斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用研究

伍賽特

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 上海 200438）

0 引言

瓦特所改良的蒸汽機(jī)開(kāi)創(chuàng)了工業(yè)革命的新時(shí)代， 但當(dāng)時(shí)的蒸汽工作很不安全，汽缸經(jīng)常發(fā)生爆炸，而且在膨脹終了，由于蒸汽在汽缸壁上冷凝， 低熱損失增大， 蒸汽機(jī)的效率很低。 在這種情況下有人設(shè)想，如果以不會(huì)冷凝的燃?xì)饣驘岬目諝鈦?lái)代替蒸汽就能提高機(jī)器的效率。 這樣，在18 世紀(jì)末和19世紀(jì)初，出現(xiàn)了各種各樣的用熱的氣體作工質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，有的用燃?xì)饪諝獾幕旌蠚猓械挠眉恿藷岬目諝狻?/p>

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是熱氣機(jī)中的一類(lèi)，由蘇格蘭人羅伯特·斯特林發(fā)明于1816 年。 在19 世紀(jì)，曾有數(shù)千臺(tái)熱氣機(jī)在歐美地區(qū)得以投入使用。 但是，由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有良好的耐熱材料，同時(shí)對(duì)這種機(jī)器的特性也不甚了解， 用青銅和鑄鐵作主要材料的熱氣機(jī)的功率和效率也不比蒸汽機(jī)高， 最后被在蒸汽機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的活塞式內(nèi)燃機(jī)所淘汰［1-2］。

由于能源和環(huán)保問(wèn)題和技術(shù)水平的不斷提升， 近幾十年來(lái)，對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的重視程度與日俱增。 自20 世紀(jì)80 年代起，荷蘭的菲利浦公司開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展工作，使斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的面貌為之一新［3］，引起了不少?lài)?guó)家的注意和興趣。 現(xiàn)在，中、美、蘇、英、日、德、法、加拿大以及北歐的一些國(guó)家都在不同程度上投入了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展工作， 研制出各種不同用途的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)， 其中包括車(chē)用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、燃煤的固定式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電站、太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電站， 還有用放射性同位素作熱源的完全植入式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)人造心臟動(dòng)力源、 水下用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和農(nóng)用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等［4］。

我國(guó)也于20 世紀(jì)70 年代正式開(kāi)展了針對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展工作。 目前，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)也已被列入國(guó)家科委的發(fā)展計(jì)劃。

1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種外燃機(jī)， 是在較低的溫度和壓力下壓縮工質(zhì)并在較高的溫度和壓力下膨脹做功的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。 膨脹功由外部熱源通過(guò)加熱器供給， 壓縮熱由冷卻器導(dǎo)出；工質(zhì)是循環(huán)使用的，它在一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束后并不排出機(jī)外，而又重新參與新的循環(huán)。 所以，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是閉式循環(huán)活塞式外燃機(jī)。

2 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

按斯特林熱力循環(huán)工作的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，具有諸多優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)擇要介紹如下。

2.1 適應(yīng)于燃用多種燃料

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)它的外部燃燒加熱系統(tǒng)無(wú)特殊的要求，凡是能連續(xù)發(fā)熱的、且溫度在300 ℃以上的任何發(fā)熱裝置均可作為它的外部熱源。 它既可以用普通的液態(tài)燃料（柴油、汽油、寬餾份油、酒精等）、氣態(tài)燃料（甲烷、丙烷、煤氣、天然氣和氫氣等）和固態(tài)燃料（煤、木柴及農(nóng)業(yè)“廢物”等）工作，也可采用諸如太陽(yáng)能、核能和化學(xué)能工作。 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種能源來(lái)源多樣的發(fā)動(dòng)機(jī)，是真正的多種燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.2 較高的轉(zhuǎn)換效率

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的理想循環(huán)效率為卡諾效率， 而卡諾效率是熱力循環(huán)的最高效率。 但由于存在各種各樣的損失，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)效率約為卡諾效率的70%～80%。 考慮了外燃系統(tǒng)效率和機(jī)械效率后， 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率約為卡諾效率的55%～65%。 例如，車(chē)用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)的效率為33%～36%，部分負(fù)荷時(shí)的效率則高達(dá)37%～42%，一定程度上優(yōu)于同類(lèi)型車(chē)用內(nèi)燃機(jī)， 船用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的最低循環(huán)溫度低于車(chē)用內(nèi)燃機(jī)，因而它具有較高的卡諾效率，有效效率也就更高。

2.3 良好的環(huán)境特性

當(dāng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)采用柴油或汽油工作時(shí)， 由于燃料是在接近大氣壓的壓力下連續(xù)燃燒的，因而燃燒完全，排氣中的有害成分較低，明顯低于當(dāng)前最嚴(yán)格的要求標(biāo)準(zhǔn)。 如果斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)采用蓄熱器、太陽(yáng)能和化學(xué)反應(yīng)熱能工作時(shí)，便不會(huì)產(chǎn)生排氣污染。

與內(nèi)燃機(jī)相比，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)因沒(méi)有氣閥機(jī)構(gòu)［5］、高壓油泵、增壓器、燃油的劇烈燃燒，以及高壓差下的排氣和活塞的敲缸現(xiàn)象，所以斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲同樣較低。 未經(jīng)噪聲處理的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲一般為70 dB（A）左右，有的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲甚至低到45 dB（A）～55 dB（A）。 在一般情況下斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣噪聲比內(nèi)燃機(jī)低10 dB（A）～20 dB（A），結(jié)構(gòu)噪聲則低約20 dB（A）～45 dB（A）。

2.4 出色的運(yùn)行特性

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的壓力變化平緩，近似于正弦波，最大壓力與最小壓力的比值一般均小于2， 故扭矩極其均勻。 4缸斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩不均勻度一般為0.05～0.09［6-7］。

此外，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍較大，最高轉(zhuǎn)速和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之比值通常為7～10， 因?yàn)閹缀鯖](méi)有什么因素限制斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的最低轉(zhuǎn)速，只要軸承負(fù)荷允許的話(huà)，轉(zhuǎn)速可以設(shè)計(jì)得很低。 在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)扭矩的變化較均勻，這是柴油機(jī)和汽油機(jī)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)均能產(chǎn)生高扭矩， 低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩特性完全可以與活塞式蒸汽機(jī)相媲美。

2.5 超負(fù)荷能力強(qiáng)、工作可靠且維護(hù)簡(jiǎn)易

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的超負(fù)荷能力較強(qiáng)，能在150%的額定負(fù)荷下作短期運(yùn)轉(zhuǎn)［8］。相比之下，內(nèi)燃機(jī)的超負(fù)荷能力較小，僅能超載10%～15%。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠， 因?yàn)樗鼪](méi)有易產(chǎn)生故障的氣閥機(jī)構(gòu)、高壓噴油系統(tǒng)和需要良好潤(rùn)滑的活塞環(huán)。 一般地說(shuō)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的唯一不可靠因素是活塞桿和活塞的密封，特別是活塞桿密封。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)唯一需要潤(rùn)滑的是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 活塞和氣缸是不能用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的。 所以，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑油可長(zhǎng)期使用，潤(rùn)滑油中的唯一污染物是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副產(chǎn)生的磨屑，燃?xì)膺h(yuǎn)離潤(rùn)滑系統(tǒng)，絲亳不會(huì)污染潤(rùn)滑油。 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)比內(nèi)燃機(jī)更為簡(jiǎn)易。

3 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)狀和應(yīng)用

由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可以利用各種能源來(lái)進(jìn)行工作， 而且轉(zhuǎn)換效率高，環(huán)境特性好，致使斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)具很好的適應(yīng)性和適用性。 經(jīng)過(guò)許多科學(xué)家和有經(jīng)驗(yàn)的工程師的努力，人們已制成了功率只有數(shù)瓦的微型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)， 作為人造心臟的動(dòng)力源，這種微型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)正在逐步完善中。 人們也制成了功率為數(shù)十瓦至數(shù)百瓦的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電裝置， 其轉(zhuǎn)換效率比熱電裝置高1 倍～2 倍。 功率為數(shù)十千瓦的車(chē)用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的重量和尺寸指標(biāo)與車(chē)用內(nèi)燃機(jī)差不多， 而經(jīng)濟(jì)性則比同類(lèi)型車(chē)用內(nèi)燃機(jī)更為優(yōu)越，經(jīng)濟(jì)性提高了40%～100%。同樣， 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)還可用作機(jī)車(chē)船舶和固定式發(fā)電站的動(dòng)力。 下文重點(diǎn)介紹車(chē)用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、燃煤的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作簡(jiǎn)單介紹。

3.1 車(chē)用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)用于轎車(chē)動(dòng)力時(shí)可充分滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。 當(dāng)其用作貨車(chē)和城市客車(chē)動(dòng)力裝置時(shí)［9］，雖然尺寸和重量指標(biāo)的要求都不如轎車(chē)動(dòng)力裝置那樣嚴(yán)格， 但其面臨的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是效率較高的車(chē)用柴油機(jī)。 由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)能符合環(huán)保要求和具有較高經(jīng)濟(jì)性， 在這2 方面它完全可以與柴油機(jī)匹敵。

以蓄熱器式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力裝置的車(chē)輛有著較好的環(huán)保性能。 其可利用氟化鋰作蓄熱材料，對(duì)其進(jìn)行加熱后即會(huì)熔解，并充分吸收了熱能，對(duì)氟化鋰進(jìn)行冷卻并輸出熱能來(lái)推動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作， 這種斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)就叫蓄熱器式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。

蓄熱器式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)具有較好的環(huán)保性能——安靜且無(wú)排氣污染。 然而就運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性而論，蓄熱器式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)明顯優(yōu)于純電動(dòng)汽車(chē)。

3.2 燃煤的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

為了降低對(duì)石油能源的依賴(lài)程度， 可增大對(duì)煤這類(lèi)一次能源的利用程度。 在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)直接燃煤，困難極大，因?yàn)槊褐械牧蚍趾突曳謱?duì)機(jī)器零部件的腐蝕和磨損幾乎會(huì)達(dá)到難以接受的程度。 對(duì)煤進(jìn)行細(xì)化和提純，要消耗頗大的能量。 所以?xún)?nèi)燃機(jī)如能燃煤，充其量也只能取得節(jié)油不節(jié)能的效果。 相反，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)能直接燃煤，并具有很高的轉(zhuǎn)換效率。

大功率燃煤斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，因具有很高的轉(zhuǎn)換效率，可以作為電站、泵站、綜合供能系統(tǒng)、機(jī)車(chē)和船舶的動(dòng)力。 機(jī)組的功率范圍一般為數(shù)十兆瓦，該功率范圍的適用性最大，從而有著樂(lè)觀的市場(chǎng)前景。

大功率高效率燃煤斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)將由3 部分組成， 即煤的燃燒裝置、傳熱裝置和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電裝置。 煤燃燒系統(tǒng)可采用流化床燃燒系統(tǒng)， 因?yàn)檫@種燃煤系統(tǒng)不僅具有較高的燃燒效率，且排氣污染較低，可以燃燒劣質(zhì)煤和工農(nóng)業(yè)的可燃廢物。現(xiàn)代流化床燃燒系統(tǒng)的效率一般在80%左右。常壓式流化床燃燒技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展比較迅速， 并有著較高的技術(shù)水平。

流化床燃燒系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量通過(guò)其傳熱系統(tǒng)被送至斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。傳熱系統(tǒng)一般采用鈉熱管或氦氣循環(huán)回路。用鈉熱管時(shí)的傳熱效率基本上可達(dá)到100%，氦循環(huán)回路的傳熱效率在95%左右。 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用雙作用式結(jié)構(gòu)的機(jī)體，并用氦氣作工質(zhì)［10］。

燃煤斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電裝置的制造成本較高， 明顯高于普通的柴油發(fā)電裝置。 但由于煤與油之間的差價(jià)，其發(fā)電成本仍較低， 故所支付的設(shè)備成本費(fèi)用可望在3.5 年～4 年內(nèi)得到全部補(bǔ)償。

燃煤斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命為數(shù)十年， 主要零部件的壽命不低于數(shù)萬(wàn)小時(shí)。 發(fā)展燃煤斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵是流化床燃燒系統(tǒng)和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞桿密封， 如能順利解決以上2個(gè)問(wèn)題，則能生產(chǎn)高性能的燃煤斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。

3.3 太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可用于農(nóng)業(yè)灌溉和發(fā)電。 由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換效率高，已成為硅太陽(yáng)能電池的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。 依靠斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電的功率成本明顯低于硅太陽(yáng)能電池的峰值功率的成本。 太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的水泵國(guó)外已有生產(chǎn)，太陽(yáng)能大功率斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的電站也已在發(fā)展中。

4 結(jié)論及展望

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為一類(lèi)高效、環(huán)保的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，既有著深厚的歷史底蘊(yùn)，又有著全新的發(fā)展機(jī)遇。 考慮到當(dāng)前日益嚴(yán)峻的能源與環(huán)保問(wèn)題， 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在未來(lái)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及工農(nóng)業(yè)建設(shè)中，將會(huì)起到重要作用。