車用斯特林發動機研究

阿古達木

摘 要：斯特林發動機，又稱熱氣機，是一種外燃機，即依靠外部熱源對密封在機器中的氣體工質加熱，使其不斷熱脹冷縮，進行閉式循環，推動活塞做功。斯特林發動機對外燃方式無特殊要求，只要外部熱源的溫度高于機器中工質的溫度即可，加熱方式靈活，既可以使用傳統的化石燃料，又可以使用太陽能、生物質能。斯特林發動機的熱效率很高，在熱力學理論上等于同溫限下的概括性卡諾循環效率。

關鍵詞：斯特林發動機 燃料 安全性

Abstract：The Stryn engine， also known as the hot air machine， is an external combustion engine， which relies on the external heat source to heat the gas working in the machine， making it expand continuously and shrink， and carry out the closed cycle to drive the piston to do the work. There is no special requirement for the external combustion mode of Stryn engine. As long as the external heat source temperature is higher than the working medium temperature of the machine， the heating mode is flexible， which can not only use traditional fossil fuel， but also use solar energy and biomass energy. Stryn engine thermal efficiency is very high， generally equal to Kano cycle efficiency under isothermal limit thermodynamic theory.

Key words： fuel safety of Stryn engine.

一、分析來源

斯特林發動機與內燃機最大的區別在于：在做功時，不是通過燃料在氣缸內部瞬間氣化，然后以爆震的方式推動活塞；而是依靠外部的熱源對熱膨脹氣缸中的工質持續傳熱，使其不斷升溫升壓，然后推動活塞做功。因此，斯特林發動機在工作時較內燃機平穩，而且噪聲也小很多。這對現代汽車行業低噪音、多燃料綜合利用帶來了技術革新的思路。

二、可行性分析

斯特林發動機的功率密度小，暖機時間長，響應慢，造成這個結果的原因就是因為他是外燃機，然而汽車并不是以一定速度跑在路上，它要怠速、啟動、減速、加速、制動，工況變化非常大，以上問題使斯特林功率變化往往是趕不上這些變化的，但是汽車上沒有斯特林發動機也不是絕對的。斯特林發動機最大的優點就是完成各種能量轉換，是非常符合“動力”這個概念的。汽車尾氣溫度很高，這也是很大的一部分能量，所以在排氣歧管處可裝有斯特林發動機，這部分能量可直接送給斯特林而其轉換為機械能再連接一個小型發電機，再通過穩壓升壓電路和蓄電池供給汽車照明等。

三、斯特林發動機用于車用動力要解決的問題

1、輸出功率和扭矩隨著道路需求快速可控，轉速滿足要求；

2、燃料選擇及燃油消耗及升功率要滿足經濟型要求；

3、系統成本要低于內燃機；

四、問題決絕路線

1、由于斯特林發動機的轉速及輸出功率不能跟內燃機一樣瞬間增減，反應速度較為柔和的原因，不能直接作為動力源來輸出。因此目前推薦的處理辦法是讓斯特林負責發電并通過電池儲存電能、再通過控制電機來控制車的動能及轉速。這也就是把斯特林機難處理的事情轉移到了下一個環節去處理，并適合于汽車的實際轉速和動力需求。但是這樣一來，整個系統成本會提高，可能導致效率和經濟型打折扣。因此需要系統的設計和選型，然后跟傳統的燃氣式內燃機經濟型進行對比。

2、為了跟傳統燃氣式內燃機更有競爭力，利用斯特林的外燃機特點，需要開發更為經濟型的燃料。首先所選燃料是普遍易開采到，成本低廉、安全性高。目前有一種新技術叫做釷燃料。這種釷燃料動力系統及方法，釷燃料動力系統包括：熱力單元、發電單元與冷卻單元，熱力單元包括鍋爐與熱力發生器；鍋爐包括介質腔與燃料腔，熱力發生器包括釷燃料和激光器，釷燃料放置于燃料腔中，燃料腔的腔壁設有開孔，激光器設置在腔壁的外側，激光器發出的激光能夠穿過開孔加熱釷燃料從而使釷燃料產生熱能，介質腔容置液體介質，其包括介質輸入端與介質輸出端；發電單元包括斯特林機與發電機，斯特林機與介質輸出端相連通，斯特林機與發電機連接以帶動發電機的發電；冷卻單元設置于斯特林機與介質輸入端之間并且與二者分別連通。通過該技術提供動力具有成本低、環保且更便捷的優點。但是釷燃料本身的提煉過程及安全性方面也有很長一段時間的路要走。

3、Autonotive Stirling EngineMod II Design Report 中講解了某種型號斯特林發動機在轎車上的應用實例。同時描述了設計結構、性能參數等。但是畢竟是上個世紀80年代的產物，相對現在新的汽車領域中繼續對比生存，尋找優越性的話要做的工作更多。比如升功率提高、效率提高、工況靈活性應對能力方面的匹配技術等等都是一個攻關的課題。就拿GOE4-95型發動機而言僅適合于1升左右排量的汽車，充其量是微型車發動機。而且目前的行業中所試驗轉速2800轉。更高的轉速導致動密封壽命受損更快，維護成本會提高。因此如果同等用化石能源的來驅動汽車作為發動機的話，認為競爭不過傳統內燃機。必須采用非化石能源、特殊的經濟型能源利用是斯特林發動機能夠在汽車市場上生存的唯一法寶。而上面提到的釷燃料的特殊性，也是對這個技術增添了難度，需要多方的合作和聯合開發。并且需要國家及行業安全方面的認可。

4、斯特林發動機提高功率的手段跟內燃機十分相似，也是通過工作循環壓力、轉速、自耗功率降低等手段來實現升功率的提升。但是不代表能夠無極限上升。到了一定值后出現效率下降、材料工況極限等不利因素產生。因此斯特林機本身可以說也是一種成熟的技術，細節設計方面有一定的優化空間，但也有他的弊端。如何把斯特林發動機的優點最大限度的發揮到車用機型上是最為關鍵。但是依然存在轉速低、加工精度高、成本高、對路況靈敏性差等特點，導致不能獨立完成作為動力設備，必然采取電機及電池的配合。這樣導致系統的成本不一定占優勢。因此斯特林機用于汽車市場需要一段時間的開發過程，不僅在于斯特林本身、同時對燃料選擇、能量傳遞方式、可控性等方面都等做詳細的設計論證。