斯特林發(fā)動機技術特點及應用研究

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司 上海 200438）

0 引言

瓦特所改良的蒸汽機開創(chuàng)了工業(yè)革命的新時代， 但當時的蒸汽工作很不安全，汽缸經常發(fā)生爆炸，而且在膨脹終了，由于蒸汽在汽缸壁上冷凝， 低熱損失增大， 蒸汽機的效率很低。 在這種情況下有人設想，如果以不會冷凝的燃氣或熱的空氣來代替蒸汽就能提高機器的效率。 這樣，在18 世紀末和19世紀初，出現(xiàn)了各種各樣的用熱的氣體作工質的發(fā)動機，有的用燃氣空氣的混合氣，有的用加了熱的空氣。

斯特林發(fā)動機是熱氣機中的一類，由蘇格蘭人羅伯特·斯特林發(fā)明于1816 年。 在19 世紀，曾有數(shù)千臺熱氣機在歐美地區(qū)得以投入使用。 但是，由于當時沒有良好的耐熱材料，同時對這種機器的特性也不甚了解， 用青銅和鑄鐵作主要材料的熱氣機的功率和效率也不比蒸汽機高， 最后被在蒸汽機基礎上發(fā)展起來的活塞式內燃機所淘汰［1-2］。

由于能源和環(huán)保問題和技術水平的不斷提升， 近幾十年來，對斯特林發(fā)動機的重視程度與日俱增。 自20 世紀80 年代起，荷蘭的菲利浦公司開創(chuàng)了現(xiàn)代斯特林發(fā)動機的發(fā)展工作，使斯特林發(fā)動機的面貌為之一新［3］，引起了不少國家的注意和興趣。 現(xiàn)在，中、美、蘇、英、日、德、法、加拿大以及北歐的一些國家都在不同程度上投入了斯特林發(fā)動機的發(fā)展工作， 研制出各種不同用途的斯特林發(fā)動機， 其中包括車用斯特林發(fā)動機、燃煤的固定式斯特林發(fā)動機發(fā)電站、太陽能斯特林發(fā)動機發(fā)電站， 還有用放射性同位素作熱源的完全植入式斯特林發(fā)動機人造心臟動力源、 水下用斯特林發(fā)動機和農用斯特林發(fā)動機等［4］。

我國也于20 世紀70 年代正式開展了針對斯特林發(fā)動機的發(fā)展工作。 目前，斯特林發(fā)動機也已被列入國家科委的發(fā)展計劃。

1 斯特林發(fā)動機的工作原理

斯特林發(fā)動機是一種外燃機， 是在較低的溫度和壓力下壓縮工質并在較高的溫度和壓力下膨脹做功的活塞式發(fā)動機。 膨脹功由外部熱源通過加熱器供給， 壓縮熱由冷卻器導出；工質是循環(huán)使用的，它在一個工作循環(huán)結束后并不排出機外，而又重新參與新的循環(huán)。 所以，斯特林發(fā)動機是閉式循環(huán)活塞式外燃機。

2 斯特林發(fā)動機的特點

按斯特林熱力循環(huán)工作的斯特林發(fā)動機，具有諸多優(yōu)勢，現(xiàn)擇要介紹如下。

2.1 適應于燃用多種燃料

斯特林發(fā)動機對它的外部燃燒加熱系統(tǒng)無特殊的要求，凡是能連續(xù)發(fā)熱的、且溫度在300 ℃以上的任何發(fā)熱裝置均可作為它的外部熱源。 它既可以用普通的液態(tài)燃料（柴油、汽油、寬餾份油、酒精等）、氣態(tài)燃料（甲烷、丙烷、煤氣、天然氣和氫氣等）和固態(tài)燃料（煤、木柴及農業(yè)“廢物”等）工作，也可采用諸如太陽能、核能和化學能工作。 斯特林發(fā)動機是一種能源來源多樣的發(fā)動機，是真正的多種燃料發(fā)動機。

2.2 較高的轉換效率

斯特林發(fā)動機的理想循環(huán)效率為卡諾效率， 而卡諾效率是熱力循環(huán)的最高效率。 但由于存在各種各樣的損失，斯特林發(fā)動機的實際循環(huán)效率約為卡諾效率的70%～80%。 考慮了外燃系統(tǒng)效率和機械效率后， 斯特林發(fā)動機的有效效率約為卡諾效率的55%～65%。 例如，車用斯特林發(fā)動機最大功率時的效率為33%～36%，部分負荷時的效率則高達37%～42%，一定程度上優(yōu)于同類型車用內燃機， 船用斯特林發(fā)動機的最低循環(huán)溫度低于車用內燃機，因而它具有較高的卡諾效率，有效效率也就更高。

2.3 良好的環(huán)境特性

當斯特林發(fā)動機采用柴油或汽油工作時， 由于燃料是在接近大氣壓的壓力下連續(xù)燃燒的，因而燃燒完全，排氣中的有害成分較低，明顯低于當前最嚴格的要求標準。 如果斯特林發(fā)動機采用蓄熱器、太陽能和化學反應熱能工作時，便不會產生排氣污染。

與內燃機相比，斯特林發(fā)動機因沒有氣閥機構［5］、高壓油泵、增壓器、燃油的劇烈燃燒，以及高壓差下的排氣和活塞的敲缸現(xiàn)象，所以斯特林發(fā)動機的噪聲同樣較低。 未經噪聲處理的斯特林發(fā)動機的噪聲一般為70 dB（A）左右，有的斯特林發(fā)動機的噪聲甚至低到45 dB（A）～55 dB（A）。 在一般情況下斯特林發(fā)動機的空氣噪聲比內燃機低10 dB（A）～20 dB（A），結構噪聲則低約20 dB（A）～45 dB（A）。

2.4 出色的運行特性

斯特林發(fā)動機氣缸中的壓力變化平緩，近似于正弦波，最大壓力與最小壓力的比值一般均小于2， 故扭矩極其均勻。 4缸斯特林發(fā)動機的扭矩不均勻度一般為0.05～0.09［6-7］。

此外，斯特林發(fā)動機的轉速范圍較大，最高轉速和最低穩(wěn)定轉速之比值通常為7～10， 因為幾乎沒有什么因素限制斯特林發(fā)動機的最低轉速，只要軸承負荷允許的話，轉速可以設計得很低。 在整個轉速范圍內扭矩的變化較均勻，這是柴油機和汽油機所無法實現(xiàn)的。 斯特林發(fā)動機在低轉速和高轉速時均能產生高扭矩， 低轉速時的扭矩特性完全可以與活塞式蒸汽機相媲美。

2.5 超負荷能力強、工作可靠且維護簡易

斯特林發(fā)動機的超負荷能力較強，能在150%的額定負荷下作短期運轉［8］。相比之下，內燃機的超負荷能力較小，僅能超載10%～15%。

斯特林發(fā)動機工作可靠， 因為它沒有易產生故障的氣閥機構、高壓噴油系統(tǒng)和需要良好潤滑的活塞環(huán)。 一般地說，斯特林發(fā)動機運轉的唯一不可靠因素是活塞桿和活塞的密封，特別是活塞桿密封。

斯特林發(fā)動機唯一需要潤滑的是傳動機構。 活塞和氣缸是不能用潤滑油潤滑的。 所以，斯特林發(fā)動機的潤滑油可長期使用，潤滑油中的唯一污染物是傳動機構運動副產生的磨屑，燃氣遠離潤滑系統(tǒng)，絲亳不會污染潤滑油。 斯特林發(fā)動機的維護比內燃機更為簡易。

3 斯特林發(fā)動機的現(xiàn)狀和應用

由于斯特林發(fā)動機可以利用各種能源來進行工作， 而且轉換效率高，環(huán)境特性好，致使斯特林發(fā)動機具很好的適應性和適用性。 經過許多科學家和有經驗的工程師的努力，人們已制成了功率只有數(shù)瓦的微型斯特林發(fā)動機， 作為人造心臟的動力源，這種微型斯特林發(fā)動機現(xiàn)正在逐步完善中。 人們也制成了功率為數(shù)十瓦至數(shù)百瓦的斯特林發(fā)動機發(fā)電裝置， 其轉換效率比熱電裝置高1 倍～2 倍。 功率為數(shù)十千瓦的車用斯特林發(fā)動機的重量和尺寸指標與車用內燃機差不多， 而經濟性則比同類型車用內燃機更為優(yōu)越，經濟性提高了40%～100%。同樣， 斯特林發(fā)動機還可用作機車船舶和固定式發(fā)電站的動力。 下文重點介紹車用斯特林發(fā)動機、燃煤的斯特林發(fā)動機和太陽能斯特林發(fā)動機作簡單介紹。

3.1 車用斯特林發(fā)動機

斯特林發(fā)動機用于轎車動力時可充分滿足當時最嚴格的排放標準。 當其用作貨車和城市客車動力裝置時［9］，雖然尺寸和重量指標的要求都不如轎車動力裝置那樣嚴格， 但其面臨的競爭對手是效率較高的車用柴油機。 由于斯特林發(fā)動機能符合環(huán)保要求和具有較高經濟性， 在這2 方面它完全可以與柴油機匹敵。

以蓄熱器式斯特林發(fā)動機為動力裝置的車輛有著較好的環(huán)保性能。 其可利用氟化鋰作蓄熱材料，對其進行加熱后即會熔解，并充分吸收了熱能，對氟化鋰進行冷卻并輸出熱能來推動斯特林發(fā)動機運作， 這種斯特林發(fā)動機就叫蓄熱器式斯特林發(fā)動機。

蓄熱器式斯特林發(fā)動機汽車具有較好的環(huán)保性能——安靜且無排氣污染。 然而就運行經濟性而論，蓄熱器式斯特林發(fā)動機汽車明顯優(yōu)于純電動汽車。

3.2 燃煤的斯特林發(fā)動機

為了降低對石油能源的依賴程度， 可增大對煤這類一次能源的利用程度。 在內燃機內直接燃煤，困難極大，因為煤中的硫分和灰分對機器零部件的腐蝕和磨損幾乎會達到難以接受的程度。 對煤進行細化和提純，要消耗頗大的能量。 所以內燃機如能燃煤，充其量也只能取得節(jié)油不節(jié)能的效果。 相反，斯特林發(fā)動機能直接燃煤，并具有很高的轉換效率。

大功率燃煤斯特林發(fā)動機，因具有很高的轉換效率，可以作為電站、泵站、綜合供能系統(tǒng)、機車和船舶的動力。 機組的功率范圍一般為數(shù)十兆瓦，該功率范圍的適用性最大，從而有著樂觀的市場前景。

大功率高效率燃煤斯特林發(fā)動機將由3 部分組成， 即煤的燃燒裝置、傳熱裝置和斯特林發(fā)動機發(fā)電裝置。 煤燃燒系統(tǒng)可采用流化床燃燒系統(tǒng)， 因為這種燃煤系統(tǒng)不僅具有較高的燃燒效率，且排氣污染較低，可以燃燒劣質煤和工農業(yè)的可燃廢物。現(xiàn)代流化床燃燒系統(tǒng)的效率一般在80%左右。常壓式流化床燃燒技術在我國的發(fā)展比較迅速， 并有著較高的技術水平。

流化床燃燒系統(tǒng)所產生的熱量通過其傳熱系統(tǒng)被送至斯特林發(fā)動機。傳熱系統(tǒng)一般采用鈉熱管或氦氣循環(huán)回路。用鈉熱管時的傳熱效率基本上可達到100%，氦循環(huán)回路的傳熱效率在95%左右。 斯特林發(fā)動機通常采用雙作用式結構的機體，并用氦氣作工質［10］。

燃煤斯特林發(fā)動機發(fā)電裝置的制造成本較高， 明顯高于普通的柴油發(fā)電裝置。 但由于煤與油之間的差價，其發(fā)電成本仍較低， 故所支付的設備成本費用可望在3.5 年～4 年內得到全部補償。

燃煤斯特林發(fā)動機的壽命為數(shù)十年， 主要零部件的壽命不低于數(shù)萬小時。 發(fā)展燃煤斯特林發(fā)動機的關鍵是流化床燃燒系統(tǒng)和斯特林發(fā)動機的活塞桿密封， 如能順利解決以上2個問題，則能生產高性能的燃煤斯特林發(fā)動機。

3.3 太陽能斯特林發(fā)動機

太陽能斯特林發(fā)動機可用于農業(yè)灌溉和發(fā)電。 由于斯特林發(fā)動機的轉換效率高，已成為硅太陽能電池的競爭對手。 依靠斯特林發(fā)動機發(fā)電的功率成本明顯低于硅太陽能電池的峰值功率的成本。 太陽能斯特林發(fā)動機的水泵國外已有生產，太陽能大功率斯特林發(fā)動機的電站也已在發(fā)展中。

4 結論及展望

斯特林發(fā)動機作為一類高效、環(huán)保的熱力發(fā)動機，既有著深厚的歷史底蘊，又有著全新的發(fā)展機遇。 考慮到當前日益嚴峻的能源與環(huán)保問題， 斯特林發(fā)動機在未來的國民經濟發(fā)展及工農業(yè)建設中，將會起到重要作用。