思考:何为斯特林发动机? 举几个例子, 斯特林发动机模型视频, 斯特林发动机小车视频, 斯特林发动机模型演示。

那么,何为斯特林发动机? 再看一个例子: Animated Engines, Single Cylinder Stirling.htm 概念: 斯特林发动机也称热气机,属外燃机。热气机的工质 被密封在闭式循环回路中,有一个外部加热(或燃烧 )装置对工质加热。 实际上,完整的斯特林发动机系统包括外部供热系统 、闭式循环系统、动力传动系统、调节控制系统等。

十八世纪瓦特发明蒸汽机后,世界上相继出现了具有 相当功率的动力机械,因而引起了当时欧洲的产业革 命。 当时蒸汽机工作很不可靠,效率极低,当时有人认为 ,如果用热的气体来代替蒸汽,就可以避免因冷凝而 造成的热损失。 1820年,英国牧师罗伯特·斯特林(Robert Stirling) 根据这一设想发明了外部燃烧的闭式循环热空气机, 即斯特林发动机。 Robert Stirling.htm

再给出几张图片,从不同的角度观察,结构比较简单, 甚至有专门的国外网站介绍用简易的材料(如易拉罐制 作热气机模型) SFA Stirling Engine Project.htm

从热力学可以知道,热能对机械能的连续转换,是通 过工质在动力装置中实施热力循环来实现的。任何实际动 力装置中的热力过程都是不可逆的。但为了对循环进行热 力学分析,常常将实际不可逆循环简化为理想可逆循环。 斯特林循环就是热气机的理想循环,是一个高度理想 化了的热力循环,它由两个定温过程(定温压缩和定温膨 胀)和两个定容回热过程(定容吸热和定容放热)所组成 。

过程1——2为定温压缩过程。工质的容积从V1被压缩到 V2,V1—压缩—V2,温度、压力都要升高,为保持定温工质 温度TC不变,向冷源放热。 过程2——3为定容吸热过程。过程中工质容积保持不变。 低温工质吸取热量,工质温度从TC→升高TE,工质压力也升 高。

过程3——4为定温膨胀过程。过程中工质膨胀并从热源不 断吸取热量,保持工质温度TE维持不变,工质压力下降。 V3—膨胀—V4,TE不变,P3—下降—P4,大量吸热。 过程4——1为定容放热过程。过程中工质容积不变,将热 量释放出来,温度、压力都下降。并回复到始点状态。

(a)P-V图和T-S图 (b)在循环各端点的活塞位置 (c)时间排量图

从P——V图可以知道,循环过程所组成的面积表示循环功 的大小。T——S图中循环所组成的面积表示循环吸收的热量 。 为了说明斯特林循环的特性,我们将它与卡诺循环进行比 较。 介绍一下卡诺循环(利用内燃机结构教程)

图中已经示出了卡诺循环,如图中所示: 卡诺循环是由两个定温过程和两个绝热过程所组成的可逆 循环,图中定温(1——2’和3——4’),绝热(2’ ——3和 4’——1)。 绝热过程在P——V图上斜率较大,定温过程的斜率相近, 组成的P——V面积比较窄小。绝热过程熵不变,为直线。

卡诺循环的热效率ηc=1-(Tc/TE),它仅与热源与冷源的温 度有关。与工质的性质和热机的类型等无关。从热力学的观 点看,卡诺循环是最有利的一种热力循环。具有最高的热效 率。 在冷源与热源温度比相同的情况下,任何一种热机的循环 效率都不可能高于卡诺循环。

需要指出的是: 在活塞式发动机上实现卡诺循环的困难很大,主要是 因为气体(例如空气)的定温过程和绝热过程在P——V 图上的斜率差别很小,因此在P——V图上循环过程所呈 现的面积也很小,除非采用极高的压力和极长的活塞冲程 。这将使发动机变得很笨重,甚至有可能不能产生足够的 功去克服自身的摩擦损失。因此,在研究热机的理想循环 时,卡诺循环仅具有重要的指导意义。

斯特林循环与卡诺循环的共同点是:两者的压缩过程和膨 胀过程都是在定温条件下完成的,不同的其余的两个过程。 斯特林循环在极限回热的情况下,定容放热 4——1所释 放的热量QR与定容吸热2——3所吸收的热量QR相等,它们 就与卡诺循环的两个绝热过程相当。所以在相同的循环温度 比条件下,两种循环热效率相同。内燃机的理想循环——奥 托循环和笛卡尔循环的热效率均低于卡诺循环,也低于斯特 林循环。

在P—V图中,由循 环过程所组成的面积表 示循环功的大小。在给 定的压力、温度和容积 界限下,斯特林循环的 循环功(面积 1—2—3—4—1)比卡诺循环功面积(1—2’—3—4’—1 )要大。 P—V图阴影面积代表斯特林循环比卡诺循环增加的功。 T——S图中阴影面积则代表斯特林循环比卡诺循环需要增加 的热量。输入热量增加了,但输出功也相应增加,其输入热 量转换为功的比例(即热效率)仍与卡循环热效率相同。在 理论上是可以证明的。(这们这里不再展开讲)

为了评价循环的动力性,人们给出了一个很重要的参 数,即循环平均压力pt。循环平均压力表示单位气缸工作 容积所做的循环功,即pt=W/V0,它用来说明单位气缸 工作容积做功能力的大小。斯特林循环平均压力最高,单 位气缸容积所做的功最大。 活塞式发动机的升功率指标反映了发动机的强化程度 及设计水平,它与pt有着正比例的关系。目前,已试制的 热气机中,每升气缸工作容积能产生150kW的功率,而 目前内燃机是难以达到的。

前面讲的循环理论及结论都是在许多假设条件下得到 的,实际循环与理想循环的差别很大。主要体现在: ①活塞运动是连续的,不是间断运动。导致P—V图 是一条光滑的封闭曲线,而循环的四个过程并无明确的界 限。工质分配在具有不同温度区域的各腔室及换热器中, 因此,对工质的全部质量而言,不可能绘制出有意义的 T—S图。 实际不存在真正意义的容积回热过程。

②实际的压缩和膨胀过程不是定温过程。由于实际传 热率的有限性以及不可避免的热传导损失,实际的压缩和 膨胀过程是多变过程。发动机在高转速下运转时(比如超 过1000r/min),循环过程与其说是定温过程(热传导 无限大),不如说更接近于绝热过程(没有热传导)。 此外,对工质的加热不仅发生在工质从回热器流向膨 胀腔的过程中,也产生在工质从膨胀腔回流到回热器的过 程中;同样,工质从回热器流向压缩腔和由压缩腔流向回 热器的过程中均受到冷却。这些都使实际过程增加了复杂 性,对热气机的性能产生不利影响。

③附加容积的存在。 所谓附加容积是指各换热器的通流容积及其连接通道 和气缸余隙容积的总和。亦称死容积。 附加容积的存在,产生气体的流动损失是不言而喻的 ,此外还导致工质在循环系统内的重新分布; 附加容积比越大,工质分布在膨胀腔和压缩腔的相对 比值减少,导致循环系统的容积压缩比ε减小,结果使循 环功下降。

④实际发动机所用的工质并非理想气体。即使采用氢 气作为工质,仍然具有一定的密度和粘度。当工质在冷、 热腔之间高速流动流经冷却器、回热器和加热器时,流体 动力摩擦损失产生了。在同一瞬间,工质在压缩腔和膨胀 腔的压力并不相等,使膨胀腔P——V图的面积减小,导 致发动机的输出功减少,效率降低。

⑤ 回热器并不是完美的。 在定容吸热过程中工质能从回热器回收到的热量,往 往低于在定容放热过程中工质释放给回热器的总热量。也 就是说,回热器的效率不可能是100%。 实际热气机的加热器不能做得很大,其尺寸是有限制 的。燃料燃烧所产生的全部热量不可能都传给工质,经排 气所带走的热量是一项很大的能量损失,这也是热气机尽 可能加装利用排气热能的空气预热器的理由,但完全避免 排气损失是不可能的。

热气机为了实现斯特林循环,活塞的运动是不连续的 。实际上难以设计制造出使活塞作间歇跳跃运动的传动机 构,这种机构也不可能有效和可靠地工作。实际热气机是 寻求一种接近理想循环活塞运动规律的传动机构,而活塞 运动是连续的。 内燃机经常采用的十字头式曲柄连杆机构,也是热气 机常采用的传动机构之一。在热气机两活塞作简谐运动的 情况下,让我们通过对四个热力过程的分析来进一步说明 热气机的实际循环。

设一单作用式热气机的热腔和冷腔的最大容积相等,热活塞运 动领先于冷活塞运动的相位角φ=90°。图中表示了冷腔容积、热 腔容积以及工作腔容积(冷、热腔容积之和)与曲轴转角的关系。

当活塞在连续运动的情况下,虽然各个过程难以明确划分,但 每循环仍具有理想循环四个过程的特点。

①压缩过程,主要在曲轴转角α=0~90°期间发生。在此期间,冷活塞从下止 点运动到行程中部,冷腔容积缩小了一半;热活塞从行程中部运动到上止点,热腔容 积减小到零。于是,总的工作腔容积从1.5 V0减小到0.5V0,工质受到压缩并处于冷 腔。要注意的是,此阶段终了时的容积0.5V0并非是工作腔的最小容积,但已接近最 小容积。当α=135°时,即VE VC=0.29V0才是最小工作腔容积;

②定容加热,在α=90~180°时,冷活塞从行程中部运动到上止点,冷腔容积 从0.5V0减少到零;而热活塞从上止点运动到行程中部,热腔容积从零增大到0.5V0 。两活塞在这一过程中如此运动的结果,使工作腔总容积的变化很小(在0.5V0到 0.29V0之间变化),且在工作腔最小容积附近发生,因此与理想的定容过程相似。 当工质从冷腔经回热器转移到热腔时,工质是在接近定容的情况下吸取回热器的热量 ;

③膨胀过程,主要在曲轴转角α=180~270°期间发生。当热活塞从行程中部运 动到下止点,使热腔容积从0.5 V0增加到V0,冷活塞从上止点运动到行程中部,冷 腔容积也由零增加到0.5V0。于是,总的工作腔容积从0.5 V0增加到1.5V0,膨胀 过程主要发生在此阶段。在α=270°时,热腔已增至最大容积,工质基本处于热腔 。值得注意的是,此时工作腔总容积并未达到最大值;

④定容冷却,在α=270~360°时,热活塞从下止点运动到行程中部,热腔容积 从V0缩小到0.5V0;冷活塞则从行程中部运动到下止点,冷腔容积从0.5V0增大到V0 。两活塞在这一过程中如此运动的结果,使工作腔总容积的变化很小(在1.5V0到 1.7V0之间变化),变化幅度仅为0.21V0,因此可认为接近定容过程。在此阶段, 热腔容积减小而冷腔容积增大,使工质从热腔流入冷腔。在流经回热器时,工质将部 分热量传给了回热器载体而使本身得到冷却。

如上所述,采用曲柄连杆机构的热 气机,若压缩过程和膨胀过程能在定温 下完成,且回热器是完善的,仍可证明 其循环效率等卡诺效率。但实际上,热 气机难以实现定温压缩及定温膨胀,回 热过程也远非完美;附加容积的存在, 工质在高速流动中与流道壁的摩擦会导 致压力降,循环过程中产生的各种热损 失等,是实际循环偏离理想循环的主要 原因。加上设计和制造不良会引起过高 的机械损失、过大的热量散失,密封装 置存在工质泄漏等,导致功率和热效率 进一步下降,严重地偏离理想状况。从 P——V图上,实际循环示功图(指工作 腔总容积)的大体情况看,它不再象理 想循环那样,由两条定容线和两条定温 线所形成的四边形,而是圆滑的椭圆状 的封闭图形。

热气机具有柴油机、汽油机、蒸汽机和燃气轮机等普 通热机所具有的一些主要优点。 如: ①可用多种燃料; 因燃烧过程是连续的,且是在缸外接近于大气压 力的状态下进行的,故对燃料品质要求不高。凡是燃 烧温度可达450℃以上的任何种类的燃料都可以作为 热气机的能源。如:煤油、重柴油、煤炭、薪柴和秸 杆、煤气、天然气、沼气、酒精和植物油等。 ②热效率高 理论循环效率等于最高循环效率—卡诺效率。现 有样机的试验证明,热气机的卡诺效率达66~70%, 有效效率达32~40%(相当于柴油机效率),

如果采用陶瓷耐热材料,加热器的温度上升到 1000℃时,有效效率将可达到44%左右。 ③排气污染少; 连续高温燃烧,可以在足够的过量空气下运转, 废气中CO、HC和碳烟含量少,有害气体排放要比内 燃机低得多。 ④噪音低; 无燃烧爆炸和排气波,没有气阀机构且运转平衡 ,没有气阀冲击和活塞敲缸声。ASE-1型小于67.5分 贝(美国);V4X-190型小于70分贝(瑞典)。有 人称热气机为无声发动机。

⑤运转特性好; 压力变化平稳,在整个转速范围内扭矩变化均匀 。且超负荷能力很大,能在超过负荷50%的情况下正 常运转,而内燃机只能超载10~15%。 ⑥工作可靠,维修费用低; 没有气阀机构、高压喷油系统和需要良好润滑的 活塞环,唯一不可靠因素是密封装置,滑润系统与大 气隔绝,不受燃烧产物的污染,润滑油不需要经常更 换,滑油消耗量很少。

由前面的斯特林循环及热气机的工作原理可知, 热气机的主要结构特点是具有两个温度不同而容积作 周期性变化的腔室,并用换热器把这两个腔室联结起 来。 为了实现斯特林循环,要有两个运动的活塞,使 两个腔室的容积发生变化。 为了实现定温压缩(1——2)需要有一个压缩腔(或 称为冷腔),并配置能将压缩热导出的换热器——工 质冷却器。 为实现定温膨胀(3——4),要具在一个膨胀腔(热 腔),并应设置使工质能作定温膨胀的供热设施—— 工质加热器。

为实现回热过程(2——3吸热、4——1放热),还应 有一个交替地吸热和放热的装置——回热器。可见各 种类型的热气机不论其布置形式如何,均存在由冷腔 、冷却器、回热器、加热器、热腔所组成的闭式循环 系统。 为了使工质在闭式循环回路中的流动能满足热力循环 过程的要求,两个活塞的运动必需保持某一相位差, 否则是不能工作的。一般规定热活塞(在热腔运动的 活塞)运动领先于冷活塞运动的曲轴转角称为活塞的 领先角φ,φ大体为90°。

热气机的种类很多,分为①单作用式热气机;②配气 活塞热气机 ;③双作用式热气机等,而配气活塞式热 气机又包括:单缸配气活塞式热气机和双缸配气活塞 式热气机。 也有将热气机分为alpha(α)、 beta(β)和gamma(γ)等 三种类型的划分方法,前面基本都已经介绍过,下面 具体介绍一下。

①单作用式热气机(α型) 单作用式是相对于双作用式而言的。是指两活塞 都只有一面为工作腔。两个活塞都传递动力,称为动 力活塞。两活塞对循环系统的密封在活塞上。 工质在两个腔室之间振荡,这是热气机最主要的 特点。 这种类型热气机又有平行气缸、V型气缸、对置 气缸及旋转气缸等多种。

②配气活塞热气机 Ⅰ单缸配气活塞式热气机(β型) 同一缸内设置两个活塞, 配气活塞和动力活塞,两个区, 冷区和热区,两个腔,热腔和冷 腔。配气活塞的主要功能是将工 质从一个腔室挤向另一个腔室, 使工质在循环回路中来回流动, 配气活塞又称工质置换器( Displacer)。

特点: 配气活塞上、下腔的压力 在整个循环中,理论上是相同 的。 热腔容积的变化由配气活 塞运动所控制,而冷腔容积变 化则要由配气活塞和动力活塞 两者的运动联合控制。两活塞 的行程有一段可以是重叠的, 故冷腔的最小容积理论上可以 为零。右图中SL即为其重叠行 程。

单缸配气活塞式热气机又有多种形式。有将回热器 设在缸外的外回热器式,这种形式在小型热气机领域中 应用广泛。

回热配气活塞式热气机,其配气活塞的一部分或全 部是用多孔金属基体做成的,它本身就构成一个回热式 换热器。 Stirling.swf

自由活塞式则上一种有趣的结构,正发展用于太阳 能转换、人工心脏和热泵等领域。 Stirling_largest_solar

Ⅱ双缸配气活塞式热气机(γ型) 这种形式热气机的特点是配气活塞与动力活塞分别置 于连通的两个气缸中,配气活塞的作用仍然是推动工质在 冷、热腔之间往返流动,而主要由动力活塞输出功。 gamma_stirling_animation_sal.gif

Ⅱ双缸配气活塞式热气机(γ型) 气缸分置的优点是有利于配气活塞杆的密封和动力活 塞的设计,因为这种形式的配气活塞杆不需要穿过动力活 塞,而其密封是在缸的固定部位。 另外也增加了曲轴、连杆设计的灵活性。 由于配气活塞与动力活塞的行程不能象单缸配气活塞 那样可以重叠,所以压缩腔容积总是大于零;加上两缸间 的连接通道和余隙容积,实际是压缩腔(冷腔)的最小容 积仍相当大,这将导致热气机性能的下降。

Ⅱ双缸配气活塞式热气机(γ型) 目前在小功率热气机领域,较多地选用配气活塞式方 案,其原因是它比单作用式热气机较易解决往复件的密封 技术问题。 在上面所介绍的各种布置方案中,至少有两处需要动 密封。单作用式热气机两处都在动力活塞上,而配气活塞 式热气机只有一处在动力活塞上,而另一处在配气活塞杆 上。但由于配气活塞杆的密封尺寸比动力活塞小得多,因 此其泄漏损失及摩擦损失也成比例地减少。这也许是配气 活塞式热气机的主要优点之一。

Ⅱ双缸配气活塞式热气机(γ型) 这种发动机的另一个优点: 便于解决平衡和振动问题,因为它的往复质量比单作用式 的小,配气活塞并不做功,仅承受很小的气体作用力(由 于流动损失引起活塞上、下压差)以及其本身的惯性力, 故配气活塞可做得很轻巧,活塞杆、连杆和轴承的尺寸也 可以小,因而重量和机械损失也减小。但配气活塞式热气 机是单缸机,功率受到了限制,其传动机构和杆密封装置 也较为复杂。

③双作用式热气机 所谓双作用,是指活 塞上、下方均为工作腔, 上腔为热腔,下端为冷腔 。各缸中的热腔经过换热 器与相邻气缸的冷腔相连 。活塞既起动力活塞的作 用,也起配气活塞的作用 ,所以又称动力配气活塞 。四个气缸中,四个活塞 以及四套热交换器,组成 了四个完全独立的完整的 闭式循环系统。

③双作用式热气机 相当于四台单作用式热气机(α型机的V型结构), 但气缸和往复运动件(活塞及连杆)的数目却减少了一半 。使得机器结构紧凑、重量和体积大大下降,成本也因而 降低。最有发展前途。瑞典考库姆公司、711所都采用这 种型式。 STM_Engine_short.mpg

③双作用式热气机 能独立工作的双作用式热气机的气缸数目是有限制的 ,这一点与内燃机不同。限制热气机缸数的主要因素是活 塞领先角φ,它对热力循环影响颇大,是不能任意选定的 。因为90°的活塞领先角接近最佳值,所以目前制成的 双作用式热气机都是四缸机,为了功率和布置的需要,可 以将双作用四缸机作为一个单元,然后进行组合。一般是 4缸机。一根公共曲轴,组成8缸机。如瑞典的联合热气 机公司将两台P-75四缸机装在一根公用曲轴上,组成一 台P-150八缸机,从而使功率增加一倍。

自斯特林发动机发明以来,尽管当时斯特林发动机已 经发明,但由于当时缺乏良好的耐热材料以及人们对 热气机的性能了解很少,以致机器的效率和功率都很 低。当十九世纪中叶,高效率的内燃机出现后,斯特 林发动机的研制工作就停止了。 随着科学技术和生产现代化的进展。1938年,荷兰菲 1938 利普公司开始了现代斯特林发动机的研制工作。该公 司对斯特林发动机技术做了一些根本性的改革,使斯 特林发动机的效率和功率大幅度提高。 例如:该公司的第一代斯特林发动机采用菱形传动机 构,保证了活塞和活塞杆的直线运动。从而改进了密 封的工作状态,大大提高了工质循环压力和循环功;

采用传热性好、比重轻和粘度小的氢气和氦气作为工 质,显著提高了热交换器的效率和降低了工质在循环 过程中的流动阻力损失,使斯特林发动机的效率提高 了50%,并为提高转速创造了条件。 菲利普公司还发明了“袜套式密封”装置,为研制高 效密封装置开辟了新路。 菲利普公司在上述三方面的创新在样机上得到了实现 ,引起了不少国家的关注和兴趣,纷纷和菲利普公司 签订专利合同,因此斯特林发动机的研制工作得以恢 复。

1958年,美国通用发动机公司(GM)第一个与菲利 普公司签订合同,研制了卫星用太阳能斯特林发动机 发电机组和军用3千瓦轻便式“无声”发电机组,后 者在35米以外听不见明显的声音。 1972年,美国福特汽车公司与菲利普公司合作,共同 研制了4-215型斯特林发动机,并已装在轿车上试用 4-215 。这一研究工作得到了美国政府的资助,同时,美国 能源部也资助了车用斯特林发动机的发展计划,第一 台ASEI型车用斯特林发动机已开始运转,该机功率为 72.3马力,最低油耗为159克/马力·小时。

另外,把斯特林发动机作为人工心脏的研究已取得很 大发展。华盛顿大学的联合中心研究室,采用铀238 作为热源,研制出外形尺寸为28×15×9.5厘米3的人 造心脏,并植入一头小牛体内试验。 1968年,瑞典私营科克姆造船厂和国营军用工厂FFV 组成了联合斯特林发动机公司,其规模仅次于菲利普 公司。其研制工作进度较快,已研制出的样机有4615、P40、P75、P150和U4P-95等型号。其中 U4P-95为双曲轴传动的四缸并列双作用斯特林发动 机,每缸排量为95厘米3,功率为55马力,转速为 4000转/分。它是联合公司最成功的一代斯特林发动 机。当时售价25万美元。

德国两家规模较大的内燃机制造公司——曼恩公司和 曼哈姆公司,联合组成了MAN/MWM斯特林发动机研 究机构,研制出1-400型和四缸双作用4-400型斯特 林发动机。 日本经过若干年的观察和全面考虑,制订了斯特林发 动机的十年规划,他们决定首先发展船用斯特林发动 机,研制工作于1976年开始,由船舶技术研究所、日 本造船研究协会和日本活塞环公司分别承担研制任务 。研制的样机为四缸直列式,功率为800马力,作为 内河和远洋船舶的动力。1978年,日本精机公司得到 通产省的资助,对功率为50千瓦的斯特林发动机进行 了研制。

英国、法国、加拿大和前苏联等国家,也相继开展了 斯特林发动机的研制工作。英国剑桥大学和皇家海军 工程学院等单位联合设计了25千瓦斯特林发动机试验 机。 我国的斯特林发动机的研究工作始于上世纪80年代, 目前已掌握该项技术,并已进入实用阶段。

闭式循环斯特林系统 (Stirling Engine) 瑞典科库姆(Kockums) 1995年2月,世界上第一艘 装备斯特林AIP的“哥特兰”号 潜艇,排水量近1500吨; 装备有两台功率各为75kW 的V4-275RSUB1型斯特林发动 机;可获得大约6节左右水下航 速,并可保持该航速连续航行15 昼夜。

前面介绍的是军事领域斯特林发动机的应用,近年 来,民用领域斯特林技术得到了一定程度的关注与 发展。 特机分会2010年会议资料介绍

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