[發明專利]一種分置式自由活塞斯特林發動機

有效

• 申請號: 201210180680.0
• 申請日: 2012-06-05
• 公開（公告）號: CN102678383A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 左承基;唐景春;李亮
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: F02G1/044
• 分類號: F02G1/044
• 代理公司: 合肥金安專利事務所 34114
• 代理人: 金惠貞

技術領域

?本發明屬于發動機技術領域，具體涉及一種自由活塞斯特林發動機。

背景技術

由于低碳環保逐漸成為國際社會的共識，斯特林發動機作為環保型引擎，除了利用太陽能和地熱能發電的前景可期之外，在其他能源領域利用方面也深具潛力，在新的能源時代，它勢必扮演更全面的角色。斯特林發動機的理想熱力循環由等容加熱、等溫膨脹、等容冷卻、等溫壓縮各過程構成，其實際循環受機械動力、傳熱和工質流動損失等方面因素影響，是偏離理論循環的。斯特林發動機采用分置式結構，可以有效地避免穿梭損失和導熱損失。傳統斯特林發動機的熱力學平衡和動力學平衡是通過曲柄連桿機構所提供的壓力相角聯系在一起，而分置式斯特林發動機不能由機械結構保證運動相角，其動力學和熱力學分析密不可分，必須建立以活塞位移量為中心來耦合熱力學平衡和動力學平衡的動力學分析模型。

國內外斯特林發動機發展狀況：第一階段：提出以空氣為工質的斯特林發動機的概念，并發展小型發動機。飛利浦公司對102C型斯特林發動機進行大量研究，到1954年共生產了100臺發電機組。第二階段：發展斯特林循環制冷機。1955年，按斯特林循環原理工作的制冷機在飛利浦公司投產；1963年，斯特林循環制冷機的制冷溫度達12K。斯特林循環制冷機還被用于高空紅外線照相技術。第三階段：發展菱形傳動機構的單作用、配氣活塞式發動機。1953年，羅爾夫梅耶發明了用于斯特林發動機的菱形傳動機構。采用菱形傳動機構，可以保證活塞做直線運動，活塞不受氣缸側推力的作用，易對活塞和活塞桿進行密封，因此可以大幅度地提高工質的循環壓力。此外，采用氫氣或者氦氣作為工質，提高了熱交換效果，而且大大降低了工質的流動損失，是發動機效率提高到了50%。第四階段：發展斜盤傳動的雙作用發動機。飛利浦公司于1968年設計了4-65型雙作用式發動機，該發動機是斜盤傳動的四缸雙作用式斯特林發動機，其主要目的是確定斜盤傳動機構的摩擦損失、驗證斜盤傳動機構軸承的可靠性以及發動機的功率調節功能，試驗結果表明其性能良好，達到設計目標。聯合斯特林發動機公司與美國STM公司合作，研制了V160型斯特林發動機發電機組。發動機的結構呈90°V型布置，是雙缸雙活塞發動機，用氦氣為工質，該機組被安裝在家用旅行車上，作為空調、照明和炊事的電力源。雖然斜盤傳動的斯特林發動機減少了部分活塞側向摩擦損失，但是斜盤處的摩擦損失驟升，而且其機械結構復雜，加工成本大。自由活塞斯特林發動機沒有運動學部件連接循環部件，一般使用機械式彈簧或是氣彈簧來保持運動的周期性，其具有以下優勢：機械結構設計簡單故可降低成本，沒有任何機械側壓力作用在活塞上從而減少了活塞環的磨損保證了長時間工作的能力。保持自由運動能讓它非常適合在高可靠性為基礎的系統中得應用，例如工業廢熱發電，鄉村熱電聯產，空間站功率系統，人工心臟及偏遠地區電力發電機等。自由活塞斯特林發動機主要能量損失有不可逆過程損失，回熱器徑向導熱損失，穿梭損失等，由于分置式的自由活塞斯特林發動機能有效減少穿梭損失，故本設計采取了分置式的自由活塞斯特林發動機結構。

發明內容

分置式斯特林發動機的動力活塞直接連接直線發電機，通過往復運動輸出電能。建立分置式斯特林發動機耦合電磁力的動力學模型并進行仿真研究，對于斯特林發動機的設計及運行參數的選擇，提高其循環熱效率，具有十分重要的工程意義。