低溫差斯特林發(fā)動機(jī)的研究與制造

何章昆 杜長博 解峰 王群 艾小軍 王炫 于軍力

摘 要：介以斯特林熱力循環(huán)為理論基礎(chǔ)，設(shè)計并制造一種外燃式低溫差條件下工作的斯特林發(fā)動機(jī)。通過機(jī)加工工藝及3D打印技術(shù)的途徑，設(shè)計并制造相關(guān)零部件，最終制造出以清潔能源為動力的斯特林發(fā)動機(jī)，并將其應(yīng)用到實際的生活和生產(chǎn)中以實現(xiàn)清潔能源的收集和廢熱的再利用。

關(guān)鍵詞：清潔能源 低溫差 斯特林循環(huán) 斯特林發(fā)動機(jī)

中圖分類號：TK46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）6（c）-0114-02

21世紀(jì)我們面臨著資源困乏，環(huán)境污染嚴(yán)重的社會現(xiàn)狀。隨著全球能源危機(jī)的發(fā)展與環(huán)境的惡化，人們清楚地認(rèn)識到開發(fā)利用新能源的重要性。該文介紹了一種外部燃燒（加熱）的封閉式活塞發(fā)動機(jī)，其優(yōu)點有噪音低、效率高、污染小、維修方便和燃料來源廣等。該發(fā)動機(jī)可以作為一種高效的、清潔的動力機(jī)應(yīng)用在多個領(lǐng)域中，并且在環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排方面有著重要的意義。斯特林發(fā)動機(jī)的燃料來源廣、對燃料的適應(yīng)性強，不僅可以使用天然氣、石油、煤等作為能源，還可以使用化學(xué)能、原子能、太陽能以及燃燒秸稈、木材等農(nóng)林廢棄物時產(chǎn)生的熱能。另外，斯特林發(fā)動機(jī)具有很高的熱效率，理論上來說，斯特林循環(huán)效率和同等狀態(tài)下的卡諾效率相等。

該課題就是計并制造一種外燃式低溫差條件下工作的斯特林發(fā)動機(jī)，利用太陽能或者其他廢熱來驅(qū)動斯特林發(fā)動機(jī)，再給其配上發(fā)電裝置實現(xiàn)電力的輸出，目前制造出來的原型機(jī)功率最大可以達(dá)到2W，可以實現(xiàn)為手機(jī)等移動設(shè)備充電。

1 設(shè)計及原理

1.1 斯特林循環(huán)

斯特林發(fā)動機(jī)包括冷腔（壓縮腔）、冷卻器、熱腔（膨脹腔）、回?zé)崞?、加熱?部分。冷腔和冷卻器是循環(huán)的低溫部分，一般稱為冷區(qū)。熱腔和加熱器是循環(huán)的高溫部分，稱為熱區(qū)。斯特林循環(huán)的工作流程為：首先把工質(zhì)密封在閉合回路中，隨后通過活塞運動使回路進(jìn)行流動。理想的循環(huán)是回?zé)崞髦械牡热堇鋮s過程、膨脹腔中的等溫膨脹過程、回?zé)崞髦械牡热菁訜徇^程、壓縮腔中的等溫壓縮過程。（見圖1、圖2）

由此可見，熱氣機(jī)的理想循環(huán)是由兩個定溫過程和兩個定容過程組成。斯特林循環(huán)也是概括性卡諾循環(huán)的一種，其熱效率

1.2 動力輸出裝置

此部分是用來收集斯特林發(fā)動機(jī)所輸出的動力，在本項目中采用發(fā)電裝置來收集動力。在斯特林發(fā)動機(jī)后面安裝一個發(fā)電機(jī)，用斯特林發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電可通過萬用表測量或者通過燈泡來顯示，也可以收集儲藏起來。

2 儀器設(shè)計與實現(xiàn)

本課題設(shè)計一種γ型的單杠斯特林發(fā)動機(jī)。利用caxa畫出設(shè)計圖，設(shè)計和制作的各部分零件圖紙。（見圖3、圖4、圖5）

3 制作過程中遇到的問題與解決辦法

設(shè)計過程中一些零件的精度不明確，通過與加工廠的技術(shù)部門商量和討論最終解決了各部件的精度問題，重點解決了活塞腔的問題。

原型機(jī)啟動時間比較長，在車去熱源的時候很快就停下來，經(jīng)過分析和查找資料確定是熱腔和冷腔活塞之間的換氣通道太小，換氣流量達(dá)不到要求，經(jīng)過改善后，啟動時間由原來的5 min縮短為3 min，撤去熱源后機(jī)器可以持續(xù)的運轉(zhuǎn)直至停止。

實驗熱源不好模擬，經(jīng)過實際調(diào)研發(fā)電廠廢熱溫度自制一個小型鍋爐達(dá)到實驗的目的，溫度差大概300℃。

4 斯特林發(fā)動機(jī)的特點及應(yīng)用

斯特林發(fā)動機(jī)是一種外燃機(jī)，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行比較，有以下幾個優(yōu)點。

（1）燃料來源廣。該發(fā)動機(jī)可以適應(yīng)多種燃料，在實驗中項目組采用了天然氣，乙炔，石油，酒精四中燃料進(jìn)行實驗，其中乙炔效果最好，石油次之，但是四中燃料皆可以使機(jī)器實現(xiàn)連續(xù)工作。

（2）與內(nèi)燃機(jī)相比，具有較高的熱效率。理想的斯特林循環(huán)包括由2個等容過程、2個等溫過程，理論上來說，循環(huán)效率和同等狀態(tài)下的卡諾效率一樣。由實驗知，該發(fā)動機(jī)的有效效率為30%，最高可以達(dá)到36%。

（3）排氣污染小。實驗時都是在外界大氣中直接燃燒，空氣流量足夠，燃燒充分，排放的CO、HC等有害氣體幾乎很少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于內(nèi)燃機(jī)排放的有害氣體。

（4）運轉(zhuǎn)穩(wěn)、噪音小。斯特林發(fā)動機(jī)不含有氣閥機(jī)構(gòu)，工質(zhì)在汽缸內(nèi)的壓力變化與正弦類似，而且沒有排氣波和爆震波，因而該發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)穩(wěn)，噪音小。在實驗中裸機(jī)工作時在其周圍1 m處的噪音低于50 dB。

（5）結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。斯特林發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，實驗制作的斯特林發(fā)動機(jī)主要由三大部件：密封的汽缸，高溫端活塞和冷端活塞，且氣密性良好，運行過程中不易出現(xiàn)氣密性故障，在目前進(jìn)行的幾十次實驗過程中機(jī)器性能良好，至今未出現(xiàn)不良故障和現(xiàn)象。

5 儀器的發(fā)展展望

近年來，世界上的很多領(lǐng)域都在開展斯特林發(fā)動機(jī)的研究，特別是能源危機(jī)的出現(xiàn)，讓越來越多的國家開始重視斯特林發(fā)動機(jī)，從而推動了斯特林發(fā)動機(jī)的發(fā)展。

根據(jù)上文所述的斯特林發(fā)動機(jī)的優(yōu)勢，同時結(jié)合新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)，斯特林發(fā)動機(jī)一定會取代內(nèi)燃機(jī)而成為21世紀(jì)新的動力來源。雖然我國對于斯特林發(fā)動機(jī)的研究較晚，但是我國的研制水平和研制力發(fā)展很快，以及引起了國際上的關(guān)注。

權(quán)威人士認(rèn)為我國將在斯特林發(fā)動機(jī)的研究中起著重要的作用。如果在太陽能熱發(fā)電中應(yīng)用斯特林發(fā)動機(jī)，可以促進(jìn)把太陽能發(fā)展成為可持續(xù)發(fā)展的綠色能源的利用。由于斯特林發(fā)動機(jī)的應(yīng)用廣泛，因此可以大幅度的提高我國能源利用的效率，在保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排方面有著重要的意義，從而為我國更快、更好的發(fā)展經(jīng)濟(jì)提供動力。

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