[其他]热气发动机

说明书

热发动机，特别是斯特林发动机，在其密封壳体内有相互连接并可往复直线运动的排流活塞和工作活塞，在壳体内还设有至少与工作活塞相连的磁性或可磁化的耦合装置，而与之相对应，在壳体外设有可与活塞位移一致运动的耦合装置。为控制循环过程中工作活塞与排流活塞的振动，设立一套磁耦合机械传动装置如曲轴，以确定两活塞间相位关系。活塞的旋转运动可通过磁耦合装置直接传递给其它机械设备的驱动轴。

本发明是有关热气发动机的，更具体地说就是斯特林发动机。它包括一个排流活塞和一个工作活塞，这两个活塞共同置于一个对外部来说防漏的密封壳体内，它们连接在一起能作往复直线运动。在这种情况下，排流活塞和工作活塞之间形成的气体空间，通过一个与外部热源相连的加热器，一个冷却器和一个回热器与排流活塞和壳体之间的气体空间相连通。

外部加热的回热式发动机、具有广泛的发展前景，因为它排气污染物少，热效率高，并且对多种燃料具有良好的适应性。斯特林发动机就属于这种发动机。

传统上，这种热气机是由两个等温和两个等容过程组成的可逆循环来工作的。所以比起大量广泛应用的内燃机，它具有较高的卡诺循环效率。但是，由于各种不同的原因，这种热发动机至今没有被广泛的应用。问题的关键在于，为了达到高的热效率，加热器的温度必须很高，而只有在最近才发展了能满足这种要求的材料。此外，还有一个十分重要的问题，是由于要使紧凑而体积小的发动机得到良好的功率密度，发动机必须使用高压的氢和氦，这就导致在现有的曲轴式斯特林发动机上很值得注意的困难。因为，曲轴式斯特林发动机一方面要避免工质的泄漏损失，另一方面又要防止燃料和润滑油从曲轴箱进入发动机内部。而自由活塞式斯特林发动机的发明（US-PS Re30.176）提出了解决这些问题的措施。

这种型式的自由活塞斯特林发动机不需要曲轴，因为不仅工作活塞，而且排流活塞都借助气体或机械方式弹性自由支承，它们都在一个密封壳体内进行往复直线运动，这就产生了一个弹簧振子共振系统。这个系统通过（或应当通过）选择弹性常数、质量和流动横截面的大小而协调，使之尽可能接近理想的斯特林循环运动学过程。

自由活塞式斯特林发动机与曲轴式结构相比较，其优点在于可获得完全的气体密封，气体不会从发动机向外泄漏，也没有油从外部向发动机内渗透。除此之外，就另件的组成而言，它结构简单，并且可能具有相当长的寿命。由于没有曲轴运转带来的损失，最终将获得高的效率。

然而，在这种发动机的使用中还存在问题，因为它的全部机械运动，都在发动机内部进行而与外部没有任何机械连接，因此，必须用额外的辅助设备，甚至在发动机本身内部，使工作活塞的往复运动转换成有用的热能或电能。这就导致这样的情况，例如必须配用相当昂贵的直线型发电机，而不能用市场上一般能买到的旋转式发电机。如果要从这样的发动机中获得机械能，还有更大的问题。为此，已经进行了在发动机内部通过一个膜片液压传动系统来传递周期性的压力波动的实验。另一个解决办法，在结构上包括一个足够重量的工作活塞，使它的直接往复运动能量能通过安装在弹性支承上的壳体的相关运动发挥出来。为了解决问题提出来的这两种尝试都导致非常大的困难，例如，膜片使用什么材料才好，以及发动机壳体的直线往复运动转换为旋转运动所出现的困难。

实践上已发现，使用自由活塞机构存在一个十分重要的问题，即要处理分析这样的弹簧一振子共振系统是特别困难的。在这方面，除了排流活塞和工作活塞两者的相位角外，尤其是活塞围绕中心位置的对中问题，带来了困难。由于改变了假设条件，例如：提供气体旁路、气体中间贮存，机械对中用的弹簧等等措施已被用上。所有这一切措施，都降低了理想效率，并只能在极有限的范围上起作用，结果导致与理想斯特林循环的偏差。

在上述研究的基础上，由本发明所解决的问题是提出一个外部加热的回热式热气发动机，它既具有自由活塞式和曲轴式发动机的优点，而又尽可能避免了它们两者普遍存在的缺点。除此之外，本发明对所研究的上述发动机，能够提供一种简单的外部机械连接，使能量的利用成为可能。