斯特林發(fā)動機(jī)摘要斯特林發(fā)動機(jī)不僅理論熱效率高，等于卡諾循環(huán)效率，而且作為外燃機(jī)其排放特性非常好，所以近三十年來一直是研究的熱點(diǎn)。本文主要寫了斯特林發(fā)動機(jī)的循環(huán)過程分析、優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用等。關(guān)鍵詞：斯特林發(fā)動機(jī)，斯特林循環(huán)，機(jī)械效率一、 斯特林機(jī)簡介這種發(fā)動機(jī)是倫敦的牧師羅巴特?斯特林(RobertStirling)于1816年發(fā)明的，所以命名為“斯特林發(fā)動機(jī)”(Stirlingengine)。斯特林發(fā)動機(jī)是獨(dú)特的熱機(jī)，因?yàn)樗麄兝碚撋系男蕩缀醯扔诶碚撟畲笮?，即卡諾循環(huán)效率。斯特林發(fā)動機(jī)是通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產(chǎn)生動力的。斯特林機(jī)可用氫、氮、氦或空氣等作為工質(zhì)，按斯特林循環(huán)工作。在熱氣機(jī)封閉的氣缸內(nèi)充有一定容積的工質(zhì)，氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質(zhì)在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫?zé)崆恢醒杆偌訜?，膨脹作功。燃料在氣缸外的燃燒室?nèi)連續(xù)燃燒，通過加熱器傳給工質(zhì)，工質(zhì)不直接參與燃燒，也不更換。二、 斯特林機(jī)的循環(huán)過程熱力循環(huán)可以分為定溫壓縮過程、定容回?zé)徇^程、定溫膨脹過程、定容儲熱過程四個(gè)過程。斯特林循環(huán)可以分為4個(gè)過程：① ② ③ ④a-b定容回?zé)徇^程:動力活塞停留在它的上止點(diǎn)附近，配氣活塞上行，迫使冷腔內(nèi)的工質(zhì)經(jīng)回?zé)崞髁魅肱錃饣钊戏降臒崆唬蜏毓べ|(zhì)流經(jīng)回?zé)崞鲿r(shí)吸收熱量，使溫度升高。b-c定溫膨脹過程：配氣活塞繼續(xù)上行，工質(zhì)經(jīng)加熱器加熱，在熱腔中膨脹，推動動力活塞向下并對外作功。c-d定容儲熱過程：動力活塞保持在下止點(diǎn)附近，配氣活塞下行，工質(zhì)從熱腔經(jīng)回?zé)崞鞣祷乩淝?，回?zé)崞魑展べ|(zhì)的熱量，工質(zhì)溫度下降至冷腔溫度。d-a定溫壓縮過程:配氣活塞停留在下止點(diǎn)附近，動力活塞從它的下止點(diǎn)向上壓縮工質(zhì)，工質(zhì)流經(jīng)冷卻器時(shí)將壓縮產(chǎn)生的熱量散掉，當(dāng)動力活塞到達(dá)它的上止點(diǎn)時(shí)壓縮過程結(jié)束。斯特林循環(huán)與卡諾循環(huán)比較，前者由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)等體積過程所構(gòu)成，而后者彳系由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程所構(gòu)成。換言之，斯特林引擎循環(huán)以兩個(gè)等體積的吸熱與排熱過程，取代卡諾循環(huán)的兩個(gè)絕熱過程。因此，若斯特林引擎循環(huán)欲達(dá)成卡諾引擎相同的熱效率，必須將c-d過程中，工作流體等體積排熱過程所排出的的熱量，必須用來提供在a-b過程中，工作流體等體積吸熱升溫所需的熱量，這個(gè)步驟，叫作再生(Regeneration)，所使用的裝置，稱為再生器(Regenerator)或回?zé)崞鳌Ｔ诶碚撋?，定容儲熱量等于回?zé)崃?，其循環(huán)效率等于卡諾循環(huán)效率。下面導(dǎo)出斯特林循環(huán)的熱效率。由于是理想循環(huán)，在定容回?zé)徇^程a-b中工質(zhì)從回?zé)崞髦形盏臒崃空玫扔诙ㄈ輧徇^程c-d中放給回?zé)崞鞯臒崃浚谶@個(gè)過程中工質(zhì)與外界沒有發(fā)生熱量的交換。經(jīng)過一個(gè)循環(huán)回?zé)崞骰謴?fù)到原始狀態(tài)，所以整個(gè)循環(huán)中工質(zhì)吸熱(b-c段)上=三，整個(gè)循環(huán)中工質(zhì)放熱(d-a段)q2=叩弓峙，故門=1-—=1-^Q1烏可見斯特林循環(huán)的熱效率與同溫限的卡諾循環(huán)的效率相等。斯特林循環(huán)從表面上看有定容吸熱過程、定容放熱過程，所以必須有許多熱源，但是在定容放熱過程中所放出的熱量在定容吸熱過程中完全被工質(zhì)本身所吸收。這樣的回?zé)徇^程稱為極限回?zé)?，在極限回?zé)徇^程中工質(zhì)與外界沒有發(fā)生熱量的交換。因此斯特林循環(huán)中工質(zhì)只是從高溫?zé)嵩春銣匚鼰?，向低溫?zé)嵩春銣胤艧?，所以其熱效率與卡諾循環(huán)熱效率相同。我們把象斯特林循環(huán)這樣的極限回?zé)嵫h(huán)也稱做概括性卡諾循環(huán)。實(shí)際的斯特林循環(huán)發(fā)動機(jī)，由于存在種種不可逆因素，回?zé)崞鞯男室膊豢赡苓_(dá)到百分之百，即吸收多少熱量就能回?zé)岫嗌贌崃浚詫?shí)際的熱氣發(fā)動機(jī)熱效率不可能達(dá)到很高，也必然低于同溫限卡諾循環(huán)的理論熱效率。但是可以相信，斯特林循環(huán)發(fā)動機(jī)會越來越廣泛地進(jìn)入各實(shí)用領(lǐng)域。三、 斯特林機(jī)的分類熱氣機(jī)分為單缸、2缸、4缸等形式；單缸熱氣機(jī)的熱腔與冷腔共一室，需要交替向燃燒室中注入燃?xì)?、燃燒、排氣、注入冷卻氣體等循環(huán)過程，驅(qū)動活塞上下運(yùn)動帶動曲軸轉(zhuǎn)動，由于燃燒室需要交替使用，與一般的內(nèi)燃機(jī)一樣復(fù)雜，很少再發(fā)展。2缸熱氣機(jī)的燃燒、冷卻過程完全連續(xù)，1個(gè)汽缸加熱、1個(gè)冷卻，工質(zhì)在2個(gè)氣缸中密閉循環(huán)，反復(fù)被加熱冷卻，活塞在熱氣驅(qū)動下上下運(yùn)動驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)。4缸熱氣機(jī)的氣缸上部加熱、下部冷卻，或相反，工質(zhì)在相鄰兩個(gè)氣缸的上下部間循環(huán)，4個(gè)活塞交替上下，直接驅(qū)動斜盤轉(zhuǎn)動，工作最為平順。四、 斯特林機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)與內(nèi)燃機(jī)比較熱氣機(jī)所具備的優(yōu)點(diǎn)：適用于各種能源，無論是液態(tài)的、氣態(tài)的或固態(tài)的燃料，當(dāng)采用載熱系統(tǒng)（如熱管）間接加熱時(shí)，幾乎可以使用任何高溫?zé)嵩矗ㄌ柲芊派湫酝凰睾秃朔磻?yīng)等），而發(fā)動機(jī)本身（除加熱器外）不需要作任何更改。同時(shí)熱氣機(jī)無需壓縮機(jī)增壓，使用一般風(fēng)機(jī)即可滿足要求，并允許燃料具有較高的雜質(zhì)含量。熱氣機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由于燃料在氣缸外的燃燒室內(nèi)連續(xù)燃燒，獨(dú)立于燃?xì)獾墓べ|(zhì)通過加熱器吸熱，并按斯特林循環(huán)對外做功，因此避免了類似內(nèi)燃機(jī)的震爆做功和間歇燃燒過程，從而實(shí)現(xiàn)了高效、低噪和低排放運(yùn)行。高效：總能效率達(dá)到80%以上；低噪：1米處裸機(jī)噪音底于68dBA；低排放：尾氣排放達(dá)到歐5標(biāo)準(zhǔn)。熱氣機(jī)單機(jī)容量小，機(jī)組容量從20—50kw，可以因地制宜的增減系統(tǒng)容量。結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)比內(nèi)燃機(jī)少40%，降價(jià)空間大，同時(shí)維護(hù)成本也較低。熱氣機(jī)尚存在的主要問題和缺點(diǎn)是制造成本較高，工質(zhì)密封技術(shù)較難，熱量損失較大，密封件的可靠性和壽命還存在問題，功率調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)較復(fù)雜，機(jī)器較為笨重。五、斯特林機(jī)的應(yīng)用與展望隨著全球能源與環(huán)保的形勢日趨嚴(yán)峻，熱氣機(jī)由于其具有多種能源的廣泛適應(yīng)性和優(yōu)良的環(huán)境特性已越來越受到重視。因其低噪，裝斯特林機(jī)的潛艇有更好的隱蔽性。因其是外燃機(jī)，所以在太陽能動力方面有很好的應(yīng)用，比如太陽能發(fā)電。它在空間站動力、熱泵空調(diào)動力、車用混合推進(jìn)動力等方面也得到了廣泛的研究與重視，并且已得到了一些成功的應(yīng)用。斯特林發(fā)動機(jī)目前有報(bào)道，已經(jīng)開始研究在計(jì)算機(jī)主板的散熱風(fēng)扇上使用，通過北橋芯片的發(fā)熱來帶動斯特林發(fā)動機(jī)，以此來給硬件降溫，該研究還處于研究階段。熱氣機(jī)的未來發(fā)展將更多的應(yīng)用新材料(如陶瓷)和新工藝，以降低造價(jià)；對實(shí)際循環(huán)進(jìn)行理論研究，完善結(jié)構(gòu)，提高性能指標(biāo)；在應(yīng)用方面，正大力研究汽車用的大功率燃煤熱氣機(jī)、太陽能熱氣機(jī)和特