[发明专利]一种分置式自由活塞斯特林发动机

说明书

技术领域

 本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种自由活塞斯特林发动机。

背景技术

由于低碳环保逐渐成为国际社会的共识，斯特林发动机作为环保型引擎，除了利用太阳能和地热能发电的前景可期之外，在其他能源领域利用方面也深具潜力，在新的能源时代，它势必扮演更全面的角色。斯特林发动机的理想热力循环由等容加热、等温膨胀、等容冷却、等温压缩各过程构成，其实际循环受机械动力、传热和工质流动损失等方面因素影响，是偏离理论循环的。斯特林发动机采用分置式结构，可以有效地避免穿梭损失和导热损失。传统斯特林发动机的热力学平衡和动力学平衡是通过曲柄连杆机构所提供的压力相角联系在一起，而分置式斯特林发动机不能由机械结构保证运动相角，其动力学和热力学分析密不可分，必须建立以活塞位移量为中心来耦合热力学平衡和动力学平衡的动力学分析模型。

国内外斯特林发动机发展状况：第一阶段：提出以空气为工质的斯特林发动机的概念，并发展小型发动机。飞利浦公司对102C型斯特林发动机进行大量研究，到1954年共生产了100台发电机组。第二阶段：发展斯特林循环制冷机。1955年，按斯特林循环原理工作的制冷机在飞利浦公司投产；1963年，斯特林循环制冷机的制冷温度达12K。斯特林循环制冷机还被用于高空红外线照相技术。第三阶段：发展菱形传动机构的单作用、配气活塞式发动机。1953年，罗尔夫梅耶发明了用于斯特林发动机的菱形传动机构。采用菱形传动机构，可以保证活塞做直线运动，活塞不受气缸侧推力的作用，易对活塞和活塞杆进行密封，因此可以大幅度地提高工质的循环压力。此外，采用氢气或者氦气作为工质，提高了热交换效果，而且大大降低了工质的流动损失，是发动机效率提高到了50%。第四阶段：发展斜盘传动的双作用发动机。飞利浦公司于1968年设计了4-65型双作用式发动机，该发动机是斜盘传动的四缸双作用式斯特林发动机，其主要目的是确定斜盘传动机构的摩擦损失、验证斜盘传动机构轴承的可靠性以及发动机的功率调节功能，试验结果表明其性能良好，达到设计目标。联合斯特林发动机公司与美国STM公司合作，研制了V160型斯特林发动机发电机组。发动机的结构呈90°V型布置，是双缸双活塞发动机，用氦气为工质，该机组被安装在家用旅行车上，作为空调、照明和炊事的电力源。虽然斜盘传动的斯特林发动机减少了部分活塞侧向摩擦损失，但是斜盘处的摩擦损失骤升，而且其机械结构复杂，加工成本大。自由活塞斯特林发动机没有运动学部件连接循环部件，一般使用机械式弹簧或是气弹簧来保持运动的周期性，其具有以下优势：机械结构设计简单故可降低成本，没有任何机械侧压力作用在活塞上从而减少了活塞环的磨损保证了长时间工作的能力。保持自由运动能让它非常适合在高可靠性为基础的系统中得应用，例如工业废热发电，乡村热电联产，空间站功率系统，人工心脏及偏远地区电力发电机等。自由活塞斯特林发动机主要能量损失有不可逆过程损失，回热器径向导热损失，穿梭损失等，由于分置式的自由活塞斯特林发动机能有效减少穿梭损失，故本设计采取了分置式的自由活塞斯特林发动机结构。

发明内容

分置式斯特林发动机的动力活塞直接连接直线发电机，通过往复运动输出电能。建立分置式斯特林发动机耦合电磁力的动力学模型并进行仿真研究，对于斯特林发动机的设计及运行参数的选择，提高其循环热效率，具有十分重要的工程意义。