斯特林發(fā)動機(jī)性能模擬研究

王淼 徐鵬輝 趙利宏 趙凱強(qiáng) 王國卓

（天津商業(yè)大學(xué) 天津 300000）

斯特林發(fā)動機(jī)[1]（Stirling Engine）是一種外部供熱的活塞式發(fā)動機(jī)，它以氣體作工質(zhì)，按閉式回?zé)嵫h(huán)的方式進(jìn)行工作。斯特林發(fā)動機(jī)最早發(fā)明于1816年，比內(nèi)燃機(jī)發(fā)明早幾十年，但由于受當(dāng)時(shí)材料及制造水平的限制，沒有得到進(jìn)一步的發(fā)展。20世紀(jì)70年代爆發(fā)中東石油危機(jī)后，人們預(yù)感到了能源危機(jī)，同時(shí)，環(huán)境污染的嚴(yán)重危害也日益顯現(xiàn)。基于斯特林發(fā)動機(jī)對能源的廣泛適應(yīng)性和優(yōu)異的環(huán)境特性，人們恢復(fù)了對斯特林發(fā)動機(jī)的興趣。在日本召開的第七屆斯特林熱機(jī)大會上更有學(xué)者直接指出“21世紀(jì)是斯特林熱機(jī)的世紀(jì)”。由此可見，開展斯特林熱機(jī)的研究日益突顯迫切。

斯特林循環(huán)[2]是由兩個等溫過程和兩個等容過程組成的，其理論效率等于卡諾效率，斯特林發(fā)動機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)[3]：燃料來源廣，熱效率高，運(yùn)轉(zhuǎn)特性好，噪音低，排氣污染小，工作可靠，維護(hù)成本低，盡管在車輛上應(yīng)用斯特林發(fā)動機(jī)的困難是其較大的重量及體積，但是由于其具有以上優(yōu)點(diǎn)將使得其成為21世紀(jì)客車主要電源。

1 理論模型

為了簡化分析，先做以下假設(shè)：1）循環(huán)按等溫過程進(jìn)行；2）工質(zhì)無泄漏；理想氣體3）總無益容積比不低于1.3，加熱器的無益容積比應(yīng)占總無益容積比的35%左右；4）平均循環(huán)壓力不大于10兆帕。循環(huán)系統(tǒng)劃分成三部分：熱區(qū)，溫度為TH（由膨脹腔和加熱器組成）、冷區(qū)溫度為TC（由冷卻器和壓縮腔組成）和回?zé)崞鹘M成的回?zé)釁^(qū)。

1.1 容積

其中，為活塞行程，為曲軸轉(zhuǎn)角，為氣缸直徑，為活塞桿直徑，,分別為加熱器和冷卻器的通流容積，為回?zé)崞鞯耐魅莘e。

1.2 壓力和循環(huán)功

這里所計(jì)算的壓力，是不考慮工質(zhì)流阻損失時(shí)的循環(huán)壓力，因此循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的壓力是一致的。求出了循環(huán)壓力p和循環(huán)容積后，即可用梯形法算出總循環(huán)功

其中，為平均循環(huán)壓力。Y為單位換算系數(shù)，取值1.045

2 結(jié)果與討論

本文是對某一型斯特林發(fā)動機(jī)的性能進(jìn)行模擬計(jì)算，該發(fā)動機(jī)的具體參數(shù)如下：氣缸直徑6.5 cm，活塞行程5 cm，工質(zhì)為氦氣，平均循環(huán)壓力為10 mpa。取900℃，取300℃。

2.1 計(jì)算結(jié)果

2.2 結(jié)論

（1）總?cè)莘e的最大值從圖1 中可查出為435.35，最小值為138.44容積壓縮比

（2）壓力比

（3）若發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速取為1500 rpm/min，循環(huán)功率w=25，則基本功率為：Pout

[1]金東寒.斯特林發(fā)動機(jī)技術(shù)[M]，2009.

[2]錢國柱.熱氣機(jī)原理與設(shè)計(jì)[M].

[3]李海偉，石林鎖，李亞奇.斯特林發(fā)動機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用[A].能源技術(shù)，2010,31（4）：228-231.