車用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)研究

阿古達(dá)木

摘 要：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，又稱熱氣機(jī)，是一種外燃機(jī)，即依靠外部熱源對(duì)密封在機(jī)器中的氣體工質(zhì)加熱，使其不斷熱脹冷縮，進(jìn)行閉式循環(huán)，推動(dòng)活塞做功。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外燃方式無特殊要求，只要外部熱源的溫度高于機(jī)器中工質(zhì)的溫度即可，加熱方式靈活，既可以使用傳統(tǒng)的化石燃料，又可以使用太陽能、生物質(zhì)能。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率很高，在熱力學(xué)理論上等于同溫限下的概括性卡諾循環(huán)效率。

關(guān)鍵詞：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) 燃料 安全性

Abstract：The Stryn engine， also known as the hot air machine， is an external combustion engine， which relies on the external heat source to heat the gas working in the machine， making it expand continuously and shrink， and carry out the closed cycle to drive the piston to do the work. There is no special requirement for the external combustion mode of Stryn engine. As long as the external heat source temperature is higher than the working medium temperature of the machine， the heating mode is flexible， which can not only use traditional fossil fuel， but also use solar energy and biomass energy. Stryn engine thermal efficiency is very high， generally equal to Kano cycle efficiency under isothermal limit thermodynamic theory.

Key words： fuel safety of Stryn engine.

一、分析來源

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)最大的區(qū)別在于：在做功時(shí)，不是通過燃料在氣缸內(nèi)部瞬間氣化，然后以爆震的方式推動(dòng)活塞；而是依靠外部的熱源對(duì)熱膨脹氣缸中的工質(zhì)持續(xù)傳熱，使其不斷升溫升壓，然后推動(dòng)活塞做功。因此，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)較內(nèi)燃機(jī)平穩(wěn)，而且噪聲也小很多。這對(duì)現(xiàn)代汽車行業(yè)低噪音、多燃料綜合利用帶來了技術(shù)革新的思路。

二、可行性分析

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度小，暖機(jī)時(shí)間長，響應(yīng)慢，造成這個(gè)結(jié)果的原因就是因?yàn)樗峭馊紮C(jī)，然而汽車并不是以一定速度跑在路上，它要怠速、啟動(dòng)、減速、加速、制動(dòng)，工況變化非常大，以上問題使斯特林功率變化往往是趕不上這些變化的，但是汽車上沒有斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)也不是絕對(duì)的。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)就是完成各種能量轉(zhuǎn)換，是非常符合“動(dòng)力”這個(gè)概念的。汽車尾氣溫度很高，這也是很大的一部分能量，所以在排氣歧管處可裝有斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，這部分能量可直接送給斯特林而其轉(zhuǎn)換為機(jī)械能再連接一個(gè)小型發(fā)電機(jī)，再通過穩(wěn)壓升壓電路和蓄電池供給汽車照明等。

三、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)用于車用動(dòng)力要解決的問題

1、輸出功率和扭矩隨著道路需求快速可控，轉(zhuǎn)速滿足要求；

2、燃料選擇及燃油消耗及升功率要滿足經(jīng)濟(jì)型要求；

3、系統(tǒng)成本要低于內(nèi)燃機(jī)；

四、問題決絕路線

1、由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及輸出功率不能跟內(nèi)燃機(jī)一樣瞬間增減，反應(yīng)速度較為柔和的原因，不能直接作為動(dòng)力源來輸出。因此目前推薦的處理辦法是讓斯特林負(fù)責(zé)發(fā)電并通過電池儲(chǔ)存電能、再通過控制電機(jī)來控制車的動(dòng)能及轉(zhuǎn)速。這也就是把斯特林機(jī)難處理的事情轉(zhuǎn)移到了下一個(gè)環(huán)節(jié)去處理，并適合于汽車的實(shí)際轉(zhuǎn)速和動(dòng)力需求。但是這樣一來，整個(gè)系統(tǒng)成本會(huì)提高，可能導(dǎo)致效率和經(jīng)濟(jì)型打折扣。因此需要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型，然后跟傳統(tǒng)的燃?xì)馐絻?nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)型進(jìn)行對(duì)比。

2、為了跟傳統(tǒng)燃?xì)馐絻?nèi)燃機(jī)更有競(jìng)爭力，利用斯特林的外燃機(jī)特點(diǎn)，需要開發(fā)更為經(jīng)濟(jì)型的燃料。首先所選燃料是普遍易開采到，成本低廉、安全性高。目前有一種新技術(shù)叫做釷燃料。這種釷燃料動(dòng)力系統(tǒng)及方法，釷燃料動(dòng)力系統(tǒng)包括：熱力單元、發(fā)電單元與冷卻單元，熱力單元包括鍋爐與熱力發(fā)生器；鍋爐包括介質(zhì)腔與燃料腔，熱力發(fā)生器包括釷燃料和激光器，釷燃料放置于燃料腔中，燃料腔的腔壁設(shè)有開孔，激光器設(shè)置在腔壁的外側(cè)，激光器發(fā)出的激光能夠穿過開孔加熱釷燃料從而使釷燃料產(chǎn)生熱能，介質(zhì)腔容置液體介質(zhì)，其包括介質(zhì)輸入端與介質(zhì)輸出端；發(fā)電單元包括斯特林機(jī)與發(fā)電機(jī)，斯特林機(jī)與介質(zhì)輸出端相連通，斯特林機(jī)與發(fā)電機(jī)連接以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電；冷卻單元設(shè)置于斯特林機(jī)與介質(zhì)輸入端之間并且與二者分別連通。通過該技術(shù)提供動(dòng)力具有成本低、環(huán)保且更便捷的優(yōu)點(diǎn)。但是釷燃料本身的提煉過程及安全性方面也有很長一段時(shí)間的路要走。

3、Autonotive Stirling EngineMod II Design Report 中講解了某種型號(hào)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在轎車上的應(yīng)用實(shí)例。同時(shí)描述了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)等。但是畢竟是上個(gè)世紀(jì)80年代的產(chǎn)物，相對(duì)現(xiàn)在新的汽車領(lǐng)域中繼續(xù)對(duì)比生存，尋找優(yōu)越性的話要做的工作更多。比如升功率提高、效率提高、工況靈活性應(yīng)對(duì)能力方面的匹配技術(shù)等等都是一個(gè)攻關(guān)的課題。就拿GOE4-95型發(fā)動(dòng)機(jī)而言僅適合于1升左右排量的汽車，充其量是微型車發(fā)動(dòng)機(jī)。而且目前的行業(yè)中所試驗(yàn)轉(zhuǎn)速2800轉(zhuǎn)。更高的轉(zhuǎn)速導(dǎo)致動(dòng)密封壽命受損更快，維護(hù)成本會(huì)提高。因此如果同等用化石能源的來驅(qū)動(dòng)汽車作為發(fā)動(dòng)機(jī)的話，認(rèn)為競(jìng)爭不過傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)。必須采用非化石能源、特殊的經(jīng)濟(jì)型能源利用是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在汽車市場(chǎng)上生存的唯一法寶。而上面提到的釷燃料的特殊性，也是對(duì)這個(gè)技術(shù)增添了難度，需要多方的合作和聯(lián)合開發(fā)。并且需要國家及行業(yè)安全方面的認(rèn)可。

4、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)提高功率的手段跟內(nèi)燃機(jī)十分相似，也是通過工作循環(huán)壓力、轉(zhuǎn)速、自耗功率降低等手段來實(shí)現(xiàn)升功率的提升。但是不代表能夠無極限上升。到了一定值后出現(xiàn)效率下降、材料工況極限等不利因素產(chǎn)生。因此斯特林機(jī)本身可以說也是一種成熟的技術(shù)，細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方面有一定的優(yōu)化空間，但也有他的弊端。如何把斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)最大限度的發(fā)揮到車用機(jī)型上是最為關(guān)鍵。但是依然存在轉(zhuǎn)速低、加工精度高、成本高、對(duì)路況靈敏性差等特點(diǎn)，導(dǎo)致不能獨(dú)立完成作為動(dòng)力設(shè)備，必然采取電機(jī)及電池的配合。這樣導(dǎo)致系統(tǒng)的成本不一定占優(yōu)勢(shì)。因此斯特林機(jī)用于汽車市場(chǎng)需要一段時(shí)間的開發(fā)過程，不僅在于斯特林本身、同時(shí)對(duì)燃料選擇、能量傳遞方式、可控性等方面都等做詳細(xì)的設(shè)計(jì)論證。