斯特林发动机

斯特林发动机是一种热机，其由循环压缩和空气或其他气体在不同温度下，得到的净转化热能量到机械工作。更具体地，斯特林发动机是具有xxx气态工作流体的闭环再生热力发动机。在这种情况下，闭环意味着一种热力学系统，其中工作流体xxx地包含在系统中，并且再生描述了特定类型的内部流体的使用。热交换器和蓄热器，称为蓄热器。严格来说，包含蓄热器是斯特林发动机与其他闭环热空气发动机的区别所在。

罗伯特·斯特林（Robert Stirling）在1816年获得了xxx个闭环空气发动机实用实例的专利，弗莱明·詹金（Fleeming Jenkin）早在1884年就提出将所有此类发动机统称为斯特林发动机。这种命名建议几乎没有受到青睐，市场上的各种类型仍以其各自的设计师或制造商的名字而为人所知，例如，Rider，Robinson或Heinrici的（热）空气发动机。在1940年代，飞利浦公司正在为其自己的“空气发动机”版本寻求一个合适的名称，当时该空气发动机已经用除空气以外的其他工作流体进行了测试，并于1945年4月决定使用“斯特林发动机”。然而，近三十年后，格雷厄姆·沃克（Graham Walker）仍然有理由抱怨这样一个事实，例如热空气发动机与斯特林发动机仍然可以互换，斯特林发动机本身得到了广泛和不加选择地使用，这种情况还在持续。

斯特林发动机与蒸汽发动机一样，斯特林发动机传统上也被归类为外燃发动机，因为进出工作流体的所有热量都通过固体边界（热交换器）进行传递，从而隔离了燃烧过程及其可能产生的污染物。发动机的工作部件。这与内燃机相反，在内燃机中，热量输入是通过工作流体体内的燃料燃烧来实现的。斯特林发动机的许多可能实施中的大多数都属于往复活塞发动机。

甲斯特林发动机是一种热机，通过循环压缩和空气或其他气体在不同温度下，使得存在的净转化热能量到机械工作。更具体地，斯特林发动机是具有xxx气态工作流体的闭环再生热力发动机。在这种情况下，闭环意味着一种热力学系统，其中工作流体xxx地包含在系统中，并且再生描述了特定类型的内部流体的使用。热交换器和蓄热器，称为蓄热器。严格来说，包含蓄热器是斯特林发动机与其他闭环热空气发动机的区别所在。

根据定义，斯特林发动机无法达到内燃机的典型总效率，主要限制因素是热效率。内燃期间，温度在短时间内达到1500C-1600C左右，导致热力学循环的平均供热温度比任何斯特林发动机都高。不可能像斯特林发动机那样在传导较高的温度下提供热量，因为没有材料可以在该高温下从燃烧中传导热量，而不会产生巨大的热损失以及与材料的热变形有关的问题。斯特林发动机能够安静运转，几乎可以使用任何热源。热能源在斯特林发动机外部产生，而不是像奥托循环或柴油循环那样通过内燃产生引擎。由于斯特林发动机与替代能源和可再生能源兼容，因此随着常规燃料价格的上涨以及考虑到诸如石油供应枯竭和气候变化等问题，斯特林发动机可能变得越来越重要。目前，这种类型的发动机已成为人们关注的微型热电联产（CHP）单元的核心部件，与同类蒸汽发动机相比，这种发动机更高效，更安全。然而，它具有低的功率重量比，使之更适合于在静态安装空间和重量是不溢价使用。

发动机的设计使工作气体通常在发动机的较冷部分被压缩，而在较热的部分膨胀，从而导致热量净转化为功。与没有此功能的简单热空气发动机相比，内部蓄热式热交换器提高了斯特林发动机的热效率。

作为封闭循环操作的结果，该热驱动斯特林发动机必须被从热源通过传递到工作流体的热交换器，并最后达到散热器。斯特林发动机系统具有至少一个热源，一个散热器和多达五个热交换器。某些类型可以与其中某些组合或省去。

热源可以通过燃料的燃烧来提供，并且由于燃烧产物不与工作流体混合并且因此不与发动机的内部部件接触，因此斯特林发动机可以使用会损坏发动机的燃料运行。其他发动机类型的内部零件，例如垃圾填埋气，其中可能包含硅氧烷，这些硅氧烷可能在常规发动机中沉积磨料二氧化硅。

其他合适的热源包括聚光太阳能、地热能、核能、废热和生物能。如果将太阳能用作热源，则可以使用常规的日光镜和日光碟。还提倡使用菲涅耳透镜和镜子，例如在行星表面探测中。太阳能斯特林发动机越来越受欢迎，因为它们提供了无害环境的发电选择，同时某些设计在开发项目中具有经济吸引力。

在小型，低功率发动机中，这可以简单地由一个或多个热空间的壁组成，但是在需要更大功率的情况下，需要更大的表面积来传递足够的热量。典型的实现是内部和外部散热片或多个小口径管。

斯特林发动机热交换器的设计是在高热量传递和低粘性 泵送损失与低死角空间之间取得平衡。在高功率和高压下运行的发动机要求热侧的热交换器由合金制成，这些合金在高温下保持相当大的强度并且不会腐蚀或蠕变。

在斯特林发动机中，蓄热器是一个内部热交换器，位于热空间和冷空间之间，是一个临时蓄热器，以便工作流体首先沿一个方向通过，然后再通过另一个方向，从流体中沿一个方向吸收热量，然后返回它在另一个。它可以像金属网或泡沫一样简单，并且受益于高表面积，高热容量，低电导率和低流动摩擦。它的功能是将系统中保留的热量保留在系统中，否则该热量将在最大和最小循环温度之间的温度下与环境进行交换，因此可以实现循环的热效率接近极限卡诺效率。

斯特林发动机中再生的主要作用是通过“回收”内部热量来提高热效率，否则这些热量将不可逆转地通过发动机。作为次要效果，提高的热效率会从给定的一组热端和冷端热交换器产生更高的功率输出。这些通常会限制发动机的热量通过量。在实践中，由于额外的“死区”（未清扫体积）和实际再生器中固有的泵浦损耗会降低再生带来的潜在效率增益，因此可能无法完全实现此额外功率。

斯特林发动机蓄热室的设计挑战是提供足够的传热能力，而又不会引入过多的内部体积或流阻。这些固有的设计冲突是限制实际斯特林发动机效率的众多因素之一。的典型设计是细金属的叠层线 的网格，具有低孔隙度，以减少死腔，并与导线的轴垂直于气流以减少传导在该方向上，并xxx限度地对流换热。

蓄热室是罗伯特·斯特林（Robert Stirling）发明的关键组件，它的存在使真正的斯特林发动机与任何其他闭环热空气发动机都脱颖而出。许多小型“玩具”斯特林发动机，尤其是低温差（LTD）型，没有明显的再生器组件，因此可以被视为热空气发动机。然而，置换器本身的表面和附近的汽缸壁，或者类似地，连接alpha配置发动机的热汽缸和冷汽缸的通道，都会提供少量的再生。

在小型低功率发动机中，它可能仅由一个或多个寒冷空间的壁组成，但是在需要更大功率的地方，需要使用类似液体的水的冷却器来传递足够的热量。

斯特林发动机的热区和冷区之间的温差越大，发动机的效率越高。散热器通常是发动机在环境温度下运行的环境。对于中功率发动机到高功率发动机，需要散热器才能将热量从发动机传递到周围的空气中。船用发动机的优势是使用凉爽的周围海水，湖泊或河流水，通常比周围空气凉爽。对于热电联产系统，发动机的冷却水直接或间接用于加热目的，从而提高了效率。

可替代地，可以通过诸如低温流体或冰水的方式在环境温度下提供热量并且将散热器保持在较低的温度下。

置换器是一种专用活塞，用于Beta和Gamma型斯特林发动机中，用于在冷，热热交换器之间来回移动工作气体。取决于发动机设计的类型，置换器可能会或可能不会与汽缸密封；也就是说，它可能是松散地装配在气缸内，允许工作气体在移动时占据其周围，从而占据气缸的一部分。

斯特林发动机的三种主要类型的区别在于它们在热区和冷区之间移动空气的方式：

1. 的阿尔法配置有两个动力活塞，一个在热气缸，一个在一个冷汽缸，并且气体在两个由活塞之间被驱动; 它通常呈V形，活塞在曲轴上的同一点连接。
2. 所述测试配置具有与热端和冷端的单缸，含有动力活塞和一个“置换”驱动热端和冷端之间的气体。它通常与菱形驱动器配合使用，以实现置换器和动力活塞之间的相位差，但是它们可以在曲轴上异相连接90度。
3. 所述伽马配置具有两个汽缸：含有置换，用热和冷端，和一个用于动力活塞的一个; 它们连接在一起形成一个单一的空间，因此气缸具有相等的压力；活塞通常是平行的，并且在曲轴上异相连接90度。

与内燃机相比，斯特林发动机具有更容易使用可再生热源的潜力，并且更安静，更可靠且维护成本更低。它们是重视这些独特优势的应用的首选，特别是如果单位产生的能源成本比单位发电的资本成本更为重要的情况下。在此基础上，斯特林发动机的成本竞争力高达100 kW。

与相同额定功率的内燃机相比，斯特林发动机目前具有较高的投资成本，并且通常更大且更重。但是，它们比大多数内燃机更有效。较低的维护要求使整体能源成本具有可比性。热效率也可比（小型发动机），范围从15％至30％。对于诸如微型CHP的应用，斯特林发动机通常比内燃机更可取。其他应用包括抽水、航天，以及与内燃机不兼容的大量能源（例如太阳能）以及生物质（例如农业垃圾和其他垃圾）进行发电。然而，斯特林发动机由于每单位功率的高成本，低功率密度和高材料成本而通常不具有与汽车发动机相比的价格竞争力。

基本分析基于封闭式Schmidt分析。

• 斯特林发动机可以直接在任何可用的热源上运行，而不仅仅是燃烧产生的热源，因此它们可以在太阳能、地热、生物、核能或工业过程中产生的热量下运行。
• 可以使用连续燃烧过程来提供热量，因此可以减少与往复式内燃机的间歇燃烧过程相关的那些排放。
• 某些类型的斯特林发动机在发动机的冷侧具有轴承和密封件，与其他往复式发动机的同类产品相比，它们所需的润滑剂更少且使用寿命更长。
• 发动机机构在某种程度上比其他往复式发动机更简单。不需要阀门，并且燃烧器系统可以相对简单。粗斯特林发动机可以使用普通的家用材料制成。
• 斯特林发动机使用的单相工作流体可将内部压力保持在接近设计压力的水平，因此，对于设计合理的系统，爆炸的风险很低。相比之下，蒸汽机使用的是两相气/液工作流体，因此过压溢流阀出现故障会引起爆炸。
• 在某些情况下，较低的工作压力允许使用轻型气缸。
• 它们可以制造成安静运行而无需供气，用于潜艇中与空气无关的推进。
• 与内燃相比，它们在暖和的天气下很快启动（尽管预热后很慢），并且在寒冷的天气下更有效地运行，而内燃则在温暖的天气下迅速启动，而在寒冷的天气下则不然。
• 可以配置用于泵送水的斯特林发动机，以使水冷却压缩空间。这样可以在抽冷水时提高效率。
• 它们非常灵活。它们可以被用来作为热电联产（热电联产在冬季）和夏季冷却器。
• 废热易于收集（与内燃机废热相比），斯特林发动机可用于双输出热电系统。
• 1986年，美国宇航局制造了斯特林汽车发动机，并将其安装在雪佛兰名人汽车上。燃油经济性提高了45％，排放量xxx减少。加速（功率响应）等同于标准内燃机。该引擎被命名为Mod II，也消除了斯特林引擎笨重、昂贵、不可靠且性能不佳的说法。不需要催化转换器，消音器和频繁换油。

• 斯特林发动机的设计要求热交换器用于热量输入和热量输出，并且这些热交换器必须包含工作流体的压力，其中压力与发动机功率输出成比例。另外，膨胀侧热交换器通常处于很高的温度下，因此材料必须抵抗热源的腐蚀作用，并且蠕变低。通常，这些材料要求xxx增加了发动机的成本。高温热交换器的材料和组装成本通常占发动机总成本的40％。
• 所有热力循环都需要较大的温差才能有效运行。在外燃发动机中，加热器温度总是等于或超过膨胀温度。这意味着对加热器材料的冶金要求非常苛刻。这类似于燃气轮机，但与奥托发动机或柴油发动机相反，膨胀温度可能远远超过发动机材料的冶金极限，因为输入热源没有通过发动机传导，所以发动机材料的工作温度接近于工作气体的平均温度。斯特林循环实际上是无法实现的，斯特林机器的实际循环效率比理论斯特林循环低，在环境温度适中的情况下，斯特林循环的效率也较低，而在凉爽的环境下会达到最佳效果，例如北方国家的冬季。
• 废热的散发特别复杂，因为冷却剂温度保持尽可能低，以使热效率最大化。这增加了散热器的尺寸，这可能使包装困难。除了材料成本，这已经成为限制斯特林发动机作为汽车原动机采用的因素之一。对于其它应用，如船舶推进和固定微型发电用系统的热电联产（CHP）的高功率密度是不需要的。

• 斯特林发动机，特别是那些运行在温差较小的发动机上，其产生的功率很大（即，它们的比功率很低）。这主要是由于气体对流的传热系数，它限制了典型的冷热交换器中的热通量约为500 W /（m ² ·K），而热热交换器中的热通量约为500– 5000 W /（m ² ·K）。与内燃机相比，这对发动机设计者来说将热量传入和传出工作气体更具挑战性。由于热效率所需的传热随着温度差的降低而增长，并且输出功率为1 kW的换热器表面（和成本）以（1 /ΔT）²增长。因此，非常低的温差发动机的特定成本非常高。假设热交换器是为增加热负荷而设计的，那么增加温差和/或压力可使斯特林发动机产生更大的动力，并可以传递所需的对流热通量。
• 斯特林发动机无法立即启动；它实际上需要“热身”。对于所有外燃发动机都是如此，但是斯特林发动机的预热时间可能比其他此类发动机（例如蒸汽发动机）的预热时间更长。斯特林发动机最适合用作恒速发动机。
• 斯特林的功率输出趋于恒定，对其进行调整有时可能需要仔细的设计和其他机制。通常，通过改变发动机的排量（通常通过使用斜盘 曲轴装置），改变工作流体的量，改变活塞/活塞的相角或在某些情况下简单地通过改变输出功率来实现输出变化。改变发动机负荷。该特性在混合动力推进或“基本负载”公用事业发电中几乎没有缺点，在这种情况下，实际上需要恒定的功率输出。

所使用的气体应具有较低的热容量，因此，给定量的热传递会导致压力大幅增加。考虑到这个问题，由于氦的热容量非常低，因此它将是xxx的气体。空气是一种可行的工作流体，但高压航空发动机中的氧气可能会因润滑油爆炸而导致致命事故。发生此类事故后，飞利浦率先使用其他气体来避免发生爆炸的危险。

• 氢的低粘度和高导热性使其成为xxx大的工作气体，这主要是因为发动机比其他气体运行得更快。然而，由于氢的吸收，并且考虑到与该低分子量气体相关的高扩散速率，特别是在高温下，H ₂通过加热器的固体金属泄漏。碳钢的扩散太高，无法实际应用，但对于金属甚至不锈钢来说可能较低。某些陶瓷还可以xxx减少扩散。密闭压力容器密封件是维持发动机内部压力而不更换损失的气体所必需的。对于高温差动（HTD）发动机，可能需要辅助系统来维持高压工作流体。这些系统可以是储气瓶或气体发生器。氢可以通过水的电解，蒸汽对炽热的碳基燃料的作用，碳氢化合物燃料的气化或酸在金属上的反应而产生。氢也会导致金属脆化。氢气是易燃气体，如果从发动机中释放出来，这是一个安全隐患。
• 大多数技术先进的斯特林发动机，例如为美国政府实验室开发的发动机，都使用氦气作为工作气体，因为它的功能接近于氢气的效率和功率密度，而且几乎没有材料限制问题。氦是惰性气体，因此不易燃。氦气相对昂贵，必须以瓶装气形式提供。一项测试显示，在GPU-3斯特林引擎中，氢的效率比氦（相对的24％）高出5％（xxx）。研究人员艾伦·欧根（Allan Organ）证明，精心设计的空气发动机在理论上与氦或氢发动机一样高效，但是氦和氢发动机的单位体积功率要高出好几倍。
• 一些发动机使用空气或氮气作为工作流体。这些气体具有低得多的功率密度（这会增加发动机成本），但它们使用起来更方便，并且将气体封闭和供应的问题降到最低（从而降低了成本）。将压缩空气与易燃材料或诸如润滑油之类的物质接触会引起爆炸危险，因为压缩空气包含较高的氧气分压。但是，可以通过氧化反应从空气中除去氧气，也可以使用瓶装氮气，这几乎是惰性的并且非常安全。
• 其他可能比空气轻的气体包括：甲烷和氨。

斯特林发动机的应用范围从加热和冷却到水下动力系统。斯特林发动机可以反向用作加热或冷却的热泵。其他用途包括热电联产、太阳能发电、斯特林低温冷却器、热泵、船用发动机、低功率飞机模型发动机和低温差发动机。