[发明专利]斯特林发动机

说明书

本申请是申请日为2010年2月10日、申请号为“201410720790.0”(原案申请号201080012352.9)、发明名称为“斯特林发动机”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种热机，具体地涉及一种结合有用于提高发动机的性能、可制造性和可靠性的多个改良和设计特征的改进的斯特林循环发动机。

背景技术

斯特林发动机的基本概念回溯至由罗伯特·斯特林在1817年登记的专利。自那以后，该发动机已是强烈关注和评价的主题。各种斯特林发动机系统已被原型化并在世界范围内投入到有限制的操作中。斯特林发动机的一个潜在的应用领域是作为用于汽车的原动机或用于混合电动应用的发动机动力单元。斯特林发动机的潜在用途的其他领域例如为固定式辅助动力单元、海上应用和太阳能转变。

斯特林发动机具有可逆的热力学循环，并且由此能够用作从热源送出机械输出能的设备、或者通过施加机械输入能而作为热泵。能够由发动机利用诸如燃烧的化石燃料或沼气、或者集中式太阳能之类的各种热源送出机械能。该能量能够用于发电或者能够直接机械地联接至负载。

多年来，本申请的受让人、Stirling Biopower公司及其前身公司已在斯特林机器技术方面取得了显著进步。虽然受让人已在斯特林机器设计方面取得了显著进步，但是存在对机器做进一步改良的不变需求，特别是期望的应用为大批量生产的情况。

本发明的斯特林发动机与由受让人及其前身公司先前开发的那些存在许多相似之处，包括在美国专利No.4,439,169、No.4,481,771、No.4,532,855、No.4,579,046、No.4,615,261、No.4,669,736、No.4,836,094、No.4,855,980、No.4,707,990、No.4,996,841、No.4,977,742、No.4,994,004、以及5,074,114中描述的那些，这些专利通过参引的方式并入本文。在以上参引的专利中描述的多种斯特林机器的基本特征也与本发明相联系地实施。

发明内容

根据本发明的斯特林发动机具有所谓的“模块化”构造。发动机的主要部件，包括驱动箱和气缸体，沿配合表面用螺栓连接到一起。用于活塞的活塞杆密封件横向于该配合表面。能够使用安装至驱动箱或气缸体的滑动杆密封件。杆密封件控制在活塞连杆的一端处的高压发动机工作气体向大气的泄漏。

在斯特林发动机的许多过往设计中，发动机壳体的较大容积暴露于工作气体的高工作压力。根据本发明的发动机，高压工作流体被限定至能够到达气缸孔的相对端部及相关联的热传递装置和通道的程度。因此，本发明的斯特林发动机的高压气体区类比于在内燃发动机中所遇到的，并且由此该斯特林发动机在对于高压部件失效的考虑方面能够以相似的方式进行构思。该益处在本发明中通过如下实现：将驱动箱维持在可能接近环境压力的相对低的压力，同时将高压工作流体限定在气缸体及包括气缸延伸部、回热器壳体和加热器头部在内的相连部件中。

发动机的活塞通过活塞杆连接至十字头。发动机的十字头包围斜盘(swashplate)并将活塞连杆和活塞的往复运动转变为斜盘的转动。本发明的斯特林发动机利用安装在驱动箱内的、用于每个十字头的一对平行导向杆。十字头具有接收导向杆的一对轴颈。

燃烧废气在穿过发动机的加热器头部之后还含有有用的热。众所周知地，作为提高热效的方式，利用空气预热器来使用该额外的热以加热输入的助燃空气。根据本发明，描述了一种提供紧凑构型且具有高热效的空气预热器。

在根据本发明的采用了四个双作用气缸的类型的斯特林发动机中，存在四个分离的工作气体容积，这四个容积彼此隔离(除了经活塞的泄漏以外)。为了能够使发动机平稳操作且具有最小的力不平衡，这四个容积中的每一个的平均压力需要均等。根据本发明，这通过使所述四个容积经小孔口连接到一起而部分地实现。另外，设置有用于确定每次循环中的平均压力落在预定范围内的系统。当导致泄漏的部件失效发生时，显著的不平衡可能会导致其具有对发动机的破坏效果。根据本发明的斯特林发动机具有压力控制系统，该压力控制系统在发生这种失效时使发动机卸载。

根据本发明的斯特林发动机具有控制阀部件，该控制阀部件部分地提供前述卸载特征。控制阀还提供预期的工作气体泄漏路径中的一个，该路径形成根据本发明的压力平衡系统的一部分。