CN1264453A - 悬臂曲轴斯德林循环机组 - Google Patents

Abstract

一种斯德林机组,它有两个活塞,这两个活塞都连接在一根谐和的曲轴驱动装置的联动装置上,以便在各活塞相对于固定的基准点的正弦位移之间形成特定的相位关系。这种谐和的曲轴驱动联动装置有一根主曲轴,和一根安装在主曲轴内部,并且通过一个齿轮副与主曲轴联结,向着相反的方向旋转的偏心曲轴。偏心曲轴可以悬臂地安装在上述主曲轴上,并且,联结在上述偏心曲轴上的发动机的活塞在支承轴承的外部。设置了一个与偏心曲轴连接的飞轮,以便使发动机以零净角动量运转。一根进气导管用于混合空气和燃料,以便发动机进行燃烧和加热。

Description

悬臂曲轴斯德林循环机组

技术领域

本发明涉及斯德林(Stirling)循环热机或制冷机的改进，更具体的说，涉及在提高机器的运行效率和寿命，以及减小尺寸、复杂性和降低成本方面具有优点的斯德林循环热机或制冷机的机械构件和热力元件的改进。

背景技术

包括发动机和制冷机在内的斯德林循环机组在技术上已经有了很长的历史，它在1980年由牛津大学出版社的，瓦尔克(Walker)所著的《斯德林发动机》一书中有详细描述，该书作为本申请的参考文献。斯德林循环发动机的基本原理是在机械上实现斯德林的热力学循环：气体在气缸内的等体积加热；气体的等温膨胀(在该过程中由驱动活塞完成作功)；等体积冷却；以及等温压缩。斯德林循环制冷机的基本原理也是实现一种与理想的斯德林热动力循环很相近的热力学循环。在理想的斯德林热力学循环中，工作流体连续地进行下列循环：等体积加热；等温膨胀；等体积冷却；以及等温压缩。在实际中实现的这种循环(其中的各个阶段既不是等体积的，也不是等温的)，包括在本发明的范围内，并且也可以认为包括在本说明书中所说的理想情况的范围内，而并不限制要求保护的本发明的范围。

本发明的各个方面可应用于斯德林循环发动机，也可以应用于斯德林循环制冷机，在本说明书中和本申请的权利要求书中，把这两种机器总括起来，称之为斯德林循环机组。斯德林循环机组的其他方面以及对它的改进在1998年7月14日的美国专利申请“斯德林循环机组的改进”中讨论，也可作为本申请的参考文献。

斯德林发动机的工作原理可参照图1a-1f来描述，其中，同样的标号用以表示相同或相似的部件。在本技术领域中已经公开了许多斯德林循环发动机的机械设计方案，而用标号10指定特定的斯德林发动机的目的只是为了进行说明。在图1a-1d中，活塞12(或者在下文中称为“压缩活塞”)和第二活塞(也称为“膨胀活塞”)14在气缸16内作相控往复运动。压缩活塞12和膨胀活塞14也可以在单独的但互相连通的两个气缸内运动。活塞密封件18防止装在活塞12和14之间的气缸16中的工作流体从活塞12和14的周围逸出。工作流体是根据它的热力学性能来选择的，这将在下面的说明书中进行讨论，通常是几个大气压的氦。由膨胀活塞14的位置控制的流体空间称为膨胀空间22。由压缩活塞12的位置控制的流体空间称为压缩空间24。为了使流体能在膨胀空间22与压缩空间24之间流动，无论是在图中表示的结构中，还是在斯德林发动机10的其他结构中，上述流体都要流过蓄热器26。蓄热器26是一种表面积与体积之比很大的材料的阵列，它的作用是，当热的工作流体从膨胀空间22流出时，从中吸收热量，而当工作流体从压缩空间24流回膨胀空间22时，对它加热。

在发动机循环的第一阶段中，开始时的状态如图1a所示，活塞12压缩压缩空间24中的流体。这种压缩在恒温状态下进行，因为热量从流体中吸收出来散失到大气中了。在实践中，设置了一个冷却器68(见图2)，这将在下面的说明书中进行讨论。发动机10在压缩后的状态如图1b所示。在循环的第二阶段，膨胀活塞14与压缩活塞12同步运动，以使流体保持恒定的体积。当流体输送到膨胀空间22时，它流过蓄热器26，从蓄热器26中获得热量，使得流体的压力增大。在输送阶段结束时，流体便处于较高的压力下，并容纳在膨胀空间22内，如图1c所示。

在发动机循环的第三(膨胀)阶段中，膨胀空间22的容积由于从发动机10的外部吸收热量而增大，从而把热量转换为功。在实践中，热量是借助于一个加热器64(见图2)提供给膨胀空间22中的流体的，在下面的说明书中将详细讨论这一点。在膨胀阶段结束时，如图1d所示，膨胀空间22内充满了热的流体。在发动机循环的第四阶段中，流体从膨胀空间22输入压缩空间24，并在它流过蓄热器26时将其加热。在第二输送阶段结束时，如图1a所示，流体充满了压缩空间24，并且准备好重复进行上述压缩阶段。上述斯德林循环可用图1e中的P-V(压力—体积)曲线图和图1f中的T-S(温度—熵)曲线图来表示。这种斯德林循环是一种封闭循环，工作流体在这种循环的过程中一般是不更换的。

斯德林循环制冷机的工作原理也可以参照图1a-1e来说明，其中，同一个标号用以表示相同或相似的部件。以上所描述的发动机与用作制冷机的斯德林机组之间的区别在于，上述压缩空间22通常与环境有热交换，而膨胀空间24则与外部的冷却负载(图中未示出)相连。制冷机的运转需要输入纯功。

斯德林循环发动机一般尚未在实际中应用，而斯德林循环制冷机由于一些在其开发中的令人惧怕的工程难题，只限于在低温的专门技术领域中应用。这些难题包括这样一些实际问题，例如效率、振动、寿命和成本。本发明将论述这些难题。

在本说明书中和本申请的权利要求书中所用的术语“谐和驱动装置”，是指使用齿轮付来转换旋转运动和正弦直线运动的驱动机构。在莫勒(Moeller)的《串联混合式车辆的原动机》(汽车工程师协会，1997)一书中已经描述了在柴油机中应用谐和的曲轴驱动装置，而在巴托里尼(Bartolini)和凯尔桑纳(Caresana)的《国外用于辅助设备的新颖小型斯德林发动机样机》(ASME，1995)一文中，描述了把它用于斯德林发动机的单个活塞。这两种出版物都是本申请的参考文献。但是，巴托里尼和凯尔桑纳的单个活塞的实施方式有动力不平衡的缺点，将导致工作效率的低下和磨损。

发明概述

按照本发明的一个方面，在一个实施例中，提供了一种斯德林循环发动机那样的机组。这种机械有两个活塞，各有一根连杆，并且各自沿着各自的连杆轴线在各自的气缸内作往复直线运动，并且各有一个相对于基准点的沿着各自的连杆轴线的位移，上述基准点对于各自的气缸是固定的。上述第二连杆轴线处于与上述第一连杆平行的第一平面上，并且也处于与上述第一连杆轴线成一个角度的第二平面上。此外，这种机组还有具有纯角动量的特征的谐和驱动装置的联动装置。这种谐和驱动装置的联动装置以这样的方式与第一和第二连杆联结，即，上述第一活塞沿着上述第一联杆轴线的位移是一个曲轴角度的正弦函数，而上述第二活塞沿着上述第二连杆轴线的位移也是上述曲轴角度的正弦函数，上述第二活塞的位移与上述第一活塞沿着上述第一连杆轴线的位移在相位上偏移，这种相位的偏移基本上等于上述第二平面与第一连杆轴线之间的角度。最后，这种机械在第一和第二气缸内装有一种工作流体，这种工作流体进行连续的封闭循环：加热、膨胀、冷却和压缩。

按照本发明的另一个实施例，上述联动装置可以有一根主曲轴，一根设置在上述主曲轴内部的偏心曲轴，这根偏心曲轴与第一连杆和第二连杆都联结；以及一个把上述偏心曲轴以这样的方式连接在上述主曲轴上的行星齿轮付，以使上述偏心曲轴与主曲轴向着相反的方向转动。或者，可以把一根偏心曲轴既与第一连杆连接，又与第二连杆靠近悬臂的一端连接，并且行星齿轮付可以安装在悬臂末端，而上述行星齿轮以这样的方式把偏心曲轴联结在主曲轴上，使得该偏心曲轴具有向前的角动量的特征，而主曲轴具有向后的角动量的特征。上述联动装置还可以有一个连接在上述偏心轴上的飞轮，以使上述谐和驱动装置的联动装置的净角动量基本上等于零。

按照本发明的又一个实施例，这种机组还可以有一台连接在主曲轴上的发电机，用于把机械能转换成电能，以及一台处理器，用于控制发电机上的电流负载，以使得加在主曲轴上的扭矩基本上是恒定的。上述第一和第二连杆可以是挠性的，能在垂直于各自连杆轴线的方向上弯曲。

按照本发明的再一个实施例，上述机组还可以有一个换热器，用于将热量通过一根导管从第一流体传递给第二流体，上述换热器有许多从上述导管延伸到第一流体和/或第二流体中的销子。

按照本发明的又一个方面，在其一个实施例中，设置了一根进气导管，用于以这样的方式把空气和具有自动点火温度的燃料混合在一起，以便形成一种能在具有一根燃烧轴线的燃烧室内燃烧的空气—燃料混合物，来加热该机组的加热器箱体。这种进气导管可以具有下列构件：一根其轴线与燃烧轴线对称的管道，它有输送沿着径向向内流动的空气的一个进口和一个出口；一个用于把燃料喷射到沿着径向向内流动的空气中的燃料喷射器，以使空气与燃料混合，形成一种空气—燃料混合物，这种混合物的流速高于空气—燃料混合物火焰的速度；以及一个具有与上述管道的出口连通的进口的钟形喉管，该钟形喉管有一个出口，它的横断面形状和面积使得该喉管的横断面积从进口到出口保持恒定。在上述通道内可以设置一个空气旋流器，用于给向内流动的空气一个旋转的分量。

附图说明

下面，参照附图详细描述本发明的实施例，将使本发明更为明了。附图中：

图1a-1f表示现有技术中的斯德林循环机组的工作原理；

图2是按照本发明的一个实施例的斯德林循环发动机的侧剖视图；

图3是按照本发明的一个实施例用于联结压缩活塞和膨胀活塞的往复直线运动的行星齿轮付的横断面的示意图；

图4a-4h表示按照本发明的一个实施例的具有偏心联动装置连接的驱动杆的斯德林循环机组的工作原理；

图5a是按照本发明的一个实施例的，用于联结一台斯德林循环机组的两个活塞的正交线性运动的新颖的L型联动装置驱动装置的立体图；

图5b是图5a中的L形联动装置驱动装置的侧剖视图，表示按照本发明的一个实施例的扭转平衡重；

图6a是使用按照本发明的一个实施例的用于联结两个活塞的正交直线运动的新颖联动装置的斯德林循环机组的顶剖视图；

图6b是使用按照本发明的一个实施例的用于联结两个活塞的正交直线运动的新颖联动装置的图6a中的斯德林循环机组的侧剖视图；

图7a是斯德林循环发动机的通过图2中的A-A线的断面图，表示一种按照本发明的一个实施例的悬臂曲轴；

图7b是斯德林循环发动机的通过图2中的A-A线的断面图，表示一种按照本发明的另一个实施例的悬臂曲轴，其中的飞轮设置在偏心曲轴远离发动机气缸的那一端；

图8a是按照本发明的一个实施例的使用销子换热器的斯德林发动机的断面图；

图8b是图8a中的销子换热器放大后的立体详图；

图9a是从图2中的斯德林循环发动机底部看的立体图，表示按照本发明的一个实施例的增强流动均匀性的分支管道；

图9b是图9a中的分支管道系统的平面图；

图10a是按照本发明的一个优选实施例的斯德林循环发动机的燃料进气导管的侧剖视图；

图10b是沿图10a的B-B线的燃料进气导管的顶剖视图；

图10c是沿图10a的A-A线的燃料进气导管的顶剖视图，表示燃料喷咀。

优选实施例

请参阅图2，一台用断面图表示的斯德林循环发动机整体上用标号28来表示。虽然本发明将参照图2中的斯德林发动机进行一般的描述，但，应该理解，许多发动机和制冷机同样能从作为本发明的主题的各种实施例和改进的结构中受益。图2中所示的斯德林发动机28的结构称为α结构，其特征在于压缩活塞30和膨胀活塞32分别在不同的气缸内作线性运动：压缩活塞30在压缩气缸34内，而膨胀活塞32在膨胀气缸36内。

除了压缩活塞30和膨胀活塞32之外，斯德林发动机28还包括下列主要构件：加热器64、蓄热器66和冷却器68。压缩活塞30和膨胀活塞32(总称之为活塞)被限定在各自的空间38和40内作往复线性运动。在各自的气缸表面上衬有气缸衬套42。上述气缸内部靠近加热器64和冷却器68的两部分空间，在下文中分别称之为发动机28的热区和冷区。压缩活塞30和膨胀活塞32的往复线性运动的相对相位(即，“相位角”)由分别与它们相连的装在曲轴箱46内部的驱动机构44来控制。下面将要详细描述的驱动机构44是发动机设计技术领域中公知的各种机构的一个例子，它可以用于控制两个活塞的相对的工作时间，并转换线性运动与旋转运动。压缩活塞30和膨胀活塞32分别通过第一连杆48和第二连杆50联结在驱动机构44上。压缩气缸34的空间38通过管道45与冷却器68连通，以便能循环地冷却工作流体。更具体的说，管道45把压缩空间38与包括冷却器68、蓄热器66和加热器64在内的环形换热器连通。管道45与环形压力通风系统47之间的分流将在下面参照图9进行描述。

按照本发明的一个优选实施例，连杆48和50可以做成能够挠性地弯曲，以便使它们能适应驱动机构的角度误差(例如，由发动机结构的受压和加热而引起的)，同时又具有承受必要的压缩载荷而不发生纵向弯曲的，抵抗拉伸和压缩的足够的刚度。连杆48和50一般用高强度金属制作，例如用S-7工具钢制成，并且最好是椭圆形断面的，当然，任何断面形状的连杆都包含在本发明的范围内。

下面，参照图3描述驱动机构44的工作过程。按照本发明的一个实施例，提供了一种用于联结两个具有相对相位滞后的，进行正弦线性运动的构件的新颖联动装置(可称为“L形驱动”联动装置)。一个行星齿轮付整体上用标号70表示。行星齿轮付70，按照本发明的一个实施例，可用来联结活塞12和14(又称为压缩活塞12和膨胀活塞14))的往复线性运动(见图1)。行星齿轮付70由一个内齿轮72和一个小齿轮74所组成，其中，内齿轮72的节径等于小齿轮74节径的两倍。当内齿轮72固定不动而让小齿轮74在内齿轮72内部转动时，在小齿轮74的圆周76上的每一点都沿着一条直线相对于这条直线上的一个基准点作纯正弦运动。

图4a-4h表示通过连杆48和50联结在小齿轮74相对两侧的活塞12和14的各自线性运动，上述小齿轮如图3所示相对于固定的内齿轮72转动。活塞12和14在互相成角度的方向上运动，优选的角度大约是在互成直角的10度之内。活塞12和14以相位角的关系基本上等于活塞运动轴线互相之间所成的角度关系作纯正弦线性运动。例如，对于运动方向准确地成直角的活塞，活塞12和14基本上以互相正交(相位相差90度)的方式进行运动。活塞12和14随着小齿轮74的转动而运动的各个连续阶段示于图4a-4h。

请参阅图5a，使用与小齿轮74的相位相差180度的平衡重78，就能使发动机动平衡。请参阅图5b中驱动装置的横断面图，如果把一组“扭转平衡重”80加在偏心曲轴86轴线的周围，就不要求加在驱动装置上的载荷一定对称于它的中心线。除了主要的平衡重78之外，还设置了一组两个相对的平衡重80，上述主要平衡重78用于平衡发动机的直线运动，而扭转平衡重80能够平衡由于活塞的偏移而造成的扭矩。在图5a的立体图中表示的本发明的实施例中，以及在图5b、图6a和6b所示的顶剖视图和侧剖视图中，两个平衡重78分别设置成与压缩活塞轴承82和膨胀活塞轴承84在反相位上旋转。本发明的联动驱动装置的实施例所需要的零件大大少于将在下面详细描述的菱形驱动机构。此外，由上述新颖的联动驱动机构所排出的容积，要小于在同样的活塞行程下由菱形驱动机构所排出的容积。此外，两个互相垂直的活塞的正弦运动可以用一个简单的平衡重完全平衡，而不会在活塞的密封件上增加侧面载荷，从而减小了摩擦，增加了发动机的寿命，并且能进行干式运行。

请参阅图7a，图7a是图2中沿A-A线的斯德林发动机的断面图。偏心压缩活塞的轴承82和膨胀活塞的轴承84设置在偏心曲轴86上，偏心曲轴86悬臂支承在主轴承组88上，而主轴承组88则把主(或者“外”)曲轴90支承在发动机28的外壳92上。偏心曲轴86绕着一根与主轴承90偏心的轴线旋转，借助于小齿轮94和内齿轮96(这两个齿轮在一起称为行星齿轮付98，见图3)驱动主曲轴90以同样的旋转速度向相反的旋转方向转动。主曲轴90相对于固定在发动机上的任选的一点的位置形成了一个“曲柄角”。具有这种结构的曲轴可以称之为“谐和曲轴”。

这种悬臂式曲轴结构能有利地进行齿轮付98的润滑，而不会污染斯德林发动机的工作流体，而这种工作流体是必须保持清洁的，以免污染蓄热器和有损发动机有效地运转。主曲轴90又可以把扭矩传递给机械负载。机械负载的一个例子是发电机的转子100，它相对于发电机的定子102转动时能产生电能。偏心飞轮104和长条状的平衡重106连接在偏心曲轴86上，因而在主轴承组88上是悬臂的。设置偏心飞轮104的目的是使得包括向前旋转的旋转构件和向后旋转的旋转构件的旋转动量在内的净角动量等于零。这样，就能够有利地避免由于发动机的速度变化而使发动机产生振动。在本发明的范围内，偏心飞轮104也可以布置成不同于图7a的方式。例如，在图7b中，用断面图表示了图2中的斯德林发动机的另一个实施例，其中，偏心飞轮104设置在远离活塞轴承82和84的位置的，偏心曲轴86的端部105上。再请看图7a，偏心曲轴86用轴承108和110支承在主曲轴90上。主平衡重112和扭转平衡重114用于主曲轴相对于包括活塞的整个偏心曲轴总成的动平衡。

主曲轴90的负载最好在发动机的一个循环的过程中不改变方向。这样，借助于向前和向后的惯性的平衡，有利地防止了作用在行星齿轮付98上的扭矩的反向，从而防止了随着齿轮的侧隙而产生的噪音和磨损。如果作用在主轴90上的负载是恒定的，那么，作用在行星齿轮付98上的扭矩就是单一方向的，因而对于一个给定的功率输出，这个扭矩也是最小的。如果所加的负载是一台发电机，则扭矩恒定的运转过程能得到发电机的最高效率。此外，按照本发明的一个实施例，发电机的电流负载是可以调节的，例如借助于负载调节器103，这种调节器可以是在电气技术领域公知的处理器，以便为行星齿轮付98提供恒定的扭矩，实现以上所描述的有利的运转过程。此外，发电机的转子100还可以形成飞轮的全部或部分质量，并且，发电机还可以起启动发动机的启动器的作用。

现在请参阅图8a和8b，图中用断面表示了按照本发明的一个实施例把大量的热能从燃烧源传递给斯德林循环发动机内部的新颖的结构。为了增加把热量从燃烧器150所产生的热气体300传递给装满在发动机内部空间306中的工作流体的效率，在加热器箱体64的各个侧面要有很大的传热表面积。为了达到这样大的表面积，在加热器箱体64的内表面312和外表面314上制有大量金属销子310。这种制造方法的费用很低，例如，可以使用蜡模铸造。金属销子310不仅在加热器箱体64的每一个侧面上增加了传热表面积，而且还形成了涡流区，这种涡流区促进了流体的混合，从而进一步增进了热量的流动。这种结构还可以用于冷却器68的热交换(见图2)或者任何需要在两种大量的气体之间有效地交换热量的场合。

请参阅图9a，图中表示了为工作流体在压缩空间38与流体流过换热网络的环形区域之间的流动用的箱体管道系统400，也就是流过冷却器68通过蓄热器66(见图2)，和流过加热器箱体64(见图2)的管道系统。上述工作流体的环形流动在环形箱体47处达到最高处，两根支管400就连接在箱体47上，并且在气缸空间38与箱体47的整个环形区域之间的长度相等。由于环形流动区域的各部分与气缸空间之间的流动阻抗相等，由于通过换热器时的流动不均匀性而造成的损失就可以减少，而且，工作流体在由换热区所限定的环形区域内的流动，也就是由于作机械功而造成的损失就可以减少。图9b是图9a中的支管400系统的展开平面示意图，表示流体通过压缩空间38与环形箱体47之间的支管400而连通。

虽然斯德林发动机能够提供很高的热效率而造成的污染很少，但要达到这些目的对用于使斯德林发动机的加热器箱体64(见图2)加热的燃烧器的热效率有很高要求。这种热效率的组成部分包括通过燃烧器泵入氧化剂(通常是空气，而且，在本说明书和权利要求书中，如未加限定，就称为“空气”)的效率，以及离开加热器箱体的热废气的回收。在许多情况下，空气(或其它氧化剂)在燃烧之前经过预热，预热到接近加热器箱体的温度，以达到上述热效率的目标。

为了达到低散发，燃料与空气必须混合得很好，有足够的氧气，以限制一氧化碳(CO)的散发，此外，还必须在足够低的火焰温度下燃烧，以限制氮氧化合物(NOx)的形成。为达到高的热效率而要求把空气预热到很高的温度，使得要达到低散发的目标复杂化了，因为要预先混合燃料和空气，以及必需的大量的过量空气，以便限制火焰的温度是困难的。

在本文中和在任何一个权利要求中所用的术语“自动点火温度”的定义是，在现存的空气和燃料的压力状态下，不需要降低温度的催化剂燃料就能点火的温度。平常的预热空气的温度超过了大多数燃料的自动点火温度，很容易导致燃料—空气混合物在进入燃烧室之前就点火。这个问题的一个解决方案是使用一种非预混扩散火焰。但是，由于这种扩散火焰没有很好混合，结果，CO和NOx的散发量高于要求的量。特恩斯(Turns)的《燃烧概论：原理和应用》(McGraw-Hill出版社，1996)一书中详细讨论了火焰动力学，该书可作为本申请的参考文献。任何利用空气流量的增加来限制火焰温度的方法通常都会增大气泵或鼓风机的动力消耗，从而降低了整个发动机的效率。

按照本发明，借助于产生一种预混火焰，并且，借助于使空气进口与火焰区域之间的压力降减少到最低限度，即使空气预热到高于燃料自动点火的温度，也能够使散发减少而使效率提高，从而象以上所说的那样，使鼓风机的动力消耗减到最少。

术语“火焰速度”的定义是火焰的前沿通过特定的燃料—空气混合物的传播速度。在本发明的说明书和权利要求书范围内，术语“燃烧轴线”是指在流体燃烧时起主要作用的流体流动的方向。

请参阅图10a-10c，图中表示了一种按照本发明的一个实施例的用于斯德林循环发动机或其他燃烧设施的进气导管599。按照本发明的一个优选实施例，燃料与可以加热到温度高于燃料的自动点火温度的空气预先混合，并且，在燃料与空气很好地混合之前，能够防止形成火焰。图10a表示包括一根进气导管599和一个燃烧室610的装置的优选实施例。上述进气导管599有一根轴对称的导管601，该导管有一个接受空气600的进口603。空气600一般预热到高于1000K，这个温度可能高于燃料的自动点火温度。导管601把沿着燃烧轴线620的径向流进来的空气600输送到设置在导管601内的旋流器602中。

图10b表示按照本发明的一个实施例的包括旋流器602在内的导管601的断面图。在图10b的实施例中，旋流器602有若干块螺旋形的叶片702，用于沿径向向内导引空气600的流动，并给它一个旋转分量。导管中旋流器断面的直径从旋流器602的进口704到出口706逐渐减小，由旋流器叶片702的长度确定。旋流器叶片702直径的减小增大了空气600的流速，使流速基本上与直径成反比。因为流速增大了，所以它超过了燃料的火焰速度。在旋流器602的出口706处，把燃料606(在一个优选实施例中是丙烷)喷射到向内流动的空气中。

在一个优选实施例中，燃料606是用燃料喷射器604通过许多喷咀800喷射出来的，如图10c所示。更具体的说，图10c表示了导管601的横断面图，并且还包括了喷射燃料的喷咀800。每一个喷咀800的位置都在旋流器叶片702的出口处，并且在两块相邻叶片的中心。喷咀800的位置是这样确定的，使得它能增加空气与燃料的混合效率。这些喷咀800同时把燃料606喷射通过空气流600。由于空气流比火焰的速度快，所以即使空气和燃料的混合物的温度高于燃料的自动点火温度，也不会在这时形成火焰。在一个使用丙烷的优选实施例中，由加热器箱体的温度控制的预热温度大约是1000K。

再请参阅图10a，现在，已经混合好了的空气和燃料(以下称为“空气—燃料混合物”)609沿着通过喉管608的方向输送，这种喉管具有外形呈流线型的罩622，并且固定在导管601的出口607处。喉管608有一个内半径614和一个外尺寸616。空气—燃料混合物从基本上在垂直于燃烧轴线620上沿径向向内流动的方向，过渡到基本上平行于燃烧轴线的方向。上述喉管608的流线型罩622的轮廓具有倒扣的钟的形状，使得喉管608在燃烧轴线上的横断面积从喉管的进口611到它的出口612保持恒定不变。这种轮廓是光滑的，没有台阶，并且从旋流器的出口到喉管608的出口保持流动速度不变，以避免在任何一部分表面上的浓集和造成回流。这种恒定不变的横断面积能让空气和燃料在不降低流速和造成压力降的同时继续混合。光滑而且恒定不变的横断面形成了一个高效的旋流器，在这里，旋流器的效率是指在通过旋流器后的压力降转变成涡流的动压力的份额。实施本发明一般旋流效率能高于80％。这样，燃烧空气风扇的附加动力损失就能减到最少。

喉管的出口612向外呈喇叭形，能让空气—燃料混合物609分散到腔室610内，从而减缓空气—燃料混合物609的流速，并使火焰限制和包容在内，促使喇叭形火焰的形成。由旋流器602所形成的旋转动量产生了在该技术领域中公知的稳定火焰的环形涡流。

以上所描述的装置和方法可以应用于除了本发明通过它进行说明的斯德林发动机之外的许多其他方面。本发明中所描述的这些实施例只是为了说明，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明的各种各样的变化和改进都是显而易见的。所有这些变化和改进都落入本申请的权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种机械，它包括：

a.一个第一活塞，它有一根第一连杆，这个活塞沿着第一连杆的轴线在第一气缸内作往复直线运动，并且有一个沿着上述第一连杆轴线相对于一个第一基准点的位移，该基准点沿着上述第一连杆轴线设置，并且相对于第一气缸是固定的；

b.一个第二活塞，它有一根第二连杆，这个活塞沿着第二连杆的轴线在第二气缸内作往复直线运动，上述第二连杆轴线既处于与上述第一连杆轴线平行的第一平面上，也处于与上述第一连杆轴线成一个角度的第二平面上，该第二活塞有一个沿着上述第二连杆轴线相对于一个第二基准点的位移，该基准点沿着上述第二连杆轴线设置，并且相对于第二气缸是固定的；

c.一根具有纯角动量的谐和驱动装置的联动装置，这根谐和驱动装置的联动装置以这样的方式与上述第一和第二连杆联结，即，上述第一活塞沿着上述第一连杆轴线的位移是一个曲轴角度的正弦函数，而上述第二活塞沿着上述第二连杆轴线的位移也是上述曲轴角度的正弦函数，上述第二活塞的位移在相位上与上述第一活塞沿着上述第一连杆轴线的位移在相位上偏移，这种相位的偏移基本上等于上述第二平面与第一连杆轴线之间的角度；以及

d.一种装在上述第一和第二气缸内的工作流体，这种工作流体进行连续的封闭循环：加热、膨胀、冷却和压缩。

2.如权利要求1所述的机械，其特征在于，上述连续的循环是斯德林循环。

3.如权利要求1所述的机械，其特征在于，上述联动装置包括：

a.一根主曲轴；

b.一根设置在上述主曲轴内部的偏心曲轴，这根偏心曲轴与第一连杆和第二连杆都联结；以及

c.一个行星齿轮付，它把上述偏心曲轴以这样的方式连接在上述主曲轴上，使得上述偏心曲轴与主曲轴向着相反的方向转动。

4.如权利要求1所述的机械，其特征在于，上述联动装置包括：

a.一根主曲轴；

b.一根设置在上述主曲轴内部，具有一个悬臂端的偏心曲轴，这根偏心曲轴与第一连杆联结，并且在上述悬臂端处与上述第二连杆联结；以及

c.一个设置在上述悬臂端的行星齿轮付，上述行星齿轮以这样的方式把偏心曲轴联结在主曲轴上，使得该偏心曲轴具有向前的角动量的特征，而主曲轴具有向后的角动量的特征。

5.如权利要求4所述的机械，其特征在于，上述行星齿轮付包括：

a.一个具有一条节径的内齿轮，该内齿轮设置在基本上与第一和第二连杆轴线都平行的平面上；以及

b.一个具有一条节径的小齿轮，这条节径等于固定的内齿轮节径的一半，并且该小齿轮连接在偏心曲轴上。

6.如权利要求4所述的机械，其特征在于，上述联动装置还包括至少一个与上述小齿轮反向相位旋转的平衡重。

7.如权利要求4所述的机械，其特征在于，它还包括一个连接在上述偏心轴上的飞轮，以使上述谐和驱动装置的联动装置的净角动量基本上等于零。

8.如权利要求1所述的机械，其特征在于，它还包括一台连接在上述主曲轴上，用于把机械能转换为电能的发电机。

9.如权利要求8所述的机械，其特征在于，它还包括一台处理器，用于控制加在上述发电机上的电流负载，以使加在主曲轴上的扭矩基本上恒定。

10.如权利要求1所述的机械，其特征在于，上述第一连杆是挠性的，能在垂直于第一连杆轴线的方向上弯曲。

11.如权利要求1所述的机械，其特征在于，上述第二连杆是挠性的，能在垂直于第二连杆轴线的方向上弯曲。

12.如权利要求1所述的机械，其特征在于，它还包括一个换热器，用于将热量通过一根导管从第一流体传递给第二流体，上述换热器有许多从上述导管延伸到第一流体中的销子。

13.如权利要求1所述的机械，其特征在于，它还包括一个换热器，用于将热量通过一根导管从第一流体传递给第二流体，上述换热器有许多从上述导管延伸到第二流体中的销子。

14.如权利要求1所述的机械，其特征在于，它还包括一个换热器，用于将热量通过一根导管从第一流体传递给第二流体，上述换热器包括：

a.许多从上述导管延伸到第一流体中的销子；以及

b.许多从上述导管延伸到第二流体中的销子。

15.如权利要求1所述的机械，其特征在于，它还包括一根进气导管，用于以这样的方式把空气和具有自动点火温度的燃料混合在一起，以便形成一种能在具有一根燃烧轴线的燃烧室内燃烧的空气—燃料混合物，来加热该机组的加热器箱体，该空气—燃料混合物具有一种火焰速度，上述进气导管包括下列构件：

a.一根围绕燃烧轴线呈轴对称的管道，它有输送沿着径向向内流动的空气的一个进口和一个出口；

b.一个用于把燃料喷射到沿着径向向内流动的空气中的燃料喷射器，以使空气与燃料混合，形成一种空气—燃料混合物，这种混合物的流速高于空气—燃料混合物火焰的速度；以及

c.一个具有与上述管道的出口连通的进口的钟形喉管，该钟形喉管有一个出口，它的横断面形状和面积使得该喉管的横断面积从进口到出口保持恒定。

16.如权利要求15所述的机械，其特征在于，它还包括一个设置在上述管道内的空气旋流器，用于使向内流动的空气带有一种旋转的分量。

17.如权利要求1所述的机械，其特征在于，上述燃料是一种气体。

18.如权利要求1所述的机械，其特征在于，上述燃料是丙烷。

19.一种进气导管，用于把空气和燃料混合在一起以形成一种空气—燃料混合物，以便将其喷入一个具有一根燃烧轴线的燃烧器内，上述空气—燃料混合物在一组特定的条件下有一个自动点火温度和一个火焰速度，上述进气导管包括：

a.一根具有一个进口和一个出口的管道，用于输送沿径向向着燃烧轴线内流动的空气，该流动的空气有一个流动速度；

b.一个设置在流线型罩内部的空气旋流器，该流线型罩设置在上述管道与燃烧器之间，用于给上述沿径向向内流动的空气一个旋转分量，该空气旋流器有一个进口直径和一个出口直径，上述进口直径大于上述出口直径，以使上述空气的流动速度超过上述燃料的火焰速度；

c.一个燃料喷射器，用于把燃料喷入上述沿径向向内流动的空气中，以使得上述空气和燃料混合，形成一种空气—燃料混合物；以及

d.一根钟形喉管，该喉管有一个与上述管道的出口连通的进口，该钟形喉管还有一个出口，该钟形喉管的横断面的轮廓使得从上述进口到上述出口的横断面积保持恒定不变。

20.一种在空气中燃烧燃料的方法，该燃料有一个自动点火温度和一个火焰速度，该方法包括下列步骤：

a.以一种超过上述火焰速度的速度将上述空气送入一根喉管的进口，该喉管还有一个出口，和从进口到出口恒定不变的横断面积；以及

b.把燃料混合进上述空气中，形成一种空气—燃料混合物，这种空气—燃料混合物从出口流出，使得上述空气—燃料混合物在上述喉管出口的外部形成一股火焰。

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