斯特林发动机

斯特林(RobertStirling，1790-1878)

英国物理学家，热力学研究专家。

斯特林对于热力学的发展有很大贡献。他的科学研究工作主要是热机。热机的研制工作，是18世纪物理学和机械学的中心课题，各种各样的热机殊涌而出，不断互相借鉴，取长补短，热机制造业兴旺起来，工业革命处于高潮时期。

随着热机发展，热力学理论研究提到了重要位置，不少科学家致力于热机理论的研究工作，斯特林便是其中著名的一位。他所提出的斯特林循环，是重要的热机循环之一，亦称"斯特林热气机循环"。这种循环，是封闭式的，采用定容下吸热的气体循环方式。

利用这种循环的"斯特林热机"，具有很多特点，如采用外燃，或外热源供热等。由于这种循环是封闭式循环，能够采用远远大于大气压力的高压气体工作，这样可以提高发动机的单位重量的功率，减小发动机的体积和重量。

斯特林热机在逆向运转时，可以作为制冷机或热泵机，这种设想在现代已进入了实用研究阶段。

外燃机指燃料在汽缸外燃烧的的发动机。燃料连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。工质指的是"工作介质"，可以是氢气或者氦气(热力性能较好)

与内燃机比较热气机所具备的优点:

无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源,如:

1. 生物质能(柴火等)(太阳能放射性同位素和核反应等)，而发动机本身(除加热器外)不需要作任何更改。同时热气机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量。
2. 太阳能。这是斯特林发动机较为常见的用途之一。
3. 放射性同位素。常见于用于潜艇、深空的AIP系统。

热气机在运行时，由于燃料的燃烧是连续的，因此避免了类似内燃机的爆震做功和间歇燃烧过程，从而实现了低噪音的优势。这使得它可以用在潜艇上以得到较好的隐蔽性。

热气机单机容量小，机组容量从20-50kw，可以因地制宜的增减系统容量。结构简单，零件数比内燃机少40%，降价空间大，同时维护成本也较低。

这是由于斯特林闭循环中工质与大气隔绝产生的。这使得它非常适合于高海拔地区使用。

内燃机的燃气最高温度要比斯特林高得多，但内燃机依靠散热把气缸的温度控制在90度左右，而斯特林发动机的加热器和膨胀腔需要长时间保持在较高的温度，这对材料提出了较高的要求。

同样是因为长时间保持高温，这使得很多热量通过直接传递和热辐射的形式损失了。所以需要采取一系列措施来减少热损失，比如把活塞做成中空结构，并且在里面设置多道"热障"。

这是由减少热损失的一系列措施导致的，要隔热，比功率就小。

这些是针对常规结构的斯特林发动机而言。

由于热源来自外部，传热需要时间，因此发动机需要经过一段时间才能使气缸的温度变化。

这意味着:

1、在提供有效动力之前需要时间暖机。

2、不能快速改变其动力输出。

密封和润滑在一定程度上相互矛盾。

由于工作介质是有限的，因此对密封的要求较高，这也是斯特林发动机发明比内燃机早却没能得到很快发展的原因之一。

为了降低摩擦损失，润滑的要求同样较高。由于润滑油汽化会凝结在回热器上造成堵塞，因此不能使用润滑油，只能干摩擦。

对策:

一般使用聚四氟乙烯(PEFT)和聚醚醚酮(PEEK)以及各种填料(青铜、石墨等)制成的活塞环，具有自动形成润滑层(自润滑)、耐高温(250℃Max)的特性。

热气机(StirlingEngine)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，由苏格兰人 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。热气机特指按闭式回热循环工作的热机，不包括斯特林热泵或斯特林制冷机。

右图是配气活塞式斯特林发动机(β式)的原理示意图。

气缸内部充满了气体(即工作介质，简称工质。)

上面的活塞称为"活塞"或"动力活塞":

上移使得工质"膨胀"，下移使得工质被"压缩";

下面的活塞称为"配气活塞"。

上移使得工质被"加热"，下移使得工质"冷却"。

观察曲轴排布，可知配气活塞领先动力活塞90°，得到的结果是:

1."动力"下移，工质被压缩 --> 2."配气"下移，工质放热冷却--->

3."动力"上移，工质膨胀 --> 4.."配气"上移，工质被加热 --->1.

简单来说就是冷却》压缩》吸热》膨胀》冷却组成的一个循环，即"斯特林循环"

细节来说就是工质膨胀释放出来的功大于压缩工质消耗的功。

热的工质膨胀功比冷的工质膨胀功大，冷的工质比热的工质压缩功小。

那么如果使工质在冷时压缩，压缩功就小，在热时膨胀，膨胀功就大。

得到的结果就是输出功=(膨胀功-压缩功)为正，也就是开始运作。

斯特林热机的结构有很多，但大都是由α 、β、γ三种基础结构变换而来。

常用的有自由活塞式[2]

和四缸双作用式等[1]

自由活塞式斯特林发动机由β式结构发展而来，取消了曲轴、连杆、飞轮等结构，并具有自激振荡自启动以及自动适应负载的能力。

四缸双作用式斯特林发动机由四个α式结构冷热相接组合而成。气缸上部加热、下部冷却，工质在相邻两个气缸的上下部间循环，4个活塞交替上下，直接驱动斜盘转动，工作较为平顺。

等温分析法又称为施密特分析法，由Schmidt于1871年提出。由等温分析法计算得到的有效功率是绝热分析法的两倍左右。

绝热分析法是一种"二级分析法"，由绝热分析法计算得到的有效功率一般为实验测试的两倍左右。

绝热分析法物理模型

以上两种分析法均在引用文献中有介绍。(总页码:32，即21页)[2]

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。

成功实例有美国STM公司的民用25KW外燃机以及日本亲潮级潜艇使用的斯特林发动机，中国潜艇也有自研成熟的斯特林发动机。

热气机的未来发展将更多的应用新材料(如陶瓷)，可将加热器温度进一步提高，理论有效效率可提升至42%。

斯特林发动机目前有报道，已经开始研究在计算机主板的散热风扇上使用，通过北桥芯片的发热来带动斯特林发动机，以此来给硬件降温，该研究还处于研究阶段(2008.04.11)。

随着全球能源与环保的形势日趋严峻，热气机由于其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。热气机推广中的3个方向包括:

热电联产充分利用它环境污染小和可使用多种燃料及易利用余热的特点，用于热电联产可取得更高的热效率和经济效率。

四联装余热回收系统

低能级的余热回收利用对燃烧系统稍加改进便可利用工场余热、地热和太阳能进行发电或直接驱动水泵，可取得更大的节能效益。

移动式动力源通过对发动机的小型化和轻量化，并改善其控制性能后，亦可以作为推土机、压路机等车辆的动力。

注意斯特林发动机的发明时间是1816，是和蒸汽机差不多的古老的发动机，多年没有引起人们的重视，斯特林发动机的几个特性是非常适合潜艇的，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，或者说只要有热源、冷源就能工作，无论烧煤烧碳都可以，只要能发热就行。

斯特林循环热空气发动机不排废气，除燃烧室内原有的空气外，不需要其他空气，所以适用于都市环境和外层空间。另外，斯特林循环发动机是AIP(不依赖空气动力)技术的一个方向，保证常规动力潜艇长时间水下航行，而不需上浮。

18世纪末和19世纪初，热机普遍为蒸汽机，它的效率是很低的，只有3%一5%左右，即有95%以上的热能没有得到利用。到1840年，热机的效率也仅仅提高到8%。斯特林对于热力学理论的研究，就是从提高热机效率的目的出发的。他所提出的斯特林循环的效率，在理想状况下，可以无限提高。当然受实际的限制，不可能达到100%，但提供了提高热效率的努力方向。