[实用新型]用于斯特林发动机的活塞组件

说明书

技术领域

本实用新型涉及发动机领域，特别涉及一种用于斯特林发动机的活塞组件。

背景技术

由于可与多种热源配合工作，斯特林发动机的应用场合很多，比如它可以以太阳能、燃料的燃烧热以及工业处理带来的废热为热源。斯特林发动机的气缸与热源分开，可避免活塞的活动部分因温度峰值、燃烧剩余产品和燃烧带来的磨损和裂缝，因此相对于诸如柴油发动机和汽油发动机之类的内燃机，斯特林发动机具有非常长的预期寿命和保养周期。

如图1所示，现有技术中具有V型布置气缸的斯特林发动机包括曲轴箱1，曲轴11转动安装在曲轴箱1内，第一连杆2和第二连杆5通过曲轴销12转动支撑在曲轴11上。第一连杆2的另一端通过第一十字头311和膨胀活塞杆31与膨胀活塞3连接，膨胀活塞3在膨胀气缸4中往复运动。第二连杆5通过第二十字头611和压缩活塞杆61与压缩活塞6连接，压缩活塞6在压缩气缸7中往复运动。膨胀气缸4和压缩气缸7之间设有气体加热器10，气体加热器10可以由翅片管组成，气体加热器10的外周包裹热损隔离材料13。压缩气缸7和气体加热器10之间依次设有冷却器8和蓄热式热交换器9。

工作气体被加热后，在膨胀气缸4中产生近似等温膨胀，进而推动膨胀活塞3向曲轴11运动。在膨胀活塞3远离曲轴11做反向运动时，工作气体从膨胀气缸4流入压缩气缸7，蓄热式热交换器9通常由能够暂时储存热量的金属网组成，工作气体通过蓄热式热交换器9时将热量传递给蓄热式热交换器9，并进一步通过冷却器8进行冷却。当压缩活塞6远离曲轴11运动时，工作气体穿过蓄热式热交换器9从压缩气缸7流入膨胀气缸4，储存在蓄热式热交换器9中的热量转移到工作气体中，使工作气体的温度达到650℃。接着，工作气体流入气体加热器10，气体加热器10进一步提高工作气体的温度。工作气体在压缩气缸7和膨胀气缸4之间循环运动。

尽管斯特林发动机内的曲轴轴承和与曲轴连接的活塞杆通常是油润滑，但是与活塞适配的膨胀气缸室保持干燥，仅含有工作气体。为了得到较高的能量输出，工作气体需要保持很高的压力，有时超过150巴。

为了保障发动机的效率和功能，阻止油从曲轴箱进入气缸室进而污染斯特林发动机的气体通道是非常重要的。这种隔离通过杆密封实现，如图1所示，膨胀活塞杆31和压缩活塞杆61上穿装有杆密封34，杆密封34的外部套装有杆密封罩33，它们在曲轴与气缸室之间提供密封的同时允许活塞杆往复运动。

杆密封的密封性能至关重要。在杆密封和活塞杆之间存在间隙，如果杆密封的温度较高，润滑油穿过杆密封进入工作气体中，油雾在蓄热式热交换器中很容易形成碳，因此大大提高了工作气体通过蓄热式热交换器的流动阻力，同时使蓄热式热交换器中热量存储材料和工作气体之间的热传递效率降低。这两方面均导致斯特林发动机的性能和效率的不良损失。另外，如果杆密封的温度较高，热量会传递到油润滑部位，使润滑油受热超出标准温度，油的粘度降低，润滑性能减弱。

为了使杆密封的作用最优化，并使布置在活塞外部的由聚合物材料制成的活塞环具有较长的预期耐久性和寿命，控制杆密封的工作温度以及限制膨胀气缸室的热传递是尤其重要的。

通过引入隔热元件将热量保持在燃烧室内的方法是本领域公知的。例如，US4863807公开了在活塞顶部设置多层活塞帽，该活塞帽中部的一层带有多个气孔以减小发动机燃烧室对活塞的热传递。但是，由于斯特林发动机的工作气体需要较高压力，活塞帽的气孔中的气体受热后膨胀，进而损害周围结构，隔热效果欠佳。另外，诸如US5282411公开的，在气缸室内使用陶瓷衬垫或在活塞的活塞顶面和隔热气腔上结合使用陶瓷衬垫。但是，仅仅在活塞顶部加入陶瓷衬垫也有不足：由于陶瓷材料和周围金属材料的热膨胀性能不同，高压下的工作气体使二者间产生张力，导致陶瓷部分易于开裂或断裂。

特别涉及斯特林发动机，罗伯特·斯特林自己在他的1817的苏格兰说明书中（图7）已经提出为了削弱从活塞顶部到活塞底部的热辐射在封闭的活塞组件内引入薄金属板。然而，薄金属板提供了非常有限的热隔离作用。更重要的，在高压的斯特林发动机中，在承受不均匀热温度的活塞内引入充气活塞组件产生了一种实质性的破裂危险。

实用新型内容

本实用新型是为了克服上述现有技术中缺陷，通过在活塞壳内部设置传热屏障和金属泡沫/陶瓷以及在活塞杆的各个部位设置隔热元件，限制膨胀气缸室向杆密封的热传递，降低杆密封的工作温度，提高杆密封的性能。