热气发动机的制作方法

专利名称:热气发动机的制作方法
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。
现在已经找到了这个问题的解决办法，即用一个在壳体内部的至少与工作活塞连接的磁性或能磁化的耦合器，并且与之对应在壳体外部也安装一个与活塞位移一致，活动的磁性或能磁化的耦合器。通过外部磁性耦合的方法从直线往复运动的工作活塞得到机械能，因而既可获得最佳的自由活塞发动机构形，又不需要在结构上，如安装的方式和所用材料的特性等采取特别的措施。经磁耦合器传出的运动可以根据需要传递给各种型式的机械能转换系统，以作为对外输出功，用于任何外接设备。对于不需要旋转运动，只利用直线运动的外接设备来说，振动能量就能够通过直接外部耦合加以利用。这种磁性耦合器，具有附加的优点，就是在超负荷情况下，它能起滑动离合器的作用。
根据本发明所提出的特别简单的装置，在壳体内部有一个软铁环，在壳体外部至少有一个磁铁，构成耦合器。这个壳体外部的磁铁可用永久磁铁或其它电磁铁。在此条件下，壳体的内部不需要有电路，因为壳体内只有软铁元件而无电磁铁。壳体内部的耦合器，具有开口朝外的环槽，而壳体外部的耦合器，具有开口朝内的环槽，从而其动态振荡效应可以被作用在活塞上，起到附加的密封作用。为使工作活塞和排流活塞的相位关系相对应，较好的作法是在壳体内部给工作活塞和排流活塞都装设耦合器，而在壳体外部与它们相对应的耦合装置则通过一连接机构联在一起，该连接机构同时确定活塞间的相位关系。这套用于保证工作活塞和排流活塞的相位关系相对应的连接机构，最好采用机械传动，尤其是曲轴传动的形式。
上述这种结构，使工作活塞和排流活塞的运动顺序不必定成自由摆动，而能够根据理想的运动学的原理来确定，即与所选择的回热式外源加热循环相符合。此外，使用这样的装置，解决了自由活塞不稳定结构的有关问题，例如，对中问题，在交变负荷下的过度摆动现象以及与自由活塞发动机运动学有关的其它困难，都可以避免了。这就导致自由活塞部件相当大的简化，取消了传统的有源和无源的控制系统。对于本发明的实现，可以依靠已经成熟的机械相位连接技术。所以在基本型的基础上，生产和发展相当广泛的不同特性的多品种发动机，是可能的、没有任何问题的。
根据本发明，利用磁性耦合器连接的机械装置，一方面可得到最佳的机械能输出。另一方面，在往复运动的活塞上用一个机械装置，可得到予先精确选定的相位关系和同位振荡状态。由此可见，传统的自由活塞发动机在起动和变负荷下出现的困难，被克服了。
以这样的方式，一方面避免了防漏密封的基本问题，获得了自由活塞发动机的所有优点，另一方面，又轻而易举地克服了由自由活塞发动机复杂的自由振动机理而引起的固有问题。
给至少一个活塞连接上传递绕轴线旋转运动的装置，这就使得利用排流活塞或工作活塞从固有的直线运动派生成的绕轴旋转运动成为可能。这种型式的转动运动与前述在发动机壳体外部的耦合器共同配合，从而能够利用平移和转动相结合，或单纯的旋转运动以驱动外接的设备。同时，由于旋转运动使活塞和发动机的内壁之间起到动态密封作用。
在两个活塞之间，提供了一个不能旋转但可轴向移动的连接件，使排流活塞和工作活塞在各自独立的直线运动中，保持同步转动。
安装在壳体壁上的一个机械的或磁性的耦合器为第一耦合器，与活塞相连接的为第二耦合器，它们共同组成传动装置。在此例中，第一和/或第二耦合器上具有正弦或余弦曲线形状的轮廓，从而能够以特别简单的方式，使活塞的平移运动变为旋转运动。
在排流活塞上具有正弦形状的耦合器，工作活塞上相应的具有余弦形状的耦合器，由于这些耦合器的作用，同时还使工作活塞和排流活塞之间得到确定的相位关系。下述机构也以类似方式确定此相位关系，这套机构在壳体内部的工作活塞和排流活塞上都装有耦合器，而在壳体外部与之相对应的耦合器，则通过确定相互相位关系的装置而连接在一起。在这些条件下，随着一个配置在工作活塞与另一个配置在排流活塞上的耦合器之间精确的正弦一余弦关系的建立，按照传统的相位关系，确定了一个90°的相位差。
本发明的耦合装置，并非一个固定相位关系的装置，而是一个相位关系可调的装置。这就是说，通过磁性控制，由耦合器的角度关系的改变，来改变工作活塞和排流活塞之间的相位关系，以便更好地适应特殊的运转方式或运转条件。
一种形式特别简单的耦合器，是由按正弦形状和余弦形状的凸轮槽和与上述凸轮槽相配合的凸轮滚子组成。在此情况下，可使用滑动轮，滚轮或滚柱等具体形式，使其沿弧形轨道移动而减小摩擦。另一种形式的耦合器，用一种磁性或可被磁化的材料制成一条围绕活塞或围绕壳体壁的正弦或余弦曲线形状的轨道，对应于这条用可磁化的或磁性材料作成的正弦形状或余弦形状的轨道，设一个与凸轮滚子相当的磁性或可磁化的耦合件，以同它配合作用。
本发明的另外一些特色、优点和细节，配合最佳装置结构图介绍如下。参阅各图。
图1a，具有磁耦合器加之以机械传动机构的自由活塞斯特林发动机剖面示意图，用于说明工作原理。
图1b，照图1a所示原理制成的实际装置的详细的剖面图。
图2，展示获得传力分量方法的剖面示意图。
图3，用耦合装置使活塞进行旋转运动的装置的纵剖面图。
图4，沿图3中Ⅳ-Ⅳ线作的横剖面图。
图5，与图4相对应而带有机械联接方式的装置图示。
图1示出一承压气缸壳体1。在壳1内装有一工作活塞2，可滑动地套在导向管3上，使其能向上、向下作直线运动。此外，壳1内还装有一个排流活塞4，同样可滑动地套在导向管3上。一个加热器5、一个回热器6和一个冷却器7被组装成把两个封闭的内空间(即由壳1和排流活塞4之间形成的封闭内空间12和由排流活塞4、工作活塞2与壳1之间形成的封闭内空间11)联通。加热器5连接到外部热源，图上未加表示。
用连杆13把排流活塞4联接到第一内耦合器9，而用另一连杆14把工作活塞2联接到第二内耦合器15。耦合器9和15均用软铁加工成环状体，每个软铁环状体均有一些环形凹槽16和17，凹槽的开口朝外。
外壳1，或者至少沿着耦合器9和15的那一段部位要用非磁性材料作成。为此目的可以使用例如合成材料或诸如铝一类非磁性金属。当用后一类材料时，仅有少量的涡流电流损失掉，在耦合过程中，这是可以认可的。
在壳1的外面，设置了相应的耦合器8和18，它们与内耦合器9和15对应，安装在相同的高度位置。这些外耦合器每个都作成永磁环状体，各自呈敞口的环形凹槽19和20，凹槽均开口朝内。此处是为了叙述简便起见，实际上不仅是用永久磁铁，合适的成形的电磁体也是可以的，在此情况下，所说的电磁体可以接直流电或交流电。
外耦合器8、18各自用联动装置21和22联接在一起，在此情况下，联动装置21和22被装成相互独立、轴向方向是可动的。联动装置21用万向节铰接到曲轴式的机械传动器10上，铰接点为23、24，联动装置22用万向节铰接到同一个机械驱动器上，铰接点为25、26。机械传动器10仅在图1中示出，就此而言，众所周知它来自传统的斯特林发动机。通过选择铰接点24、26的角度关系，使工作活塞2和排流活塞4之间的相位角予先给定。基于在传动器10和工作活塞2之间以及和排流活塞4之间的联接装置，工作活塞2和排流活塞4之间的相位角不仅在发动机启动时而且当负荷不稳定时都确保不变。
为获得最佳运行效率，活塞2、4和各气道以及各气体空间的尺寸都要按照理想的自由往复运动情况而确定，从而借助于传动器10可确定一个相位角α，例如90°。这就为达到一个特定的良好运转效率制造了条件，这是因为传动器10在那时对处于止点附近的工作活塞2和排流活塞4之间形成的相位关系只有一个回动的作用。同时，机械传动器10上的传动轴27又为外部联接装置机组提供动力，因此，有效地利用由工作活塞2和排流活塞4产生的机械能成为现实。
图2中示出一个轴向力F(如箭头所示)代表正在作用的耦合力。当上述机构彼此间作轴向运动时，根据具有彼此相对的敞口环形凹槽20、17的内、外耦合器8和9的几何形状，该耦合力就会出现。
当只是在壳1围绕发动机冷的那一部份用绝缘合成材料作成，涡流电流损失忽略不计，设若采用活塞直径为25厘米、空气间隙为1厘米，基本保证0.5泰斯拉(译注MKS制的磁通密度单位)的空气间隙磁感，那么，耦合力可以达到800牛顿。当使用导电的壳1(例如铝)时，经计算分析表明所考虑的涡流电流损失只是很微量的。合金钢也可用作壳体材料。
图3表示装置的一个轮廓，在该装置内，由工作活塞2′和排流活塞4′产生的摆动与平移运动所引起的围绕其共用纵向轴29的旋转运动又对上述活塞产生影响。图3只限于说明由沿轴29的摆动运动所产生的旋转运动。
为了使工作活塞2′和排流活塞4′绕轴作同步旋转，将一个立柱式的连接件30嵌入排流活塞4′和工作活塞2′各自的凹槽31和32中，留很小的间隙，因而在轴向方向对于这些活塞相互之间的运动不受限制。另一方面，凹槽31、32和联接件30都在水平方向呈方形断面，尽管两个活塞在轴向方向的运动是自由的，而唯一可能是在同一方向共同旋转。
对于形成直线运动和旋转运动之间的耦合方式，排流活塞4′安装上一个用能磁化的材料如软铁作成的余弦形的插件33，而工作活塞2′相应的安装上一个正弦形插件34，即相对于插件33来说，插件34是相位移动90°的曲线。磁体35、36与发动机壳体连接并分别地与插件33和34互相配合，所以，当轴向运动平行于轴29时，在已经表示在图2上的磁性力分量之外，活塞2′和活塞4′都还有一个连续的旋转运动(由箭头28所示方向)对它们施加影响。在此例子中，这个旋转运动能够被由磁铁37、38组成的磁耦合器来加以利用。有可能使用联接到磁铁设备37的驱动轴39来驱动辅助设备。
参阅图4，可以看到外面的磁铁35(或者36，这要根据具体情况而定)安装在调节环41上，该环可如双向箭头42所示调节磁件35和36对应壳40的角位置，于是有可能调节工作活塞2′和排流活塞4′之间的相位角α。
图5示出装置的一个实施例，在壳40内有一个调节环43。调节环43带有凸轮44，有可转动的滚子45装在凸轮的内侧端。这些滚子分别嵌入在排流活塞4′和工作活塞2′上的正弦或余弦形的环形凹槽46中，并因此当作耦合装置使两个活塞产生由平移运动引起的旋转运动。两对磁铁47和48能用来设定和/或调整调节环43的角度位置以及在工作活塞和排流活塞之间的相位角α。
权利要求
1.热气发动机，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，它们被共同组合在一个密封壳体内，因此它们能作直线往复运动，在上述情况下，排流活塞与工作活塞之间的气体空间同排流活塞与壳体之间的气体空间通过与外部热源相连的一个加热器、一个冷却器和一个回热器装置连通，在此发动机中，安装在壳体内的一个磁性的或可磁化的耦合装置至少与工作活塞连接，同时在壳体外也有一个对应的磁性的或可磁化的耦合装置安装成可活动的并与活塞的移动相一致。
2.按照权利要求
1的热气发动机，其中，壳体内的耦合装置有一个软铁环而壳体外的耦合装置至少用一个磁体作成。
3.按照权利要求
2的热气发动机，其中，壳体内的耦合装置具有开口朝外的环形凹槽，而壳体外的耦合装置具有开口朝内的环形凹槽。
4.按照权利要求
2的热气发动机，其中，壳体外的耦合装置有一个电磁体，它可以连接到交流电源上。
5.按照权利要求
1的热气发动机，其中，不仅工作活塞而且排流活塞都具有一个在壳内的耦合装置，而壳外的与之相对应的耦合装置被一个用来确定它们相互间的相位关系的机构连在一起。
6.按照权利要求
5的热气发动机，其中，用以确定相位关系的装置是一个机械传动装置，特别是一个曲轴传动装置。
7.按照权利要求
1的热气发动机，其中有一个传递装置至少与一个活塞相连，以使绕轴的旋转运动传递给所有活塞，这个旋转运动是由活塞原有的直线运动所引起的。
8.按照权利要求
7的热气发动机，其中在两个活塞之间有一个不能旋转的，但能作轴向移动的连接件。
9.按照权利要求
7的热气发动机，其中传动装置包含一个装在壳体壁面上的机装的或磁性的第一耦合器，另外，一个对应的第二耦合器连接到活塞上，第一和/或第二耦合器具有正弦或余弦形轮廓。
10.按照权利要求
7的热发动机，其中的排流活塞具有正弦曲线形的耦合装置，而与之相关的工作活塞具有余弦曲线形的耦合装置。
11.按照权利要求
7的热发动机，其中第一和/或第二耦合器的角度关系是可调节的。
12.按照权利要求
7的热发动机，其中正弦形和余弦形的耦合器都作成凹槽，而与之相配合的耦合器都作成凸轮滚子的形式，插入上述的凹槽中。
13.按照权利要求
7的热发动机，其中正弦形和余弦形的耦合器用一种磁性的或可磁化的材料作成围绕活塞或壳体壁面的正弦或余弦形的轨道。
专利摘要
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。
文档编号F02G1/045GK86100467SQ86100467
公开日1986年7月23日 申请日期1986年1月21日
发明者朱根·克雷恩瓦克特, 翰斯·克雷恩瓦克特, 奥托·克拉斯 申请人:伯明·索拉有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan