關(guān)于V型斯特林引擎的研究

何永旭　王悅祺　熱比古麗　徐亞

摘要：本課題根據(jù)了“上海大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽”的主題“綠色環(huán)保、再生能源”要求進(jìn)行的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和小車的設(shè)計(jì)。達(dá)到了能量轉(zhuǎn)換僅僅靠一種燃料連續(xù)燃燒的V型雙缸斯特林引擎裝置，基本機(jī)械結(jié)構(gòu)自主設(shè)計(jì)，氣缸最大缸徑不超過(guò)Φ20mm，采用酒精加熱箱燃燒高純度乙醇來(lái)獲得能量。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

一、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀

Kaushik對(duì)不可逆斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了有限時(shí)間熱力學(xué)分析。分析指出，在不考慮各種損失和回?zé)崞餍蕿?條件下 種循環(huán)的效率等于卡諾循環(huán)的效率，同時(shí)還指出了回?zé)崞鞯男什粫?huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。 Halit 指出工質(zhì)的泄露對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著重要的影響。Koi-chi建立以一個(gè)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)原型為基礎(chǔ)，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和無(wú)負(fù)載的情況下，用空氣作為工質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，最后得出：提高換熱器性能、降低機(jī)械損失對(duì)提高斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的性能是十分有效的[1]。

二、斯特林引擎的基本工作原理及介紹

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理：

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸由兩部分組成一部分是熱腔，另一部分叫做冷腔，介質(zhì)在溫度較低的冷腔中被壓縮，隨后進(jìn)入高溫?zé)崆槐蝗紵娜剂霞訜幔w積膨脹進(jìn)行做工。燃料持續(xù)燃燒[3]。

斯特林循環(huán)的四個(gè)步驟：

①定溫壓縮過(guò)程：配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)位置，活塞則從下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)從而壓縮工作介質(zhì)，工質(zhì)經(jīng)過(guò)冷卻系統(tǒng)時(shí)將相應(yīng)的熱能通過(guò)空氣進(jìn)一步釋放到空氣中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)到達(dá)它的上止點(diǎn)時(shí)壓縮過(guò)程至此結(jié)束。

②定容回?zé)徇^(guò)程：此時(shí)活塞位于最高點(diǎn)附近，氣門下行這樣使得冷艙內(nèi)的氣體重新經(jīng)過(guò)回流器返回帶加熱的熱艙，此時(shí)介質(zhì)溫度相對(duì)較低，吸收熱艙內(nèi)的熱量，溫度重新升高。

③定溫膨脹過(guò)程：配氣氣門迅速下行，工質(zhì)被加熱器加熱溫度迅速上升，隨后再加熱腔中體積變大，壓力增高推動(dòng)活塞向下移動(dòng)，此時(shí)對(duì)外作功，輸出動(dòng)力。

④定容儲(chǔ)熱進(jìn)程：動(dòng)力活塞保持起止點(diǎn)四周的位置，配氣活塞上行，介質(zhì)經(jīng)過(guò)加熱腔返回冷腔中，回?zé)崞鹘邮展べ|(zhì)的熱量，介質(zhì)溫度降低至冷腔溫度[9]。

三、斯特林引擎零部件介紹

1.發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸設(shè)計(jì)。本氣缸設(shè)計(jì)借鑒了已有單缸吸火斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸，得出了現(xiàn)有的尺寸和材料選擇要求。氣缸的主要尺寸為外徑：35mm，內(nèi)缸直徑：18mm，因?yàn)闅忾T的特殊性，它與氣缸的結(jié)合是光滑金屬面的接觸，所以在氣缸的一側(cè)銑出一個(gè)深度為7mm的平面，在該平面上，開一個(gè)長(zhǎng)度為12mm寬度為6mm的腰孔，該孔為氣缸進(jìn)氣口。斯特林氣缸采用了黃銅作為材料，進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，黃銅散熱條件好，易加工，缸體由一整塊黃銅切割成型缸體上切割7個(gè)深度為4mm，寬度為2.4的深槽，以提高散熱能力，如圖：

2.連桿設(shè)計(jì)。因?yàn)闅忾T屬于高速運(yùn)動(dòng)件，氣門機(jī)構(gòu)其實(shí)是由及部分組合而成首先與活塞接觸的是氣門滑塊，該部分是由長(zhǎng)度為16mm寬度為10mm的黃銅制作而成，與金屬片相連，該金屬片是鋼片具有彈性好，強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，鋼片的尺寸選擇要求不高，符合相應(yīng)的主要零件尺寸就可以，與鋼片相連的是一根中控的高強(qiáng)度鋼管，該鋼管長(zhǎng)度為28mm外置彈簧，內(nèi)孔為3mm螺紋，鋼管下部鏈接的是滑塊，該滑塊起到導(dǎo)向作用，因此中間開有長(zhǎng)度為16mm快讀為5mm的腰孔，方便主軸承的通過(guò)，所以氣門材料選擇要求高，本次設(shè)計(jì)采用低碳鋼、鈦合金等硬度大，耐磨性好的材料。如圖：

3.活塞及連桿設(shè)計(jì)?；钊B桿機(jī)構(gòu)由四部分組成，分別是活塞，活塞內(nèi)襯，活塞銷和連桿組成，該活塞的設(shè)計(jì)與內(nèi)燃機(jī)活塞完全不同，該活塞外徑為18mm與氣缸配合要求非常高，最大的不同是活塞的中間開有4mm的螺紋孔，用來(lái)連接活塞內(nèi)襯，通過(guò)活塞內(nèi)襯的旋入深度調(diào)整活塞的位置，活塞內(nèi)部開有10mm的孔，連桿的設(shè)計(jì)依據(jù)活塞，選材上，使用強(qiáng)度較高的低碳鋼，長(zhǎng)度為60mm厚度為3mm兩邊的開孔都是3mm，其中鏈接用的活塞銷使用的是低碳鋼材料，長(zhǎng)度為9mm直徑為2mm，活塞內(nèi)襯通過(guò)頂部的螺紋鏈接在活塞上。

四、斯特林引擎的組裝

除了上述所提到的零件設(shè)計(jì)，還有設(shè)計(jì)了其他零部件，如燃料箱的支架，曲柄機(jī)構(gòu)，主軸承，適用于新型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的螺絲，固定氣缸、支架、氣門軸承的內(nèi)螺絲等，因?yàn)槠邢?，沒(méi)有一一描述設(shè)計(jì)過(guò)程，但是相應(yīng)的三維模型已經(jīng)建立，完成所有零件的三維建模以后，利用CATIA三維建模軟件中的裝配模塊，將所有的42個(gè)零件進(jìn)行裝配，如圖

參考文獻(xiàn)：

[1]裴鑫智. 開展大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的意義--以無(wú)碳小車的改進(jìn)為例[D].山西太原，2015

[2]李寶華，胡志勇.在虛擬樣機(jī)下自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì).[D].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士論文，2009

[3]徐維錚，鄭衛(wèi)剛，等.基于熱能和光能的野外發(fā)電裝置設(shè)計(jì)[M].湖北科技出社，2013