何章昆 杜長(zhǎng)博 解峰 王群 艾小軍 王炫 于軍力

摘 要：介以斯特林熱力循環(huán)為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并制造一種外燃式低溫差條件下工作的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)機(jī)加工工藝及3D打印技術(shù)的途徑，設(shè)計(jì)并制造相關(guān)零部件，最終制造出以清潔能源為動(dòng)力的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，并將其應(yīng)用到實(shí)際的生活和生產(chǎn)中以實(shí)現(xiàn)清潔能源的收集和廢熱的再利用。

關(guān)鍵詞：清潔能源 低溫差 斯特林循環(huán) 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：TK46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）6（c）-0114-02

21世紀(jì)我們面臨著資源困乏，環(huán)境污染嚴(yán)重的社會(huì)現(xiàn)狀。隨著全球能源危機(jī)的發(fā)展與環(huán)境的惡化，人們清楚地認(rèn)識(shí)到開(kāi)發(fā)利用新能源的重要性。該文介紹了一種外部燃燒（加熱）的封閉式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)有噪音低、效率高、污染小、維修方便和燃料來(lái)源廣等。該發(fā)動(dòng)機(jī)可以作為一種高效的、清潔的動(dòng)力機(jī)應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域中，并且在環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排方面有著重要的意義。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料來(lái)源廣、對(duì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，不僅可以使用天然氣、石油、煤等作為能源，還可以使用化學(xué)能、原子能、太陽(yáng)能以及燃燒秸稈、木材等農(nóng)林廢棄物時(shí)產(chǎn)生的熱能。另外，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)具有很高的熱效率，理論上來(lái)說(shuō)，斯特林循環(huán)效率和同等狀態(tài)下的卡諾效率相等。

該課題就是計(jì)并制造一種外燃式低溫差條件下工作的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，利用太陽(yáng)能或者其他廢熱來(lái)驅(qū)動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，再給其配上發(fā)電裝置實(shí)現(xiàn)電力的輸出，目前制造出來(lái)的原型機(jī)功率最大可以達(dá)到2W，可以實(shí)現(xiàn)為手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備充電。

1 設(shè)計(jì)及原理

1.1 斯特林循環(huán)

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)包括冷腔（壓縮腔）、冷卻器、熱腔（膨脹腔）、回?zé)崞鳌⒓訜崞?部分。冷腔和冷卻器是循環(huán)的低溫部分，一般稱為冷區(qū)。熱腔和加熱器是循環(huán)的高溫部分，稱為熱區(qū)。斯特林循環(huán)的工作流程為：首先把工質(zhì)密封在閉合回路中，隨后通過(guò)活塞運(yùn)動(dòng)使回路進(jìn)行流動(dòng)。理想的循環(huán)是回?zé)崞髦械牡热堇鋮s過(guò)程、膨脹腔中的等溫膨脹過(guò)程、回?zé)崞髦械牡热菁訜徇^(guò)程、壓縮腔中的等溫壓縮過(guò)程。（見(jiàn)圖1、圖2）

由此可見(jiàn)，熱氣機(jī)的理想循環(huán)是由兩個(gè)定溫過(guò)程和兩個(gè)定容過(guò)程組成。斯特林循環(huán)也是概括性卡諾循環(huán)的一種，其熱效率

1.2 動(dòng)力輸出裝置

此部分是用來(lái)收集斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)所輸出的動(dòng)力，在本項(xiàng)目中采用發(fā)電裝置來(lái)收集動(dòng)力。在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)后面安裝一個(gè)發(fā)電機(jī)，用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電可通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量或者通過(guò)燈泡來(lái)顯示，也可以收集儲(chǔ)藏起來(lái)。

2 儀器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本課題設(shè)計(jì)一種γ型的單杠斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。利用caxa畫(huà)出設(shè)計(jì)圖，設(shè)計(jì)和制作的各部分零件圖紙。（見(jiàn)圖3、圖4、圖5）

3 制作過(guò)程中遇到的問(wèn)題與解決辦法

設(shè)計(jì)過(guò)程中一些零件的精度不明確，通過(guò)與加工廠的技術(shù)部門(mén)商量和討論最終解決了各部件的精度問(wèn)題，重點(diǎn)解決了活塞腔的問(wèn)題。

原型機(jī)啟動(dòng)時(shí)間比較長(zhǎng)，在車(chē)去熱源的時(shí)候很快就停下來(lái)，經(jīng)過(guò)分析和查找資料確定是熱腔和冷腔活塞之間的換氣通道太小，換氣流量達(dá)不到要求，經(jīng)過(guò)改善后，啟動(dòng)時(shí)間由原來(lái)的5 min縮短為3 min，撤去熱源后機(jī)器可以持續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)直至停止。

實(shí)驗(yàn)熱源不好模擬，經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)研發(fā)電廠廢熱溫度自制一個(gè)小型鍋爐達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的，溫度差大概300℃。

4 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種外燃機(jī)，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行比較，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

（1）燃料來(lái)源廣。該發(fā)動(dòng)機(jī)可以適應(yīng)多種燃料，在實(shí)驗(yàn)中項(xiàng)目組采用了天然氣，乙炔，石油，酒精四中燃料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中乙炔效果最好，石油次之，但是四中燃料皆可以使機(jī)器實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。

（2）與內(nèi)燃機(jī)相比，具有較高的熱效率。理想的斯特林循環(huán)包括由2個(gè)等容過(guò)程、2個(gè)等溫過(guò)程，理論上來(lái)說(shuō)，循環(huán)效率和同等狀態(tài)下的卡諾效率一樣。由實(shí)驗(yàn)知，該發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率為30%，最高可以達(dá)到36%。

（3）排氣污染小。實(shí)驗(yàn)時(shí)都是在外界大氣中直接燃燒，空氣流量足夠，燃燒充分，排放的CO、HC等有害氣體幾乎很少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于內(nèi)燃機(jī)排放的有害氣體。

（4）運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)、噪音小。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)不含有氣閥機(jī)構(gòu)，工質(zhì)在汽缸內(nèi)的壓力變化與正弦類似，而且沒(méi)有排氣波和爆震波，因而該發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)，噪音小。在實(shí)驗(yàn)中裸機(jī)工作時(shí)在其周?chē)? m處的噪音低于50 dB。

（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)制作的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)主要由三大部件：密封的汽缸，高溫端活塞和冷端活塞，且氣密性良好，運(yùn)行過(guò)程中不易出現(xiàn)氣密性故障，在目前進(jìn)行的幾十次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中機(jī)器性能良好，至今未出現(xiàn)不良故障和現(xiàn)象。

5 儀器的發(fā)展展望

近年來(lái)，世界上的很多領(lǐng)域都在開(kāi)展斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，特別是能源危機(jī)的出現(xiàn)，讓越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始重視斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，從而推動(dòng)了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。

根據(jù)上文所述的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)結(jié)合新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)一定會(huì)取代內(nèi)燃機(jī)而成為21世紀(jì)新的動(dòng)力來(lái)源。雖然我國(guó)對(duì)于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研究較晚，但是我國(guó)的研制水平和研制力發(fā)展很快，以及引起了國(guó)際上的關(guān)注。

權(quán)威人士認(rèn)為我國(guó)將在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研究中起著重要的作用。如果在太陽(yáng)能熱發(fā)電中應(yīng)用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，可以促進(jìn)把太陽(yáng)能發(fā)展成為可持續(xù)發(fā)展的綠色能源的利用。由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用廣泛，因此可以大幅度的提高我國(guó)能源利用的效率，在保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排方面有著重要的意義，從而為我國(guó)更快、更好的發(fā)展經(jīng)濟(jì)提供動(dòng)力。

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