塞上的塑料导套。

4、根据权项3要求的发明，其中冷却装置包括一个冷却介质可以从中流过的空心曲柄轴。

5、根据权项4要求的发明，还包括各自轴向分布的冷却器和回热器。它们和压缩腔紧密相连，以减少冷却管道的无用容积，加热装置与回热器和膨胀腔相连，它们一起组成斯特林循环。

6、根据权项5所要求的发明，控制装置包括有一个流量变送阀，它使得工作气体从压缩缸的旁路流过。通过调节流量变送阀的开度以确定工作循环过程中工作气体的平均流量，从而也就控制了循环过程中的压力波动和相应的功率输出。

7、根据权项1要求的发明，控制装置包括有一个流量变送阀，它使得工作气体从压缩缸的旁路流过。通过调节流量变送阀的开度以确定工作循环过程中工作气体的平均流量，从而也就控制了循环过程中的压力波动和相应的功率输出。

8、根据权项1要求的发明，把许多斯特林循环组合在一起形成一个普通的多缸斯特林循环发动机。

9、根据权项2要求的发明，把许多斯特林循环组合在一起形成一个普通的多缸斯特林循环发动机。

10、一个斯特林循环发动机包括一个或多个斯特林循环，每一个斯特林循环包括：

一个在低温压缩腔中往复运动的压缩活塞;

一个在高温膨胀腔中往复运动的膨胀活塞;它与压缩活塞彼此大约成90°相角。

冷却装置;

回热装置，所说的回热装置与低温压缩腔紧密相连以减少低温通道的容积。

加热装置与所说的回热装置及膨胀腔相连以组成斯特林循环。

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