三曲拐曲軸磁力傳動的β型斯特林發(fā)動機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于發(fā)動機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及斯特林發(fā)動機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]汽車己成為現(xiàn)代社會的重要組成部分，汽車在給人類社會出行帶來便捷的同時，消耗掉巨大的石油資源。汽車排氣溫度高，具有很高的余熱利用價值，目前國內(nèi)外汽車排氣都是直接排入大氣中。我國汽車保有量巨大，將汽車排氣直接排入大氣不僅是巨大的能量浪費(fèi)，而且造成環(huán)境污染嚴(yán)重。
[0003]斯特林發(fā)動機(jī)(Stirling engine)是一種外燃閉式循環(huán)往復(fù)活塞式熱力發(fā)動機(jī)，其理想熱力循環(huán)被稱作斯特林循環(huán)(即概括性卡諾循環(huán))，在相同溫度條件下，其理論效率最高。它具有兩個明顯優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)的特點(diǎn):一是可以利用各種能源，無論是常用液體燃料，還是氣體燃料或固體燃料等，只要是能產(chǎn)生一定溫度的熱量，斯特林發(fā)動機(jī)就可以工作，對石油資源依賴程度小。二是由于斯特林發(fā)動機(jī)中沒有內(nèi)燃機(jī)中的燃燒過程，壓力變化平緩，振動噪音低。斯特林發(fā)動機(jī)中沒有進(jìn)排氣過程，工質(zhì)為閉式循環(huán)，所以沒有有害排放物產(chǎn)生，具有良好的環(huán)境特性。
[0004]以汽車排氣余熱作為高溫?zé)嵩?，?qū)動發(fā)動機(jī)對外作出機(jī)械功，可將低品位排氣余熱轉(zhuǎn)化為高品位機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)能源品質(zhì)的提升。因此，本發(fā)明研宄汽車排氣余熱斯特林發(fā)動機(jī)，對提高我國汽車的石油資源利用率，具有十分重要的戰(zhàn)略意義和重大的工程價值。
[0005]斯特林發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)型式主要有α、β和γ三種型式，其中β型結(jié)構(gòu)最為緊湊。目前β型傳動機(jī)構(gòu)型式實(shí)用的主要有曲柄連桿機(jī)構(gòu)、菱形傳動機(jī)構(gòu)、自由活塞傳動機(jī)構(gòu)。其中曲柄連桿機(jī)構(gòu)技術(shù)成熟，機(jī)構(gòu)相對簡單，熱、冷腔相位差容易保證，但平衡性差。β型配氣式斯特林發(fā)動機(jī)通常采用兩曲拐機(jī)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)運(yùn)行不太平穩(wěn)。菱形機(jī)構(gòu)有四根連桿與兩根連架桿按長度比例組合連接，使其形狀近似菱形，運(yùn)行平穩(wěn)，但機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜。自由活塞機(jī)構(gòu)簡單，但不宜保證熱腔容積與冷腔容積的相位差要求。
[0006]目前國際上斯特林發(fā)動機(jī)均為閉式循環(huán)工作模式，必須采用專用密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封，以防止工質(zhì)泄露。工質(zhì)的泄漏是斯特林發(fā)動機(jī)常見的故障現(xiàn)象，也是最難解決的問題之一。工質(zhì)的泄漏輕則造成發(fā)動機(jī)功率和效率的下降，發(fā)動機(jī)不能正常工作，重則造成整機(jī)損壞。密封結(jié)構(gòu)不僅在技術(shù)上有難度，而且使發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)器笨重，摩擦損失很大、運(yùn)行可靠性很差。這也是目前斯特林發(fā)動機(jī)難以在工程領(lǐng)域中廣泛推廣應(yīng)用的主要原因之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服傳統(tǒng)斯特林發(fā)動機(jī)存在的密封困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)器笨重、摩擦損失很大、運(yùn)行可靠性差的缺點(diǎn)，本發(fā)明通過改進(jìn)，率先提出一種三曲拐曲軸磁力傳動結(jié)構(gòu)的β型斯特林發(fā)動機(jī)，通過合理的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可將曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動無接觸地傳遞到曲軸箱外部，并可減少熱量穿梭損失和導(dǎo)熱損失，保證發(fā)動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，大幅度減少摩擦損失、提高發(fā)動機(jī)熱效率。
[0008]三曲拐曲軸磁力傳動的β型斯特林發(fā)動機(jī)包括加熱器1、氣缸體21、活塞、連桿機(jī)構(gòu)、曲軸12、機(jī)體7、磁力傳動器10和發(fā)電機(jī)11 ；
所述氣缸體21的上部為熱腔2，下部為冷腔18 ;所述加熱器I設(shè)于熱腔2上，所述冷腔18的外側(cè)套設(shè)有冷卻套6，所述加熱器I和冷卻套6之間的氣缸體21內(nèi)壁上設(shè)有回?zé)崞?9，且回?zé)崞?9和氣缸體21內(nèi)壁之間形成氣體通道；所述活塞分為熱活塞3和冷活塞5，熱活塞3同軸位于冷活塞5的上方，且對應(yīng)著加熱器I ;所述加熱器1、氣缸體21、熱活塞
3、冷活塞5和回?zé)崞?9構(gòu)成熱力機(jī)構(gòu)；
所述連桿機(jī)構(gòu)包括一根熱連桿9和兩根冷連桿8 ;所述曲軸12為三曲拐曲軸，其中兩端為主軸頸1204，中部的三個曲拐分別為一個熱連桿軸頸1202和兩個冷連桿軸頸1201 ;所述連桿機(jī)構(gòu)和曲軸構(gòu)成三曲拐曲軸機(jī)構(gòu)；
氣缸體21的下端連通著機(jī)體，機(jī)體為密封腔；所述曲軸12兩端的主軸頸1204通過軸承設(shè)于緩沖腔14內(nèi)；曲軸12 —端的主軸頸1204通過磁力傳動器10連接著發(fā)電機(jī)11 ;與曲軸12另一端對應(yīng)的機(jī)體上設(shè)有充氣接頭13 ；
所述加熱器I將吸入的熱量轉(zhuǎn)化為對冷活塞5的機(jī)械功，實(shí)現(xiàn)β型斯特林發(fā)動機(jī)的循環(huán)工作。
[0009]所述冷卻套6為圓柱管狀，其外圓柱面為翅片狀。
[0010]所述回?zé)崞?9為圓柱管狀，外圓柱面上沿軸向均布開設(shè)有通槽，回?zé)崞?9上均布的通槽和氣缸體21內(nèi)壁之間形成氣體通道。
[0011]所述冷活塞5的軸向中部設(shè)有通孔，熱活塞直桿15穿過該通孔；熱活塞直桿15與冷活塞5之間設(shè)有密封圈4 ;熱活塞直桿15上端與熱活塞3相連，下端與熱連桿9的上端相連；熱連桿9的下端連接著曲軸的熱連桿軸頸1202 ;兩根冷活塞直桿16上端與冷活塞5相連，下端分別與兩根冷連桿8相連；兩根冷連桿8的下端分別連接著三曲拐曲軸12的兩個冷連桿軸頸1201。
[0012]所述三曲拐曲軸的中部為熱連桿軸頸1202，熱連桿軸頸1202的兩側(cè)分別通過曲拐盤連接著冷連桿軸頸1201，兩側(cè)的冷連桿軸頸1201同軸；兩側(cè)的冷連桿軸頸1201外側(cè)分別通過曲拐盤連接著主軸頸1204 ;所述熱連桿軸頸1202與所述冷連桿軸頸1201的曲軸轉(zhuǎn)角差為90度。
[0013]所述機(jī)體為倒T形的管狀，分別為直立腔體和水平腔體；直立腔體為緩沖腔14，緩沖腔14連通著氣缸體21的下端；所述曲軸12兩端的主軸頸1204通過軸承設(shè)于水平腔體內(nèi)。
[0014]所述磁力傳動器10為平面磁力聯(lián)軸器，由兩部分組成，其一部分固定連接著在曲軸12 —端，與曲軸同步旋轉(zhuǎn)，另一部分固定連接著發(fā)電機(jī)11，將曲軸12的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動無接觸地向外傳遞，使發(fā)電機(jī)11進(jìn)行發(fā)電工作。
[0015]本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面:
(I)本發(fā)明采用的內(nèi)置式回?zé)崞髟O(shè)計(jì)，回?zé)崞鲀?nèi)置于氣缸體上部內(nèi)，處于加熱器與冷卻套之間，氣缸體外部敷有隔熱層進(jìn)行隔熱，使回?zé)崞骶哂凶疃虃鳠嵬緩剑梢源蟠鬁p少散熱損失，顯著提高回?zé)嵝剩M(jìn)而提高熱能的利用效率。
[0016](2)本發(fā)明采用三曲拐曲軸設(shè)計(jì)，具有三個曲拐軸頸(一個熱連桿軸頸、兩個冷連桿軸頸)、四個曲拐盤。熱連桿軸頸位于曲軸的中間，通過熱連桿與熱活塞直桿鉸接；兩個冷連桿軸頸位于曲軸的兩側(cè)，分別通過兩條冷連桿與兩條冷活塞直桿鉸接。兩條冷活塞直桿對稱地連接在同一個冷活塞上。這種結(jié)構(gòu)可以保持冷活塞運(yùn)行平穩(wěn)性，同時減少活塞附加側(cè)向力，提高有效功率輸出。
[0017](3)本發(fā)明的三曲拐曲軸機(jī)構(gòu)能夠與熱力機(jī)構(gòu)中的熱活塞與冷活塞部件協(xié)調(diào)工作，保證熱活塞的運(yùn)動領(lǐng)先于冷活塞90度的曲軸轉(zhuǎn)角，并將兩活塞之間的相位角維持在90度。90度的活塞相位角可以最大化地提尚氣體工質(zhì)的做功能力，進(jìn)而有利于提尚熱能的轉(zhuǎn)化效率。
[0018](4)本發(fā)明的功率輸出部分采用平面磁力聯(lián)軸器設(shè)計(jì)，平面磁力聯(lián)軸器由兩部分組成，其一部分安裝在曲軸一端，與曲軸同步旋轉(zhuǎn)，另一部分與曲軸箱外部的發(fā)電機(jī)相連，可以將機(jī)體內(nèi)的曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動無接觸地傳遞到發(fā)動機(jī)機(jī)體之外，使發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電工作。由于曲軸箱與箱外大氣環(huán)境處于靜態(tài)全封閉狀態(tài)，無動態(tài)密封環(huán)節(jié)，完全消除了目前斯特林發(fā)動機(jī)的工質(zhì)壓力與大氣壓力動態(tài)密封產(chǎn)生的摩擦損失，可以極大提高發(fā)動機(jī)的有效功率輸出。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明剖開氣缸后的主視結(jié)構(gòu)立體示意圖。
[0020]圖2為回?zé)崞饔蓺飧左w上部部分抽出的俯視結(jié)構(gòu)立體示意圖。
[0021]圖3為三曲拐曲軸結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]上圖中序號:加熱器1、熱腔2、熱活塞3、密封圈4、冷活塞5、冷卻套6、密封機(jī)體7、冷連桿8、熱連桿9、磁力傳動器10、發(fā)電機(jī)11、三曲拐曲軸12、冷連桿軸頸1201、熱連桿軸頸1202、曲拐盤1203、三曲拐主軸1204、充氣接頭13、緩沖腔14、熱活塞直桿15、冷活塞直桿16、冷活塞密封環(huán)17、冷腔18、回?zé)崞?9、隔熱層20、氣缸體21。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地說明。
[0024]參見圖1，三曲拐曲軸磁力傳動的β型斯特林發(fā)動機(jī)包括加熱器1、氣缸體21、活