斯特林发动机及斯特林小车讲座

斯特林发动机动力与能源工程学院

张新玉教授斯特林发动机引言

思考：何为斯特林发动机?

举几个例子，

斯特林发动机模型视频，

斯特林发动机小车视频，斯特林发动机模型演示。

斯特林发动机引言

那么，何为斯特林发动机？再看一个例子：

AnimatedEngines,SingleCylinderStirling.htm

概念：斯特林发动机也称热气机，属外燃机。热气机的工质被密封在闭式循环回路中，有一个外部加热（或燃烧）装置对工质加热。实际上，完整的斯特林发动机系统包括外部供热系统、闭式循环系统、动力传动系统、调节控制系统等。

斯特林发动机起源

十八世纪瓦特发明蒸汽机后，世界上相继出现了具有相当功率的动力机械，因而引起了当时欧洲的产业革命。当时蒸汽机工作很不可靠，效率极低，当时有人认为，如果用热的气体来代替蒸汽，就可以避免因冷凝而造成的热损失。1820年，英国牧师罗伯特·斯特林（RobertStirling）根据这一设想发明了外部燃烧的闭式循环热空气机，即斯特林发动机。RobertStirling.htm斯特林发动机工作原理

思考：斯特林发动机是如何工作的呢?

斯特林发动机

工作原理

MM-7StirlingEngine

TheamazingMM-7Stirlingenginewillrunindefinitelyonjusttheheatfromyourwarmhand!Asagift,conversationpiece,orclassroomdemo,youcanbesureitwillbeuniqueandattentiongetting.

OurPrice:$379.00

computervideo斯特林发动机

工作原理

CoffeestirlingSeethevideooftheStirlingengineMM-1inaction斯特林发动机

工作原理

再给出几张图片，从不同的角度观察，结构比较简单，甚至有专门的国外网站介绍用简易的材料（如易拉罐制作热气机模型）SFAStirlingEngineProject.htm斯特林发动机

工作原理

精美的热气机模型VanArsdellStirlingengine

AlimitededitionStirlingenginewithanelegantVictorianlook.

Price:$1979.00斯特林发动机

工作原理

那么热气机是如何工作的呢？对应左图，我们看这样一个动画Stirling-engine-displacer.swf斯特林发动机

工作原理

对于这样一个热气机，有以下描述Stirling-engine-displacer.swf

Inthefigureabove,youcanseetwopistons:Thepowerpiston-Thisisthesmallerpistonatthetopoftheengine.Itisatightly-sealedpistonthatmovesupasthegasinsidetheengineexpands.Thedisplacer-Thisisthelargepistoninthedrawing.Thispistonisverylooseinitscylinder,soaircanmoveeasilybetweentheheatedandcooledsectionsoftheengineasthepistonmovesupanddown.斯特林发动机

工作原理

以一个β型结构的热气机为例，介绍其工作原理

AnimatedEngines：SingleCylinderStirling.htmThistypeofStirlingengine,knownasthebetaconfiguration,featuresjustonecylinderwithahotendandacoolend.

Theworkinggasistransferredfromoneendofthecylindertotheotherbyadevicecalledadisplacer(hereillustratedinblue).

Thedisplacerresemblesalargepiston,exceptthatithasasmallerdiameterthanthecylinder,thusitsmotiondoesnotchangethevolumeofgasinthecylinder-itmerelytransfersthegasaroundwithinthecylinder斯特林发动机

工作原理

ThesamefourphasesoftheStirlingcycleareatworkhere:Expansion.Atthispoint,mostofthegasinthesystemhasjustbeendriventothehotendofthe

cylinder.

Thegasheatsandexpandsdrivingthepistonoutward.Transfer.Atthispoint,thegashasexpanded.

Mostofthegasisstilllocatedinthehotendofthecylinder.

Flywheelmomentumcarriesthecrankshaftthenextquarterturn.

The

bulkofthegasistransferredaroundthedisplacertothecoolendofthecylinder.斯特林发动机

工作原理

ThesamefourphasesoftheStirlingcycleareatworkhere:Contraction.Nowthemajorityoftheexpandedgashasbeenshiftedtothecoolend.

Itcontracts,drawingthepistoninward.Transfer.Thecontractedgasisstilllocatednearthecoolendofthecylinder.

Flywheelmomentumcarriesthecrankanotherquarterturn,movingthedisplacerandtransferringthebulkofthegasbacktothehotendofthecylinder.斯特林发动机

工作原理

回头再看一下MM-7的工作原理Stirling-engine-displacer.swf

Whenthedisplacerisnearthebottomofthelargecylinder,mostofthegasinsidetheenginecoolsandcontracts.Thiscausesthepressuretodrop,makingiteasierforthepowerpistontomovedownandcompressthegas.Thisisagammatypestirling,Thedisplacermovesupanddowntocontrolwhetherthegasintheengineisbeingheatedorcooled.Therearetwopositions:Whenthedisplacerisnearthetopofthelargecylinder,mostofthegasinsidetheengineisheatedbytheheatsourceanditexpands.Pressurebuildsinsidetheengine,forcingthepowerpistonup.斯特林发动机

工作原理

一般人们将热气机分为alpha(α)、beta(β)、gamma(γ)三种类型，上面分别介绍的是beta(β)和gamma(γ)型的工作原理，我们再看一下alpha(α)型。我们这里介绍alpha(α)型热气机，采用两个气缸，一个是hotcylinder，一个是coolcylinder，实际布置时，一般呈90°。后面再介绍按实际布置形式的alpha(α)型热气机的工作原理，这里先以一个分步动作的动画介绍一下这种类型的热气机的工作原理。stirling-engine-cycle.swfThissectiondescribedtheidealStirlingcycle.Actualworkingenginesvarythecycleslightlybecauseofthephysicallimitationsoftheirdesign.斯特林发动机

工作原理

TheStirlingengineonlymakespowerduringthefirstpartofthecycle.TherearetwomainwaystoincreasethepoweroutputofaStirlingcycle:Increasepoweroutputinstageone-Inpartoneofthecycle,thepressureoftheheatedgaspushingagainstthepistonperformswork.Increasingthepressureduringthispartofthecyclewillincreasethepoweroutputoftheengine.Onewayofincreasingthepressureisbyincreasingthetemperatureofthegas.Whenwetakealookatatwo-pistonStirlingenginelaterinthisarticle,we'llseehowadevicecalledaregeneratorcanimprovethepoweroutputoftheenginebytemporarilystoringheat.斯特林发动机

工作原理

Decreasepowerusageinstagethree-Inpartthreeofthecycle,thepistonsperformworkonthegas,usingsomeofthepowerproducedinpartone.Loweringthepressureduringthispartofthecyclecandecreasethepowerusedduringthisstageofthecycle(effectivelyincreasingthepoweroutputoftheengine).Onewaytodecreasethepressureistocoolthegastoalowertemperature.斯特林发动机

工作原理

我们再来看一下按90°布置的双缸alpha(α)型热气机的工作原理。

AnimatedEngines,TwoCylinderStirling.htm（采用网页介绍）需要指出的是多了一个回热器Thisenginealsofeaturesaregenerator,illustratedbythechambercontainingthegreenhatchlines.

Theregeneratorisconstructedofmaterialthatreadilyconductsheatandhasahighsurfacearea(ameshofcloselyspacedthinmetalplatesforexample).

Whenhotgasistransferredtothecoolcylinder,itisfirstdriventhroughtheregenerator,whereaportionoftheheatisdeposited.

Whenthecoolgasistransferredback,thisheatisreclaimed;thustheregenerator“preheats”and“precools”theworkinggas,dramaticallyimprovingefficiency.斯特林发动机

工作原理

如前面所说，热气机的形式多种多样，为了加深对其工作原理的理解，我们再看几个两缸热气机的例子。AnimatedEngines,RossYokeStirling.htmAndyRoss,aprominentStirlingengineexperimenter,inventedthelinkageillustratedhere.TheengineisidenticalinoperationtothetwocylinderStirling.Inthisillustration,theleftcylinderisthehotcylinder.Thelinkageallowstheenginetobemorecompactandreducessideloadsonthepistonsandconnectingrods(sincetheirtravelisalmostlinear).

斯特林发动机

工作原理

该RossYokeStirling与前面介绍的stirling-engine-cycle.swf很相似，比较一下。

Stirling-engine-cycle.swf斯特林发动机

斯特林循环从热力学可以知道，热能对机械能的连续转换，是通过工质在动力装置中实施热力循环来实现的。任何实际动力装置中的热力过程都是不可逆的。但为了对循环进行热力学分析，常常将实际不可逆循环简化为理想可逆循环。斯特林循环就是热气机的理想循环，是一个高度理想化了的热力循环，它由两个定温过程（定温压缩和定温膨胀）和两个定容回热过程（定容吸热和定容放热）所组成。斯特林发动机

斯特林循环过程1——2为定温压缩过程。工质的容积从V1被压缩到V2，V1—压缩—V2，温度、压力都要升高，为保持定温工质温度TC不变，向冷源放热。过程2——3为定容吸热过程。过程中工质容积保持不变。低温工质吸取热量，工质温度从TC→升高TE，工质压力也升高。stirling-engine-cycle.swf斯特林发动机

斯特林循环过程3——4为定温膨胀过程。过程中工质膨胀并从热源不断吸取热量，保持工质温度TE维持不变，工质压力下降。V3—膨胀—V4，TE不变，P3—下降—P4，大量吸热。过程4——1为定容放热过程。过程中工质容积不变，将热量释放出来，温度、压力都下降。并回复到始点状态。斯特林发动机

斯特林循环(a)P-V图和T-S图(b)在循环各端点的活塞位置(c)时间排量图(a)Tmax(b)相位(c)Tmin膨胀腔回热器压缩腔时间TmaxTminQEQC斯特林发动机

斯特林循环从P——V图可以知道，循环过程所组成的面积表示循环功的大小。T——S图中循环所组成的面积表示循环吸收的热量。为了说明斯特林循环的特性，我们将它与卡诺循环进行比较。介绍一下卡诺循环（利用内燃机结构教程）斯特林发动机

斯特林循环图中已经示出了卡诺循环，如图中所示：卡诺循环是由两个定温过程和两个绝热过程所组成的可逆循环，图中定温（1——2’和3——4’），绝热（2’

——3和4’——1）。绝热过程在P——V图上斜率较大，定温过程的斜率相近，组成的P——V面积比较窄小。绝热过程熵不变，为直线。斯特林发动机

斯特林循环卡诺循环的热效率ηc=1-(Tc/TE)，它仅与热源与冷源的温度有关。与工质的性质和热机的类型等无关。从热力学的观点看，卡诺循环是最有利的一种热力循环。具有最高的热效率。在冷源与热源温度比相同的情况下，任何一种热机的循环效率都不可能高于卡诺循环。斯特林发动机

斯特林循环需要指出的是：在活塞式发动机上实现卡诺循环的困难很大，主要是因为气体（例如空气）的定温过程和绝热过程在P——V图上的斜率差别很小，因此在P——V图上循环过程所呈现的面积也很小，除非采用极高的压力和极长的活塞冲程。这将使发动机变得很笨重，甚至有可能不能产生足够的功去克服自身的摩擦损失。因此，在研究热机的理想循环时，卡诺循环仅具有重要的指导意义。斯特林发动机

斯特林循环斯特林循环与卡诺循环的共同点是：两者的压缩过程和膨胀过程都是在定温条件下完成的，不同的其余的两个过程。斯特林循环在极限回热的情况下，定容放热4——1所释放的热量QR与定容吸热2——3所吸收的热量QR相等，它们就与卡诺循环的两个绝热过程相当。所以在相同的循环温度比条件下，两种循环热效率相同。内燃机的理想循环——奥托循环和笛卡尔循环的热效率均低于卡诺循环，也低于斯特林循环。与卡诺循环相比，斯特林循环的活塞式发动机却得到了实际发展。斯特林发动机

斯特林循环1—2—3—4—1）比卡诺循环功面积（1—2’—3—4’—1）要大。P—V图阴影面积代表斯特林循环比卡诺循环增加的功。T——S图中阴影面积则代表斯特林循环比卡诺循环需要增加的热量。输入热量增加了，但输出功也相应增加，其输入热量转换为功的比例（即热效率）仍与卡循环热效率相同。在理论上是可以证明的。（这们这里不再展开讲）在P—V图中，由循环过程所组成的面积表示循环功的大小。在给定的压力、温度和容积界限下，斯特林循环的循环功（面积斯特林发动机

斯特林循环为了评价循环的动力性，人们给出了一个很重要的参数，即循环平均压力pt。循环平均压力表示单位气缸工作容积所做的循环功，即pt=W/V0，它用来说明单位气缸工作容积做功能力的大小。斯特林循环平均压力最高，单位气缸容积所做的功最大。活塞式发动机的升功率指标反映了发动机的强化程度及设计水平，它与pt有着正比例的关系。目前，已试制的热气机中，每升气缸工作容积能产生150kW的功率，而目前内燃机是难以达到的。斯特林发动机

实际循环

前面讲的循环理论及结论都是在许多假设条件下得到的，实际循环与理想循环的差别很大。主要体现在：①活塞运动是连续的，不是间断运动。导致P—V图是一条光滑的封闭曲线，而循环的四个过程并无明确的界限。工质分配在具有不同温度区域的各腔室及换热器中，因此，对工质的全部质量而言，不可能绘制出有意义的T—S图。实际不存在真正意义的容积回热过程。斯特林发动机

实际循环

②实际的压缩和膨胀过程不是定温过程。由于实际传热率的有限性以及不可避免的热传导损失，实际的压缩和膨胀过程是多变过程。发动机在高转速下运转时（比如超过1000r/min），循环过程与其说是定温过程（热传导无限大），不如说更接近于绝热过程（没有热传导）。此外，对工质的加热不仅发生在工质从回热器流向膨胀腔的过程中，也产生在工质从膨胀腔回流到回热器的过程中；同样，工质从回热器流向压缩腔和由压缩腔流向回热器的过程中均受到冷却。这些都使实际过程增加了复杂性，对热气机的性能产生不利影响。斯特林发动机

实际循环

③附加容积的存在。所谓附加容积是指各换热器的通流容积及其连接通道和气缸余隙容积的总和。亦称死容积。附加容积的存在，产生气体的流动损失是不言而喻的，此外还导致工质在循环系统内的重新分布；附加容积比越大，工质分布在膨胀腔和压缩腔的相对比值减少，导致循环系统的容积压缩比ε减小，结果使循环功下降。斯特林发动机

实际循环

④实际发动机所用的工质并非理想气体。即使采用氢气作为工质，仍然具有一定的密度和粘度。当工质在冷、热腔之间高速流动流经冷却器、回热器和加热器时，流体动力摩擦损失产生了。在同一瞬间，工质在压缩腔和膨胀腔的压力并不相等，使膨胀腔P——V图的面积减小，导致发动机的输出功减少，效率降低。斯特林发动机

实际循环

⑤回热器并不是完美的。在定容吸热过程中工质能从回热器回收到的热量，往往低于在定容放热过程中工质释放给回热器的总热量。也就是说，回热器的效率不可能是100%。实际热气机的加热器不能做得很大，其尺寸是有限制的。燃料燃烧所产生的全部热量不可能都传给工质，经排气所带走的热量是一项很大的能量损失，这也是热气机尽可能加装利用排气热能的空气预热器的理由，但完全避免排气损失是不可能的。斯特林发动机

实际循环

热气机为了实现斯特林循环，活塞的运动是不连续的。实际上难以设计制造出使活塞作间歇跳跃运动的传动机构，这种机构也不可能有效和可靠地工作。实际热气机是寻求一种接近理想循环活塞运动规律的传动机构，而活塞运动是连续的。内燃机经常采用的十字头式曲柄连杆机构，也是热气机常采用的传动机构之一。在热气机两活塞作简谐运动的情况下，让我们通过对四个热力过程的分析来进一步说明热气机的实际循环。斯特林发动机

实际循环

设一单作用式热气机的热腔和冷腔的最大容积相等，热活塞运动领先于冷活塞运动的相位角φ=90°。图中表示了冷腔容积、热腔容积以及工作腔容积（冷、热腔容积之和）与曲轴转角的关系。

斯特林发动机

实际循环

当活塞在连续运动的情况下，虽然各个过程难以明确划分，但每循环仍具有理想循环四个过程的特点。斯特林发动机

实际循环

①压缩过程，主要在曲轴转角α=0～90°期间发生。在此期间，冷活塞从下止点运动到行程中部，冷腔容积缩小了一半；热活塞从行程中部运动到上止点，热腔容积减小到零。于是，总的工作腔容积从1.5V0减小到0.5V0，工质受到压缩并处于冷腔。要注意的是，此阶段终了时的容积0.5V0并非是工作腔的最小容积，但已接近最小容积。当α=135°时，即VE+VC=0.29V0才是最小工作腔容积；斯特林发动机

实际循环

②定容加热，在α=90～180°时，冷活塞从行程中部运动到上止点，冷腔容积从0.5V0减少到零；而热活塞从上止点运动到行程中部，热腔容积从零增大到0.5V0。两活塞在这一过程中如此运动的结果，使工作腔总容积的变化很小（在0.5V0到0.29V0之间变化），且在工作腔最小容积附近发生，因此与理想的定容过程相似。当工质从冷腔经回热器转移到热腔时，工质是在接近定容的情况下吸取回热器的热量；斯特林发动机

实际循环

③膨胀过程，主要在曲轴转角α=180～270°期间发生。当热活塞从行程中部运动到下止点，使热腔容积从0.5V0增加到V0，冷活塞从上止点运动到行程中部，冷腔容积也由零增加到0.5V0。于是，总的工作腔容积从0.5V0增加到1.5V0，膨胀过程主要发生在此阶段。在α=270°时，热腔已增至最大容积，工质基本处于热腔。值得注意的是，此时工作腔总容积并未达到最大值；斯特林发动机

实际循环

④定容冷却，在α=270～360°时，热活塞从下止点运动到行程中部，热腔容积从V0缩小到0.5V0；冷活塞则从行程中部运动到下止点，冷腔容积从0.5V0增大到V0。两活塞在这一过程中如此运动的结果，使工作腔总容积的变化很小（在1.5V0到1.7V0之间变化），变化幅度仅为0.21V0，因此可认为接近定容过程。在此阶段，热腔容积减小而冷腔容积增大，使工质从热腔流入冷腔。在流经回热器时，工质将部分热量传给了回热器载体而使本身得到冷却。斯特林发动机

实际循环

如上所述，采用曲柄连杆机构的热气机，若压缩过程和膨胀过程能在定温下完成，且回热器是完善的，仍可证明其循环效率等卡诺效率。但实际上，热气机难以实现定温压缩及定温膨胀，回热过程也远非完美；附加容积的存在，工质在高速流动中与流道壁的摩擦会导致压力降，循环过程中产生的各种热损失等，是实际循环偏离理想循环的主要原因。加上设计和制造不良会引起过高的机械损失、过大的热量散失，密封装置存在工质泄漏等，导致功率和热效率进一步下降，严重地偏离理想状况。从P——V图上，实际循环示功图（指工作腔总容积）的大体情况看，它不再象理想循环那样，由两条定容线和两条定温线所形成的四边形，而是圆滑的椭圆状的封闭图形。斯特林发动机

基本特点

热气机具有柴油机、汽油机、蒸汽机和燃气轮机等普通热机所具有的一些主要优点。如：①可用多种燃料；因燃烧过程是连续的，且是在缸外接近于大气压力的状态下进行的，故对燃料品质要求不高。凡是燃烧温度可达450℃以上的任何种类的燃料都可以作为热气机的能源。如：煤油、重柴油、煤炭、薪柴和秸杆、煤气、天然气、沼气、酒精和植物油等。②热效率高理论循环效率等于最高循环效率—卡诺效率。现有样机的试验证明，热气机的卡诺效率达66~70%，有效效率达32~40%（相当于柴油机效率），斯特林发动机

基本特点

如果采用陶瓷耐热材料，加热器的温度上升到1000℃时，有效效率将可达到44%左右。

③排气污染少；连续高温燃烧，可以在足够的过量空气下运转，废气中CO、HC和碳烟含量少，有害气体排放要比内燃机低得多。④噪音低；无燃烧爆炸和排气波，没有气阀机构且运转平衡，没有气阀冲击和活塞敲缸声。ASE-1型小于67.5分贝（美国）；V4X-190型小于70分贝（瑞典）。有人称热气机为无声发动机。斯特林发动机

基本特点

⑤运转特性好；压力变化平稳，在整个转速范围内扭矩变化均匀。且超负荷能力很大，能在超过负荷50%的情况下正常运转，而内燃机只能超载10~15%。⑥工作可靠，维修费用低；没有气阀机构、高压喷油系统和需要良好润滑的活塞环，唯一不可靠因素是密封装置，滑润系统与大气隔绝，不受燃烧产物的污染，润滑油不需要经常更换，滑油消耗量很少。斯特林发动机

结构类型

由前面的斯特林循环及热气机的工作原理可知，热气机的主要结构特点是具有两个温度不同而容积作周期性变化的腔室，并用换热器把这两个腔室联结起来。为了实现斯特林循环，要有两个运动的活塞，使两个腔室的容积发生变化。为了实现定温压缩（1——2）需要有一个压缩腔（或称为冷腔），并配置能将压缩热导出的换热器——工质冷却器。为实现定温膨胀（3——4），要具在一个膨胀腔（热腔），并应设置使工质能作定温膨胀的供热设施——工质加热器。斯特林发动机

结构类型

为实现回热过程（2——3吸热、4——1放热），还应有一个交替地吸热和放热的装置——回热器。可见各种类型的热气机不论其布置形式如何，均存在由冷腔、冷却器、回热器、加热器、热腔所组成的闭式循环系统。为了使工质在闭式循环回路中的流动能满足热力循环过程的要求，两个活塞的运动必需保持某一相位差，否则是不能工作的。一般规定热活塞（在热腔运动的活塞）运动领先于冷活塞运动的曲轴转角称为活塞的领先角φ，φ大体为90°。斯特林发动机

结构类型

热气机的种类很多，分为①单作用式热气机；②配气活塞热气机；③双作用式热气机等，而配气活塞式热气机又包括：单缸配气活塞式热气机和双缸配气活塞式热气机。也有将热气机分为alpha(α)、beta(β)和gamma(γ)等三种类型的划分方法，前面基本都已经介绍过，下面具体介绍一下。斯特林发动机

结构类型

①单作用式热气机（α型）单作用式是相对于双作用式而言的。是指两活塞都只有一面为工作腔。两个活塞都传递动力，称为动力活塞。两活塞对循环系统的密封在活塞上。工质在两个腔室之间振荡，这是热气机最主要的特点。这种类型热气机又有平行气缸、V型气缸、对置气缸及旋转气缸等多种。斯特林发动机

结构类型

斯特林发动机

结构类型

②配气活塞热气机Ⅰ单缸配气活塞式热气机(β型)

同一缸内设置两个活塞，配气活塞和动力活塞，两个区，冷区和热区，两个腔，热腔和冷腔。配气活塞的主要功能是将工质从一个腔室挤向另一个腔室，使工质在循环回路中来回流动，配气活塞又称工质置换器（Displacer）。斯特林发动机

结构类型

先看几个动画，了解一下其结构型式SingleCylinderStirling.htmRhombic_3D_anim_sal.gifRhombic_anim_jeff.gif再看一下相关网站RobertStirling.htm斯特林发动机

结构类型

给出两张该种类型热气机的图片斯特林发动机

结构类型

特点：配气活塞上、下腔的压力在整个循环中，理论上是相同的。热腔容积的变化由配气活塞运动所控制，而冷腔容积变化则要由配气活塞和动力活塞两者的运动联合控制。两活塞的行程有一段可以是重叠的，故冷腔的最小容积理论上可以为零。右图中SL即为其重叠行程。斯特林发动机

结构类型

单缸配气活塞式热气机又有多种形式。有将回热器设在缸外的外回热器式，这种形式在小型热气机领域中应用广泛。

Rhombic_anim_jeff.gif

回热配气活塞式热气机，其配气活塞的一部分或全部是用多孔金属基体做成的，它本身就构成一个回热式换热器。

Stirling.swf斯特林发动机

结构类型

自由活塞式则上一种有趣的结构，正发展用于太阳能转换、人工心脏和热泵等领域。

Stirling_largest_solar斯特林发动机

结构类型

Ⅱ双缸配气活塞式热气机(γ型)

这种形式热气机的特点是配气活塞与动力活塞分别置于连通的两个气缸中，配气活塞的作用仍然是推动工质在冷、热腔之间往返流动，而主要由动力活塞输出功。

gamma_stirling_animation_sal.gif

斯特林发动机

结构类型