车用斯特林发动机控制系统
孔令斌
摘要：本文介绍的斯特林发动机起动制动及工况控制系统，通过向处于等温膨胀过程相位的工作腔加注工质，实现起动运行；通过向处于等温压缩过程相位的工作腔加注工质，实现制动运行；通过向所有工作腔加注或泄减工质，同时增大或减小燃油和空气供给量，实现加速或减速运行。起动制动由发动机转子相位信号和输入的信号控制。加速减速由工质均衡器室的压力升降控制。用于汽车，斯特林发动机的起动信号、起动时的空气燃油供给信号、点火信号都由同一开关控制；斯特林发动机的加速信号由加速踏板控制；斯特林发动机的减速信号、制动信号、车轮制动信号都由制动踏板控制。操作规程与内燃机汽车基本相同。这种汽车的发动机和车辆同时制动新技术，提高了车辆安全性。
关键词：汽车；斯特林发动机；起动；制动
1．引言
早在上世纪30年代，欧美国家就试图将斯特林发动机用作汽车发动机[1]。但是，体积大、密封难这两大障碍始终阻碍其发展[2][3]。尽管如此，直到70年代，斯特林发动机仍被认为是很有前途的车用发动机[1]。进入80年代，以上观点发生了转变，1982年3月，在英国伦敦里丁大学召开的第一届国际斯特林发动机学术会议认为：在车用发动机领域，斯特林发动机不能与内燃机竞争，其发展方向确定为功率大约50KW以内的低功率发动机，应用于水下动力、垃圾填埋气发电、热电联供、太阳能热发电等领域[4]。
2007年12月，中国人发明的斯特林可逆热机消除了体积大、密封难这两大障碍[5]。斯特林可逆热机结构简单紧凑，相同工作容积，其整机体积不及内燃机的一半，零件减少三分之一以上。斯特林可逆热机采用两级密封技术，将动密封转变为静密封，做到可靠密封。这两个问题得到解决，斯特林发动机其他优势就充分显现。
斯特林可逆热机作发动机，除了具有斯特林发动机固有的节能环保无噪音等优势外，独特的起动制动及工况控制系统更提升了发动机的安全性、经济性和操作性能。在此方面，不仅内燃机不能与之相比，就是Kockums公司V4-275R发动机和菲利浦公司4-235发动机的控制系统也没有如此简洁高效[4] [6]。起动运行是在燃烧供热开始的同时，向处于等温膨胀过程的工作腔加注工质，膨胀压力增高，发动机迅速起动；制动运行是在发动机高速运转时，向处于等温压缩过程的工作腔加注工质，发动机迅速减速；工况控制是通过同步增减处于运行状态发动机工作腔的工质和燃油空气供给量，使发动机输出功率相应增减，而热机效率保持基本不变。
而内燃机起动靠专用的起动电机，没有工质制动的良好条件，工况控制只有增减燃油量一条途径，燃料过多时燃烧不完全，热机效率波动大。曾经拥有的竞争优势已丧失，被斯特林发动机取代是必然趋势[7]。
斯特林可逆热机的起动制动及工况控制系统的工作原理是利用工质均衡器室的压力是各工作腔控制基准和等温过程的压力波动规律。
2．起动制动及工况控制系统
2.1系统构成及运行
起动制动及工况控制系统由高压工质罐、起动制动控制器、工质均衡器室、
图1 斯特林发动机控制系统
Fig.1 The control system of the stirling engine
减速阀、加速阀、减压阀一、减压阀二、回压阀、低压工质罐、工质增压泵等10个部件组成，由起动制动控制信号、转子相位信号、工况控制信号等3个
信号源控制，完成起动、加速、减速、停机等4种操作。各部件的连接关系如图一所示。方框代表部件或信号，箭头方向代表工质流动方向或信号传递方向。各部件的构成及功能列入表一。
高压工质罐有3个流出端口和1个流入端口。1个流出端口与起动制动控制器连接；1个流出端口与减压阀二连接；1个流出端口与减压阀一连接；流入端口与工质增压泵连接。
起动制动控制器由4个单向阀和1个接收转子相位信号和起动制动控制信号、控制4个单向阀开关的装置组成。4个单向阀的进口端连接高压工质罐，出口端分别连接4个工作腔。
工质均衡器室是将4个工质均衡器封闭在内的1个密闭容器，分别与减速阀的进口端和加速阀的出口端连接，并有 1 个控制燃油量和空气量的压力信号输出口。4个工质均衡器分别连接4个工作腔。
减速阀是进口端与工质均衡器室连接，出口端与低压工质罐连接的阀门。开闭受工况控制信号控制。
加速阀是进口端与减压阀二连接，出口端与工质均衡器室连接的阀门。开闭受工况控制信号控制。
减压阀一的进口端与高压工质罐连接，出口端与二级密封腔连接。
减压阀二的进口端与高压工质罐连接，出口端与加速阀连接。
回压阀的进口端与二级密封腔连接，出口端与低压工质罐连接。
低压工质罐分别与减速阀的出口端、回压阀的出口端、工质增压泵的进口端连接。
工质增压泵的进口端与低压工质罐连接，出口端与高压工质罐连接。
工质均衡器室的压力成了四个工作腔工质量和燃油空气量的控制基准，与二级密封腔压力已经没有关系。工质均衡器室可以安装在二级密封腔外，与工作腔的接口开在回热器的低温端。回热器是斯特林发动机的关键部件，工质在回热器内的流变特性，对斯特林发动机性能影响很大[8]。现代斯特林发动机回热器都是采用金属丝网蓄热的设计方式[9]。没有充分利用四缸斯特林发动机在同一时间，各工作腔分别处于不同的热力学过程，既有处于放热过程的，又有处于吸热过程的，且工质流向相反的特点。也就是没有利用逆流换热效果最好的客观规律[10]。其实，只要将每个工作腔的两气缸用若干根金属管连接，四个工作腔的金属管中部均匀分散紧贴，熔为一体，彼此之间能进行热交换，再外包绝热层。就是热交换式回热器。用于大功率发动机，热交换式回热器比蓄热式回热器更省料、高效、低成本，工质流变性也会更好。也有利于控制系统的运行。
该斯特林发动机控制系统部件体积小，便于布置，易于操控。工质是完成起动制动及工况控制的执行者。起动，工质由高压工质罐流入处于等温膨胀过程的工作腔；制动，工质由高压工质罐流入处于等温压缩过程的工作腔；加速，工质由高压工质罐经减压阀二、加速阀、工质均衡器单向阀流入4个工作腔；减速，工质从4个工作腔经工质均衡器安全阀、减速阀流入低压工质罐。
工质经减压阀一流入回压阀关闭的二级密封腔，压力值由减压阀一设定，并和4个工作腔内的压力达到动态平衡，实现可靠密封。这是起动制动及工况控制有效进行的保证。
起动运行时，给起动制动控制器输入向处于等温膨胀过程相位的工作腔注入工质的信号。起动制动控制器根据转子相位信号，确认处于等温膨胀过程相位的工作腔，并开启相应阀门。工质从高压工质罐流入处于等温膨胀过程相位的工作腔，腔内压力升高，推动活塞运动，发动机起动。
制动运行时，给起动制动控制器输入向处于等温压缩过程相位的工作腔注入工质的信号。起动制动控制器根据转子相位信号，确认处于等温压缩过程相位的工作腔，并开启相应阀门。工质从高压工质罐流入处于等温压过程相位的工作腔，腔内压力升高，阻止活塞运动，发动机制动。
加速运行时，开启加速阀，工质流入工质均衡器室，压力升高，自动打开工质均衡器的单向阀，工质流入工作腔。与此同时，压力升高的信号传到燃油和空气供给系统，燃油和空气供给量同步增加，发动机加速。
减速运行时，开启减速阀，工质由工质均衡器室流入低压工质罐，工质均衡器室的压力降低。压力降低到工质均衡器的安全阀开启所需压差时，工作腔内的工质从安全阀溢流到工质均衡器室。与此同时，压力降低的信号传到燃油和空气供给系统，燃油和空气供给量同步减少，发动机减速。
2.2起动制动原理
斯特林可逆热机的4个工作腔，无论何时都分别处于斯特林循环4个热力学过程。处于等容吸热过程和等容放热过程的工作腔，两个活塞对热机转子的扭矩方向相反，二者大体平衡，可以认为不输出功；处于等温膨胀过程的工作腔，两
个活塞对热机转子的扭矩方向相同，都为正，输出功为正；处于等温压缩过程的工作腔，两个活塞对热机转子的扭矩方向相同，都为负，输出功为负[11]。发动机起动的条件是处于等温膨胀过程的工作腔压力大于处于等温压缩过程的工作腔压力。增大工作腔压力的方法只有两种：一是供热，二是增加工质。
如果4个工作腔的工质始终等量，供热就能使处于等温膨胀过程的工作腔压力大于处于等温压缩过程的工作腔压力，发动机就能起动。而4个工作腔的工质始终等量是不可能的，仅靠供热起动困难。向处于等温膨胀过程的工作腔加注工质，发动机就能迅速起动。制动过程正好相反，向处于等温压缩过程的工作腔加注工质，压力达到处于等温膨胀过程工作腔的压力，发动机停机。
2.3工况控制原理
斯特林可逆热机的工质均衡器限定各工作腔相同的工作压差，并以工质均衡器室的压力为控制基准。在热量流入端温度和热量流出端温度确定的前提下，工质均衡器室的压力值反映了参与作功的工质量，也就反映了输出功率的值。因为两者是同增共减的关系，所以工质均衡器室的压力值也是发动机工况的较好控制基准。斯特林发动机是工质调控工况，与内燃机温度调控工况相比，有更高的热机效率和更好的工况特性。
发动机的每个工况，都有与之对应的工质均衡器室压力值。而每个工质均衡器室压力值，有若干个相对应的工况。选择各压力值对应的最佳工况，使发动机尽量在最佳工况下运行。什么是最佳工况呢？热量流入端温度和热量流出端温度都是设计温度的工况，就是最佳工况。
如人为升高工质均衡器室压力，而不增大燃油供给量，这时工质流入各工作腔，工质密度增大，也就增大了热量流量，供热温度要降低，热机效率随之而降，输出功率也要降低。这种工况就不是最佳工况。必须相应增大燃油和空气供给量，使热量流入端温度不降低，热量流出端温度不升高。
因此，确定各工质均衡器室压力值对应的最佳工况的燃油和空气供给量是很重要的工作。
所谓工况控制，就是保证发动机处于或接近最佳工况。
3．车用前景展望
斯特林可逆热机的功率以电流输出，具有发展电动车的天然优势。取缔传统的变速器，配置电机电控装置和超级电容器就成了电动车。斯特林可逆热机、电机电控装置、超级电容器才是汽车工业发展的关键技术！动力电池的重要性不及超级电容器！斯特林发动机动力汽车是汽车工业的合理选择。但在很长的过渡期内，配置变速器的斯特林发动机动力汽车还是有市场。可借用磁力搅拌高压反应釜的磁力传动装置，能在可靠密封的前提下，将热机转子的动力传到变速器。还可采用机械密封装置直接将热机转子的动力传到变速器。
无论何种情形，起动制动及工况控制系统都不可缺。采用后两种方案，就相当于用斯特林发动机换掉内燃机。因两者操作控制方式不同，是否有既保持现有操作模式，又满足可靠操控要求的两全之策呢？回答是肯定的！换上斯特林发动机；斯特林发动机的起动信号、起动时的空气燃油供给信号、点火信号都由控制内燃机起动马达的开关控制；斯特林发动机的加速信号由加速踏板控制；斯特林发动机的减速信号、制动信号、车轮制动信号都由制动踏板控制，信号响应次序
为减速信号为先，制动信号次之，车轮制动信号最后；热量流入端和热量流出端温度表取代水温表；加装工质均衡器室压力表。就成了斯特林发动机汽车！操作和内燃机汽车基本一样：置空档，打开起动开关，空气、燃油进入燃烧室混和后被点燃，热量流入端温度升高，同时有工质被注入处于等温膨胀过程相位的工作腔，发动机起动，关闭起动开关；脚踏加速踏板，工质流入工质均衡器室，发动机加速；挂档起步，进入正常行驶状态。脚踏制动踏板，减速阀打开，工质流出工质均衡器室，发动机减速，加大踏板位移量，制动信号响应，有工质被注入处于等温压缩过程相位的工作腔，发动机制动，迅速减速，继续加大踏板位移量，最后启动车轮制动。三者共同作用，制动效果好。在行驶中调速，用前两种减速方式就行了，停车才启动车轮制动。唯一不同点是斯特林发动机没有怠速，松开加速踏板不减速，必须踏制动踏板发动机才减速。这种汽车的发动机和车辆同时制动新技术，提高了车辆安全性。
该斯特林发动机，可广泛应用于各类汽车，而不局限于轿车，可使汽车达到最严格的排放标准，可使用多种燃料，拓宽了汽车燃料来源。同一辆车，只要对燃料空气量随工质均衡室压力变化规律曲线作调整，就能使用各类生物质能源、多种石油馏份、天然气、氢气！直接以氢气为燃料，综合性能会优于目前被认定为新能源汽车终点的氢燃料电池车[12]！将会开创清洁燃料汽车新时代。
为满足重载汽车的动力需求，可在轻型汽车用斯特林发动机的基础上，通过加大工作腔缸径和冲程长度，增加工作腔数，以及拼机这三种方法来设计制造大功率发动机。增加工作腔数，等温过程的相角减小，等容过程的相角增大，两者是互补关系。工作腔数也不能太多。否则，等温过程的相角太小影响正常运行。综合考虑各种因素，6个工作腔较好。达到8个工作腔，可采取四个工作腔相间连接，相当于两个四缸发动机共用一个转子，形象地称为拼机。通过以上各项措施，发动机的功率可以很大。还可用于火电、核电、船舶等领域。
4．结束语
该起动制动及工况控制系统能确保斯特林可逆热机作汽车发动机，在安全性、环保性、燃料经济性、制造成本、维护费用等方面都优于其他发动机[12]。斯特林发动机汽车是新能源汽车发展的正确方向。将来的汽车市场必然是以斯特林发动机汽车为主，纯电动汽车为辅的格局！憧憬即将到来的斯特林热机时代，中国应该是未来汽车工业先驱！
致谢
在本文写作过程中，孔令聪给予了大力支持和帮助，在此表示感谢！
参考文献
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［5］孔令斌两级密封式斯特林可逆热机［J］世界科技研究与发展2009年12月第31卷第6期；
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［11］孔令斌新型斯特林发动机设计理论研究［J］中国科技论文在线2007年6月13日
［12］孔令斌中国新能源汽车发展战略探索［J］中国科技论文在线2009年2月19日
The control system of the stirling engine in car
Kong Ling- Bing
Guanghan Huaxing Innovative Technology Development Institute（618300）
E-mail：klb212817@https://www.doczj.com/doc/8914775940.html,
Abstract:This paper introduces a control system of the stirling engine which is by adding working substance to the working cylinder which is in constant temperature expansion process to start the engine, by adding working substance to the working cylinder which is in constant temperature compression process to slow down the engine, by changing pressure of working substance in all working cylinders and fuel to control the velocity of the engine.So the start or stop of the stirling engine can be controlled by rotor phase and input signal,and the velocity of the stirling engine can be controlled by pressure of working substance equalizer.When the stirling engine is used in car ,the operation of the stirling engine with above-mentioned control system is same as the internal-combustion engine. But the stirling engine with above-mentioned control system can brake by itself, so it is better than the internal-combustion engine in braking security.
Keyword: car stirling engine start brake
自制简易斯特林发动机 吉林省松原市前郭县教师进修学校刘文白 斯特林发动机，又称作外燃式发动机。与传统的蒸汽机和内燃机相比，它没有复杂的配气系统，能使用各种能源。它的工作介质（一般就是空气）在封闭的气缸内往复流动，既不象蒸汽机那样需要高压水蒸汽和消耗水，也不象内燃机那样爆炸燃烧，因此制作容易，成本低廉，安全环保，作为热机教学的辅助教具是很合适的。 制成的简易斯特林发动机实物图如图一，工作原理请参看图二和图三。 图1 实物图
图2 斯特林发动机剖面图 ①热置换气缸②热置换活塞③动力气缸④动力活塞⑤支架⑥曲轴⑦飞轮 图3 斯特林发动机工作过程
材料和工具： 铁制八宝粥易拉罐3个。自行车辐条3根，要求辐条帽能在辐条杆上自由滑动。空牙膏管一个。废旧的光盘3张。气球一个。有韧性的泡沫塑料一块（如拖鞋底）。大头针一个，直径2毫米铁丝20厘米。透明胶布。废圆珠笔管。 使用的工具为钳子，剪刀，电烙铁和焊锡（也可以使用二合一强力胶），锥子或钻，直尺，圆规。 制作方法： 本设计使用的是八宝粥罐易拉罐，因为它的开口是一个大圆形，而饮料易拉罐的开口较小，需要扩口。文中所给尺寸没有严格要求，并尽量说明设计原理，以便读者可以用其它容器自行设计制作。 一、加工支架易拉罐 取一个易拉罐，在距罐口2厘米处左右对称地钻两个孔，孔的直径略大于自行车辐条的直径。这两个孔是曲轴主轴（参见图1图2图5）运转孔。 在此易拉罐的底部正中钻一个孔，插入自行车辐条帽。为了保证辐条帽的螺孔和易拉罐的轴心同心，在易拉罐塑料盖的中心扎一个小孔，盖在罐口。用一根辐条穿过辐条帽，再从塑料盖的小孔伸出，用电烙铁将辐条帽和罐底焊在一起。见图4。此孔是热置换活塞杆滑道。 图4 支架易拉罐底部图
斯特林发动机原理图解 如图1 把橡皮绑在容器口上，我们能容易瞭解到受热时橡皮会膨胀(图2)，冷却时橡皮会缩收(图3)，这是加热时，内部气体压力作用在橡皮上(图2)，当然人的眼睛是无法看到气体压力的。 A2移气器 如果我们放入一个移气器(Displacer)到容器内(图4)，而这个移气器的直径比容器的内径小一些，当移气器自由上下移动时，即可以把容器内的气体挤下或挤上。这个时候，如果我们在容器底端加热，而在容器上端冷却，使上下两端具有足够的温差，即可看见此时橡皮会不断膨胀及收缩。其原理如下： 当移气器上移，容器内的气体被挤至容器底端，此时由於容器底端加热，因此气体受热，压力变大，此压力经由活塞与容器间的空隙传到橡皮，使得橡皮会膨胀(图5)。 相反的，若施以适当的力量把移气器下移，则容器内的气体被挤至容器上端，此时由於容器上端為冷却区，因此气体被冷却，使气体温度降低，压力变小，而使得橡皮会缩收(图5)。 如此，不断使移气器自由上下移动，即可看见此时橡皮会不断膨胀及收缩。 由此，可知移气器的功用主要在於移动气体，使气体在冷热两端之间来回流动。国立成功大学航太系郑金祥教授把 Displacer 命名為”移气器”，实在更為贴切，也比较不容易混淆，比较不会使人误以為它的作用跟输出功率的动力活塞一样。
A3 曲柄机构 要让移气器上下移动，只要将移气器与一曲轴连结(图6) 。当曲轴旋转时，移气器就会被带上及带下。将移气器与曲轴连结完毕之后，在容器底端加热上端冷却，只要用手转动曲轴，使得移气器移上及移下，此时橡皮便会重复膨胀及收缩(图7)。 A4 动力活塞 橡皮的膨胀及收缩运动，可以转换為动力输出，此时，橡皮的作用即如同一动力活塞。我们可以另加一根连桿接到上述的曲轴上，便可将橡皮的膨胀及收缩运动转换為曲轴的旋转运动。连接到移气器的曲轴部位与连接到动力活塞的曲轴部位必须呈固定的角度差，一般是90度(图8,9)。橡皮的膨胀及缩收所產生的曲轴的旋转运动提供了移气器上下移动的力量，多餘的力量则可以输出。必须注意的是，移气器本身不会动，而是被曲轴带动，动力来源是动力活塞。
斯特林发动机的工作原理及应用前景 【摘要】随着全球能源危机的发展与环境的恶化，传统的化石燃料日益枯竭，且燃烧的排放物造成了温室效应、雾霾天气及极端的气候等人为的灾害，为了地球的可持续发展和人类生活水平的改善，人们清楚地认识到开发利用新能源的重要性。其中，可再生能源的利用越来越广泛，可再生能源对环境无害或危害极小，且资源分布广泛。越来越多的国家采取鼓励生产和使用可再生能源的政策和措施，中国也确立了到2020年可再生能源占总能源比重15%的目标。外部燃烧系统的作用是给闭式循环系统提供能源，闭式循环系统由冷腔、冷却器、回热器、加热器和热腔组成，工质在闭式循环系统中来回流动一次，完成一个斯特林循环。 【关键词】发动机；原理；前景 1 斯特林发动机闭式循环系统的组件简介 （1）冷腔处于循环的低温部分，和冷却器联接，压缩热量由冷却器导至外界，在压缩过程中有相当一部分工质居于冷腔。 （2）冷却器位于回热器和冷腔之间，功能是将压缩热传到外界，保证工质在较低的温度下进行压缩。 （3）回热器串联在加热器和冷却器之间，是循环系统的一个内部换热器，它交替从工质吸热和向工质放热，使工质反复地受到冷却和加热。回热器并不是必需装置，但它对发动机的效率影响极大。在往复式斯特林发动机中，回热器的使用既使斯特林循环的热效率明显提高，但又增加了工质的阻力和压力损失，工质吸热、散热交替进行，限制了斯特林发动机的转速，影响了功率的输出。因此，优化回热器的设计是斯特林发动机的核心技术问题。 （4）加热器加热器是将外部热源的热能传给工质，使其受热膨胀。加热器的一端与热腔联接，另一端与回热器联接。 （5）热腔始终处于循环的高温部分，连续地将外部热源传给工质，在膨胀时相当部分的工质居于热腔。因此其必须能承受高温和高压，大量的热损失是由热腔散失的。 2 斯特林发动机的基本结构 根据工作空间和回热器的布置方式，斯特林发动机可以分为α、β和γ三种基本类型。 α型斯特林发动机的结构最简单，具有两个汽缸，两个汽缸中间通过加热器、回热器、冷却器连通，热活塞和冷活塞分别位于各自的汽缸内，热活塞负责工质
制作热声效应斯特林引擎 十九世纪的吹玻璃工人，偶尔会听到被加热的玻璃管自然发出神秘的单音，这令人费解的声音其实是热机的另一种输出形式。一般的引擎以转动的形式输出能量;声音也具有能量，只不过以空气作为传递的媒介。 热声效应的原理 空气振动形成声音，声音发生时，为方便讨论，将传播声音的空气分成无数小块空气，应用牛顿力学来分析空气振动的情形，会得到声音的波动方程式，此方程式的解显示：声音传播时，各个小块空气都会发生膨胀收缩和位移。如果小块空气被压缩后，再被加热膨胀，对周围空气作较大的正功;之后这小块空气又先被冷却，再被压缩，作较小的负功 (周围空气对这小块空气作较小的功) 。虽然这小块空气并非对活塞或涡轮作功，而是对周围空气作功，事实上也完成了工作流体加热后膨胀，冷却后被压缩的热机循环，把热能转换成声音振动的能量，增加声音的强度，此即所谓“热声效应”。 凡是利用工作流体在冷、热区间移动，执行压缩的工作流体经加热而膨胀作正功，膨胀后先冷却再压缩作负功的热机循环，这样的机构都被归类为斯特林引擎。利用热声效应把热能转换成机械能的装置，也就称为热声效应斯特林引擎(thermoacoustics stirling heat engine) ，热声效应斯特林引擎大致可分为驻波(standing wave)和行波(traveling wave)两种。 驻波型斯特林引擎的作功原理 驻波型斯特林引擎，基本上是一端闭口，一端开口的管状共振腔，在共振腔内近闭口端装有热片堆(stack)，热片堆中有许多平行共振腔轴向的密集穿孔。热片堆在靠近闭端温度较高，另一端温度较低，于是延共振腔轴向的温度梯度(temperature gradient)相当大。 当驻波发生时，热堆片穿孔中的各小块空气(工作流体)向闭口端位移，而被压缩，同时移向热片堆较高温处，该小块空气在热穿透深度(thermal penetration depth)以内的部分，会被热片堆加热，使得温度升高，随即膨胀对周围空气做较大的正功，驻波的能量于是加大，小块空气也随着膨胀，同时移至热片堆的冷端，当能量增加的驻波再度压缩这小块空气时，此小块空气已先被较低温的热片堆冷却，只消耗较少的声波能量即可被压缩。于是，热能便不断地变成驻波的能量。 动手做驻波型斯特林引擎 本文介绍一种驻波型热声效应斯特林引擎的制作方法，所需材料都是一般实验室常见的东西：
简易斯特林发动机制作原理 史特灵引擎属於外燃引擎，只要高温热源温度够高，无论是使用太阳能、废热、核原料、牛粪、丙烷、天然气、沼气（甲烷）、丁烷与石油在内的任何燃料，皆可使之运转，不同於必须使用特定燃料的汽油引擎、柴油引擎等内燃引擎。 A.基础篇 A1气体的特性 如图1把橡皮绑在容器口上，我们能容易瞭解到受热时橡皮会膨胀(图2)，冷却时橡皮会缩收(图3)，这是加热时，内部气体压力作用在橡皮上(图2)，当然人的眼睛是无法看到气体压力的。 A2移气器 如果我们放入一个移气器(Displacer)到容器内(图4)，而这个移气器的直径比容器的内径小一些，当移气器自由上下移动时，即可以把容器内的气体挤下或挤上。这个时候，如果我们在容器底端加热，而在容器上端冷却，使上下两端具有足够的温差，即可看见此时橡皮会不断膨胀及收缩。其原理如下：当移气器上移，容器内的气体被挤至容器底端，此时由於容器底端加热，因此气体受热，压力变大，此压力经由活塞与容器间的空隙传到橡皮，使得橡皮会膨胀(图5)。 相反的，若施以适当的力量把移气器下移，则容器内的气体被挤至容器上端，此时由於容器上端为冷却区，因此气体被冷却，使气体温度降低，压力变小，而使得橡皮会缩收(图5)。 如此，不断使移气器自由上下移动，即可看见此时橡皮会不断膨胀及收缩。 由此，可知移气器的功用主要在於移动气体，使气体在冷热两端之间来回流动。国立成功大学航太系郑金祥教授把Displacer命名为”移气器”，实在更为贴
切，也比较不容易混淆，比较不会使人误以为它的作用跟输出功率的动力活塞一样。 A3曲柄机构 要让移气器上下移动，只要将移气器与一曲轴连结(图6)。当曲轴旋转时，移气器就会被带上及带下。将移气器与曲轴连结完毕之后，在容器底端加热上端冷却，只要用手转动曲轴，使得移气器移上及移下，此时橡皮便会重复膨胀及收缩(图7)。 A4动力活塞 橡皮的膨胀及收缩运动，可以转换为动力输出，此时，橡皮的作用即如同一动力活塞。我们可以另加一根连桿接到上述的曲轴上，便可将橡皮的膨胀及收缩运动转换为曲轴的旋转运动。连接到移气器的曲轴部位与连接到动力活塞的曲轴部位必须呈固定的角度差，一般是90度(图8,9)。橡皮的膨胀及缩收所產生的曲轴的旋转运动提供了移气器上下移动的力量，多餘的力量则可以输出。必须注意的是，移气器本身不会动，而是被曲轴带动，动力来源是动力活塞。
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性、有效性、技术方案及技术政策进行具体、深入、细致的技术论证和经济评价，以求确定一个在技术上合理、经济上合算的最优方案和最佳时机而写的书面报告。可行性研究报告主要内容是要求以全面、系统的分析为主要方法，经济效益为核心，围绕影响项目的各种因素，运用大量的数据资料论证拟建项目是否可行。对整个可行性研究提出综合分析评价，指出优缺点和建议。为了结论的需要，往往还需要加上一些附件，如试验数据、论证材料、计算图表、附图等，以增强可行性报告的说服力。 可行性研究是确定建设项目前具有决定性意义的工作，是在投资决策之前，对拟建项目进行全面技术经济分析论证的科学方法，在投资管理中，可行性研究是指对拟建项目有关的自然、社会、经济、技术等进行调研、分析比较以及预测建成后的社会经济效益。在此基础上，综合论证项目建设的必要性，财务的盈利性，经济上的合理性，技术上的先进性和适应性以及建设条件的可能性和可行性，从而为投资决策提供科学依据。 投资可行性报告咨询服务分为政府审批核准用可行性研究报告和融资用可 行性研究报告。审批核准用的可行性研究报告侧重关注项目的社会经济效益和影响；融资用报告侧重关注项目在经济上是否可行。具体概括为：政府立项审批，产业扶持，银行贷款，融资投资、投资建设、境外投资、上市融资、中外合作，股份合作、组建公司、征用土地、申请高新技术企业等各类可行性报告。 报告通过对项目的市场需求、资源供应、建设规模、工艺路线、设备选型、环境影响、资金筹措、盈利能力等方面的研究调查，在行业专家研究经验的基础上对项目经济效益及社会效益进行科学预测，从而为客户提供全面的、客观的、可靠的项目投资价值评估及项目建设进程等咨询意见。 可行性研究报告大纲（具体可根据客户要求进行调整） 为客户提供国家发委甲级资质 第一章束腰巾项目总论 第一节束腰巾项目背景 一、束腰巾项目名称 二、束腰巾项目承办单位 三、束腰巾项目主管部门 四、束腰巾项目拟建地区、地点 五、承担可行性研究工作的单位和法人代表 六、束腰巾项目可行性研究报告编制依据
简介：斯特林引擎(Stirling Engine)的优势特色与问题 从Stirling Engine 的原理与结构来看，它有几项颇具优势的特点： 1.、其使用外部热源，因此只要是能够产生热，皆可用来做为推动的能源， 所以并不仅限于可燃烧的燃料。而由于内燃机常令人诟病其排放的废气，会产环境污染的问题，因此能够使用地热、太阳能等自然的能源来运作StirlingEngine，显然在此方面是具有优势的。 斯特林发动机原理 2.、虽然Stirling Engine 常被归类于外燃机，但实际上，只要能够产生温差， 就能够成为运作的能源，因此使用低温流体，如乾冰、或冰水，同样可使Stirling Engine 进行运作。 3.、由于Stirling Engine 外部热源与工作气体(Working gas)是分开的，因 此没有燃烧废弃物堆积于内部的问题，使用的润滑油周期较持久。 4、由于热源位于外部，因此在调整控制上，比内燃机容易得多。 5、热源的提供是连续性的，较不会有燃料燃烧不全的情形。 6、比起其他引擎，它的构造很简单，不需要阀门，也没有化油器等机构。 7、运作的温度与压力比起蒸气引擎或内燃式引擎要低且安全的多，因此引擎强度与重量不需要很要求很高。 8、没有燃烧爆炸的作用，运作也很安静，没有剧烈的震动。 以上就是Stirling Engine 的发展优势。然而，既然Stirling Engine 具有优势，但为何当初它并没有成为普遍的动力系统?显然它仍然有一些问题有待克服或替代方桉：
斯特林发动机原理 1、无法避免热源对热室的侵蚀。毕竟高温差使得其运作效率提高，但也相对的会使活塞机构产生高温或低温侵蚀性的影响，引响运作寿命。 2、虽然在低温差可以运作，但要在低温差下产生大量的动能时，引擎的体积就会很巨大。 3、高低温差的控制很困难，尤其取决于引擎的隔热包装技术。如果无法有效控制，会徒增能源的散逸，减低效率。 4、刚开始Stirling Engine 无法迅速运转，它必须经过一段“暖机时间”。 5、要改变它的能量输出等级是很难的，它无法像内燃机一样用燃油多寡直接去控制动力的大小。 6. 最好的工作气体是使用氢等分子量小的气体，但这些气体不易保存。 所以，以上的这些特性与问题，造成了Stirling Engine 发展的兴衰。以目 尽管如此，Stirling Engine 仍被利用在进行乾淨、环保的长时期稳定运作的电力生产与低温冷冻上。
48 Innovation 创新家电科技 对微型热电联产装置进行了长期运行试验，采用WhisperGen公司的产品。结果表明，该装置基本上可满足一个三间卧室小楼中4口人的基本能耗需要，包括热水供应、采暖、照明及家用电器使用。若短期电力需求较大，可从市政电网输入电力补充。 目前日本林内公司和松下公司都进行斯特林发动机热电联产机组的开发，松下公司的机组发电功率约为400W。此外，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）近期开发成功的面向寒冷地区的家用热电联产系统，试验情况良好，短期内有望批量生产。该系统配备有可利用各种燃料发电的斯特林发动机，发电输出功率为841W，发电效率为30％，燃料利用效率为为80％，不仅优于同类斯特林发动机，也优于功率相同的内燃机。若采用更先进的烟气冷凝热回收技术，整机热效率可高达96％左右。 3 家用燃气采暖炉集成斯特林发动机 2008年欧洲市场上出现了以八喜公司为代表的在壁挂式家用燃气采暖炉中配套斯特林发动机的一体化产品，标志着斯特林发动机在家用燃气热电联产装置一种新应用方案成功走向市场。由于欧洲大部分地区夏季相对清凉，具备制冷功能的家用空调装置安装、使用不普遍，所以家用燃气热电联产装置在欧洲基本使用方式是以满足采暖需求决定系统的配置和运行状态，为降低系统购置费用，一般情况下是根据房间采暖需求确定运行状态，发电机运行产生的余热只满足住宅最大热负荷的1/3～1/2，其余采用补燃方式或常规燃气加热方式补充，由于住宅热负荷变化幅度较大，这样的配置方案可以保证发电机的全负荷运行时数较长，使用户支付的购置费用与运行费用之和有效降低。以往家用燃气热电联产装置在系统配置时，需要同时配套燃气采暖炉，热力管路安装和控制系统相容性问题处理需要一定的费用。采用将斯特林发动机直接安装在燃气采暖炉内，从产品安装人员和用户来说，只是原先的燃气采暖炉增加了电力输出功能而已，大大简化了系统配置和安装工作，用户的运行管理工作因此也得到简化。 不过斯特林发动机应用于家用热电联产装置目前尚处于起步阶段，就全球范围而言民用斯特林发动机的设计和制造仍然存在一系列技术问题，这类产品的销售规模不足以内燃机驱动的家用燃气热电联产装置的1/10，短期内大规模应用的条件目前不具备。我国一些大学、研究机构和企业多年来从事斯特林发动机的研究和开发工作，已取得一些阶段性的成果，包括使用燃料驱动和太阳能热驱动的斯特林发动机已经投入试验性运 行。从技术发展的趋势角度，家用燃气斯特林发动机热电联产装置在未来仍然是燃气利用技术发展的重点发展领域。 （供稿：黄逊青） 家用燃气斯特林发动机热电联产装置 1 斯特林发动机原理 斯特林发动机(Stirling Engine)是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的闭式循环往复式发动机，又称热气机，由苏格兰牧师Robert Stirling在十九世纪初发明，所以又称斯特林发动机。相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点热气机又被称作外燃机。斯特林循环按正向循环工作时可以作热机循环，对外输出功；按逆向循环工作时，可以作热泵循环。其结构型式可以有多种多样，但循环原理基本相同。 斯特林发动机是一种能以多种燃料为能源的闭循环回热式发动机，由于其燃烧过程是在缸外接近于大气压力的状态下连续进行的，所以对燃料品质的要求不高，凡是燃烧温度可达450℃以上的任何种类的燃料都可作为斯特林发动机能源。另外，其燃烧过程也不会产生燃烧爆炸和排气波，气缸压力变化平稳，机组运转平衡，因而机组振动小、噪声低。目前家用燃气热电联产机组中配套的斯特林发动机的热工转换效率约为17～30％，而斯特林发动机的理论循环效率等于卡诺效率，从这个角度来说，提高斯特林发动机效率的潜力是比较大的。此外，斯特林发动机等外燃机还具备一个突出的优点，就是输出功率和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。 虽然外燃机有多种类型，不过目前采用外燃机的家用热电联产装置，基本上是配套斯特林发动机。用于家用热电联产装置的斯特林发动机通常是采用密闭型结构，维护工作量小，原则上在使用期内免维修；由于余热回收过程较为简便，热电联产运行效率高；而且外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。 在瑞典，生物质燃料直燃发电技术已经基本成熟并得到规模化商业应用，斯特林发动机发电技术处于技术开发和产业化示范阶段，是目前生物质能源利用方面的重点研发技术。而斯特林发动机另一个重要的应用领域是作为太阳能热发电的动力转换装置。 2 家用热电联产装置 新西兰WhisperGen公司的家用热电联产机组是市场上较有代表性的产品。法国国营煤气公司研究部已经在其试验大楼中 科技前沿 斯特林发动机发明时间是1816年，由于当时工业不发达，技术水平较低，未能应用于工程实践。近年来由于世界范围的能源和环境污染问题，斯特林发动机又重新引起人们的重视。
关于斯特林发动机的研究与发展 学号：13015218 姓名：彭俊图摘要:简述了斯特林发动机的发展历史及研究现状，介绍了斯特林循环并归纳了斯特林循环的分析方法，阐述了斯 特林发动机的特点和应用，并展望了斯特林发动机的发展前景。 关键词:斯特林发动机;斯特林循环;碟式太阳能热发电系统 随着社会的不断发展，化石燃料的消耗量日益增大，传统燃料的内燃机将面临着严重的能源危机，而积极解决这个问题的有效途径之一是开发一种可以使用与传统内燃机不同的燃料的动力装置，斯特林发动机则是目前可行的最佳途径之一。斯特林发动机(Stirling engine) 又叫热气机，是一种封闭式外燃机，具有燃料来源广，热效率高，排气污染少，噪音低，运转特性好，结构简单，维修方便等优点，并且在太阳能碟式发电系统中有着重要的应用，越来越受到人们的关注。国外一些专家预言，21 世纪将是斯特林发动机的 世纪。
1 斯特林发动机的发展 1816 年，罗伯特·斯特林(Robe Stirling) 发明了闭式循 环的热气机一一斯特林发动机。在当年的第4081 号专利中，罗伯特·斯特林在历史上第一次描述了回热器的结构和应用，并对第一台闭式循环热气机的构造进行了描述 斯特林发动机是一种外部燃烧(加热)的封闭式活塞发 动机。自罗伯特·斯特林于1816 年发明斯特林循环以来，限于当时条件，大部分发动机的功率和效率都很低，逐渐被比其发明晚半个多世纪的内燃机所替代。1916 年最后一台老式斯特林发动机出厂，斯特林发动机的发展告一段落[1 3J 近几十年来，随着能源问题和污染问题日益突出，以及
斯特林发动机的一些关键技术问题的解决和它所特有的优点，因而受到了国内外的广泛关注。20 世纪30 年代到60代，现代斯特林发动机的鼻祖一一荷兰的菲利普公司开创了现代斯特林发动机发展的新阶段。之后经过通用发动机公司、福特汽车公司、瑞典联合热气机公司的不断发展，在包括 美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本等主要工业国家政府的 资助下，在碟式太阳能热发电、制冷和热泵等领域取得重要进展。我国的某些研究机构也在20 世纪70 年代中期开始研究斯特林发动机，并在碟式太阳能热发电领域取得一定 成果 2 斯特林的国内外研究现状 Kaushik对不可逆斯特林发动机进行了有限时间热力学分析。分析指出，在不考虑各种损失和回热器效率为1条件下种循环的效率等于卡诺循环的效率，同时还指出了回热器的效率不会影响发动机的输出功率。Halit 指出工质的泄露对斯特林发动机的性能有着重要的影响。Koi-chi建立以一个斯特林发动机原型为基础，在标准状态和无负载的情况下，用空气作为工质进行试验，最后得出：提高换热器性能、降低机械损失对提高斯特林发动机的性能是十分有效的。Nezaket基于UrieliandBerchowitz’s规则，用热力学原理中稳流分析法
6KW斯特林发电机设计方案 1. 斯特林发动机技术现状 斯特林发动机始于1816年。其后的若干年内，斯特林发动机的开发都没有实质进展。直到上世纪30年代，具有实用价值的现代斯特林发动机才问世。但结构复杂、体积庞大、密封困难等缺陷严重阻碍了其应用推广。只用于潜艇等特殊领域！瑞典考库姆公司在该技术领域居领先地位。装备世界海军的斯特林发动机都是采用该公司的技术方案。美国STM公司选择斜盘输出的技术路线，也成功开发出斯特林发动机。应用范围仍然有限。 自从上世纪三十年代荷兰菲利蒲斯发明现代斯特林发动机以来，通用汽车公司、福特公司、瑞典斯特林联合公司和德MAN公司分别于六十年代、七十年代购买此项专利。在轿车和公共汽车上进行了大量试验，都因经济原因无法推广。但是，斯特林发动机的发展潜力一直受到高度重视。早在1974年，美国人R.W.Richardson分析比较了各类发动机的优缺点后的预言：斯特林发动机是很有前途的发动机！ 斯特林发动机的发展期待着结构的重大突破！ 2007年12月19日，结构更合理的斯特林可逆热机申报中国发明专利，2011年6月15日获中国发明专利（专利号200710050949.2）。清除了阻碍斯特林发动机推广应用的所有障碍，使斯特林热机全面取代内燃机可以成为现实。2011年1月31日申请中国发明专利的一种斯特林热机工况控制器（申请号201110035499.6）为斯特林发动机提供了可靠的控制系统。 《新型斯特林发动机设计理论研究》一文针对斯特林可逆热机的结构，采用施密特分析法，建立了相应设计理论模型，推导出了准确进行理论计算的功率计算公式；提出了停机角、运转角等技术新概念；从输出功和停机角、运转角差值的正负，确定斯特林可逆热机是用于发动机或制冷机，从理论上阐明了斯特林可逆热机的可逆性。《斯特林发动机极限压力与平均温度关系探析》解决了施密特分析法理论计算必须的平均温度理论计算难题。 在这种技术条件下，相同功率的斯特林发动机比内燃机体积小，零件减少40%以上。噪声低、适应高海拔高寒条件等固有优势充分发挥，使用性能优于内燃机、制造成本低于内燃机的技术条件已经成熟。取代内燃机毫无悬念，只是时间问题。 上世纪三十年至七十年代，斯特林发动机在同内燃机的竞争中败北，其原因就是内燃机的体积小、密封容易。斯特林可逆热的体积比内燃机更小，密封问题也解决了。在新一轮竞争中，斯特林发动机将处于优势地位。国际斯特林发动机业界关于“二十一世纪是斯特林发动机的世纪。”的论断很有科学预见性。 该6KW斯特林发电机设计方案采用斯特林可逆热机的结构，按照施密特分析法进行理论计算。 斯特林可逆热机在结构上与美国STM公司的斜盘输出结构有相似性，都是四个工作腔均匀分布在园周上，相邻活塞组的冷区热区气缸相连，形成热区气缸容积变化超前冷区气缸容积变化90度的相位关系。图一就清楚描述了这种相位关系。 虽然美国STM公司的斜盘输出结构相对菱形结构、双曲柄结构空间利用率
斯特林小车 设计说明书 学院： 年级专业：二年级机械工程及自动化 设计者： 任课老师： 辅导教师： 起止时间：
目录 1. 作品简介 (1) 2. 研究背景及意义 (1) 3. 设计方案的筛选 (2) 4. 重要零部件及相应功能分析 (2) 4.1引擎 (2) 4.2驱动机构 (3) 5. 设计说明 (4) 6.斯特林实物展示 (5) 7小车的特点和创新 (6) 8参考文献 (7)
1作品简介： 我们通过对斯特林引擎的研究和认识，加上已有的机械知识，在老师的帮助和改进下完成了自己设计的第一辆小车。我们的小车采用的是α型引擎，驱动机构我们选择了皮带传动。我们的设计理念是在不影响小车性能的情况下，尽量减轻小车的质量，选用较轻的零件以使小车走的更远。同时尽量选用便宜，易买到的零件，节约生产成本。 2研究背景及意义： 斯特林发动机属外燃机，它避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。只要热腔达到700℃，设备即可做功运行，环境温度越低，发电效率越高。外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。 随着全球能源与环保的形势日趋严峻，斯特林发动机由于具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越受到重视，所以，在水下动力、太阳能动力、空间站动力、热泵空调动力、车用混合推进动力等方面得到了广泛的研究与重视，并且已得到了一些成功的应用。 在这个背景下，加快对斯特林引擎的了解和研究是至关重要。而一样事物从发明到正式投入生产运用是需要一个不断探索和尝试过程的。我们通过对斯特林小车的设计及三维图的制作正是这个不断探索和尝试的过程。 3设计方案的删选： 3.1引擎部分方案删选对比： 斯特林发动机原理： 斯特林发动机是通过气体受热膨胀,遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机,使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程反复地进行这样的循环过程，便可为外机提供动力。 β型引擎：β型引擎最大特征是引擎体型小。但为了保证同轴上的2个活塞获得合适的相位角的同时能够来回往复运动，从而产生了驱动机构复杂化等问题。 γ型引擎：γ型引擎小型化比较困难。而且结构上由于不能提高压缩比，所以想得到大输出功率也非常困难。 α型引擎：α型引擎由两个动力活塞构成，具有高压缩比（最大容积/最小容积）和高输出功率的特征。而且该引擎在1980年实施的月光计划中已经被开发出输出功率为3KW级的引擎。可见这种引擎的有着很大的潜力和市场开发价值。 由此可见，不管是从制作的简便性还是输出功率的可观性，甚至市场前景。α型引擎都有着它的特点和优势。泾小组协商以及咨询老师后，最终我们决定采用α型引擎作为本次项目小车的引擎。
斯特林发动机-研究-发展
关于斯特林发动机的研究与发展 学号：13015218 姓名：彭俊图 摘要:简述了斯特林发动机的发展历史及研究现状，介绍了斯特林循环并归纳了斯特林循环的分析方法，阐述了斯特林发动机的特点和应用，并展望了斯特林发动机的发展前景。 关键词:斯特林发动机;斯特林循环;碟式太阳能热发电系统 随着社会的不断发展，化石燃料的消耗量日益增大，传统燃料的内燃机将面临着严重的能源危机，而积极解决这个问题的有效途径之一是开发一种可以使用与传统内燃机不同的燃料的动力装置，斯特林发动机则是目前可行的最佳途径之一。斯特林发动机(Stirling engine) 又叫热气机，是一种 封闭式外燃机，具有燃料来源广，热效率高，排气污染少，噪音低，运转特性好，结构简单，维修方便等优点，并且在太阳能碟式发电系统中有着重要的应用，越来越受到人们的
关注。国外一些专家预言， 21 世纪将是斯特林发动机的世纪。 1 斯特林发动机的发展 1816 年，罗伯特·斯特林 (Robe Stirling) 发明了闭式循环的热气机一一斯特林发动机。在当年的第 4081 号专利中，罗伯特·斯特林在历史上第一次描述了回热器的结构和应用，并对第一台闭式循环热气机的构造进行了描述 斯特林发动机是一种外部燃烧(加热)的封闭式活塞发动机。自罗伯特·斯特林于 1816 年发明斯特林循环以来，限于当时条件，大部分发动机的功率和效率都很低，逐渐被
比其发明晚半个多世纪的内燃机所替代。 1916 年最后一台老式斯特林发动机出厂，斯特林发动机的发展告一段落[1 3J 近几十年来，随着能源问题和污染问题日益突出，以及 斯特林发动机的一些关键技术问题的解决和它所特有的优点，因而受到了国内外的广泛关注。 20 世纪 30 年代到 60 代，现代斯特林发动机的鼻祖一一荷兰的菲利普公司开创了现代斯特林发动机发展的新阶段。之后经过通用发动机公司、福特汽车公司、瑞典联合热气机公司的不断发展，在包括 美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本等主要工业国家政府的 资助下，在碟式太阳能热发电、制冷和热泵等领域取得重要进展。我国的某些研究机构也在 20 世纪 70 年代中期开始研究斯特林发动机，并在碟式太阳能热发电领域取得一定 成果 2 斯特林的国内外研究现状 Kaushik对不可逆斯特林发动机进行了有限时间热力学分析。分析指出，在不考虑各种损失和回热器效率为1条件下种循环的效率等于卡诺循环的效率，同时还指出了回热器的效率不会影响发动机的输出功率。 Halit 指出工质的泄露对斯特林发动机的性能有着重要的影响。Koi-chi建立以一个斯特林发动机原型为基础，在标准状态和无负载的情况
热机综述 一、热机的定义 热机，即产生热能，而后将热能转化为对外做功的机械，热能的来源主要包括燃烧和核能，做功的形式主要为旋转和喷气。符合以下2个特征的机械，即可称为热机： a)要产生热能； b)要有能够吸收热能，并将热能转化为对外做功的工质，一般是空气或水。 常见的热机有蒸汽机、蒸汽轮机、活塞内燃机、燃气涡轮机，若无特别说明，文中热机即指这4种常见热机。 二、热机的分类及特点 一般将热机分为两大类，即内燃机和外燃机，其判别方式和特点分别如下。 1.内燃机 若工质参与了产生热能的过程，即是内燃机。以活塞内燃机、燃气涡轮机为代表，空气作为工质并参与燃烧，热能来源为燃烧，燃料一般为汽油、柴油、天然气、煤油等化石燃料。其工作过程分为压缩空气、燃烧、燃气膨胀做功（活塞内燃机的这三个过程是间歇性的，燃气涡轮机的这三个过程是连续的），由于第一步是压缩空气，因此其起动需借助外力，外力一般为电动机、人力、空气涡轮、高速冲压或另一台内燃机。 2.外燃机 若工质不参与产生热能的过程，即是外燃机。以蒸汽机、蒸汽轮机为代表，水作为工质，热能来源可以是核能，也可以是燃烧，燃料不限，可以使用煤、重油、木材、可燃垃圾等，还可以使用太阳能和地热。其工作过程分为加热水，水蒸气膨胀做功，无需借助外力起动。虽然起动不需要借助外力，但相比内燃机，起动时间长得多。 三、热机的主要用途 热机的作用就是输出功率，目前，热机的主要用途包括： a)作为发电机的动力，包括所有核电站、火电站，以及几乎所有移动式发电车和备用 发电机； b)作为交通工具的动力，包括绝大部分无轨动力车辆、飞机、船舶，以及少量火车； c)作为地面作业设备的动力，驱动水泵、风机、液压泵等。 四、常见热机介绍 本文从出现顺序，依次介绍4种常见的热机。 1.蒸汽机 蒸汽机于17世纪末出现在英国，18世纪初完善，催生了第一次工业革命，从驱动地面设备，逐步应用到船舶，火车，火电站，甚至汽车。 现在看来，蒸汽机确实笨重、低效，目前也确实已被活塞内燃机、蒸汽轮机和燃气涡轮机取代。但在当时，却是极其重要的发明，人类第一次可以自行支配动力的输出地点和时间，而不受限于风力、水流等自然条件。并且，蒸汽机上的许多结构，被应用到了后来的动力机械上，例如，飞轮、曲轴、连杆、活塞、气缸、转速调节器、滑阀等，经过一定的改良，用到了活塞内燃机上；其锅炉，更是可以直接用于蒸汽轮机。 需要说明的是，蒸汽机的发明和之后相当长时间内的发展，是没有完整的理论体系支撑的，完全依靠纽卡门、瓦特、富尔顿、史蒂芬孙等工程师的经验和聪明才智。 2.活塞内燃机 活塞内燃机是在蒸汽机的基础上，由火炮启发而来。火炮在13、14世纪就已经出现了，但一直没有和动力装置联系起来。18世纪末，欧洲人考虑，将炮管看成气缸；炮弹换成通过连杆连接飞轮和曲轴，使其能够来回滑动的活塞；炮管底部能够将火药燃烧的废气和残渣
斯特林发动机循环分析 (北京交通大学机电） 摘要：斯特林发动机不仅理论热效率高，等于卡诺循环效率，而且作为外燃机其排放特性非常好，所以近三十年来一直是研究的热点。本文介绍了斯特林发动机的装置特点、动力性能等，并对理论循环进行了分析，提出了提高循环热效率的方法及措施。 关键词：斯特林发动机，斯特林循环，热效率 1.斯特林发动机介绍 1.1斯特林发动机的装置特点 热气机是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热力发动机。 热气机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。 已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。 按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。 1.2斯特林发动机的应用现状 1.2.1 国内发展状况 我国从七十年代末即开始斯特林发动机的研究开发工作，已设计出功率150W-IOkW发动机11种，多数已在实验室正常运转。现从事此项工作的约300人，并正筹建中国热气机研究会。北京农业工程大学凌泽芝同志在能源政策研究通讯1991年第一期“发展热气机、促进农村电气化”一文中介绍国内外斯特林发动机的发展概况及其特点后建议：“充分利用我国农村丰富的生物质能源和部分地区丰富的太阳能资源以解决农业用电问题”。并希望纳入国家“八五”科技规划和组织有关单位联合攻关。上海711研究所研制出热气机，是一种具有国际水准的科研成果，而排放的污染气体比目前市面上的其它发动机都要小，达到欧洲排放标准。 1.2.2 国外应用现状 1）用于热电联产型 充分利用它环境污染小的特点，在大城市里可以以天燃气作燃料，通过斯特林发动机的内部的冷却装置，冷却水被加热并回收烟气，即可采暖。1台25kW的斯特林外燃机完全可以满足500—1500建筑平方米采暖。 这种使用斯特林发动机的热电联产装置实际上相当于一台副产电力的供热锅炉，一
斯特林太阳能发电机 25KW太阳能斯特林发动机 1816年，苏格兰牧师罗伯特?斯特林（RobertStirling）发明了一种独特的外燃热机。这是一种外燃的闭式循环往复活塞式热气机，有别于依靠燃料在发动机内部燃烧获得动力的内燃机。此种热气机被称为斯特林发动机。时隔近200年后的今天，伴随太阳能发电技术的开发，这种斯特林机正在被应用在太阳能光热发电领域。记者日前获悉大连星火新能源发展有限公司研发成功25KW太阳能斯特林发动机，就此采访了该公司总经理王振声。 中国储能网：请简单介绍一下斯特林发动机的特点和当前的应用范围？ 王振声：斯特林发动机也称外燃机，它的发明距今已有近200年时间，和蒸汽机的历史差不多，它的特点首先是燃烧连续，由于工质不燃烧，因此没有内燃机的爆震现象，噪音低；其次可以使用任何燃料，其燃烧室在外，燃烧的过程与工质无关，适用于各种热源，对燃烧方式无特殊要求，体积小、重量轻、噪音低、寿命长、维护方便、燃烧效率高。这种热气机目前在世界上应用于军事领域较多，特别是在潜艇上的应用十分广泛。 中国储能网：太阳能斯特林发动机的工作原理是怎样的? 王振声：太阳能斯特林发电系统通过太阳能聚焦装置收集太阳光，再反射到系统的集热器上，巨大的热量加热斯特林发动机中的惰性气体（一般是氦气），气体受热膨胀推动活塞运动，从而带动发电机发电。 中国储能网：相对目前太阳能发电领域主流的太阳能发电技术，斯特林发动机应用于太阳能热发电领域的优势在哪里？ 王振声：光伏方面，无论是单晶硅、多晶硅或薄膜电池技术应用在光伏发电上的光电转化效率一般都在8%—15%左右，而且其转化效率衰减快，一般3—5年就衰减5—8%。而且目前应用较广的多晶硅太阳能发电技术，其多晶硅生产过程本身就是一个高污染、高排放、高耗能的过程，生产能耗需要3—5年才能回收； 光热方面，目前应用较多的太阳能槽式、塔式光热发电的光电转化率也只有9%和11%。 相比之下，碟式太阳能斯特林光热发电的光电转化率高达33%。而且还存在应用灵活、无需消耗大量水资源、占地面积小等优势。 中国储能网：请简单介绍一下斯特林光热发电的应用范围？ 王振声：斯特林光热发电由于其自身的特点，不但可以应用于建设大面积的光热发电站，也可采取风光互补的发电方式，应用于现有的风电场；同时还可以采用光热、燃气综合加热的混合发电方式。同时，也特别适合在沙漠、山丘等缺水地区；适合于在缺水、缺电的偏远海岛、农村、牧区、海洋钻井平台等地区建立分布式电站，也适用于城市楼宇家用小型电站离并网供电方式。 中国储能网：相对其他的太阳能发电方式，斯特林光热发电的经济性如何？ 王振声：碟式太阳能斯特林光热发电达到批量化应用后，其成本预计可以达到1美元/瓦，与光伏发电的投资成本接近，更低于传统的槽式光热发电的2.7美元/瓦和塔式光热发电2.5美元/瓦的平均成本。从经济性上分析，斯特林光热发电具备较强的市场竞争力。
本科毕业设计（论文） 基于创新方法的斯特林发动机改进 学院机电工程学院 专业机械设计制造及其自动化 （机械电子工程方向） 年级班别2008级（2）班 学号 学生姓名 指导教师 2012年6 月
基于创新方法的斯特林发动机改进 机电工程学院
摘要 斯特林发动机由于具有燃料来源广、低噪声、低污染、安全性能高等诸多优点而受到越来越广泛的重视。但由于斯特林发动机在功率效率及结构的技术和发展还不是特别地成熟，还不能成为完全替代内燃机的新型动力机器，需要对斯特林发动机进行改进设计。本文在介绍了基于TRIZ理论的机构创新设计方法的基础上，针对现有斯特林发动机工作效率低、功率不高、结构庞大等方面问题，应用TRIZ理论的技术矛盾矩阵法对斯特林发动机进行创新设计，利用TRIZ法40条原理中的嵌套原理提出了β型斯特林发动机结构、分离与分开原理提出γ型斯特林发动机结构和周期性作用原理提出了复动型发动机结构，从结构、原理和工作循环方法上实现了产品不同角度的创新设计。用TRIZ 理论改进所得出的方案为斯特林发动机的发展方向提供实用价值的参考。 关键词：TRIZ，机构创新设计，斯特林发动机
Abstract The Stirling engine gets more and more extensive attention，because it has a lot of advantage such as the wide fuel source, low noise , low pollution, high thermal efficiency and higher safety. The technology and development of Stirling engine in power efficiency and structure is not particularly mature, which can not completely replace the internal combustion engine and become the new dynamic machine. It need to improve the design of the Stirling engine. This paper introduces the institutional innovative design method on the basis of the TRIZ theory. Since the low efficiency of the existing Stirling engine power structure low thermal efficiency and huge structure, the Author applyed technical contradiction matrix method of TRIZ on the Stirling engine to innovative design. The structure of the β-type Stirling engine, γ-type Stirling engine structure and the complex dynamic engine structure turned out. It bring about the product of innovative design from the structure, principle and duty cycle method. The improved program that obtained by TRIZ theory provide a reference of practical value for the development direction of the Stirling engine. Key words:TRIZ, Institution innovation design, The Stirling engine