專利名稱：懸臂曲軸斯德林循環(huán)機(jī)組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及斯德林(Stirling)循環(huán)熱機(jī)或制冷機(jī)的改進(jìn)，更具體的說，涉及在提高機(jī)器的運行效率和壽命，以及減小尺寸、復(fù)雜性和降低成本方面具有優(yōu)點的斯德林循環(huán)熱機(jī)或制冷機(jī)的機(jī)械構(gòu)件和熱力元件的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
包括發(fā)動機(jī)和制冷機(jī)在內(nèi)的斯德林循環(huán)機(jī)組在技術(shù)上已經(jīng)有了很長的歷史，它在1980年由牛津大學(xué)出版社的，瓦爾克(Walker)所著的《斯德林發(fā)動機(jī)》一書中有詳細(xì)描述，該書作為本申請的參考文獻(xiàn)。斯德林循環(huán)發(fā)動機(jī)的基本原理是在機(jī)械上實現(xiàn)斯德林的熱力學(xué)循環(huán)氣體在氣缸內(nèi)的等體積加熱；氣體的等溫膨脹(在該過程中由驅(qū)動活塞完成作功)；等體積冷卻；以及等溫壓縮。斯德林循環(huán)制冷機(jī)的基本原理也是實現(xiàn)一種與理想的斯德林熱動力循環(huán)很相近的熱力學(xué)循環(huán)。在理想的斯德林熱力學(xué)循環(huán)中，工作流體連續(xù)地進(jìn)行下列循環(huán)等體積加熱；等溫膨脹；等體積冷卻；以及等溫壓縮。在實際中實現(xiàn)的這種循環(huán)(其中的各個階段既不是等體積的，也不是等溫的)，包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并且也可以認(rèn)為包括在本說明書中所說的理想情況的范圍內(nèi)，而并不限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明的各個方面可應(yīng)用于斯德林循環(huán)發(fā)動機(jī)，也可以應(yīng)用于斯德林循環(huán)制冷機(jī)，在本說明書中和本申請的權(quán)利要求書中，把這兩種機(jī)器總括起來，稱之為斯德林循環(huán)機(jī)組。斯德林循環(huán)機(jī)組的其他方面以及對它的改進(jìn)在1998年7月14日的美國專利申請“斯德林循環(huán)機(jī)組的改進(jìn)”中討論，也可作為本申請的參考文獻(xiàn)。
斯德林發(fā)動機(jī)的工作原理可參照圖1a-1f來描述，其中，同樣的標(biāo)號用以表示相同或相似的部件。在本技術(shù)領(lǐng)域中已經(jīng)公開了許多斯德林循環(huán)發(fā)動機(jī)的機(jī)械設(shè)計方案，而用標(biāo)號10指定特定的斯德林發(fā)動機(jī)的目的只是為了進(jìn)行說明。在圖1a-1d中，活塞12(或者在下文中稱為“壓縮活塞”)和第二活塞(也稱為“膨脹活塞”)14在氣缸16內(nèi)作相控往復(fù)運動。壓縮活塞12和膨脹活塞14也可以在單獨的但互相連通的兩個氣缸內(nèi)運動?；钊芊饧?8防止裝在活塞12和14之間的氣缸16中的工作流體從活塞12和14的周圍逸出。工作流體是根據(jù)它的熱力學(xué)性能來選擇的，這將在下面的說明書中進(jìn)行討論，通常是幾個大氣壓的氦。由膨脹活塞14的位置控制的流體空間稱為膨脹空間22。由壓縮活塞12的位置控制的流體空間稱為壓縮空間24。為了使流體能在膨脹空間22與壓縮空間24之間流動，無論是在圖中表示的結(jié)構(gòu)中，還是在斯德林發(fā)動機(jī)10的其他結(jié)構(gòu)中，上述流體都要流過蓄熱器26。蓄熱器26是一種表面積與體積之比很大的材料的陣列，它的作用是，當(dāng)熱的工作流體從膨脹空間22流出時，從中吸收熱量，而當(dāng)工作流體從壓縮空間24流回膨脹空間22時，對它加熱。
在發(fā)動機(jī)循環(huán)的第一階段中，開始時的狀態(tài)如圖1a所示，活塞12壓縮壓縮空間24中的流體。這種壓縮在恒溫狀態(tài)下進(jìn)行，因為熱量從流體中吸收出來散失到大氣中了。在實踐中，設(shè)置了一個冷卻器68(見圖2)，這將在下面的說明書中進(jìn)行討論。發(fā)動機(jī)10在壓縮后的狀態(tài)如圖1b所示。在循環(huán)的第二階段，膨脹活塞14與壓縮活塞12同步運動，以使流體保持恒定的體積。當(dāng)流體輸送到膨脹空間22時，它流過蓄熱器26，從蓄熱器26中獲得熱量，使得流體的壓力增大。在輸送階段結(jié)束時，流體便處于較高的壓力下，并容納在膨脹空間22內(nèi)，如圖1c所示。
在發(fā)動機(jī)循環(huán)的第三(膨脹)階段中，膨脹空間22的容積由于從發(fā)動機(jī)10的外部吸收熱量而增大，從而把熱量轉(zhuǎn)換為功。在實踐中，熱量是借助于一個加熱器64(見圖2)提供給膨脹空間22中的流體的，在下面的說明書中將詳細(xì)討論這一點。在膨脹階段結(jié)束時，如圖1d所示，膨脹空間22內(nèi)充滿了熱的流體。在發(fā)動機(jī)循環(huán)的第四階段中，流體從膨脹空間22輸入壓縮空間24，并在它流過蓄熱器26時將其加熱。在第二輸送階段結(jié)束時，如圖1a所示，流體充滿了壓縮空間24，并且準(zhǔn)備好重復(fù)進(jìn)行上述壓縮階段。上述斯德林循環(huán)可用圖1e中的P-V(壓力—體積)曲線圖和圖1f中的T-S(溫度—熵)曲線圖來表示。這種斯德林循環(huán)是一種封閉循環(huán)，工作流體在這種循環(huán)的過程中一般是不更換的。
斯德林循環(huán)制冷機(jī)的工作原理也可以參照圖1a-1e來說明，其中，同一個標(biāo)號用以表示相同或相似的部件。以上所描述的發(fā)動機(jī)與用作制冷機(jī)的斯德林機(jī)組之間的區(qū)別在于，上述壓縮空間22通常與環(huán)境有熱交換，而膨脹空間24則與外部的冷卻負(fù)載(圖中未示出)相連。制冷機(jī)的運轉(zhuǎn)需要輸入純功。
斯德林循環(huán)發(fā)動機(jī)一般尚未在實際中應(yīng)用，而斯德林循環(huán)制冷機(jī)由于一些在其開發(fā)中的令人懼怕的工程難題，只限于在低溫的專門技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用。這些難題包括這樣一些實際問題，例如效率、振動、壽命和成本。本發(fā)明將論述這些難題。
在本說明書中和本申請的權(quán)利要求書中所用的術(shù)語“諧和驅(qū)動裝置”，是指使用齒輪付來轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運動和正弦直線運動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。在莫勒(Moeller)的《串聯(lián)混合式車輛的原動機(jī)》(汽車工程師協(xié)會，1997)一書中已經(jīng)描述了在柴油機(jī)中應(yīng)用諧和的曲軸驅(qū)動裝置，而在巴托里尼(Bartolini)和凱爾桑納(Caresana)的《國外用于輔助設(shè)備的新穎小型斯德林發(fā)動機(jī)樣機(jī)》(ASME，1995)一文中，描述了把它用于斯德林發(fā)動機(jī)的單個活塞。這兩種出版物都是本申請的參考文獻(xiàn)。但是，巴托里尼和凱爾桑納的單個活塞的實施方式有動力不平衡的缺點，將導(dǎo)致工作效率的低下和磨損。
發(fā)明概述按照本發(fā)明的一個方面，在一個實施例中，提供了一種斯德林循環(huán)發(fā)動機(jī)那樣的機(jī)組。這種機(jī)械有兩個活塞，各有一根連桿，并且各自沿著各自的連桿軸線在各自的氣缸內(nèi)作往復(fù)直線運動，并且各有一個相對于基準(zhǔn)點的沿著各自的連桿軸線的位移，上述基準(zhǔn)點對于各自的氣缸是固定的。上述第二連桿軸線處于與上述第一連桿平行的第一平面上，并且也處于與上述第一連桿軸線成一個角度的第二平面上。此外，這種機(jī)組還有具有純角動量的特征的諧和驅(qū)動裝置的聯(lián)動裝置。這種諧和驅(qū)動裝置的聯(lián)動裝置以這樣的方式與第一和第二連桿聯(lián)結(jié)，即，上述第一活塞沿著上述第一聯(lián)桿軸線的位移是一個曲軸角度的正弦函數(shù)，而上述第二活塞沿著上述第二連桿軸線的位移也是上述曲軸角度的正弦函數(shù)，上述第二活塞的位移與上述第一活塞沿著上述第一連桿軸線的位移在相位上偏移，這種相位的偏移基本上等于上述第二平面與第一連桿軸線之間的角度。最后，這種機(jī)械在第一和第二氣缸內(nèi)裝有一種工作流體，這種工作流體進(jìn)行連續(xù)的封閉循環(huán)加熱、膨脹、冷卻和壓縮。
按照本發(fā)明的另一個實施例，上述聯(lián)動裝置可以有一根主曲軸，一根設(shè)置在上述主曲軸內(nèi)部的偏心曲軸，這根偏心曲軸與第一連桿和第二連桿都聯(lián)結(jié)；以及一個把上述偏心曲軸以這樣的方式連接在上述主曲軸上的行星齒輪付，以使上述偏心曲軸與主曲軸向著相反的方向轉(zhuǎn)動?；蛘?，可以把一根偏心曲軸既與第一連桿連接，又與第二連桿靠近懸臂的一端連接，并且行星齒輪付可以安裝在懸臂末端，而上述行星齒輪以這樣的方式把偏心曲軸聯(lián)結(jié)在主曲軸上，使得該偏心曲軸具有向前的角動量的特征，而主曲軸具有向后的角動量的特征。上述聯(lián)動裝置還可以有一個連接在上述偏心軸上的飛輪，以使上述諧和驅(qū)動裝置的聯(lián)動裝置的凈角動量基本上等于零。
按照本發(fā)明的又一個實施例，這種機(jī)組還可以有一臺連接在主曲軸上的發(fā)電機(jī)，用于把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，以及一臺處理器，用于控制發(fā)電機(jī)上的電流負(fù)載，以使得加在主曲軸上的扭矩基本上是恒定的。上述第一和第二連桿可以是撓性的，能在垂直于各自連桿軸線的方向上彎曲。
按照本發(fā)明的再一個實施例，上述機(jī)組還可以有一個換熱器，用于將熱量通過一根導(dǎo)管從第一流體傳遞給第二流體，上述換熱器有許多從上述導(dǎo)管延伸到第一流體和/或第二流體中的銷子。
按照本發(fā)明的又一個方面，在其一個實施例中，設(shè)置了一根進(jìn)氣導(dǎo)管，用于以這樣的方式把空氣和具有自動點火溫度的燃料混合在一起，以便形成一種能在具有一根燃燒軸線的燃燒室內(nèi)燃燒的空氣—燃料混合物，來加熱該機(jī)組的加熱器箱體。這種進(jìn)氣導(dǎo)管可以具有下列構(gòu)件一根其軸線與燃燒軸線對稱的管道，它有輸送沿著徑向向內(nèi)流動的空氣的一個進(jìn)口和一個出口；一個用于把燃料噴射到沿著徑向向內(nèi)流動的空氣中的燃料噴射器，以使空氣與燃料混合，形成一種空氣—燃料混合物，這種混合物的流速高于空氣—燃料混合物火焰的速度；以及一個具有與上述管道的出口連通的進(jìn)口的鐘形喉管，該鐘形喉管有一個出口，它的橫斷面形狀和面積使得該喉管的橫斷面積從進(jìn)口到出口保持恒定。在上述通道內(nèi)可以設(shè)置一個空氣旋流器，用于給向內(nèi)流動的空氣一個旋轉(zhuǎn)的分量。


下面，參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，將使本發(fā)明更為明了。附圖中圖1a-1f表示現(xiàn)有技術(shù)中的斯德林循環(huán)機(jī)組的工作原理；圖2是按照本發(fā)明的一個實施例的斯德林循環(huán)發(fā)動機(jī)的側(cè)剖視圖；圖3是按照本發(fā)明的一個實施例用于聯(lián)結(jié)壓縮活塞和膨脹活塞的往復(fù)直線運動的行星齒輪付的橫斷面的示意圖；
圖4a-4h表示按照本發(fā)明的一個實施例的具有偏心聯(lián)動裝置連接的驅(qū)動桿的斯德林循環(huán)機(jī)組的工作原理；圖5a是按照本發(fā)明的一個實施例的，用于聯(lián)結(jié)一臺斯德林循環(huán)機(jī)組的兩個活塞的正交線性運動的新穎的L型聯(lián)動裝置驅(qū)動裝置的立體圖；圖5b是圖5a中的L形聯(lián)動裝置驅(qū)動裝置的側(cè)剖視圖，表示按照本發(fā)明的一個實施例的扭轉(zhuǎn)平衡重；圖6a是使用按照本發(fā)明的一個實施例的用于聯(lián)結(jié)兩個活塞的正交直線運動的新穎聯(lián)動裝置的斯德林循環(huán)機(jī)組的頂剖視圖；圖6b是使用按照本發(fā)明的一個實施例的用于聯(lián)結(jié)兩個活塞的正交直線運動的新穎聯(lián)動裝置的圖6a中的斯德林循環(huán)機(jī)組的側(cè)剖視圖；圖7a是斯德林循環(huán)發(fā)動機(jī)的通過圖2中的A-A線的斷面圖，表示一種按照本發(fā)明的一個實施例的懸臂曲軸；圖7b是斯德林循環(huán)發(fā)動機(jī)的通過圖2中的A-A線的斷面圖，表示一種按照本發(fā)明的另一個實施例的懸臂曲軸，其中的飛輪設(shè)置在偏心曲軸遠(yuǎn)離發(fā)動機(jī)氣缸的那一端；圖8a是按照本發(fā)明的一個實施例的使用銷子換熱器的斯德林發(fā)動機(jī)的斷面圖；圖8b是圖8a中的銷子換熱器放大后的立體詳圖；圖9a是從圖2中的斯德林循環(huán)發(fā)動機(jī)底部看的立體圖，表示按照本發(fā)明的一個實施例的增強(qiáng)流動均勻性的分支管道；圖9b是圖9a中的分支管道系統(tǒng)的平面圖；圖10a是按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的斯德林循環(huán)發(fā)動機(jī)的燃料進(jìn)氣導(dǎo)管的側(cè)剖視圖；圖10b是沿圖10a的B-B線的燃料進(jìn)氣導(dǎo)管的頂剖視圖；圖10c是沿圖10a的A-A線的燃料進(jìn)氣導(dǎo)管的頂剖視圖，表示燃料噴咀。
優(yōu)選實施例請參閱圖2，一臺用斷面圖表示的斯德林循環(huán)發(fā)動機(jī)整體上用標(biāo)號28來表示。雖然本發(fā)明將參照圖2中的斯德林發(fā)動機(jī)進(jìn)行一般的描述，但，應(yīng)該理解，許多發(fā)動機(jī)和制冷機(jī)同樣能從作為本發(fā)明的主題的各種實施例和改進(jìn)的結(jié)構(gòu)中受益。圖2中所示的斯德林發(fā)動機(jī)28的結(jié)構(gòu)稱為α結(jié)構(gòu)，其特征在于壓縮活塞30和膨脹活塞32分別在不同的氣缸內(nèi)作線性運動壓縮活塞30在壓縮氣缸34內(nèi)，而膨脹活塞32在膨脹氣缸36內(nèi)。
除了壓縮活塞30和膨脹活塞32之外，斯德林發(fā)動機(jī)28還包括下列主要構(gòu)件加熱器64、蓄熱器66和冷卻器68。壓縮活塞30和膨脹活塞32(總稱之為活塞)被限定在各自的空間38和40內(nèi)作往復(fù)線性運動。在各自的氣缸表面上襯有氣缸襯套42。上述氣缸內(nèi)部靠近加熱器64和冷卻器68的兩部分空間，在下文中分別稱之為發(fā)動機(jī)28的熱區(qū)和冷區(qū)。壓縮活塞30和膨脹活塞32的往復(fù)線性運動的相對相位(即，“相位角”)由分別與它們相連的裝在曲軸箱46內(nèi)部的驅(qū)動機(jī)構(gòu)44來控制。下面將要詳細(xì)描述的驅(qū)動機(jī)構(gòu)44是發(fā)動機(jī)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域中公知的各種機(jī)構(gòu)的一個例子，它可以用于控制兩個活塞的相對的工作時間，并轉(zhuǎn)換線性運動與旋轉(zhuǎn)運動。壓縮活塞30和膨脹活塞32分別通過第一連桿48和第二連桿50聯(lián)結(jié)在驅(qū)動機(jī)構(gòu)44上。壓縮氣缸34的空間38通過管道45與冷卻器68連通，以便能循環(huán)地冷卻工作流體。更具體的說，管道45把壓縮空間38與包括冷卻器68、蓄熱器66和加熱器64在內(nèi)的環(huán)形換熱器連通。管道45與環(huán)形壓力通風(fēng)系統(tǒng)47之間的分流將在下面參照圖9進(jìn)行描述。
按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，連桿48和50可以做成能夠撓性地彎曲，以便使它們能適應(yīng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的角度誤差(例如，由發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的受壓和加熱而引起的)，同時又具有承受必要的壓縮載荷而不發(fā)生縱向彎曲的，抵抗拉伸和壓縮的足夠的剛度。連桿48和50一般用高強(qiáng)度金屬制作，例如用S-7工具鋼制成，并且最好是橢圓形斷面的，當(dāng)然，任何斷面形狀的連桿都包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
下面，參照圖3描述驅(qū)動機(jī)構(gòu)44的工作過程。按照本發(fā)明的一個實施例，提供了一種用于聯(lián)結(jié)兩個具有相對相位滯后的，進(jìn)行正弦線性運動的構(gòu)件的新穎聯(lián)動裝置(可稱為“L形驅(qū)動”聯(lián)動裝置)。一個行星齒輪付整體上用標(biāo)號70表示。行星齒輪付70，按照本發(fā)明的一個實施例，可用來聯(lián)結(jié)活塞12和14(又稱為壓縮活塞12和膨脹活塞14))的往復(fù)線性運動(見圖1)。行星齒輪付70由一個內(nèi)齒輪72和一個小齒輪74所組成，其中，內(nèi)齒輪72的節(jié)徑等于小齒輪74節(jié)徑的兩倍。當(dāng)內(nèi)齒輪72固定不動而讓小齒輪74在內(nèi)齒輪72內(nèi)部轉(zhuǎn)動時，在小齒輪74的圓周76上的每一點都沿著一條直線相對于這條直線上的一個基準(zhǔn)點作純正弦運動。
圖4a-4h表示通過連桿48和50聯(lián)結(jié)在小齒輪74相對兩側(cè)的活塞12和14的各自線性運動，上述小齒輪如圖3所示相對于固定的內(nèi)齒輪72轉(zhuǎn)動?；钊?2和14在互相成角度的方向上運動，優(yōu)選的角度大約是在互成直角的10度之內(nèi)?；钊?2和14以相位角的關(guān)系基本上等于活塞運動軸線互相之間所成的角度關(guān)系作純正弦線性運動。例如，對于運動方向準(zhǔn)確地成直角的活塞，活塞12和14基本上以互相正交(相位相差90度)的方式進(jìn)行運動。活塞12和14隨著小齒輪74的轉(zhuǎn)動而運動的各個連續(xù)階段示于圖4a-4h。
請參閱圖5a，使用與小齒輪74的相位相差180度的平衡重78，就能使發(fā)動機(jī)動平衡。請參閱圖5b中驅(qū)動裝置的橫斷面圖，如果把一組“扭轉(zhuǎn)平衡重”80加在偏心曲軸86軸線的周圍，就不要求加在驅(qū)動裝置上的載荷一定對稱于它的中心線。除了主要的平衡重78之外，還設(shè)置了一組兩個相對的平衡重80，上述主要平衡重78用于平衡發(fā)動機(jī)的直線運動，而扭轉(zhuǎn)平衡重80能夠平衡由于活塞的偏移而造成的扭矩。在圖5a的立體圖中表示的本發(fā)明的實施例中，以及在圖5b、圖6a和6b所示的頂剖視圖和側(cè)剖視圖中，兩個平衡重78分別設(shè)置成與壓縮活塞軸承82和膨脹活塞軸承84在反相位上旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的聯(lián)動驅(qū)動裝置的實施例所需要的零件大大少于將在下面詳細(xì)描述的菱形驅(qū)動機(jī)構(gòu)。此外，由上述新穎的聯(lián)動驅(qū)動機(jī)構(gòu)所排出的容積，要小于在同樣的活塞行程下由菱形驅(qū)動機(jī)構(gòu)所排出的容積。此外，兩個互相垂直的活塞的正弦運動可以用一個簡單的平衡重完全平衡，而不會在活塞的密封件上增加側(cè)面載荷，從而減小了摩擦，增加了發(fā)動機(jī)的壽命，并且能進(jìn)行干式運行。
請參閱圖7a，圖7a是圖2中沿A-A線的斯德林發(fā)動機(jī)的斷面圖。偏心壓縮活塞的軸承82和膨脹活塞的軸承84設(shè)置在偏心曲軸86上，偏心曲軸86懸臂支承在主軸承組88上，而主軸承組88則把主(或者“外”)曲軸90支承在發(fā)動機(jī)28的外殼92上。偏心曲軸86繞著一根與主軸承90偏心的軸線旋轉(zhuǎn)，借助于小齒輪94和內(nèi)齒輪96(這兩個齒輪在一起稱為行星齒輪付98，見圖3)驅(qū)動主曲軸90以同樣的旋轉(zhuǎn)速度向相反的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動。主曲軸90相對于固定在發(fā)動機(jī)上的任選的一點的位置形成了一個“曲柄角”。具有這種結(jié)構(gòu)的曲軸可以稱之為“諧和曲軸”。
這種懸臂式曲軸結(jié)構(gòu)能有利地進(jìn)行齒輪付98的潤滑，而不會污染斯德林發(fā)動機(jī)的工作流體，而這種工作流體是必須保持清潔的，以免污染蓄熱器和有損發(fā)動機(jī)有效地運轉(zhuǎn)。主曲軸90又可以把扭矩傳遞給機(jī)械負(fù)載。機(jī)械負(fù)載的一個例子是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子100，它相對于發(fā)電機(jī)的定子102轉(zhuǎn)動時能產(chǎn)生電能。偏心飛輪104和長條狀的平衡重106連接在偏心曲軸86上，因而在主軸承組88上是懸臂的。設(shè)置偏心飛輪104的目的是使得包括向前旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件和向后旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)動量在內(nèi)的凈角動量等于零。這樣，就能夠有利地避免由于發(fā)動機(jī)的速度變化而使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生振動。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，偏心飛輪104也可以布置成不同于圖7a的方式。例如，在圖7b中，用斷面圖表示了圖2中的斯德林發(fā)動機(jī)的另一個實施例，其中，偏心飛輪104設(shè)置在遠(yuǎn)離活塞軸承82和84的位置的，偏心曲軸86的端部105上。再請看圖7a，偏心曲軸86用軸承108和110支承在主曲軸90上。主平衡重112和扭轉(zhuǎn)平衡重114用于主曲軸相對于包括活塞的整個偏心曲軸總成的動平衡。
主曲軸90的負(fù)載最好在發(fā)動機(jī)的一個循環(huán)的過程中不改變方向。這樣，借助于向前和向后的慣性的平衡，有利地防止了作用在行星齒輪付98上的扭矩的反向，從而防止了隨著齒輪的側(cè)隙而產(chǎn)生的噪音和磨損。如果作用在主軸90上的負(fù)載是恒定的，那么，作用在行星齒輪付98上的扭矩就是單一方向的，因而對于一個給定的功率輸出，這個扭矩也是最小的。如果所加的負(fù)載是一臺發(fā)電機(jī)，則扭矩恒定的運轉(zhuǎn)過程能得到發(fā)電機(jī)的最高效率。此外，按照本發(fā)明的一個實施例，發(fā)電機(jī)的電流負(fù)載是可以調(diào)節(jié)的，例如借助于負(fù)載調(diào)節(jié)器103，這種調(diào)節(jié)器可以是在電氣技術(shù)領(lǐng)域公知的處理器，以便為行星齒輪付98提供恒定的扭矩，實現(xiàn)以上所描述的有利的運轉(zhuǎn)過程。此外，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子100還可以形成飛輪的全部或部分質(zhì)量，并且，發(fā)電機(jī)還可以起啟動發(fā)動機(jī)的啟動器的作用。
現(xiàn)在請參閱圖8a和8b，圖中用斷面表示了按照本發(fā)明的一個實施例把大量的熱能從燃燒源傳遞給斯德林循環(huán)發(fā)動機(jī)內(nèi)部的新穎的結(jié)構(gòu)。為了增加把熱量從燃燒器150所產(chǎn)生的熱氣體300傳遞給裝滿在發(fā)動機(jī)內(nèi)部空間306中的工作流體的效率，在加熱器箱體64的各個側(cè)面要有很大的傳熱表面積。為了達(dá)到這樣大的表面積，在加熱器箱體64的內(nèi)表面312和外表面314上制有大量金屬銷子310。這種制造方法的費用很低，例如，可以使用蠟?zāi)ｈT造。金屬銷子310不僅在加熱器箱體64的每一個側(cè)面上增加了傳熱表面積，而且還形成了渦流區(qū)，這種渦流區(qū)促進(jìn)了流體的混合，從而進(jìn)一步增進(jìn)了熱量的流動。這種結(jié)構(gòu)還可以用于冷卻器68的熱交換(見圖2)或者任何需要在兩種大量的氣體之間有效地交換熱量的場合。
請參閱圖9a，圖中表示了為工作流體在壓縮空間38與流體流過換熱網(wǎng)絡(luò)的環(huán)形區(qū)域之間的流動用的箱體管道系統(tǒng)400，也就是流過冷卻器68通過蓄熱器66(見圖2)，和流過加熱器箱體64(見圖2)的管道系統(tǒng)。上述工作流體的環(huán)形流動在環(huán)形箱體47處達(dá)到最高處，兩根支管400就連接在箱體47上，并且在氣缸空間38與箱體47的整個環(huán)形區(qū)域之間的長度相等。由于環(huán)形流動區(qū)域的各部分與氣缸空間之間的流動阻抗相等，由于通過換熱器時的流動不均勻性而造成的損失就可以減少，而且，工作流體在由換熱區(qū)所限定的環(huán)形區(qū)域內(nèi)的流動，也就是由于作機(jī)械功而造成的損失就可以減少。圖9b是圖9a中的支管400系統(tǒng)的展開平面示意圖，表示流體通過壓縮空間38與環(huán)形箱體47之間的支管400而連通。
雖然斯德林發(fā)動機(jī)能夠提供很高的熱效率而造成的污染很少，但要達(dá)到這些目的對用于使斯德林發(fā)動機(jī)的加熱器箱體64(見圖2)加熱的燃燒器的熱效率有很高要求。這種熱效率的組成部分包括通過燃燒器泵入氧化劑(通常是空氣，而且，在本說明書和權(quán)利要求書中，如未加限定，就稱為“空氣”)的效率，以及離開加熱器箱體的熱廢氣的回收。在許多情況下，空氣(或其它氧化劑)在燃燒之前經(jīng)過預(yù)熱，預(yù)熱到接近加熱器箱體的溫度，以達(dá)到上述熱效率的目標(biāo)。
為了達(dá)到低散發(fā)，燃料與空氣必須混合得很好，有足夠的氧氣，以限制一氧化碳(CO)的散發(fā)，此外，還必須在足夠低的火焰溫度下燃燒，以限制氮氧化合物(NOx)的形成。為達(dá)到高的熱效率而要求把空氣預(yù)熱到很高的溫度，使得要達(dá)到低散發(fā)的目標(biāo)復(fù)雜化了，因為要預(yù)先混合燃料和空氣，以及必需的大量的過量空氣，以便限制火焰的溫度是困難的。
在本文中和在任何一個權(quán)利要求中所用的術(shù)語“自動點火溫度”的定義是，在現(xiàn)存的空氣和燃料的壓力狀態(tài)下，不需要降低溫度的催化劑燃料就能點火的溫度。平常的預(yù)熱空氣的溫度超過了大多數(shù)燃料的自動點火溫度，很容易導(dǎo)致燃料—空氣混合物在進(jìn)入燃燒室之前就點火。這個問題的一個解決方案是使用一種非預(yù)混擴(kuò)散火焰。但是，由于這種擴(kuò)散火焰沒有很好混合，結(jié)果，CO和NOx的散發(fā)量高于要求的量。特恩斯(Turns)的《燃燒概論原理和應(yīng)用》(McGraw-Hill出版社，1996)一書中詳細(xì)討論了火焰動力學(xué)，該書可作為本申請的參考文獻(xiàn)。任何利用空氣流量的增加來限制火焰溫度的方法通常都會增大氣泵或鼓風(fēng)機(jī)的動力消耗，從而降低了整個發(fā)動機(jī)的效率。
按照本發(fā)明，借助于產(chǎn)生一種預(yù)混火焰，并且，借助于使空氣進(jìn)口與火焰區(qū)域之間的壓力降減少到最低限度，即使空氣預(yù)熱到高于燃料自動點火的溫度，也能夠使散發(fā)減少而使效率提高，從而象以上所說的那樣，使鼓風(fēng)機(jī)的動力消耗減到最少。
術(shù)語“火焰速度”的定義是火焰的前沿通過特定的燃料—空氣混合物的傳播速度。在本發(fā)明的說明書和權(quán)利要求書范圍內(nèi)，術(shù)語“燃燒軸線”是指在流體燃燒時起主要作用的流體流動的方向。
請參閱圖10a-10c，圖中表示了一種按照本發(fā)明的一個實施例的用于斯德林循環(huán)發(fā)動機(jī)或其他燃燒設(shè)施的進(jìn)氣導(dǎo)管599。按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，燃料與可以加熱到溫度高于燃料的自動點火溫度的空氣預(yù)先混合，并且，在燃料與空氣很好地混合之前，能夠防止形成火焰。圖10a表示包括一根進(jìn)氣導(dǎo)管599和一個燃燒室610的裝置的優(yōu)選實施例。上述進(jìn)氣導(dǎo)管599有一根軸對稱的導(dǎo)管601，該導(dǎo)管有一個接受空氣600的進(jìn)口603。空氣600一般預(yù)熱到高于1000K，這個溫度可能高于燃料的自動點火溫度。導(dǎo)管601把沿著燃燒軸線620的徑向流進(jìn)來的空氣600輸送到設(shè)置在導(dǎo)管601內(nèi)的旋流器602中。
圖10b表示按照本發(fā)明的一個實施例的包括旋流器602在內(nèi)的導(dǎo)管601的斷面圖。在圖10b的實施例中，旋流器602有若干塊螺旋形的葉片702，用于沿徑向向內(nèi)導(dǎo)引空氣600的流動，并給它一個旋轉(zhuǎn)分量。導(dǎo)管中旋流器斷面的直徑從旋流器602的進(jìn)口704到出口706逐漸減小，由旋流器葉片702的長度確定。旋流器葉片702直徑的減小增大了空氣600的流速，使流速基本上與直徑成反比。因為流速增大了，所以它超過了燃料的火焰速度。在旋流器602的出口706處，把燃料606(在一個優(yōu)選實施例中是丙烷)噴射到向內(nèi)流動的空氣中。
在一個優(yōu)選實施例中，燃料606是用燃料噴射器604通過許多噴咀800噴射出來的，如圖10c所示。更具體的說，圖10c表示了導(dǎo)管601的橫斷面圖，并且還包括了噴射燃料的噴咀800。每一個噴咀800的位置都在旋流器葉片702的出口處，并且在兩塊相鄰葉片的中心。噴咀800的位置是這樣確定的，使得它能增加空氣與燃料的混合效率。這些噴咀800同時把燃料606噴射通過空氣流600。由于空氣流比火焰的速度快，所以即使空氣和燃料的混合物的溫度高于燃料的自動點火溫度，也不會在這時形成火焰。在一個使用丙烷的優(yōu)選實施例中，由加熱器箱體的溫度控制的預(yù)熱溫度大約是1000K。
再請參閱圖10a，現(xiàn)在，已經(jīng)混合好了的空氣和燃料(以下稱為“空氣—燃料混合物”)609沿著通過喉管608的方向輸送，這種喉管具有外形呈流線型的罩622，并且固定在導(dǎo)管601的出口607處。喉管608有一個內(nèi)半徑614和一個外尺寸616?？諝狻剂匣旌衔飶幕旧显诖怪庇谌紵S線620上沿徑向向內(nèi)流動的方向，過渡到基本上平行于燃燒軸線的方向。上述喉管608的流線型罩622的輪廓具有倒扣的鐘的形狀，使得喉管608在燃燒軸線上的橫斷面積從喉管的進(jìn)口611到它的出口612保持恒定不變。這種輪廓是光滑的，沒有臺階，并且從旋流器的出口到喉管608的出口保持流動速度不變，以避免在任何一部分表面上的濃集和造成回流。這種恒定不變的橫斷面積能讓空氣和燃料在不降低流速和造成壓力降的同時繼續(xù)混合。光滑而且恒定不變的橫斷面形成了一個高效的旋流器，在這里，旋流器的效率是指在通過旋流器后的壓力降轉(zhuǎn)變成渦流的動壓力的份額。實施本發(fā)明一般旋流效率能高于80％。這樣，燃燒空氣風(fēng)扇的附加動力損失就能減到最少。
喉管的出口612向外呈喇叭形，能讓空氣—燃料混合物609分散到腔室610內(nèi)，從而減緩空氣—燃料混合物609的流速，并使火焰限制和包容在內(nèi)，促使喇叭形火焰的形成。由旋流器602所形成的旋轉(zhuǎn)動量產(chǎn)生了在該技術(shù)領(lǐng)域中公知的穩(wěn)定火焰的環(huán)形渦流。
以上所描述的裝置和方法可以應(yīng)用于除了本發(fā)明通過它進(jìn)行說明的斯德林發(fā)動機(jī)之外的許多其他方面。本發(fā)明中所描述的這些實施例只是為了說明，對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，對本發(fā)明的各種各樣的變化和改進(jìn)都是顯而易見的。所有這些變化和改進(jìn)都落入本申請的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)械，它包括a.一個第一活塞，它有一根第一連桿，這個活塞沿著第一連桿的軸線在第一氣缸內(nèi)作往復(fù)直線運動，并且有一個沿著上述第一連桿軸線相對于一個第一基準(zhǔn)點的位移，該基準(zhǔn)點沿著上述第一連桿軸線設(shè)置，并且相對于第一氣缸是固定的；b.一個第二活塞，它有一根第二連桿，這個活塞沿著第二連桿的軸線在第二氣缸內(nèi)作往復(fù)直線運動，上述第二連桿軸線既處于與上述第一連桿軸線平行的第一平面上，也處于與上述第一連桿軸線成一個角度的第二平面上，該第二活塞有一個沿著上述第二連桿軸線相對于一個第二基準(zhǔn)點的位移，該基準(zhǔn)點沿著上述第二連桿軸線設(shè)置，并且相對于第二氣缸是固定的；c.一根具有純角動量的諧和驅(qū)動裝置的聯(lián)動裝置，這根諧和驅(qū)動裝置的聯(lián)動裝置以這樣的方式與上述第一和第二連桿聯(lián)結(jié)，即，上述第一活塞沿著上述第一連桿軸線的位移是一個曲軸角度的正弦函數(shù)，而上述第二活塞沿著上述第二連桿軸線的位移也是上述曲軸角度的正弦函數(shù)，上述第二活塞的位移在相位上與上述第一活塞沿著上述第一連桿軸線的位移在相位上偏移，這種相位的偏移基本上等于上述第二平面與第一連桿軸線之間的角度；以及d.一種裝在上述第一和第二氣缸內(nèi)的工作流體，這種工作流體進(jìn)行連續(xù)的封閉循環(huán)加熱、膨脹、冷卻和壓縮。
2.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械，其特征在于，上述連續(xù)的循環(huán)是斯德林循環(huán)。
3.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械，其特征在于，上述聯(lián)動裝置包括a.一根主曲軸；b.一根設(shè)置在上述主曲軸內(nèi)部的偏心曲軸，這根偏心曲軸與第一連桿和第二連桿都聯(lián)結(jié)；以及c.一個行星齒輪付，它把上述偏心曲軸以這樣的方式連接在上述主曲軸上，使得上述偏心曲軸與主曲軸向著相反的方向轉(zhuǎn)動。
4.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械，其特征在于，上述聯(lián)動裝置包括a.一根主曲軸；b.一根設(shè)置在上述主曲軸內(nèi)部，具有一個懸臂端的偏心曲軸，這根偏心曲軸與第一連桿聯(lián)結(jié)，并且在上述懸臂端處與上述第二連桿聯(lián)結(jié)；以及c.一個設(shè)置在上述懸臂端的行星齒輪付，上述行星齒輪以這樣的方式把偏心曲軸聯(lián)結(jié)在主曲軸上，使得該偏心曲軸具有向前的角動量的特征，而主曲軸具有向后的角動量的特征。
5.如權(quán)利要求4所述的機(jī)械，其特征在于，上述行星齒輪付包括a.一個具有一條節(jié)徑的內(nèi)齒輪，該內(nèi)齒輪設(shè)置在基本上與第一和第二連桿軸線都平行的平面上；以及b.一個具有一條節(jié)徑的小齒輪，這條節(jié)徑等于固定的內(nèi)齒輪節(jié)徑的一半，并且該小齒輪連接在偏心曲軸上。
6.如權(quán)利要求4所述的機(jī)械，其特征在于，上述聯(lián)動裝置還包括至少一個與上述小齒輪反向相位旋轉(zhuǎn)的平衡重。
7.如權(quán)利要求4所述的機(jī)械，其特征在于，它還包括一個連接在上述偏心軸上的飛輪，以使上述諧和驅(qū)動裝置的聯(lián)動裝置的凈角動量基本上等于零。
8.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械，其特征在于，它還包括一臺連接在上述主曲軸上，用于把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機(jī)。
9.如權(quán)利要求8所述的機(jī)械，其特征在于，它還包括一臺處理器，用于控制加在上述發(fā)電機(jī)上的電流負(fù)載，以使加在主曲軸上的扭矩基本上恒定。
10.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械，其特征在于，上述第一連桿是撓性的，能在垂直于第一連桿軸線的方向上彎曲。
11.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械，其特征在于，上述第二連桿是撓性的，能在垂直于第二連桿軸線的方向上彎曲。
12.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械，其特征在于，它還包括一個換熱器，用于將熱量通過一根導(dǎo)管從第一流體傳遞給第二流體，上述換熱器有許多從上述導(dǎo)管延伸到第一流體中的銷子。
13.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械，其特征在于，它還包括一個換熱器，用于將熱量通過一根導(dǎo)管從第一流體傳遞給第二流體，上述換熱器有許多從上述導(dǎo)管延伸到第二流體中的銷子。
14.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械，其特征在于，它還包括一個換熱器，用于將熱量通過一根導(dǎo)管從第一流體傳遞給第二流體，上述換熱器包括a.許多從上述導(dǎo)管延伸到第一流體中的銷子；以及b.許多從上述導(dǎo)管延伸到第二流體中的銷子。
15.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械，其特征在于，它還包括一根進(jìn)氣導(dǎo)管，用于以這樣的方式把空氣和具有自動點火溫度的燃料混合在一起，以便形成一種能在具有一根燃燒軸線的燃燒室內(nèi)燃燒的空氣—燃料混合物，來加熱該機(jī)組的加熱器箱體，該空氣—燃料混合物具有一種火焰速度，上述進(jìn)氣導(dǎo)管包括下列構(gòu)件a.一根圍繞燃燒軸線呈軸對稱的管道，它有輸送沿著徑向向內(nèi)流動的空氣的一個進(jìn)口和一個出口；b.一個用于把燃料噴射到沿著徑向向內(nèi)流動的空氣中的燃料噴射器，以使空氣與燃料混合，形成一種空氣—燃料混合物，這種混合物的流速高于空氣—燃料混合物火焰的速度；以及c.一個具有與上述管道的出口連通的進(jìn)口的鐘形喉管，該鐘形喉管有一個出口，它的橫斷面形狀和面積使得該喉管的橫斷面積從進(jìn)口到出口保持恒定。
16.如權(quán)利要求15所述的機(jī)械，其特征在于，它還包括一個設(shè)置在上述管道內(nèi)的空氣旋流器，用于使向內(nèi)流動的空氣帶有一種旋轉(zhuǎn)的分量。
17.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械，其特征在于，上述燃料是一種氣體。
18.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械，其特征在于，上述燃料是丙烷。
19.一種進(jìn)氣導(dǎo)管，用于把空氣和燃料混合在一起以形成一種空氣—燃料混合物，以便將其噴入一個具有一根燃燒軸線的燃燒器內(nèi)，上述空氣—燃料混合物在一組特定的條件下有一個自動點火溫度和一個火焰速度，上述進(jìn)氣導(dǎo)管包括a.一根具有一個進(jìn)口和一個出口的管道，用于輸送沿徑向向著燃燒軸線內(nèi)流動的空氣，該流動的空氣有一個流動速度；b.一個設(shè)置在流線型罩內(nèi)部的空氣旋流器，該流線型罩設(shè)置在上述管道與燃燒器之間，用于給上述沿徑向向內(nèi)流動的空氣一個旋轉(zhuǎn)分量，該空氣旋流器有一個進(jìn)口直徑和一個出口直徑，上述進(jìn)口直徑大于上述出口直徑，以使上述空氣的流動速度超過上述燃料的火焰速度；c.一個燃料噴射器，用于把燃料噴入上述沿徑向向內(nèi)流動的空氣中，以使得上述空氣和燃料混合，形成一種空氣—燃料混合物；以及d.一根鐘形喉管，該喉管有一個與上述管道的出口連通的進(jìn)口，該鐘形喉管還有一個出口，該鐘形喉管的橫斷面的輪廓使得從上述進(jìn)口到上述出口的橫斷面積保持恒定不變。
20.一種在空氣中燃燒燃料的方法，該燃料有一個自動點火溫度和一個火焰速度，該方法包括下列步驟a.以一種超過上述火焰速度的速度將上述空氣送入一根喉管的進(jìn)口，該喉管還有一個出口，和從進(jìn)口到出口恒定不變的橫斷面積；以及b.把燃料混合進(jìn)上述空氣中，形成一種空氣—燃料混合物，這種空氣—燃料混合物從出口流出，使得上述空氣—燃料混合物在上述喉管出口的外部形成一股火焰。
全文摘要
一種斯德林機(jī)組,它有兩個活塞,這兩個活塞都連接在一根諧和的曲軸驅(qū)動裝置的聯(lián)動裝置上,以便在各活塞相對于固定的基準(zhǔn)點的正弦位移之間形成特定的相位關(guān)系。這種諧和的曲軸驅(qū)動聯(lián)動裝置有一根主曲軸,和一根安裝在主曲軸內(nèi)部,并且通過一個齒輪副與主曲軸聯(lián)結(jié),向著相反的方向旋轉(zhuǎn)的偏心曲軸。偏心曲軸可以懸臂地安裝在上述主曲軸上,并且,聯(lián)結(jié)在上述偏心曲軸上的發(fā)動機(jī)的活塞在支承軸承的外部。設(shè)置了一個與偏心曲軸連接的飛輪,以便使發(fā)動機(jī)以零凈角動量運轉(zhuǎn)。一根進(jìn)氣導(dǎo)管用于混合空氣和燃料,以便發(fā)動機(jī)進(jìn)行燃燒和加熱。
文檔編號F02G3/02GK1264453SQ98807241
公開日2000年8月23日 申請日期1998年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月15日
發(fā)明者約翰·克爾溫, 金斯頓·歐文斯, 邁克爾·諾里斯, 迪恩·L·卡門, 蒂姆·杜根, 克里斯托弗·C·蘭根費爾德 申請人:新動力概念有限公司