以內燃機余熱為熱源的斯特林熱機發電系統設計

王偉任 吳越 陳挑挑

摘 要：內燃機余熱回收對于提高汽車的燃油經濟性具有良好的應用前景。斯特林發動機利用溫差驅動，把低品位的熱能轉換為能夠被利用機械能。本文根據汽車廢熱排放量隨內燃機工況不同而變化的特點，設計了以內燃機廢氣余熱為熱源的斯特林熱機，并與直線發電機相結合組成發電系統。

關鍵詞：內燃機；余熱；斯特林熱機；發電

1 引言

隨著汽車保有量的逐年增加，環境污染和不可再生能源的過度消耗問題尤為嚴重，已經成為了人們的格外重視。以內燃機為主的汽車發動機工作時的部分熱量不得不以水冷、油冷和風冷的形式被耗散掉，這樣浪費了燃油燃燒的很大一部分能量。

分析內燃機的熱平衡情況可以得出，汽油機和柴油機的余熱分別占燃油燃燒總熱量的40%和35%左右[1]，然而真正用于驅動汽車行走做功的能量僅占25%[2]左右。顯然，汽車內燃機廢熱具有很大的利用空間，因此，利用廢熱發電對于汽車節能有著很重要的意義。

目前，半導體溫差發電、氟龍透平發電和廢氣渦輪發電這三種基本方法是主要的三種發動機廢氣能量發電技術，都處于研發階段，還未正式投入商業運作。斯特林熱機是能夠通過外部加熱、閉式循環將熱能轉換為機械能的裝置，可以利用內燃機的廢氣熱量進行發電，但此方面的研究很少。本文根據汽車廢熱排放量隨內燃機工況不同而變化的特點[1，3，4，5]，設計了斯特林熱機，并與直線發電機相結合組成發電系統。

2 斯特林熱機的優勢及其應用

斯特林熱機是一種從外部加熱，利用閉式回熱循環方式將熱能轉換為機械能的裝置。由于斯特林熱機采用外部供熱，對各種燃料有很大的包容性，所以能夠使用低品位燃料，例如濕熱、木材、地熱能、太陽能、生物質能、廢熱和其他低品位燃料。而且，斯特林熱機僅使用一種工質，運行過程中沒有物質狀態發生變化，這有利于減少腐蝕與沖擊等相關問題[6]，其工質被封裝在氣缸內部，而且燃料在缸外充分燃燒，有害尾氣排放很少，因此對環境造成的污染很小。此外，斯特林熱機結構簡單，維護工作更加便捷，運行狀況更加安全、壽命長、噪音小，因為斯特林熱機不需要安裝進排氣門等相關機械，相比內燃機減少了近40%的零部件。

由于斯特林熱機具有無可比擬的優勢，其應用范圍也比較廣泛。目前，斯特林熱機在太陽能發電、工業廢熱回收利用、家庭微型熱電冷三聯供、熱泵空調設備、車用混合推進動力、水下動力裝備、核能應用以及航空航天飛行器的電量供給等多個范圍內充當著十分特殊的角色[7-9]。

3 系統介紹

本文設計的以內燃機余熱為熱源的斯特林熱機發電系統包括斯特林熱機和直線發電機兩大部分，其結構圖和模型圖分別如圖1和圖2所示。

直線發電機核心部分由線圈和磁鐵組成。斯特林熱機為主動式自由活塞斯特林熱機，主要包括傳動機構、冷卻器、配氣活塞、加熱器、動力活塞、熱缸、冷缸和回熱器等零部件。在熱缸內的上下來回運動是由配氣活塞連接傳動機構完成的。磁鐵與動力活塞桿固定連接，動力活塞在冷缸內做上下往復運動，與彈簧、磁鐵組成一維動態系統，當動力活塞往下或往上運動時，分別壓縮和拉伸彈簧。位于熱缸和冷缸之間的回熱器起著交替地從工質吸收熱和向工質釋放熱的作用。當工質從熱端流向冷端，經過回熱器時，工質的部分熱量被吸收并儲存在回熱器內；當工質從冷端運動到熱端，流經回熱器時，與工質從熱端流向冷端相反，回熱器將儲存的熱量返還給工質。可以說，回熱器就像一個吸收和釋放熱量的熱力海綿[10，11]。傳動機構由兩個對稱的偏心曲柄連桿機構和一對轉向相反的齒輪組成，水平方向上的分力大小相等方向相反，互相抵消，只有垂直方向上驅動活塞做上下往復運動的力，所以活塞環對氣缸壁沒有側壓力。

動力活塞在冷缸內工作，由于它不與任何傳動機構連接，屬于自由活塞，僅依靠彈簧來維持上下往復運動。動力活塞的運動行程可變，與缸壓、轉速、冷熱端溫度等多個因素有關。

4 工作原理

汽車內燃機的尾氣流經加熱器，從而給熱缸內的工質氣體加熱。冷卻器中充滿循環冷卻水，從而吸收冷缸內工質的熱量。直流電機通過傳動機構驅動配氣活塞在熱缸內做往復運動，引起冷缸內工質壓力的變化，變化的壓力作用在動力活塞上，使動力活塞、彈簧和磁鐵組成的一維動態系統發生振動。如果發生共振現象，即一維動態系統的振動頻率與其本身的共振頻率相同，。發動機在共振狀態時，功率最大，并且具備最佳性能。動力活塞具備與配氣活塞相同的振動頻率，所以直流電機的轉速決定了發動機的轉速，只要用控制器調節直流電機的PWM率即可實現發動機轉速的調節，具有較快的響應特性。

參考文獻：

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[11]Blank D A， Davis G W， Wu C. Power optimization of an endoreversible Stirling cycle with regeneration [J]. Energy， 1994， 19（1）： 125-133.

作者簡介：

王偉，男，生于1996年6月，漢族，甘肅會寧人，江蘇大學，能源與動力工程（動力機械工程及自動化）.

任吳越，男，生于1998年2月，漢族，寧夏石嘴山人，江蘇大學，能源與動力工程（動力機械工程及自動化）.

陳挑挑，男，生于1992年1月，漢族，安徽宿州人，江蘇大學，動力工程及熱物理.