姜昱祥 張 營(yíng) 馮允茹

（山東凱文科技職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南250200）

0 前言

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(St ir ling engine)又叫熱氣機(jī)，是一種外部燃燒(加熱)的封閉式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，具有燃料來源廣、效率高、污染小、噪音低和維修方便等優(yōu)點(diǎn)， 可以應(yīng)用在許多領(lǐng)域內(nèi)中作為清潔高效的動(dòng)力機(jī)，對(duì)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境有重要意義。 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃料的適應(yīng)性很強(qiáng)，可用能源除了煤、石油、天然氣外，還可以利用太陽能、原子能、化學(xué)能以及木材、秸稈等農(nóng)林廢棄物燃燒所放出來的熱能。 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率很高， 理論上斯特林循環(huán)效率等于相同狀態(tài)下的卡諾效率，實(shí)驗(yàn)表明斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際有效效率可以達(dá)到32%～40%，最高甚至可達(dá)47%。 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的污染物排放少，作為外燃機(jī)燃料可以在足夠的空氣下連續(xù)燃燒，燃燒比較充分，與內(nèi)燃機(jī)相比，排放的一氧化碳和碳?xì)浠衔锏扔泻怏w大大減少。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)沒有氣閥機(jī)構(gòu)，工質(zhì)在汽缸內(nèi)的壓力變化接近正弦波形，而且燃燒不會(huì)產(chǎn)生的爆震和排氣波， 因而運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)， 噪音比較??； 例如STM 生產(chǎn)的50kW 的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在裸機(jī)工作時(shí)，1m 處的噪音低于75dB。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，扭矩比較均勻，超負(fù)荷能力強(qiáng)(可以在超負(fù)荷50%的情況下仍然能正常運(yùn)轉(zhuǎn))，相比之下內(nèi)燃機(jī)超負(fù)荷能力只有5%～15%。另外，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比內(nèi)燃機(jī)少40%的零部件，例如自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)只有密封的汽缸和兩個(gè)活塞，沒有容易出故障的氣閥機(jī)構(gòu)、高壓噴油系統(tǒng)和需要良好潤(rùn)滑的活塞環(huán)，維修也比較方便。 本文將對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史進(jìn)行回顧，并對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和分析方法進(jìn)行分析，指出斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展前景。

1 三種基本結(jié)構(gòu)形式

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)主要由壓縮腔、加熱器、回?zé)崞?、冷卻器和膨脹腔組成，根據(jù)工作空間和回?zé)崞鞯呐渲梅绞缴?，可以分為，?三種基本類型，如圖所示：

圖1

α 型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，加熱器、回?zé)崞?、冷卻器兩側(cè)配備了熱活塞和冷活塞，熱活塞負(fù)責(zé)工質(zhì)的膨脹，冷活塞負(fù)責(zé)工質(zhì)的壓縮，當(dāng)工質(zhì)全部進(jìn)入其中一個(gè)汽缸時(shí)，一個(gè)活塞固定，另一個(gè)活塞壓縮或膨脹工質(zhì)。

β 型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在同一個(gè)汽缸中配備了配氣活塞和動(dòng)力活塞，配氣活塞負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)工質(zhì)在加熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器之間流通；動(dòng)力活塞負(fù)責(zé)工質(zhì)的壓縮和膨脹，當(dāng)工質(zhì)在冷區(qū)時(shí)壓縮工質(zhì)，當(dāng)工質(zhì)在熱區(qū)時(shí)讓工質(zhì)膨脹。

γ 型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力活塞和配氣活塞分別處于配氣汽缸和動(dòng)力汽缸內(nèi)，配氣活塞同樣負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)工質(zhì)流通，動(dòng)力活塞單獨(dú)完成工質(zhì)的壓縮和膨脹。

2 斯特林循環(huán)的分析法

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的各種損失是影響斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主要因素。 如果對(duì)這些損失有更有深入的了解，就有可能進(jìn)一步提高熱效率，從而制造出性能更好的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，提高其在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。 但通常很難用儀器測(cè)定這些損失，因此一般采用理論分析法估算，并通過輸出功率等間接的性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而指導(dǎo)更高效的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。

從19 世紀(jì)70 年代始至今，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究者們先后發(fā)展了各種不同級(jí)別的斯特林循環(huán)分析法，并將它們成功的應(yīng)用于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中。本文對(duì)現(xiàn)有的斯特林循環(huán)分析法進(jìn)行了綜述和比較，并對(duì)其發(fā)展前景作了展望。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的形式多種多樣， 但是在理論上都是按斯特林循環(huán)進(jìn)行工作的。 根據(jù)馬提尼的命名規(guī)則，斯特林循環(huán)的分析法可以分為零級(jí)分析法、一級(jí)分析法、二級(jí)分析法、三級(jí)分析法和四級(jí)分析法5 類。

2.1 零級(jí)分析法

零級(jí)分析法并沒有對(duì)斯特林循環(huán)進(jìn)行分析，而是根據(jù)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果引入經(jīng)驗(yàn)因子，歸納出斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際功率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，一般可用于定性分析，不合適做斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 Carlquist 和Beale 對(duì)零級(jí)分析法的應(yīng)用與發(fā)展做出了重要功能貢獻(xiàn)。

2.2 一級(jí)分析法

一級(jí)分析法又稱等溫分析法， 只最基本的斯特林循環(huán)分析方法。該方法主要假設(shè)熱腔和冷腔工質(zhì)的循環(huán)溫度恒定，通過理論分析可以推導(dǎo)出斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)功率和效率的解析式。 Schmidt 首先應(yīng)用一級(jí)分析法，以α 型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)為模型，根據(jù)質(zhì)量、能量守恒定律和理想氣體狀態(tài)方程，對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了理論研究。 但由于一級(jí)分析法的等溫假設(shè)過于理想，不符合實(shí)際情況，因而存在交大的理論誤差，一般只用于定性分析。

2.3 二級(jí)分析法

二級(jí)分析法假設(shè)熱腔和冷腔內(nèi)的工質(zhì)溫度在循環(huán)的過程中這是變化的。 因此基于二級(jí)分析法所建的數(shù)學(xué)模型一般為常微分方程組，結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程以及邊界條件可進(jìn)行數(shù)值求解。最常用的二級(jí)分析法是絕熱分析法。相對(duì)一級(jí)分析法而言，二級(jí)分析法更接近實(shí)際，具有更為重要的價(jià)值。

2.4 三級(jí)分析法

三級(jí)分析法又稱為節(jié)點(diǎn)分析法，由Finkelstein 首先完成。 Urieli、Gedeon、Martini 等對(duì)其進(jìn)行了深入補(bǔ)充，并編成了軟件進(jìn)行模擬。三級(jí)分析法是對(duì)工質(zhì)作一維流動(dòng)假設(shè)，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處對(duì)工質(zhì)的傳熱和氣體動(dòng)力學(xué)過程用質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒的偏微分方程進(jìn)行描述。 三級(jí)分析法解決了一級(jí)分析法和二級(jí)分析法的空間誤差問題，得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

2.5 四級(jí)分析法

四級(jí)分析法又稱為多維CFD 分析法， 是在三級(jí)分析法的基礎(chǔ)上將維數(shù)增加到二維甚至是三維，其計(jì)算過程極其復(fù)雜，往往需求與商業(yè)化的CFD 軟件。 多維CFD 分析法已成功應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)，但在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用還是不完善，因?yàn)榈侥壳盀橹梗嗑SCFD 在兩流上的應(yīng)用還很困難。 盡管如此，由于四級(jí)分析法的精度比較高，作為研發(fā)的重點(diǎn)，隨著各種輔助工具的不斷改善，四級(jí)分析法終將成為斯特林循環(huán)的主要分析法。

3 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是外燃機(jī)，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

3.1 燃料來源廣

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃料的適應(yīng)性很強(qiáng)，可用燃料除了煤、石油、天然氣、化石燃料外，還包括太陽能、原子能、化學(xué)能，以及木材、秸稈等農(nóng)林廢棄物燃燒所放出來的能量。 此外，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)還可以用來回收各種分散或低品位的熱能。

3.2 熱效率高

理想斯特林循環(huán)由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)等容過程組成，其理論循環(huán)效率等于相同狀態(tài)下的卡諾效率。 實(shí)驗(yàn)表明，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際有效效率能達(dá)到32%-40%，最高可達(dá)47%。

3.3 排氣污染小

由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程是連續(xù)的，空氣燃燒比的變化對(duì)效率和功率的影響都很小， 所以斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可以在足夠的控旗下運(yùn)轉(zhuǎn)，燃料的燃燒值比較高，和內(nèi)燃機(jī)相比，大大降低了廢氣中CO、HC等有害氣體的含量。

3.4 噪音低

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)沒有氣閥機(jī)構(gòu)且工質(zhì)在氣缸內(nèi)的壓力變化類似于正弦，并且沒有燃燒產(chǎn)生的爆震和排氣波，因而斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，噪音比較小。 如STM 產(chǎn)生的50KW 的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其裸機(jī)工作時(shí)在1m 處的噪聲低于75dB。

3.5 運(yùn)轉(zhuǎn)特性好

由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中最大壓力與最小壓力之比一般小于2，因此其扭矩比較均勻、運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。 此外，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的超負(fù)荷能力強(qiáng)，在超負(fù)荷50%的情況下仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)5%-15%的超負(fù)荷能力具有更好的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。

3.6 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比內(nèi)燃機(jī)少40%的零部件。例如，自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)只有三大部件：密封的汽缸和兩個(gè)活塞，沒有容易出故障的氣閥機(jī)構(gòu)、高壓噴油系統(tǒng)和需要良好潤(rùn)滑的活塞環(huán)，便于保養(yǎng)維修。

4 斯特林熱機(jī)應(yīng)用展望

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的用途非常廣，特別適合應(yīng)用在小型的低品位能源資源發(fā)電項(xiàng)目中。 例如在太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目中，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可以把集熱器中的熱能直接轉(zhuǎn)化成動(dòng)能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，在美國(guó)和澳大利等國(guó)家已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的突破，很多實(shí)驗(yàn)電站已經(jīng)運(yùn)行多年，大規(guī)模的商業(yè)運(yùn)行電站也正在建立。

此外斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在我國(guó)民用特別是農(nóng)村的應(yīng)用潛力，在低品位能源中的應(yīng)用。 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在廢熱回收、人工心臟、空間站動(dòng)力、水下動(dòng)力和車用動(dòng)力等方面都有重要的應(yīng)用，其理論價(jià)值和實(shí)際意義都值得我們做進(jìn)一步的研究。

近年來斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研究在世界領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展，能源危機(jī)更增加了世界各個(gè)國(guó)家對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的重視程度，進(jìn)一步加快斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展速度。 由于斯特林熱機(jī)的得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，以及各種新材料新技術(shù)的出現(xiàn)，斯特林熱機(jī)必將代替內(nèi)燃機(jī)成為以后的主要?jiǎng)恿碓础?盡管我國(guó)對(duì)它的研究起步較晚，但是中國(guó)的研制能力和研制水平以及國(guó)家對(duì)新能源新技術(shù)的大力支持，使其在國(guó)家的中長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃計(jì)劃中占有重要的位置。今后國(guó)家將大力扶持其在廢熱利用以及太陽能發(fā)電等各種領(lǐng)域的應(yīng)用。斯特林熱機(jī)的廣泛應(yīng)用必將使我國(guó)能源利用率得到大幅度的提高，無論是對(duì)環(huán)境保護(hù)還是節(jié)能減排都有著非常重要的積極意義，也將為我國(guó)經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展提供充足動(dòng)力。