斯特林发动机研究发展.docx

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斯特林发动机研究发展

关于斯特林发动机的研究及发展

学号：

姓名：

彭俊图

摘要:

简述了斯特林发动机的发展历史及研究现状，介绍了斯特林循环并归纳了斯特林循环的分析方法，阐述了斯

特林发动机的特点和应用，并展望了斯特林发动机的发展前景。

关键词:

斯特林发动机;斯特林循环;碟式太阳能热发电系统

随着社会的不断发展，化石燃料的消耗量日益增大，传

统燃料的内燃机将面临着严重的能源危机，而积极解决这个

问题的有效途径之一是开发一种可以使用及传统内燃机不同的燃料的动力装置，斯特林发动机则是目前可行的最佳途

径之一。

斯特林发动机（Stirlingengine）又叫热气机，是一种

封闭式外燃机，具有燃料来源广，热效率高，排气污染少，噪音低，运转特性好，结构简单，维修方便等优点，并且在太阳能碟式发电系统中有着重要的应用，越来越受到人们的关注。

国外一些专家预言，21世纪将是斯特林发动机的

世纪。

1斯特林发动机的发展

1816年，罗伯特·斯特林（RobeStirling）发明了闭式循

环的热气机一一斯特林发动机。

在当年的第4081号专利

中，罗伯特·斯特林在历史上第一次描述了回热器的结构和

应用，并对第一台闭式循环热气机的构造进行了描述

斯特林发动机是一种外部燃烧（加热）的封闭式活塞发

动机。

自罗伯特·斯特林于1816年发明斯特林循环以来，限于当时条件，大部分发动机的功率和效率都很低，逐渐被

比其发明晚半个多世纪的内燃机所替代。

1916年最后一台

老式斯特林发动机出厂，斯特林发动机的发展告一段落[13J

近几十年来，随着能源问题和污染问题日益突出，以及

斯特林发动机的一些关键技术问题的解决和它所特有的优

点，因而受到了国内外的广泛关注。

20世纪30年代到60

代，现代斯特林发动机的鼻祖一一荷兰的菲利普公司开创了

现代斯特林发动机发展的新阶段。

之后经过通用发动机公

司、福特汽车公司、瑞典联合热气机公司的不断发展，在包括

美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本等主要工业国家政府的

资助下，在碟式太阳能热发电、制冷和热泵等领域取得重要

进展。

我国的某些研究机构也在20世纪70年代中期开始

研究斯特林发动机，并在碟式太阳能热发电领域取得一定

成果

2斯特林的国内外研究现状

Kaushik对不可逆斯特林发动机进行了有限时间热力学分析。

分析指出，在不考虑各种损失和回热器效率为1条件下种循环的效率等于卡诺循环的效率，同时还指出了回热器的效率不会影响发动机的输出功率。

Halit指出工质的泄露对斯特林发动机的性能有着重要的影响。

Koi-chi建立以一个斯特林发动机原型为基础，在标准状态和无负载的情况下，用空气作为工质进行试验，最后得出：

提高换热器性能、降低机械损失对提高斯特林发动机的性能是十分有效的。

Nezaket基于UrieliandBerchowitz’s规则，用热力学原理中稳流分析法分析了γ型斯特林发动机的运行特性。

Bancha和Thombare

分别研究了低温差的斯特林发动机在太阳能热发电中应用的可行性方法，并指出立式双作用往复式γ型斯特林发动机在未来的太阳能热发电中有巨大潜力。

Tlili采用平均温差的斯特林发动机模型，研究了基于碟式系统用斯特林技术的太阳能热发电系统，该系统假设接收器的温度为20℃，温差为300℃。

在初始设计阶段，根据完整模型换热器中能量损失和压降损失的最优状态确定临界参数，并根据最优化原理指出了在给定的温差、运行频率和死区容积下，功率最大时有确定的最佳扫气容积。

William证明了斯特林发动机比火花塞发动机可节约燃料10%～30%。

USPS（unitedstatespostalservice）测试LLV（long-lifevehicle）的数据表明斯特林发动机的理想节能空间可达30%。

JGaryWood用完整的线性变换方法设计了应用于空间供能的改进型35W自由活塞式斯特林发动机，特别指出了它有很高的热电转换效率（卡诺效率的50%）和功率系数（100W/kg）。

我国对斯特林发动机的研究起步较晚，但发展速度比较快，

特别是1984年6月，在上海举行了“第二届国际斯特林发动机会议”之后，我国的斯特林发动机的研究工作出现了新的局面。

吴沛宜提出了五部件绝热气缸模型，考虑热交换器的效率及其死区容积的影响，运用变质量系统热力学理论和数值方法，分析了实用的斯特林循环，并求出循环内各热参数的瞬时变化和一个循环的平均参数。

李修宝建立了以一维不定常可压缩气体流动理论为基础的斯特林发动机工作循环数学模型。

严子浚研究了受热阻、热漏和回热损失3种主要不可逆因素影响的斯特林热机的优化性能，导出了热机的基本优化关系及功率和效率界限。

杨征分析了四缸双作用斯特林发动机工作过程中存在的各种流动阻力损失和热量损失，建立了适用于模拟四缸双作用斯特林发动机性能的模型，

并应用拟牛顿法和惩罚函数法实现了对最优化模型的求解，

设计了输出功率从5kW到25kW的四缸双作用斯特林发动机，对斯特林发动机的结构参数进行优化。

朱榜荣建立了考虑热漏、回热损失等不可逆因素的循环平均传热模型，并用功率优化法和生态学优化法进行系统优化，得到了不同优化目标下的最佳工质温度比及最佳换热面积比。

同时对斯特林机进行仿真研究，采用C++Bulider编写算法程序对斯特林机进行仿真试验。

高瑶采用接近实际应用的等温模型对斯特林发动机进行建模，分别考虑了斯特林发动机中存在的3种流动阻力引起的功率损失和8种热损失引起的效率损失，并对5kW点聚焦太阳能斯特林发电系统进行了性能分析。

3斯特林发动机的循环

斯特林发动机通常分为5个部分：

热腔（膨胀腔）、加热

器、回热器、冷却器和冷腔（压缩腔）。

热腔和加热器处于循环的高温部分，通常称它们为热区。

冷腔和冷却器处于循环的低温部分，称为冷区。

斯特林循环的工作过程是：

工质被密封在一个闭合回路中，依靠活塞的协调运动从而实现在回路中流动。

其理想循环为：

压缩腔中的等温压缩过程，回热器中的等容加热过程，

膨胀腔中的等温膨胀过程以及回热器中的等容冷却过程。

图2、3分别是理想斯特林循环4个过程的P－V图和T－S图。

4斯特林循环的分析方法

特林发动机的结构形式多种多样，但在理论上都是按斯特林循环进行工作的。

根据马提尼的命名规则，斯特林循环的分析法可以分为零级分析法、一级分析法、二级分析法、三级分析法和四级分析法5类。

零级分析法。

零级分析法并没有对斯特林循环进行分析，而是根据斯特林发动机的实验结果引入经验因子，归纳出斯特林发动机实际功率及效率的经验关系式。

该方法简单实用，一般可用于定性分析，不合做斯特林发动机的优化设计。

Carlquist和Beale对零级分析法的应用及发展做出了重要贡献

2）一级分析法。

一级分析法又称等温分析法，是最基本

的斯特林循环分析方法。

该方法主要假设热腔和冷腔工质的循环温度恒定，

通过理论分析可以推导出斯特林发动机功率和效率的解析解。

Schmidt首先应用一级分析法，以α斯特林发动机为模型，根据质量、能量守恒定律和理想气体状态方程对斯特林发动机进行了理论研究。

但由于一级分析法的等温假设过于理想，不符合实际情况，因而存在较大的理论误差，一般只用于定性分析。

3）二级分析法。

二级分析法假设热腔和冷腔内的工质

温度在循环的过程中是变化的。

因此基于二级分析法所建的数学模型一般为常微分方程组，结合理想气体状态方程以及边界条件可进行数值求解。

最常用的二级分析法是绝热分析法。

相对一级分析法而言，二级分析法更接近实际，具有更为重要的应用价值。

4）三级分析法。

三级分析法又称为节点分析法，由Finkelstein首先完成。

Urieli、Gedeon、Martini等对其进行了深入补充，并编成了软件进行模拟。

三级分析法是对工质作一维流动假设，在每个节点处对工质的传热和气体动力学过程用质量、动量和能量守恒的偏微分方程进行描述。

三级分析法解决了一级分析法和二级分析法的空间误差问题，得到了广泛的应用和发展

5）四级分析法。

四级分析法又称为多维CFD分析法，是在三级分析法的基础上将维数增加到二维甚至是三维，其

计算过程极其复杂，往往需求于商业化的CFD软件。

多维CFD分析法已成功应用于内燃机和燃气轮机的设计，但在斯特林发动机上的应用还很不完善，因为到目前为止，多维CFD在两相流上的应用还很困难。

尽管如此，由于四级分析法的精度比较高，作为研发的重点，随着各种辅助工具的不断改善，四级分析法终将成为斯特林循环的主要分析法。

5斯特林发动机的特点及应用

斯特林发动机是外燃机，及传统的内燃机相比主要有以

下几个方面的优点：

1）燃料来源广。

斯特林发动机对燃料的适应性很强，可用燃料除了煤、石油、天然气、化石燃料外，还包括太阳能、原子能、化学能，以及木材、秸秆等农林废弃物燃烧所放出来的能量。

此外，斯特林发动机还可以用来回收各种分散或低品位的热能。

2）热效率高。

理想斯特林循环由两个等温过程和2个等容过程组成，其理论循环效率等于相同状态下的卡诺效率。

实验表明，斯特林发动机的实际有效效率能达到32%～40%，最高可达47%。

3）排气污染小。

由于斯特林发动机的燃烧过程是连续的，空气燃烧比的变化对效率和功率的影响都很小，所以斯特林发动机可以在足够的空气下运转，

燃料的燃烧值比较高，和内燃机相比，大大降低了废气中CO、HC等有害气体的含量。

4）噪音低。

斯特林发动机没有气阀机构且工质在汽缸内的压力变化类似于正弦，并且没有燃烧产生的爆震和排气波，因而斯特林发动机运转比较平稳，噪音比较小。

如STM生产的50kW的斯特林发动机，其裸机工作时在1m处的噪音低于75dB。

5）运转特性好。

由于斯特林发动机中最大压力及最小压力之比一般小于2，因此，其扭矩比较均匀、运转比较平稳。

此外，斯特林发动机的超负荷能力强，在超负荷50%的情况下仍然能正常运转，相对于内燃机5%～15%的超负荷能力具有更好的运转特性。

6）结构简单，维修方便。

斯特林发动机的结构简单，比内燃机少40%的零部件。

例如，自由活塞式斯特林发动机只有三大部件：

密封的汽缸和2个活塞，没有容易出故障的气阀机构、高压喷油系统和需要良好润滑的活塞环，便于保养维修。

文献着重介绍了斯特林发动机在我国民用特别是农村的应用潜力。

文献详细介绍了斯特林发动机在低品味能源中的应用，其理论价值和实际意义都值得我们做进一步的研究。

斯特林发动机在太阳能热发电领域有着重要的应用。

用斯特林发动机作为动力系统的太阳能热发电技术，在美国和澳大利亚等国家已经取得了实质性的突破，很多实验电站已经运行多年。

大规模的商业运行电站也正在建立。

2005年8月11日，SCE公司（SouthernCaliforniaEdison）司和SES公司（StirlingEnergySystems，

Inc．）宣布签订20年采购协议，由SES公司在美国洛杉矶东北莫哈韦沙漠地区采用碟式斯特林发电系统建造一座500MW并逐步扩大到850MW的太阳能热发电站。

该电站预计将由20，000个碟式斯特林发电系统组成，占地4500英亩（18平方公里），这是太阳能光碟/斯特林发动机技术在商业发电领域第一次大规模应用。

2005年10月12日，SES公司宣布及SDG＆E公司（SanDiegoGas＆Electric）签订提供300～900MW太阳能电力合同，这大约是圣地亚哥地区现在太阳能发电能力的30倍。

目前SAIC（TheScienceApplicationsInternationalCorporation）又和美国Sandia国家实验室联合开发商用25kW太阳能热电系统，计划在5年时间内分3个阶段将56座碟式斯特林发电系统安装和示范于全美各州电能利用基地。

6展望

近年来，斯特林发动机的研究在世界领域取得了突破性进展，能源危机更增加了世界各个国家对斯特林发动机的重视程度，进一步加快斯特林发动机的发展速度。

由于斯特林发动机得天独厚的优势，以及各种新材料新技术的出现，斯特林发动机必将代替内燃机为21世纪提供主要动力。

尽管我国斯特林发动机的研究起步比较晚，但我国的研制力和研制水平的进展速度很快，受到了国际斯特林发动机界的注

目。

权威人士预言，我国在这一领域将会发挥巨大的作用。

斯特林发动机如用于太阳能热发电，将促进太阳能作为符合

可持续发展的绿色能源的利用。

斯特林发动机的广泛应用，必将使我国的能源利用效率得到大幅度提高，无论是对环境保护还是节能减排，都有着非常重要的积极意义，也将会为我国的经济又好又快的发展提供充足动力。

参考文献：

1钱国柱，周增新，严善庆．热气机原理及设计［M］．北京：

国防工业出版社，1987．

2吴沛宜，林碧龙．斯特林循环的计算机模拟分析及实验研究［J］．西安交通大学学报，1988，22（4）：

81－88．

3李修保．斯特林发动机工作过程仿真［D］．辽宁：

沈阳航空工业学院，2009

4严子浚，苏国珍．斯特林热机的基本优化关系及功率和效率界限工程热物理学报，1999，20（5）：

545－548．