斯特林發動機及其發展趨勢探討

趙晨皓

（西交利物浦大學，江蘇 蘇州 215123）

斯特林發動機及其發展趨勢探討

趙晨皓

（西交利物浦大學，江蘇 蘇州 215123）

分析了現有的內燃機汽車對環境的危害情況，指出斯特林發動機的外燃方式的良好的環保特性。簡介了太陽能光熱形式的斯特林發動機的歷史，重點分析了兩種典型的斯特林發動機的構造，簡要分析了動態式和自由活塞式斯特林發動機的各自特點。針對斯特林發動機的特性，明確指出了其發展的潛在價值及其重要性，并對其發展趨勢進行了探討。

汽車；環境污染；光熱發電系統；斯特林發動機

CLC NO.：U464.9Document Code：AArticle ID:1671-7988(2014)12-68-05

引言

從煤炭文明到石油文明，再到天然氣文明，在人們開始討論有關21世紀文明的宏偉構想時，能源成為了首要問題。隨著石油資源的日益短缺，石油價格逐漸上漲，目前的汽車使用傳統的內燃機使用石油資源而引起了尾氣CH、CO、NOX排放產生嚴重的環境污染，也造成了石油能源過度的使用，產生了能源極不平衡等社會問題日見突出[1]。研究能以太陽能、沼氣、生物質等作為燃料的發動機有關技術，對于促進能源的綜合利用、改善當前使用單一的石油資源的狀況并減少環境污染，創造節約型社會，從而促進經濟的可持續發展和社會進步，具有重要的意義。

早在19世紀初期，英國物理學家羅伯特· 斯特林（Robert Stirling）發明了“斯特林發動機”（Stirling engine）[2]。這種利用氣體熱脹冷縮原理的發動機，似乎為人類提供了生存的機遇。在太陽能熱發電系統中，采用斯特林外燃機作為動力機——發電機組，構成的斯特林太陽能熱發電系統，在我國具有非常好的商業化前景[3]。

斯特林光熱發電系統的基本原理可以概括為以下過程。首先，入射太陽光經過聚光器匯聚起來，然后又吸熱氣轉化成熱能被斯特林發動機內部的工質氣體所吸收。接下來，斯特林發動機經過動力循環把熱能轉化為機械能，帶動發電機運行，隨將機械能轉換為電能。利用整流裝置，可將其電能輸出為直流電，最終由逆變裝置轉換為交流用電[4]。斯特林光熱發電系統主要由聚光器、吸熱器、斯特林發動機構成[4]。

當發光強度一定時，光源面積越大，所提供的光能量越多。聚光器的作用是將較大面積的太陽能聚集到較小面積上。由于聚光方式的不同，斯特林光熱發電機可以分為槽式、塔式和碟式。碟式斯特林光熱發電系統的光聚焦比最大，其熱腔端的溫度可以到達750oC-1382oC。相同光照強度以及時間的情況下，比熱容越小的物體溫度變化越大。吸熱器則是利用材料比熱容的特性，在相同光照強度以及時間下，獲取更

多的熱量。

本文將對斯特林太陽能熱發電系統的結構、原理及特點作簡要介紹。重點分析了兩種典型的斯特林發動機的構造，簡要分析了動態式和自由活塞式斯特林發動機的各自特點。針對斯特林發動機的特性，明確指出了其發展的潛在價值及其重要性，并對其發展趨勢進行了探討。

1、斯特林發動機的發展歷程及原理

1.1發展歷程

如圖1為碟式斯特林光熱發電系統的示意圖。

上述能量轉換過程可用如圖2更直觀的表達。

斯特林發動機于1816由英國物理學家羅伯特· 斯特林發明。最初的斯特林發動機是以空氣為工質，功率小、體積大、熱效率低，應用面較為有限[2]。

20世紀40至60年代，荷蘭的飛利浦公司利用高溫高壓氫氣或氦氣，研制出了更高功率和效率的斯特林發動機，因此在某些領域有了應用。

20世紀70年代，石油危機的出現使得歐美國家開始重點研究該領域。美國通用以及瑞典Kockums公司等繼續研發斯特新發動機。

20世紀90年代，美國斯特林能源系統公司（Stirling Energy System (SES)）和瑞典的SOLO公司著手開展了太陽能發電系統的研發工作，并相繼發明了碟式斯特林太陽能發電系統[5]。

剛剛過去的20多年里，全球工程界在斯特林發動機的開發與應用上已經取得了長足的進步。這種采用太陽能為能源的發電系統，在未來將發揮越來越重要的作用。

1.2 基本工作原理

斯特林發動機主要是由配氣活塞、動力活塞、熱腔（膨脹腔）、冷腔（壓縮腔）以及鏈接兩個氣室的機械軸構成，如圖3。

斯特林發動機是一種外燃機，其是通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產生動力的。外界的熱量使熱腔的氣體工質膨脹，蒸發的氫氣（或氦氣）作為氣體工質使活塞運動，緊接著，工質在低溫冷腔中壓縮，繼續使活塞運動。膨脹氣體在冷腔冷卻收縮，收縮的氣體在熱腔受熱膨脹，反復地進行這樣的循環過程，圖4所示[2]。每次循環過程中工質將吸收的熱能通過斯特林發動機轉化成機械能。推動斯特林發動機的最佳外熱源，毫無疑問是太陽能。

斯特林發動機理論上的效率幾乎等于理論最大效率，稱為卡諾循環效率。在循環的過程中，膨脹腔的溫度一直處于最高溫度Th，與此同時，壓縮腔的溫度一直處于最低溫度Tl，從而產生了巨大的溫差。根據熱力學定理，可以得到理想狀態下卡諾循環的效率為：

由此可以看出，卡諾循環的效率只與兩個熱源的熱力學溫度有關，如果高溫熱源的溫度Th愈高，低溫熱源的溫度Tl愈低，則卡諾循環的效率愈高。因此，高低溫熱源的溫差較大時，熱機的效率亦較高。斯特林發動機的熱電轉換效率可達40%。斯特林電動機的高效率和外燃機特性使其成為碟式斯特林光熱發電系統的首選熱機[7]。

2、斯特林發動機特點

相比于內燃機斯特林發動機具有以下特點：低污染、低運行成本、屬于低速扭矩，扭矩變動特性較好。由于斯特林

的循環方式是封閉式循環，可采用傳熱性能良好的氣體工質，相比傳統的化石燃料，氣體工質如氫氣、氦氣具有零腐蝕的優點。與此同時，氫氣、氦氣這類氣體相比空氣密度小，從而減小了發動機的體積和重量。斯特林發動機十分符合良好環境的建設。循環過程幾乎沒有任何廢氣的產生，排氣潔凈。相對傳統的內燃機，以太陽能作為斯特林發動機的動力，其運作原理十分簡單。太陽能斯特林發動機絕對不需要傳統內燃機的進氣和排氣閥門。因此，盡管斯特林發動機機械效率很高，卻很簡單。此外，相對于內燃機，斯特林發動機因為沒有氣體爆炸，所以大大降低了噪音污染。最重要的是，由于其高熱能集聚能力，相較太陽能光伏發電板，它更適合大型電力事業。

3、斯特林發動機分類及其結構

3.1 斯特林發動機分類

斯特林發動機可分為兩類：動態式斯特林發動機、自由活塞式斯特林發動機。

動態式斯特林發動機的配氣活塞、動力活塞和機械輸出軸間是通過物理連接構成的發動機。自由式活塞式發動機的配氣活塞和動力活塞在同一氣缸內沿同一軸做自由往復運動，引起工質經歷斯特林循環過程[8]。

動態式發動機的機械結構與內燃機相似，其相位角是由發動機傳動系統的機械裝置實現的，發動機產生的扭矩驅動傳統的異步發電機，從而產生電能。動態式發動機一般采用滑動密封。運行時，活塞與氣缸、活塞桿和活塞座之間會產生一定程度的側推力，產生一定的摩擦力。隨著密封器件磨損程度的增加，氣體泄漏率隨之增大，這對發動機的性能會產生不良影響，嚴重時甚至會發生循環氣體的漏失，使電動機不能運行。

與動態式發動機相比，自由活塞式發動機結構相對簡單，只有配氣活塞和動力活塞兩個運動部件，并且兩個活塞彼此獨立，在同一氣缸內往復運動，發動機產生的動量驅動直流發電機，從而產生電能。活塞沖程、頻率和兩活塞間的相位角由活塞和彈簧系統隨循環壓力變化的動態性來實現[9]。運行時，活塞與氣缸間無側推力，發動機非接觸氣體密封和彈簧幾乎消除了活塞與氣缸間的摩擦，從根本上避免了動態式斯特林發動機的磨損問題。

3.2 斯特林發動機的典型結構

Ⅰ. Kockums公司的斯特林發動機

圖6所示為Kockums公司研發的4-95型雙作用四缸斯特林發動機。其由氣缸組件、冷卻器、回熱器和加熱頭構成。氣缸組件又由氣缸、活塞、活塞桿密封組件和連桿組成，氣缸總容積為380cm3。此種發動機有四個相同的循環系統，每個系統的工質在氣缸熱腔、加熱頭、回冷器、冷卻器和冷腔之間往復循環。該四缸斯特林發動機四個氣缸的熱腔與冷腔首尾相連，即前一級的熱腔為后一級的冷腔，且兩個活塞之間相位角相差90o【5】。發動機轉速1800rpm， 驅動異步發電機產生480V，頻率60Hz的交流電。

90年代，SES公司整合麥道公司的太陽能聚光技術以及Kockums公司的4-95型斯特林發動機，制作出了碟式斯特林光熱發電系統，并進行了大量測試，圖7所示為該4-95型斯特林發動機功率性能圖。由圖7看出，隨著太陽輻照度的遞增，系統總發電功率也隨之遞增。此外，系統總功率還與聚光鏡發射率有關，且反射率越大，發電總功率越大。

Ⅱ. Cleanergy公司的斯特林發動機

Cleanergy公司生產的V-161型斯特林發電機，發電功率為10kW，發動機結構呈90o“V”型，長1.28m，寬0.7m，高0.98m，氣缸容積達到160cm3。壓縮活塞和膨脹活塞分別位于冷熱氣缸中，熱腔、加熱頭、回冷器、冷卻器和冷腔一次連接，組成完整的循環回路，如圖7。循環過程中，兩個活塞具有傳遞功率的功能，熱腔活塞傳遞膨脹功，冷腔活塞傳遞壓縮功，曲軸連桿機制帶動一步交流發電機發電[10]。

2003年，美國山帝亞國家實驗室對5臺V-161型斯特林發電機進行了測試[11]。圖8為其輸出功率和發電效率性能圖。在一定范圍內（450-500 W/m2），隨著光照幅度的遞增，系統輸出功率和效率分別驟增。

Ⅲ. Sunpower公司的斯特林發動機

前面介紹的兩種斯特林發動機都屬于動態式斯特林發動機，下面這兩種都屬于自由活塞式斯特林發動機。

1974年，自由活塞式斯特林發動機創始人Beale成立了Sunpower公司。40年來，該公司一直致力于自由活塞式斯特林發動機研究與應用。其發動機的主要特點是配氣活塞桿穿過活塞，使用氣體彈簧支持配氣活塞和動力活塞進行往復運動，利用板式彈簧對配氣活塞支撐定位，如圖9所示。

Ⅳ. Infinia公司的斯特林發動機

Infinia公司研發的斯特林發動機的配氣活塞和動力活塞在同一氣缸，通過配氣活塞的往復運動，與動力活塞形成共振而做功，如圖10所示。系統采用板式彈簧支持活塞進行往復運動，結構緊湊。兩活塞在氣缸冷熱端各有一個非接觸氣體密封，密封嚴密。圖11展示了該種發動機凈功率與系統效率性能。隨著光照輻射度的增大，凈功率和系統的效率也隨之增高。而當太陽輻照度超過800W/m2時，系統效率開始降低。

為了克服單缸自由活塞斯特林發動機單位體積輸出功率低的特點，Infinia公司提出了雙作用六缸的自由活塞式發動機的概念。此種發動機保留了自由活塞式機型的特點，并借鑒了動態式發動機的優點，將配氣活塞與動力活塞合二為一，氣缸也從以前的單杠變成了六缸，如圖12所示。

4、斯特林發動機在汽車中的應用

隨著化石能源的日趨減少，內燃機注定會退出汽車工業的歷史舞臺。因此，混合動力汽車必定成為這個過渡階段的產物。內燃機的熱效率一般在40%左右，而剩余的大部分以熱的形式損失。如果能夠將這些損失的熱能進行回收和利用，那么對于提高混合動力汽車的效率將不再困難。結合斯特林發動機的工作原理，可以將損失的熱能提供給斯特林發動機，并讓其工作，從而輸出機械能作為汽車的動力。或是將斯特林發動機轉化產生的電能儲存于蓄電池組中，配合內燃機一起工作。這樣一來，可以實現小排量的內燃機滿足大排量汽車的動力要求，以達到節油的目的[16]。

5、斯特林發動機的發展趨勢

斯特林發動機已走過近兩個世紀的發展歷程，隨著全球

能源問題和環境問題的日益出現，以及市場對清潔能源的迫切需求，斯特林發動機必然會越來越受到廣泛的關注。

與此同時，隨著汽車需求量的增多，對于汽車新能源的探索一直在進行中，節能環保的新能源已經成為汽車發展道路上的最終目的[16]。

碟式斯特林光熱發電系統的核心部件是斯特林發動機。斯特林發動機相比內燃機來說，具有結構簡單的特點，但其中的關鍵部件的研發難度較大，至今卻仍未大規模出現在社會生產和生活中,仍需要大量的工作與努力。

總體而言，碟式斯特林光熱發電系統具有高效率、低耗能以及發電方式靈活等特點。相對傳統的內燃機，以太陽能作為斯特林發動機的動力，其運作原理十分簡單。沒有閥門，不需要氣化和點火裝置。從生態角度來看，斯特林發動機具有環保無污染的特點。發動機本身從外部獲取熱能，不需要傳統的進氣和排氣閥門。在不遠的未來，必將受到越來越多的國家的重視。隨著該系統的研發、示范和推廣工作的不斷進行，斯特林光熱發電系統將在世界能源結構中占有一席之地，為最終實現可再生能源做出應有的貢獻。

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Stirling engine and the discussion of its future trend

Zhao Chenhao
(Xi’an Jiaotong-Liverpool University, Jiangsu Suzhou 215123)

This paper analyses the damage of current internal combustion engine for environment and point out environmental advantages of Stirling engine, which is a type of external combustion engine. This article also briefly describes the history of Stirling engine and focuses on two types of constructions, dynamic and free piston. Furthermore, this paper points out potential values and importance of Stirling engine, and make discussion for its future trend.

vehicle; environmental pollution; solar-thermal power generation system; stirling engine.

U464.9

A

1671-7988(2014)12-68-05

趙晨皓，就讀于西交利物浦大學。