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斯特林可逆热机
Abstract
Basedonhydrogenfuelcellvehicles，pureelectricvehicles,internalcombustionengineshybridandsafety，environmentalprotectionStirlinghybrid,fueleconomy，manufacturingcostsandmaintenancecosts，etc，itisconcludedthatthepartialcomparativeevaluationStirlinghybridpowerisnewenergyvehiclesoptimaltechnicalschemeconclusion.Putforwardthestrategyofnewenergyvehiclesendingnothydrogenfuelcellvehicles，butStirlinghybridnewideas.Theworld'
sleadingindustrialnationscomparednewenergyvehicledevelopmentstrategyandcombiningwiththeChineseexperienceandlessonsforChina'
sautomobileindustry，thegreat-leap-forwarddevelopment，newenergyvehicledevelopment，seekingalessinvestment，highstartingpoint，withindependentintellectualpropertyrightsprotectiondevelopmentroad.ThatisintegratedwithindependentintellectualpropertyrightsoftheStirlingenginetechnologyandChineseadvancedreversibleofpureelectricvehiclestechnology，becometheupcomingoutsidetheautoindustrypioneergasturbineera.TheChinesegovernmentshouldbeinthenewstrategicreconfigureChinaautoindustry.
Keywords:
Newenergyvehicles;
Exploringmethodsandresearch;
Stirlingreversibleengine
1.绪论
新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进，具有新技术、新结构的汽车。
新能源汽车包括有：
混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、氢发动机汽车、其他新能源（如高效储能器、二甲醚）汽车等。
其中，从2009年年底至今，国家电网、中海油、南方电网和中石化相继传出大举建设充电网络的消息，这是新能源汽车中的电动汽车迈向大规模应用的积极信号，电动汽车将占领一部分市场份额。
2010年中国两会的召开催生了新能源相关产业发展规划的预期出台，汽车业的低碳节能环保和能源问题也被高度重视
新能源汽车战略发展的起点是传统汽柴油车，终点是氢燃料电池车，其间是混合动力汽车发展的黄金时期，这是世界汽车工业界达成的共识[1]。
这种认识上的错位，正在对汽车工业的发展产生误导。
受此影响，世界各国都制定相应的新能源汽车发展战略：
美国重点发展氢动力车；
日本大力开发汽电混合动力车；
欧洲主攻柴油动力车；
中国却一直摇摆不定[1]。
纯电动车开发卓有成效，最终还是选择日本的技术路线。
据有关消息在新能源汽车研发方面，中国75亿元打了“水漂”[1]。
只得重新确定开发混合动力汽车的技术路线。
2007年12月13日，国内首款自主品牌量产混合动力轿车长安杰勋HEV下线，使中国汽车业实现了混合动力轿车从无到有的突破[2]。
然而，最有潜力的斯特林混合动力车没有引起世界汽车工业界的重视。
进入“十二五”，新能源汽车也跨入产业化阶段，并将成为中国汽车产业“十二五”规划中的重中之重。
作为国家节能减排的重要组成部分，新能源汽车更是被列为加快培育和发展的七大战略性新兴产业之一，将继续在资金和政策层面给予重点支持。
其实，斯特林发动机和内燃机几乎同时诞生。
而斯特林发动机体积大、密封难这两大缺陷阻碍了其发展，形成了内燃机主宰世界的格局。
只要消除这两大缺陷，斯特林发动机应当获得比内燃机更广泛的应用。
2007年12月，中国人发明的斯特林可逆热机巧妙地解决了以上难题[3]，并建立了相应的设计理论模型[4]。
早在1974年，美国人R.W.Richardson分析比较了各类热机在汽车业应用的优劣势后预言：
斯特林发动机是很有前途的发动机[5]！
斯特林可逆热机将会把该预言变为现实。
通过安全性、环保性、燃料经济性、制造成本、维护费用以及其综合性能比较等方面比较分析的结果显示：
斯特林混合动力车相对于纯电动汽车、氢燃料电池车和内燃机混合动力车，都具有明显优势。
总之，新能源汽车战略的终点不是氢燃料电池车，而是斯特林混合动力汽车。
2.发展新能源汽车的意义
我国发展新能源汽车对整个汽车行业，乃至对于坚持走新型工业化道路，建设资源节约型、环境友好型的社会意义重大。
（一）有利于提高经济效益
以新能源汽车中的纯电动汽车为例。
首先，纯电动汽车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统，相比传统汽车的内燃汽油发动机动力系统，电动机和控制器的成本更低，且纯电动车能量转换效率更高。
因为电动车的能量来源－－电，来自大型发电机组，其效率是小型汽油发动机甚至混合动力发动机所无法比拟的。
按比亚迪F3e纯电动车公布的数据，每百公里行驶耗电12度，依照0.5元的电价算，成本是6元。
而其原形车F3汽油车每百公里耗油7.6升，按目前6.2元的油价，成本是46.5元。
相比之下，电动车的使用成本才是传统汽油汽车的八分之一。
铁电池的循环寿命超过2000次，能满足电动车行驶60万公里，使用10年。
其次，电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。
（二）有利于建设生态环保城市
目前全国各城市的机动车保有量都较大,机动车尾气排放成为各城市大气污染负荷的主要来源之一。
新能源汽车的推广,有利于节能减排,建设城市宜居环境。
（三）有利于优化能源消费结构
新能源汽车与传统汽车相比,可以节省燃油,有利于减少对传统能源的依赖,实现资源的节约和综合利用。
综上所述，新能源汽车的推广应用具有提高经济效益、节约能源和减少二氧化碳的排量等优点，使新能源汽车的研究和应用成为汽车工业的一个"
热点"
。
3、我国新能源汽车的发展现状
（一）我国相关政策
1.提倡低碳经济。
九三学社政协提交《关于推动我国低碳经济发展的提案》，被列为2010年"
两会"
的一号提案。
中国汽车生产企业近日的连续发力电动汽车市场，强烈呼应该方案。
作为低碳经济最重要行业之一，电动汽车的研发和生产受到中国车企的热捧。
低碳经济将经历一个很大的产业变革，它必然是中国经济增长的动力，但这个动力大小取决于这个产业的发展速度和规模大小。
相应的，低碳经济发展的力度与规模又取决于政策支持和技术进步。
2.补贴优惠政策。
政府主管部门正在筹划加大新能源汽车的购车补贴优惠，该政策今年6月份已出台。
尽管业内对于新能源汽车前景有着各种看法，但在财政部和工信部的积极推进下，多项扶持新能源汽车的政策正拟密集出台。
新政策将涉及私人购车补贴、新能源汽车发展规划、新能源汽车相关标准制定等。
尽管业内对新能源汽车业过于乐观存在争议，但新能源汽车业短期内继续火爆看来是在所难免。
中国汽车业已无可争议驶上了新能源汽车快车道。
（二）新能源汽车的美好前景
在上述政府高度重视和倡导下，我国新能源汽车的发展呈现出美好前景。
2010（第十一届）北京国际汽车展览会于2010年4月25日-5月2日在北京中国国际展览中心隆重举行。
全球汽车厂商在春意盎然的北京齐聚一堂，共同描绘未来汽车业发展的蓝图。
今年北京国际车展的主题为"
畅想绿色未来"
，从"
绿色"
一词可以看出，新能源车无疑是本次车展的主角之一。
通过一系列低碳技术新能源技术的展示，突出表现未来汽车与绿色环境的和谐共存之道，为我国汽车行业新能源汽车建设起到积极促进作用。
图1中国新能源汽车产业发展路线全景图
由图表可看出：
新能源汽车产后发展主要集中在纯电动汽车和油/电混合动力汽车上。
因这两种汽车在节能与环保方面的较高可行性，有望成为下一阶段新能源汽车的主流。
届时世界汽车将摆脱依靠石油能源的时代，进入单一的新能源汽车时代。
图2国家863节能与新能源汽车项目分布一览
由图可看出：
1、我国新能源汽车产业刚刚起步，并没有具备明显优势的技术方向，所以国家有关部委在选择具体的新能源汽车道路时采取了多管齐下的策略，对各种可行的技术都予以一定的支持。
2、但这并不意味着国家在新能源汽车开发上没有侧重点。
2008年11月上旬，科技部部长万钢、国家863节能与新能源汽车重大项目总体组组长欧阳明高、国家发改委产业协调司副司长陈建国先后对中国新能源汽车的发展发表看法，他们都表示混合动力是比较合适的过渡方案。
我国新能源汽车战略道路已逐渐走向清晰，而混合动力车将成为下一步开发重点。
4．中国新能源汽车发展战略
中国的新能源汽车技术远落后于欧美和日本。
按相同的技术路线奋起直追的难度极大：
一是难在技术开发经验不如别人；
二是难在知识产权壁垒不易绕过。
为了避开以上难点，中国当初选择了开发纯电动车为主的技术路线。
现有相当成熟的纯电动车技术。
然而，纯电动汽车的推广应用受到充电站建设、电网布局、电力供应、市政规划等很多因素限制。
同样，氢燃料电池车的推广应用也要受到氢的制取、储运，以及加氢站建设等很多因素限制。
而斯特林混合动力车只要沿用现有的汽车加油站就行了。
斯特林可逆热机为中国汽车工业的跨越式发展、新能源汽车研发，开辟了一条投资少、起点高、具有自主知识产权保护的发展道路。
这是中国汽车业崛起的难得机遇！
中国混合动力汽车发展战略就是将中国的纯电动车技术和斯特林可逆热机技术整合成世界一流的斯特林混合动力汽车技术！
装备斯特林可逆热机的混合动力汽车可以使用包括氢在内的多种燃料，其综合性能将超越氢燃料电池车。
毫无疑问，汽车工业将由内燃机时代步入外燃机时代！
中国已经抢占了技术制高点。
中国政府和汽车企业应该有清醒认识，积极引导和投入开发这种中国首创的新能源汽车。
展望未来，中国应该是即将到来的外燃机时代汽车工业的先驱者！
5．新能源汽车技术方案比较
目前，新能源汽车的解决方案有氢燃料电池车、纯电动汽车、内燃机混合动力车，以及斯特林混合动力车。
将各技术方案就安全性、环保性、燃料经济性、制造成本、维护费用、以及其综合性能比较等，分六项评价，然后综合评价。
评价内容列表如下。
表1各技术方案评价表
安全性
环保性
燃料经济性
制造成本
维护费用
综合评价
斯特林混合动力车
好
低
优
纯电动汽车
中
次优
氢燃料电池车
差
高
良
内燃机混合动力车
表2各种能源汽车综合性能对比
1）安全性：
氢燃料电池的尾气中含有氢，遇明火或电火花可能发生爆炸[6]。
安全性不如斯特林发动机、电动机和内燃机。
2）环保性：
纯电动汽车没有尾气排放，污染仅体现在发电过程中；
斯特林发动机在常压下富氧燃烧，排污少；
内燃机在高压下燃烧，排污量大；
氢燃料电池尾气中的氢，进入大气扰乱臭氧层的形成[6]，破坏人类生存环境。
氢燃料电池的污染，还表现在制取氢的过程中，已经对环境造成了一次污染。
3）燃料经济性：
斯特林发动机可以使用生物质能和原油多种馏分，来源广，成本低；
内燃机所用汽柴油制取成本高；
氢燃料电池所用的氢的制取成本和储存费用更高。
斯特林发动机热机效率高，节约燃料，也能提高燃料经济性。
纯电动汽车不直接消耗燃料，燃料经济性取决于发电成本。
4）制造成本：
斯特林发动机零件都是由园面、锥面和平面构成，几何形状简单，加工费用低；
整机装配时，零件种类少，工艺难度低。
斯特林发动机的制造成本应低于内燃机、氢燃料电池。
5）维护费用：
斯特林发动机的零件比内燃机少40%以上，工作过程的振动小，可靠性高，维护费用相应减少。
氢燃料电池制氢储氢费用远高于斯特林发动机和内燃机。
6）综合评价：
斯特林混合动力车是最优方案，纯电动汽车次之，氢燃料电池车方案实施的限制因素多，内燃机混合动力车是综合评价最差的方案。
5.1氢燃料电池车的技术现状及局限性
氢燃料电池是近几十年发展起来的新技术，电池阳极上的氢在催化剂作用下分解为质子和电子，带阳电荷的质子穿过隔膜到达阴极，带阴电荷的电子则在外部电路运行，从而产生电能。
在阴极上的氧离子在催化剂作用下和电子、质子化合反应成水。
雪佛兰Equinox燃料电池车采用通用汽车第四代燃料电池系统，它的燃料电池组由440块串联电池组成，电力输出可达93千瓦，在车载73千瓦（100马力）同步电动机的共同驱动下，0－100公里/小时的加速只要12秒，而这款前驱车型的最高时速可达每小时160公里。
最大氢燃料存储量为4.2千克，这些燃料足以支持最长320公里的行驶里程[7]。
从2007年10月中旬以来，超过100辆的雪佛兰Equinox燃料电池车已经驶上美国洛杉机、纽约和华盛顿三个城市的街头[7]。
氢燃料电池造价高和制氢储氢难，使雪佛兰Equinox的使用人群和地区都受到严重限制。
氢燃料电池车推广应用前景没有斯特林可逆热机广阔。
5.2斯特林可逆热机与内燃机的比较分析
经过近200年的发展，内燃机已经很成熟，其潜力已挖掘殆尽；
斯特林发动机发展缓慢，但潜力巨大。
斯特林可逆热机正是使该潜力充分发挥的技术创新成果。
斯特林可逆热机是外燃机，燃烧过程在气缸外部进行，氧气充足，燃烧完全。
燃料利用充分，热机效率高于内燃机，排污量低于内燃机。
具有节能环保天然优势；
工作过程的压力变化是连续的，没有压力突变。
自然也就没有内燃机所特有的爆振现象，噪声和振动很小；
摈弃了曲柄连杆机构，分别平衡往复惯性力和旋转惯性力。
活塞组运动到缸底时，缸内压力急剧上升，将往复惯性力转化为缸内工质内能回收利用。
因为活塞组与转子之间没有连接，旋转惯性力可用配重消除。
即使不考虑外燃机无爆振，机械振动也小于内燃机；
冷却温度越低越好！
而不象内燃机那样，冷却的温度即不能高、也不能低。
因而冷却系统极其简单，两根逆流换热管就取代内燃机繁杂的冷却系统；
燃烧过程在常压下进行，很容易组织。
免除了内燃机确定点火提前角的困难。
供油和点火系统也较内燃机简洁高效；
不要启动装置，点火自行起动运转。
而内燃机则必须要点火；
输出功波动小，不设惯性飞轮，仅靠热机转子和电机转子的惯性，足以保证平稳运行；
机电一体化和自动控制程度高，结构紧凑，空间利用率比内燃机高。
尤其重要的是：
斯特林可逆热机可适用多种燃料和达到很高的强化程度，使其经济指标及动力性能都超越内燃机。
内燃机受空气密度限制，即使采取涡轮增压等措施来提高强化程度，效果依然有限。
但是，斯特林可逆热机的高温区气缸要求耐高温高压，材质要求高。
而且设计还没有起步，基础数据少，初期设计的产品性能可能不如内燃机完美。
5.3斯特林可逆热机用于混合动力汽车的优势
斯特林可逆热机就是完整的发电机组，最适合以“串联方式”用于混合动力汽车。
通过调控电流实现无级变速，取消机械变速箱。
提高整车的机电一体化和自动控制程度。
整车各系统体积小，结构紧凑，很接近纯电动车，而比纯电动车方便、节能。
斯特林可逆热机相对于内燃机节能、环保、低成本、高性能、高安全性的优势，在混合动力汽车上将得到充分体现：
高的热机效率[5]，无级变速方式，刹车能量回收三种节能措施的效果叠加，整车节能效果非常显著；
噪声、尾气污染问题妥善解决。
可达到内燃机能达到的任何标准；
零件种类少，几何形状简单。
相同功率，其量产成本不会高于内燃机。
整车造价应有所降低；
运动部件只有活塞和转子，运行故障少，热机寿命长。
使用维修费用低于内燃机混合动力汽车；
高寒、高海拔地区的起动可靠，运行平稳。
发动机功率基本不受气候和海拔高度影响；
采用风冷散热，没有冷却水，省去了冬季的防冻工作。
使用更安全。
6．结束语
上世纪三十年代以来，欧美就试图将斯特林发动机用作汽车发动机[5]。
因技术和经济原因，至今都没有成功。
斯特林可逆热机彻底消除了体积大、密封难这两大障碍，外燃机时代必然随之而来。
斯特林可逆热机的综合性能不仅优于内燃机，而且不亚于氢燃料电池。
斯特林混合动力汽车是汽车工业发展的正确方向。
中国的混合动力汽车发展战略，就是整合斯特林可逆热机和电动车技术，成为即将到来的外燃机时代汽车工业先驱者，新能源汽车战略的终点不是氢燃料电池车，而是斯特林混合动力车
致谢
第一次做课程设计，不懂从哪里入手。
首先感谢老师的悉心指导，您乐观的生活态度，吃苦耐劳的工作精神，还有那幽默的话语深深吸引着我。
感谢老师一直以来对我悉心的关照，您认真负责的工作态度，一直影响着我。
参考文献
［1］周树远寇建东中国新能源车战略之殇75亿元打“水漂”中国经营报2009.6.2
［2］李智峰长安混合动力车率先量产争第一中国汽车报2009.12.13
［3］孔令斌两级密封式斯特林可逆热机中国科技论文在线2010.32.1
［4］孔令斌新型斯特林发动机设计理论研究中国科技论文在线2009.6.13
［5］［美］R.W.Richardson八十年代车用发动机展望内燃机1979.4.5
［6］宫振华张存满肖方高鑫马建新模拟车用工况下5KW燃料电池尾气净化系统中国科技论文在线2008.9.16
［7］南辰通用在京展示最新零油耗零污染的氢燃料电池车新华网2009.10.22
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