EA003980B1

EA003980B1 - Двигатель стирлинга

Info

Publication number: EA003980B1
Application number: EA200201297A
Authority: EA
Inventors: Карл Кочисек
Original assignee: Карл Кочисек
Priority date: 2000-05-29
Filing date: 2001-05-29
Publication date: 2003-12-25
Also published as: BR0111662A; DE50113863D1; KR100743954B1; HK1052956A1; AT411844B; WO2001092708A1; CA2405174A1; US20030167766A1; KR20030005302A; US6729131B2; ATA9362000A; EP1285160A1; HK1052956B; AU2001273722B2; JP2003535262A; AU7372201A; EP1285160B1; EA200201297A1; MXPA02011800A; CN1441875A

Abstract

Двигатель Стирлинга (10, 50, 72) содержит по меньшей мере один рабочий поршень (52) и по меньшей мере один поршень-вытеснитель (4), причем для регулировки мощности посредством передачи линейного движения приводной детали (2) для обеспечения линейного движения ведомой детали (8) предусмотрен рычаг (5), который шарнирно соединен с приводной и ведомой деталями (2, 8) и содержит подвижную точку (7) поворота, причем при передаче движения точка опоры рычага (5) движется по точке (7) поворота по кривой.

Description

Изобретение относится к двигателю Стирлинга, содержащему, по меньшей мере, один рабочий поршень и, по меньшей мере, один поршень-вытеснитель.

В зависимости от того, какой приводной агрегат применяется для привода вращения, имеется множество возможностей для регулировки мощности привода вращения. В двигателях внутреннего сгорания мощность хорошо регулируется подачей топлива, в то время как, например, в двигателях Стирлинга на протяжении длительного времени регулировка мощности без снижения КПД представляет большую проблему. Известно, что для регулировки мощности двигателей Стирлинга необходимо изменять, во-первых, мертвые пространства и, вовторых, давление рабочего газа, причем, однако, при обоих видах регулировки мощности происходит снижение КПД и затрачивается относительно большое время на редуцирование.

Из ϋ8 3 886 744 А известна, например, система регулировки мощности двигателя Стирлинга, в которой давление горячего воздуха на впуске регулируется посредством кольцевого регулирующего элемента, который в зависимости от присутствующего дифференциального давления открывает или закрывает впускное отверстие; при этом недостаток состоит в том, что конструкция очень дорогая и что КПД двигателя Стирлинга снижается из-за регулирования давления.

Из ϋ8 2 873 611 А известен двигатель внутреннего сгорания, в котором посредством плеча рычага, имеющего форму дуги окружности, может изменяться ход поршня и тем самым регулироваться мощность кривошипа на стороне выходного вала. Для этого плечо рычага содержит кулисную направляющую, в которой располагается с возможностью скольжения соединительная головка. Поскольку в двигателях внутреннего сгорания присутствует множество других больших возможностей для эффективной регулировки мощности, то применение такого устройства в двигателях внутреннего сгорания нецелесообразно.

Целью изобретения является создание двигателя Стирлинга упомянутого выше типа, в котором возможна быстрая регулировка мощности без снижения КПД.

Двигатель Стирлинга согласно изобретению указанного выше типа отличается тем, что для регулировки мощности посредством перевода линейного движения приводной детали в линейное движение ведомой детали предусмотрен, по меньшей мере, один рычаг, который шарнирно соединен с приводной и ведомой деталями и которому соответствует регулируемая точка поворота, причем при передаче движения точка опоры рычага перемещается относительно точки поворота по кривой. Эта кривая может при этом иметь любую форму в зависимости от требования, предъявляемого к передаче движе ния или в зависимости от типа двигателя Стирлинга.

Поскольку расчетная мощность двигателя Стирлинга - при допущении изотермического расширения и сжатия - выражается через ₽ - <1- υ ^Α_.ρ„_τ-^.3ίηθ где р - мощность, τ - температурное соотношение между камерой сжатия и камерой расширения, п - число оборотов (об./мин),

Хи,тах - максимальный объем камеры расширения,

Хс,_тах - максимальный объем камеры сжатия,

Р_т - среднее эффективное давление,

- степень сжатия двигателя,

причем φ - фазовый угол между рабочим поршнем и поршнем-вытеснителем, соотношение между максимальными объемами сжатия и расширения, _τ_ т_с _ е_е температурное соотношение между камерой сжатия и камерой расширения, мощность может регулироваться без снижения КПД с помощью рычажного устройства в соответствии с отличительной частью п.1 формулы изобретения, так как хорошо регулируются преимущественно максимальный объем сжатия У_С,_тах и, следовательно, степень сжатия δ двигателя.

Путем настройки точки поворота, по которой рычаг или его опорная точка перемещается при передаче движения, можно очень просто обеспечить скорость и ускорение ведомой части, а также обусловленное этим изменение максимальных объемов камеры сжатия, чем обес печивается возможность регулировки мощности двигателя Стирлинга.

В целях конструктивно простого достиже ния изменения точки опоры рычага при передаче движения целесообразно, чтобы рычаг содержал кулису, которая определяет форму кривой и при передаче движения скользит через точку поворота, которая выполнена, например, в виде ролика.

Для четкого выполнения регулировки мощности двигателя Стирлинга оказалось особо эффективным, чтобы кривая или кулиса имели форму дуги окружности; само собой разумеется, что в зависимости от назначения возможны и другие формы кривой, например два связанных между собой касательной сегмента или эллиптическая форма.

Для того чтобы иметь возможность изменять настройку точки поворота простым способом, предпочтительно, чтобы точка поворота располагалась на поворотном рычаге.

Конструктивно особо простой способ установки точки поворота достигается в том случае, когда поворотный рычаг соединен с установочным устройством.

Для одинаковой установки точек вращения двух рычагов в случае применения по меньшей мере двух цилиндров предпочтительно, чтобы установочное устройство было соединено через соответствующую систему тяг с поворотным рычагом и располагалось симметрично между, по меньшей мере, двумя рычагами.

Для конструктивно простого выполнения установочного устройства оптимальным является то, что установочное устройство выполнено в виде шпиндельного привода.

Если применяется направляющая кулисы, в которой располагается с возможностью перемещения и фиксации находящийся напротив поворотного рычага конец системы тяг, то можно просто и быстро изменять позицию поворотного рычага и тем самым регулировать мощность двигателя Стирлинга.

В двигателе Стирлинга с рабочим поршнем двойного действия, в котором движение рабочего поршня происходит синусоидально, предпочтительно, чтобы для регулировки мощности поршень-вытеснитель был соединен с рычагом, в результате чего обеспечивается динамическое изменение хода поршнявытеснителя и прерывистость его движения.

В β-двигателе Стирлинга, в котором достигают, как правило, более высоких значений механического КПД по сравнению с двигателями Стирлинга других конструкций, поршеньвытеснитель и рабочий поршень расположены в общем цилиндре, в результате чего теоретически возможно, что вся масса газа окажется на стадии расширения в камере расширения горячего тела и на стадии сжатия в камере сжатия холодного тела. При регулировке нейтральной в отношении КПД мощности предпочтительно, чтобы рабочий поршень был соединен с рычагом с регулируемой точкой поворота, а поршень-вытеснитель - с рычагом с фиксированной точкой поворота.

В двигателе двойного действия, в котором для простоты конструктивного выполнения двигателя Стирлинга рабочий поршень и поршеньвытеснитель образуют единый узел, этот узел для эффективной регулировки мощности соединен с рычагом.

Для обеспечения надежного хода поршнявытеснителя и рабочего поршня целесообразно, чтобы приводная деталь была шарнирно соединена со штоком, соединенным с поршнемвытеснителем или рабочим поршнем и линейно движущимся по прямолинейной направляющей.

Для достижения необходимого теплообмена между рабочим газом и поверхностями нагревателя и охладителя целесообразно, чтобы поршень-вытеснитель содержал гофрированный профиль с обеих сторон, а рабочий поршень - с одной стороны, которым они могут воздействовать на смежные поверхности нагревателя и охладителя. По сравнению с плоскими поверхностями при таком способе контактировать с рабочим газом может значительно большая поверхность. Для обеспечения большой прочности поршня-вытеснителя предпочтительно, чтобы пластинчатые гофрированные профили поршнявытеснителя располагались по отношению друг к другу под углом 90°. Также предпочтительно для достижения высокой прочности, чтобы пластинчатые тонкостенные гофрированные профили рабочего поршня или головки нагревателя были усилены ребрами жесткости на стороне горелки или хладагента. Особо предпочтительно для обеспечения КПД и минимизации вредных объемов двигателя Стирлинга, чтобы поверхности нагревателя, регенератора и охладителя непосредственно были встроены в рабочую камеру.

Вместо применения традиционного коленчатого вала на стороне выходного вала, может оказаться эффективным в части кинематики максимальное приближение к идеальному круговому процессу, когда линейное движение ведомой части преобразуется во вращательное движение посредством скользящей кулисы, служащей в качестве кривошипа.

Ниже изобретение подробнее объясняется предпочтительными, представленными на чертеже примерами выполнения, которыми оно, однако, не ограничивается. В частности, представлено на фиг. 1 - в схематичном виде устройство для управляемого преобразования линейного движения, причем приводная деталь, линейное движение которой преобразуется через рычаг, точка опоры которого перемещается по точке поворота по кривой, находится в нижнем конечном положении;

фиг. 2 - вид на представленное на фиг. 1 устройство, причем приводная деталь находится в среднем или нулевом положении;

фиг. 3 - вид на представленное на фиг. 1, 2 устройство, причем приводная деталь находится в верхнем конечном положении;

фиг. 4 - вид на двигатель Стирлинга с двумя вытеснительными узлами и с устройством для управления возвратно-поступательным движением поршня-вытеснителя;

фиг. 5 - вид сбоку на двигатель Стирлинга по стрелке V на фиг. 4;

фиг. 6 - вид с сечением по νΐ-νΐ на фиг. 5;

фиг. 7 - перспективный вид на двигатель Стирлинга, представленный на фиг. 4-6;

фиг. 8 - в разобранном состоянии вытеснительный узел двигателя Стирлинга с поверхностями охладителя и нагревателя, содержащими гофрированный профиль;

фиг. 9 - перспективный вид на поршеньвытеснитель, совершающий возвратно поступательное движение внутри вытеснительного узла, представленного на фиг. 8;

фиг. 10 - в разобранном состоянии поршень-вытеснитель, представленный на фиг. 9;

фиг. 11 а-116 - разные графики для двигателя Стирлинга, представленного на фиг. 4-7, причем представлено соответственно другое положение точки поворота рычага для управления возвратно-поступательным движением приводной детали;

фиг. 12 - вид на двухцилиндровый βдвигатель Стирлинга с двумя вытеснительными узлами и одним устройством для управления возвратно-поступательным движением и временным режимом рабочего поршня;

фиг. 13 - вид сбоку с частичным разрезом β-двигателя, представленного на фиг. 12;

фиг. 14 - вид с сечением по Х1У-Х1У на фиг. 13, причем точки поворота находятся в положении, соответствующем максимальной мощности, рабочие поршни имеют максимальную длину хода;

фиг. 15 - вид сбоку β-двигателя, представленного на фиг. 14, причем точки поворота находятся в среднем положении;

фиг. 16 - вид β-двигателя, представленного на фиг. 14 и 15, причем точки поворота находятся в положении минимизации мощности;

фиг. 17 - перспективный вид с сечением изображения по фиг. 14-16;

фиг. 18 - вид на β-двигатель в разобранном состоянии, представленный на фиг. 12-17;

фиг. 19а-196 - разные графики для βдвигателя, представленного на фиг. 12-18, причем точка поворота рычага двигателя для управления возвратно-поступательным движением приводного вала занимает соответственно другое положение;

фиг. 20 - вид на двигатель Стирлинга двойного действия с устройством для управляемого преобразования линейных движений;

фиг. 21 - вид с сечением по ΧΧΙ-ΧΧΙ на фиг. 20.

На фиг. 1-3 представлено устройство 1 для управляемого преобразования линейных движений, причем в качестве приводной детали выполнен шатун 2, который шарнирно соединен со штоком 3 поршня-вытеснителя 4 двигателя Стирлинга (см. фиг. 6). Кроме того, шатун 2 шарнирно соединен через ось 2' с рычагом 5, заданная управляющая кривая которого имеет вид кулисы 6, в которой предусмотрен свободно вращающийся вокруг оси 7' ролик 7 в качестве точки поворота рычага 5 (поэтому ниже называемого роликовым рычагом). Другой конец изогнутого преимущественно под углом 90° рычага 5 через ось 8' шарнирно соединен с ведомой тягой 8, на которую передается линейное движение штока 3 поршня-вытеснителя. Ведомая тяга 8 имеет линейное расположение, одна ко, по отношению к линейному движению штока 3 поршня-вытеснителя развернута на 90°.

Как видно из фиг. 1-3, опорная точка рычага 5 в зависимости от положения штока 3 поршня-вытеснителя или шатуна 2 перемещается по кривой 6', задаваемой кулисой 6.

Одной из существенных величин для определения передачи движения штока 3 поршнявытеснителя на ведомую тягу 8 является расстояние БК (см. фиг. 2) от оси 8' вращения, расположенной между рычагом 5 и ведомой тягой 8, до оси 7' вращения, на которой установлен с возможностью вращения ролик 7. Расстояние

I.К может быть выражено в виде

ЬК (х) = ^у^г1 +(Ζ! + х)² где х - горизонтальное положение оси 8' вращения (и, следовательно, смещение ведомой тяги 8), у₁ - вертикальное расстояние между осями 8' и 7' вращения, и ζ₁ - горизонтальное расстояние между обеими осями 8' и 7' вращения.

Кроме того, большое значение для передачи движения имеет угол α, образуемый воображаемой линией, соединяющей оси 7', 8' вращения с вертикальной линией, этот угол α выражается через ζ, +х а(х) = агсСап,

У1 изменение Δα этого угла выражено через Λ ^Ζ1+ΧΖ,

Δα = агсЬап--агсСап—

У1У1 причем в качестве базового положения использованы среднее и нулевое положения, представленные на фиг. 2, в которых одно плечо рычага 5 располагается горизонтально, другое его плечо - вертикально.

Кроме того, большое значение для передачи движения имеет угол β, образующийся между соединительной линией, соединяющей оси 7' и 8' вращения, и соединительной линией, соединяющей оси 7' и 2' вращения, при этом действительно β (X) или β (0) агссоз агссоз

ЬК(х)² +а²

2д/а² + К² *ЬЕ(х) у²1 +ζ²ι +α²

2д/а² +К²7у²1 + ζ²ι и

Δβ=β^)-β(0), где К - задаваемый радиус ролика 7, α - вертикальное расстояние между воображаемым центром радиуса ролика и средней линией ведомой тяги 8.

Большое значение имеет также положение оси 2' вращения, причем оно зависит от соответствующего положения приводной и ведомой тяг и может выражаться в виде х'(х)=-ЬК' * со§ф(х)+х или у'(х)=ЬК' * 8Ϊηφ(χ), причем угол φ может быть записан с помощью дифференциального угла Δα или Δβ в следующем виде:

φ^)=φ(0)-Δα-Δβ, причем в среднем положении действительно

X К + а ф (0) = агсбап---Н + Ь причем Ъ означает горизонтальное расстояние между воображаемым центром К окружности ролика и осью 2' в среднем положении.

ЬК' - расстояние между осями 8' и 2' вращения, которое может быть выражено в следующем виде:

ЬН¹ = 7(^κ + «)² + (^К + Ь)² Положение штока 3 поршня-вытеснителя может быть записано с помощью оси 3' вращения между штоком 3 поршня-вытеснителя и шатуном 2 в следующем виде:

р (х) = у/}² -(с + х’(х))² + у'(х) причем ось вращения, представленная на фиг. 2, занимает положение р(0) = 7’² -(с-Ь-К)² -(а + К), где 1 - длина шатуна 2, с - горизонтальное расстояние между осью 8' в базовом положении и средней осью штока 3 поршня-вытеснителя.

На фиг. 3 представлен шток 3 поршнявытеснителя в самом верхнем положении, при этом очевидно, что ролик 7 ни в этом крайнем положении, ни в представленном на фиг. 1 крайнем положении не примыкает к краю кулисы 6.

На фиг. 4 представлен двигатель Стирлинга или двигатель внешнего сгорания 1О с устройством 1 для управляемой передачи линейного движения от соответствующего штока 3 поршня-вытеснителя на соответствующую ведомую тягу 8. Двигатель Стирлинга 10 содержит два вытеснительных узла 11, в которых возвратно-поступательно движется поршеньвытеснитель 4. Движение, описываемое соответствующим рычагом 5, может изменяться регулировкой положения ролика 7, производимой через поворотный рычаг 12. Для регулировки положения поворотного рычага 12 предусмотрена система тяг 13, которая с помощью совместного шпиндельного привода 14 регулируется установочным колесом 15. В этом случае при вывинчивании установочного колеса 15 положение роликов 7 меняется таким образом, что мощность изменяется, как это представлено на фиг. 11а-11й.

В представленном на фиг. 5 двигателе Стирлинга 10 с боковым видом представлен рабочий цилиндр 16, питаемый через магистраль 17. В камеру сгорания 18 (см. фиг. 6) вытеснительного узла 11 по магистрали 19 через теплообменник 20 подается свежий воздух для горения, подогретый теплом поступающего по магистрали 21 отходящего газа и отводимый в окружающую среду по магистрали 22 после прохождения через теплообменник 20.

На фиг. 6 представлен двигатель Стирлинга 10 в сечении по VI-VI на фиг. 5; при этом представлен гофрированный профиль 23 поверхностей 24 охладителя и поверхностей 25 нагревателя, причем эти теплообменные поверхности 24, 25 могут быть выполнены, например, из керамики. Поверхности 25 нагревателя примыкают к камерам сгорания 18, в которых предусмотрена соответственно горелка 26 для нагрева или сжигания поступающего по магистралям 19 подогретого свежего воздуха. Поршень-вытеснитель 4 перемещает рабочий газ между камерой 27 расширения горячего рабочего тела и камерой 28 сжатия холодного рабочего тела, причем средняя часть 37 поршнявытеснителя 4 содержит регенератор (см. фиг. 5).

Также на фиг. 6 можно видеть, что для обеспечения направления штока 3 поршнявытеснителя шатун 2 связан с шарниром 3', расположенным в прямолинейной направляющей 30. Для передачи движения с ведомой тяги 8 на коленчатый вал 31 (см. фиг. 5) предусмотрен своего рода кривошипно-шатунный механизм 32 (фиг. 6).

На фиг. 7 представлен перспективный вид на двигатель Стирлинга 10 с устройством 1, связанным с вытеснительными узлами 11 и предназначенным для управляемой передачи линейных движений шатунов 3. Далее, представлен регулировочный механизм для роликов 7 с помощью системы тяг 13, который обеспечивает регулировку положения роликов 7 вращением установочного колеса 15, в результате чего также достигается регулировка мощности двигателя Стирлинга 10 путем изменения возвратно-поступательного движения поршня-вытеснителя 4.

На фиг. 8 представлен в разобранном состоянии вытеснительный узел 11. В зоне крышки охладителя представлена преимущественно прямолинейная направляющая 30, служащая для размещения в ней шарнирного соединения, связывающего шток 3 поршня-вытеснителя с шатуном 2, и привинченная к крышке 33 со стороны охладителя. Предусмотренная для охлаждения поверхность 24 теплообменника соединена несколькими болтами 34 с крышкой 33 со стороны охладителя. Также предусмотрен цилиндр 35, на котором расположена магистраль 17 для объемного соединения с рабочим цилиндром 16. Горячая поверхность 25 теплообменника, как и его холодная поверхность 24, содержит по соображениям стабильности двусторонний, развернутый преимущественно на 90° гофрированный профиль поверхности, предназначенный для обеспечения по возможности большой площади поверхности и способствующий теплообмену между горячей и холодной поверхностями и вытеснительной камерой.

Из фиг. 9 и 10 очевидно, что на обращенном к шатуну конце штока 3 поршнявытеснителя находится ролик 36, скользящий в прямолинейной направляющей 30, в результате чего надежно обеспечивается линейное движение поршня-вытеснителя 4. Поршень-вытеснитель состоит из трех отдельных деталей, причем на регенеративный диск 37 навинчены профильные половины 38, содержащие нагретый гофрированный профиль, взаимодействующий с гофрированными профилями поверхностей 24 и 25 теплообменника. Регенеративный диск 37, который может быть выполнен, например, из керамики, содержит щелевидные пустоты 37', в которых утоплен регенеративный материал, например агломерированная стальная вата с пористостью около 60-70%.

На фиг. 11а-116 в виде четырех диаграмм представлены четыре разных вида регулировки положения ролика 7, служащего опорой для рычага 5. На каждой из фиг. 11а-116 приведены р-У-диаграмма I, график II меняющихся объемов во время полного возвратно-поступательного движения рабочего поршня или поршнявытеснителя, график III положений рабочего поршня и поршня-вытеснителя за полный цикл, а также нормированный график IV положения рабочего поршня и поршня-вытеснителя при установке их ролика 7 в соответствии с возможными конечными положениями.

Из фиг. 11а очевидно, что нарастание мощности возможно при очень сильном смещении ролика 7 из вертикального положения, при котором уменьшается фазовое смещение между эпюрой 40 рабочего поршня и эпюрой 41 поршня-вытеснителя с 90° до около 85° (см. график III), в результате чего достигается по сравнению с нормальной синусообразной эпюрой 42 одинаковое максимальное давление 45 (см. диаграмму I) и может быть увеличена мощность в приведенном на фиг. 11а примере до 102,6 кВт (см. компьютерное моделирование р-У-эпюры 44 управления роликового рычага) против 97,6 кВт (см. компьютерное моделирование р-Уэпюры 43) при обычной синусоиде поршнявытеснителя 42.

На диаграмме II из эпюры рабочего объема 46 и поршня-вытеснителя 47 видно, что при регулировке, представленной на фиг.11а, используются все объемы рабочего поршня и поршнявытеснителя. Кроме того, на нормированных графиках IV, представленных на фиг. 11а-116, представлены относительная эпюра 48 рабочего поршня и относительная эпюра 49 поршнявытеснителя.

При раскрутке установочного колеса 15, при которой ролик 7 смещается в направлении вертикального положения, как это представлено на фиг. 11Ь-116, в зависимости от положения ролика 7 уменьшается максимальный ход поршня-вытеснителя 4 (см. графики III на фиг. 11Ь11с), в результате чего уменьшается активный объем поршня-вытеснителя 4 (см. графики II) и тем самым достигается нейтральное в отношении КПД повышение мощности двигателя

Стирлинга 10.

На графике III фиг. 116 очевидно, что длина хода поршня-вытеснителя может быть смещена даже в отрицательную область (кривая 41), что ведет к дополнительному уменьшению объема вытеснителя (см. график II на фиг. 116) и, следовательно, к дополнительному снижению мощности, в результате чего при регулировке согласно фиг. 116 происходит падение мощности до 6,7 кВт, см. также р-У-диаграмму I на фиг. 116.

На фиг. 12 представлен β-двигатель Стирлинга 50 с устройством 1 для управляемого преобразования линейных движений, при этом по магистрали 19 в камеру сгорания 18 двумя вентиляторами 51 подается свежий воздух, который через теплообменник 20 подогревается теплом поступающего по магистрали 21 отходящего газа. Подведенный в теплообменник 20 отработанный газ выводится затем из β-двигателя Стирлинга через магистраль 22 наружу.

На фиг. 13, на которой представлен вид сбоку на β-двигатель Стирлинга 50 с частичным разрезом, представлены поршень-вытеснитель 4 и рабочий поршень 52. Мощность β-двигателя 50 может отбираться от коленчатого вала 53.

На фиг. 14 представлен β-двигатель 50, в котором поршень-вытеснитель 4 и рабочий поршень 52 совместно размещены в одном цилиндре 54, в результате чего теоретически возможно, что приблизительно вся газовая масса будет находиться на стадии расширения в камере 55 расширения горячего тела и на стадии сжатия - в камере 56 сжатия холодного тела. Как штоки 3 поршней-вытеснителей, так и штоки 3' рабочих поршней соединены с роликовым рычагом 5, при этом ролики 7' роликового рычага 5', связанные со штоками 3 поршнейвытеснителей, жестко закреплены. Напротив, ролики 7, связанные с рабочими поршнями 52, расположены на направляющей 57 кулисы с возможностью перемещения. Для этого предусмотрен диск 59 с двумя спиральными выемками 58, в которых размещены противолежащие роликам 7 концы 13' системы тяг 13. Благодаря этому посредством поворота пластины 60 с концами 13' можно регулировать положение роликов 7 в роликовых рычагах 5. Следовательно, с помощью роликовых рычагов 5, 5' достигается прерывистость движения поршнейвытеснителей 4 и рабочих поршней 52, в результате чего по сравнению с синусоидальным движением поршня термический круговой процесс может протекать идеально. В результате существенно повышается механический КПД. С помощью направляющей 57 кулисы, служащей для регулировки положения ролика 7 рычагов 5, возможно конструктивно простое выполнение при обеспечении динамического изменения хода, в результате чего достигается, в частности, быстрая регулировка мощности почти при нейтральном КПД.

С помощью гофрированных профилей 23 обеспечиваются максимально большие поверхности теплообменника (см. описание фиг. 6). Для охлаждения гофрированного поверхностного профиля рабочего поршня 52 в его обоих штоках 3' проложены магистрали для подвода и отвода охлаждающей жидкости (не представлены), протекающей через оба штока 3' рабочего поршня. В остальном рабочий поршень 52 и поршень-вытеснитель 4 выполнены аналогично представленным на фиг. 9 и 10, в результате чего отпадает необходимость в подробном описании.

На фиг. 15 представлен β-двигатель Стирлинга или двигатель внешнего сгорания 50, аналогичный представленному на фиг. 14, однако, положение роликов 7 в роликовых рычагах 5 изменяется посредством кулисного устройства 57. В результате этого может выполняться существенно нейтральная для КПД, быстрая регулировка мощности β-двигателя 50 (см. графики на фиг. 19а-196).

В β-двигателе Стирлинга 50, представленном на фиг. 16, ролики 7 роликовых рычагов 5 занимают внутреннее конечное положение, причем при таком положении роликов 7 происходит минимизирование мощности. При этом концы 13' заведены в спиральные кулисы 58 диска 59 до внутреннего упора. Минимизирование мощности происходит при этом, как представлено на графиках фиг. 196.

На фиг. 17 представлен перспективный вид с разрезом β-двигателя Стирлинга, представленный на фиг. 12-16, при этом очевидно, в частности, компактное расположение роликовых рычагов 5 и теплообменника 20. С помощью линейного кривошипа 61 линейные движения ведомых тяг 8 устройства 1 преобразуются во вращательное движение коленчатого вала 53.

Как очевидно из фиг. 18, на которой двигатель представлен в разобранном состоянии, для поршня-вытеснителя 4 предусмотрен только один центрально расположенный шток 3, в то время как рабочий поршень 52 связан с роликовыми рычагами 5 через два расположенных сбоку штока 3' и шатун 2 (см. фиг. 15).

На четырех диаграммах, представленных на фиг. 19а-196, представлены четыре разных вида регулировки положения ролика 7 с опирающимся на него рычагом 5 в представленном на фиг. 12-18 β-двигателе Стирлинга 50. Каждая из фиг. 19а-196 содержит р-У-диаграмму I, график II изменения объемов во время возвратнопоступательного движения рабочего поршня 52 и поршня-вытеснителя 4, график III положений рабочего поршня 52 и поршня-вытеснителя в течение полного цикла и график IV крутящего момента одноцилиндрового β-двигателя, двухцилиндрового β-двигателя Стирлинга, представленных на фиг. 12-18, и четырехцилиндрового β-двигателя.

Из фиг. 19а очевидно, что при расположении ролика 7 на рычаге 5, представленном на фиг. 14, достигается очень высокий термический КПД, причем в соответствии с компьютерным моделированием эпюры двухцилиндрового β-двигателя, представленного на фиг. 12-18, мощность достигает около 159 кВт.

Из диаграммы II очевидно на примере эпюры 64 поршня-вытеснителя 4 и эпюры 65 рабочего поршня 52, что при представленном на фиг. 14 способе регулировки используются все объемы рабочего поршня 52 и поршнявытеснителя 4. Кроме того, из эпюры давления 66 следует, что отсутствуют чрезмерные пики давления, вследствие чего достигается преимущество, состоящее в том, что не предъявляются слишком высокие требования к опоре ролика 7.

В соответствии с полным использованием объемов рабочего поршня и поршнявытеснителя, как это представлено на диаграмме II, из диаграммы III на основании эпюры 67 положения поршня-вытеснителя и эпюры 68 положения рабочего поршня следует, что оба поршня совершают максимальный ход.

На основании диаграммы IV можно заключить, что при удвоении числа цилиндров в β-двигателе Стирлинга можно достигнуть более равномерной эпюры крутящего момента. В соответствии с этим эпюра 69 крутящего момента одноцилиндрового β-двигателя характеризуется максимальной амплитудой, двухцилиндровый β-двигатель Стирлинга 50, представленный на фиг. 12-18, имеет уже более равномерную эпюру 68 крутящего момента, а с помощью четырехцилиндрового β-двигателя Стирлинга достигается относительно равномерная эпюра 71 крутящего момента.

На фиг. 19Ь и 19с приведены графики для средних положений ролика 7 роликового рычага 5, причем эти положения могут быть заданы с помощью направляющей 57 кулисы. В зависимости от положения роликов 7 снижается мощность β-двигателя Стирлинга 50, причем это можно видеть и на диаграммах II, III на фиг. 19Ь и 19с на основании уменьшения длины хода 68 рабочего поршня и, следовательно, уменьшения объема 65 рабочего поршня. В результате, согласно компьютерному моделированию р-Уэпюры 63, как представлено на фиг. 19Ь, мощность составляет около 73 кВт, а согласно фиг. 19с мощность достигает около 21 кВт.

На фиг. 196 приведены диаграммы I, II, III, IV для представленной на фиг. 16 регулировки положения роликов 7, минимизирующей мощность. В этом положении мощность составляет только около 4 кВт. На диаграмме II представлено сильное уменьшение объема 65 рабочего поршня по сравнению с представленным на фиг. 19а положением, при котором достигается максимальная мощность, потому что, как представлено на фиг. 196, сильно уменьшился максимальный ход 69 рабочего поршня 52. Следовательно, уменьшаются и крутящие моменты, как это представлено на фиг. 4, в одноцилиндровом, двухцилиндровом и четырехцилиндровом βдвигателях.

На фиг. 20 и 21 представлен четырехцилиндровый двигатель Стирлинга 72 с устройствами 1 для управляемого преобразования линейных движений. Здесь представлены также роликовые рычаги 5 с регулируемыми роликами 7 в качестве точек поворота для регулировки мощности, причем в этой, особо простой конструкции двигателя Стирлинга 72 рабочий поршень и поршень-вытеснитель скомпонованы в едином узле 73. Вследствие простоты конструкции достигается по сравнению с β-двигателем меньший механический КПД, регулировка мощности вызывает дополнительное снижение КПД. Передача движения здесь происходит через ведомые тяги 8 посредством обычного кривошипа 74.

Само собой разумеется, что управляющее устройство 1 может быть применено для регулировки мощности в любом другом двигателе Стирлинга.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Двигатель Стирлинга (10, 50, 72), содержащий по меньшей мере один рабочий поршень (52) и по меньшей мере один поршеньвытеснитель (4), отличающийся тем, что для регулировки мощности посредством перевода линейного движения приводной детали (2) в линейное движение ведомой детали (8) предусмотрен, по меньшей мере, один рычаг (5), который шарнирно соединен с приводной и ведомой деталями (2, 8) и которому соответствует регулируемая точка (7) поворота, причем при передаче движения точка опоры рычага (5) перемещается относительно точки (7) поворота по кривой.
2. Двигатель Стирлинга по п.1, отличающийся тем, что рычаг (5) содержит кулису (6), определяющую форму указанной кривой, которая при передаче движения скользит через точку (7) поворота, выполненную, например, в виде ролика.
3. Двигатель Стирлинга по п.1 или 2, отличающийся тем, что кривая или кулиса (6) имеют форму дуги окружности.
4. Двигатель Стирлинга по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что точка качания (7) расположена на поворотном рычаге (12).
5. Двигатель Стирлинга по п.4, отличающийся тем, что поворотный рычаг (12) соединен с установочным устройством (14, 57).
6. Двигатель Стирлинга по п.5, отличающийся тем, что установочное устройство (14, 57) соединено с поворотным рычагом (12) через соответствующую систему тяг (13) и расположено симметрично между, по меньшей мере, двумя рычагами (5).
7. Двигатель Стирлинга по п.6, отличающийся тем, что установочное устройство выполнено в виде шпиндельного привода (14).
8. Двигатель Стирлинга по п.6, отличающийся тем, что установочное устройство выполнено в виде направляющей (57) кулисы.
9. Двигатель Стирлинга по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что поршеньвытеснитель (4) соединен с рычагом (5) для регулировки мощности.
10. Двигатель Стирлинга по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что рабочий поршень (52) соединен с рычагом (5) для регулировки мощности.
11. Двигатель Стирлинга по п.10, отличающийся тем, что поршень-вытеснитель (4) соединен с рычагом (5') с фиксированной точкой поворота.
12. Двигатель Стирлинга по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что рабочий поршень (52) и поршень-вытеснитель (4) образуют узел (73), соединенный с рычагом (5).
13. Двигатель Стирлинга по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что приводная деталь (2) шарнирно соединена со штоком (3, 3'), соединенным с поршнем-вытеснителем (4) или рабочим поршнем (52) и линейно перемещающимся по прямолинейной направляющей (30).
14. Двигатель Стирлинга по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что поршеньвытеснитель (4) содержит с обеих сторон, а рабочий поршень (52) с одной стороны пластинчатый гофрированный профиль (23) на смежных поверхностях (24, 25) нагревателя и охладителя.
15. Двигатель Стирлинга по п.14, отличающийся тем, что пластинчатые гофрированные профили (23) поршня-вытеснителя (4) расположены по отношению друг к другу под углом 90°.
16. Двигатель Стирлинга по любому из пп.1-15, отличающийся тем, что линейное движение ведомой детали (8) преобразуется во вращательное движение посредством скользящей кулисы (32), служащей в качестве кривошипа.