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
的膨胀，冷活塞负责工质的压缩，两个活塞连接在同一曲轴上，往复运动遵循一定的规律。α型斯特林发动机的优点是能实现较大的功率。
β型斯特林发动机只有一个汽缸，同时配备了配气活塞和动力活塞，配气活塞负责驱动工质在加热器、回热器和冷却器之间流通；动力活塞负责工质的压缩和膨胀，输出动力。β型斯特林发动机的特点是能在小温差下工作。
γ型斯特林发动机配置有两个汽缸，配气活塞和动力活塞分别处于配气汽缸和动力汽缸内，配气活塞负责驱动工质流通，动力活塞单独完成工质的压缩和膨胀工作。
3 斯特林发动机的工作原理
斯特林循环包括2个等温过程和2个等容过程。下面以α型斯特林发动机的结构为例介绍一下斯特林发动机的工作原理。
α型斯特林发动机的工作过程为：（a）→（b）→（c）为定容吸热过程，热活塞和冷活塞以同样的速率分别右行和上行，热活塞运行到中间位置，冷活塞运行到上死点。在此过程中，密封腔的容积没有改变。冷腔中的工质压入热腔，低温工质流经回热器吸热。（c）→（d）→（e）为等温膨胀做功过程。热腔中的工质受热膨胀，体积增大，压力变大，热活塞在工质的推动下对外做功，右行到右死点，冷活塞从上死点下行到中间位置，整个密封腔的容积增大，其间工质温度不变。（e）→（f）→（g）为定容放热过程，热腔中的高温工质流向冷腔，推动冷活塞继续下行到下死点，热活塞从右死点运行到中间位置。此过程中，密封腔的容积也没有改变。工质经回热器、冷却器放热，压力和温度下降。（g）→（h）→（a）为等温压缩过程，热活塞继续左行到左死点，冷活塞由下死点开始上行到中间位置，在此过程中，整个密封腔的容积减小，冷却器吸收工质压缩时放出的热量，维持工质温度不变，回到（a）的状态，进入下一个斯特林循环。
4 斯特林发动机的优点
（1）由于是外燃机，燃料来源广泛，适宜就地取材。可以使用各种石化燃料，也可以燃烧木材、秸秆等农林废弃物，还可以利用太阳能、原子能、化学能等各种可再生能源和新能源等。
（2）热效率高。可采用具有比功率高、流阻损失小的特种气体作工质。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质在密封腔内循环流动，不与外界接触，热能损失较少。
（3）排气污染小。热气机运行时，由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，可以和空气充分接触，燃烧比较完全，燃料的燃烧值比较高，和内燃机相比，大大降低了废气中CO、HC等有害气体的排放，减少环境污染。
（4）噪音低。和内燃机相比，没有气门机构，避免了爆震做功；也没有内
燃机间歇燃烧所产生的排气波。独立的工质按斯特林循环工作，在汽缸内的压力变化类似于正弦，因而运转比较平稳，大大降低了噪音。
（5）运转特性好。斯特林发动机最大压力与最小压力之比一般小于2，因此运转比较平稳、扭矩比较均匀。另外，斯特林发动机的超负荷能力强，在超负荷50%的情况下仍能正常运转，而内燃机只具有5%～15%的超负荷能力。
（6）结构简单，维修方便。和内燃机相比，斯特林发动机的结构简单，减少了40%以上的零部件。没有高精密的气阀机构、高压喷油系统，不用气化和点火系统，没有需要良好润滑的活塞环等，制造成本低，便于维修保养。
5 斯特林发动机的应用形式
（1）分布式能源系统的利用
①热电联产。燃料来源广，环境污染小，非常适用于家庭热电联产。在大城市里可以以天然气作燃料。在农村可以燃烧如木屑、米糠、棉秆等各种农林废弃物，斯特林发动机和发电机组合，即可发电，又可利用冷却水系统供应热水和采暖。美国STM公司和日本各自开发成功了家用热电联产系统用于民用。②远距离发电、备用电力、电网支持等。在偏远地区，直接使用斯特林发动机发电，可以大大降低架设网线的成本；在医院、机场、电信等，作为备用电力应急使用；电力系统在负荷高峰时，使用斯特林发动机发电作为电力补充，可以降低运行成本。
（2）斯特林太阳能发电装置
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。太阳能是可再生能源，又是免费能源，是斯特林发动机的最佳动力源泉。太阳能碟式发电系统利用斯特林发动机外燃的特性，使用抛物面碟式聚光器将太阳光汇聚在斯特林发动机的热腔，加热工质，使斯特林发动机工作，将太阳热转化为机械能，再经过发电机将机械能转化为电能。斯特林发动机作为碟式太阳能热发电系统的核心组件，既适合分布式应用，又适合大规模兆瓦级并网。目前碟式系统太阳能转化电能效率达到了33%，高于光伏电池的18-20%的水平。相较太阳能光伏发电板占用空间大，它更适合大型电力事业。采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本，是新能源利用的一个重要方向。
我国中航工业西航公司研发的兆瓦级碟式斯特林太阳能热发电站示范工程进入实施阶段，该兆瓦级太阳能热发电站由58台斯特林发动机组成，标志着我国太阳能光热发电进入实用阶段。
（3）其他应用形式
①生物质燃料能源发电。在瑞典，生物质燃料直燃发电技术已经基本成熟并
