斯特林發(fā)動機(jī)及斯特林小車講座

斯特林發(fā)動機(jī)動力與能源工程學(xué)院

張新玉教授斯特林發(fā)動機(jī)引言

思考：何為斯特林發(fā)動機(jī)?

舉幾個(gè)例子，

斯特林發(fā)動機(jī)模型視頻，

斯特林發(fā)動機(jī)小車視頻，斯特林發(fā)動機(jī)模型演示。

斯特林發(fā)動機(jī)引言

那么，何為斯特林發(fā)動機(jī)？再看一個(gè)例子：

AnimatedEngines,SingleCylinderStirling.htm

概念：斯特林發(fā)動機(jī)也稱熱氣機(jī)，屬外燃機(jī)。熱氣機(jī)的工質(zhì)被密封在閉式循環(huán)回路中，有一個(gè)外部加熱（或燃燒）裝置對工質(zhì)加熱。實(shí)際上，完整的斯特林發(fā)動機(jī)系統(tǒng)包括外部供熱系統(tǒng)、閉式循環(huán)系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)等。

斯特林發(fā)動機(jī)起源

十八世紀(jì)瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)后，世界上相繼出現(xiàn)了具有相當(dāng)功率的動力機(jī)械，因而引起了當(dāng)時(shí)歐洲的產(chǎn)業(yè)革命。當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)工作很不可靠，效率極低，當(dāng)時(shí)有人認(rèn)為，如果用熱的氣體來代替蒸汽，就可以避免因冷凝而造成的熱損失。1820年，英國牧師羅伯特·斯特林（RobertStirling）根據(jù)這一設(shè)想發(fā)明了外部燃燒的閉式循環(huán)熱空氣機(jī)，即斯特林發(fā)動機(jī)。RobertStirling.htm斯特林發(fā)動機(jī)工作原理

思考：斯特林發(fā)動機(jī)是如何工作的呢?

斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

MM-7StirlingEngine

TheamazingMM-7Stirlingenginewillrunindefinitelyonjusttheheatfromyourwarmhand!Asagift,conversationpiece,orclassroomdemo,youcanbesureitwillbeuniqueandattentiongetting.

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computervideo斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

CoffeestirlingSeethevideooftheStirlingengineMM-1inaction斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

再給出幾張圖片，從不同的角度觀察，結(jié)構(gòu)比較簡單，甚至有專門的國外網(wǎng)站介紹用簡易的材料（如易拉罐制作熱氣機(jī)模型）SFAStirlingEngineProject.htm斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

精美的熱氣機(jī)模型VanArsdellStirlingengine

AlimitededitionStirlingenginewithanelegantVictorianlook.

Price:$1979.00斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

那么熱氣機(jī)是如何工作的呢？對應(yīng)左圖，我們看這樣一個(gè)動畫Stirling-engine-displacer.swf斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

對于這樣一個(gè)熱氣機(jī)，有以下描述Stirling-engine-displacer.swf

Inthefigureabove,youcanseetwopistons:Thepowerpiston-Thisisthesmallerpistonatthetopoftheengine.Itisatightly-sealedpistonthatmovesupasthegasinsidetheengineexpands.Thedisplacer-Thisisthelargepistoninthedrawing.Thispistonisverylooseinitscylinder,soaircanmoveeasilybetweentheheatedandcooledsectionsoftheengineasthepistonmovesupanddown.斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

以一個(gè)β型結(jié)構(gòu)的熱氣機(jī)為例，介紹其工作原理

AnimatedEngines：SingleCylinderStirling.htmThistypeofStirlingengine,knownasthebetaconfiguration,featuresjustonecylinderwithahotendandacoolend.

Theworkinggasistransferredfromoneendofthecylindertotheotherbyadevicecalledadisplacer(hereillustratedinblue).

Thedisplacerresemblesalargepiston,exceptthatithasasmallerdiameterthanthecylinder,thusitsmotiondoesnotchangethevolumeofgasinthecylinder-itmerelytransfersthegasaroundwithinthecylinder斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

ThesamefourphasesoftheStirlingcycleareatworkhere:Expansion.Atthispoint,mostofthegasinthesystemhasjustbeendriventothehotendofthe

cylinder.

Thegasheatsandexpandsdrivingthepistonoutward.Transfer.Atthispoint,thegashasexpanded.

Mostofthegasisstilllocatedinthehotendofthecylinder.

Flywheelmomentumcarriesthecrankshaftthenextquarterturn.

The

bulkofthegasistransferredaroundthedisplacertothecoolendofthecylinder.斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

ThesamefourphasesoftheStirlingcycleareatworkhere:Contraction.Nowthemajorityoftheexpandedgashasbeenshiftedtothecoolend.

Itcontracts,drawingthepistoninward.Transfer.Thecontractedgasisstilllocatednearthecoolendofthecylinder.

Flywheelmomentumcarriesthecrankanotherquarterturn,movingthedisplacerandtransferringthebulkofthegasbacktothehotendofthecylinder.斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

回頭再看一下MM-7的工作原理Stirling-engine-displacer.swf

Whenthedisplacerisnearthebottomofthelargecylinder,mostofthegasinsidetheenginecoolsandcontracts.Thiscausesthepressuretodrop,makingiteasierforthepowerpistontomovedownandcompressthegas.Thisisagammatypestirling,Thedisplacermovesupanddowntocontrolwhetherthegasintheengineisbeingheatedorcooled.Therearetwopositions:Whenthedisplacerisnearthetopofthelargecylinder,mostofthegasinsidetheengineisheatedbytheheatsourceanditexpands.Pressurebuildsinsidetheengine,forcingthepowerpistonup.斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

一般人們將熱氣機(jī)分為alpha(α)、beta(β)、gamma(γ)三種類型，上面分別介紹的是beta(β)和gamma(γ)型的工作原理，我們再看一下alpha(α)型。我們這里介紹alpha(α)型熱氣機(jī)，采用兩個(gè)氣缸，一個(gè)是hotcylinder，一個(gè)是coolcylinder，實(shí)際布置時(shí)，一般呈90°。后面再介紹按實(shí)際布置形式的alpha(α)型熱氣機(jī)的工作原理，這里先以一個(gè)分步動作的動畫介紹一下這種類型的熱氣機(jī)的工作原理。stirling-engine-cycle.swfThissectiondescribedtheidealStirlingcycle.Actualworkingenginesvarythecycleslightlybecauseofthephysicallimitationsoftheirdesign.斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

TheStirlingengineonlymakespowerduringthefirstpartofthecycle.TherearetwomainwaystoincreasethepoweroutputofaStirlingcycle:Increasepoweroutputinstageone-Inpartoneofthecycle,thepressureoftheheatedgaspushingagainstthepistonperformswork.Increasingthepressureduringthispartofthecyclewillincreasethepoweroutputoftheengine.Onewayofincreasingthepressureisbyincreasingthetemperatureofthegas.Whenwetakealookatatwo-pistonStirlingenginelaterinthisarticle,we'llseehowadevicecalledaregeneratorcanimprovethepoweroutputoftheenginebytemporarilystoringheat.斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

Decreasepowerusageinstagethree-Inpartthreeofthecycle,thepistonsperformworkonthegas,usingsomeofthepowerproducedinpartone.Loweringthepressureduringthispartofthecyclecandecreasethepowerusedduringthisstageofthecycle(effectivelyincreasingthepoweroutputoftheengine).Onewaytodecreasethepressureistocoolthegastoalowertemperature.斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

我們再來看一下按90°布置的雙缸alpha(α)型熱氣機(jī)的工作原理。

AnimatedEngines,TwoCylinderStirling.htm（采用網(wǎng)頁介紹）需要指出的是多了一個(gè)回?zé)崞鱐hisenginealsofeaturesaregenerator,illustratedbythechambercontainingthegreenhatchlines.

Theregeneratorisconstructedofmaterialthatreadilyconductsheatandhasahighsurfacearea(ameshofcloselyspacedthinmetalplatesforexample).

Whenhotgasistransferredtothecoolcylinder,itisfirstdriventhroughtheregenerator,whereaportionoftheheatisdeposited.

Whenthecoolgasistransferredback,thisheatisreclaimed;thustheregenerator“preheats”and“precools”theworkinggas,dramaticallyimprovingefficiency.斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

如前面所說，熱氣機(jī)的形式多種多樣，為了加深對其工作原理的理解，我們再看幾個(gè)兩缸熱氣機(jī)的例子。AnimatedEngines,RossYokeStirling.htmAndyRoss,aprominentStirlingengineexperimenter,inventedthelinkageillustratedhere.TheengineisidenticalinoperationtothetwocylinderStirling.Inthisillustration,theleftcylinderisthehotcylinder.Thelinkageallowstheenginetobemorecompactandreducessideloadsonthepistonsandconnectingrods(sincetheirtravelisalmostlinear).

斯特林發(fā)動機(jī)

工作原理

該RossYokeStirling與前面介紹的stirling-engine-cycle.swf很相似，比較一下。

Stirling-engine-cycle.swf斯特林發(fā)動機(jī)

斯特林循環(huán)從熱力學(xué)可以知道，熱能對機(jī)械能的連續(xù)轉(zhuǎn)換，是通過工質(zhì)在動力裝置中實(shí)施熱力循環(huán)來實(shí)現(xiàn)的。任何實(shí)際動力裝置中的熱力過程都是不可逆的。但為了對循環(huán)進(jìn)行熱力學(xué)分析，常常將實(shí)際不可逆循環(huán)簡化為理想可逆循環(huán)。斯特林循環(huán)就是熱氣機(jī)的理想循環(huán)，是一個(gè)高度理想化了的熱力循環(huán)，它由兩個(gè)定溫過程（定溫壓縮和定溫膨脹）和兩個(gè)定容回?zé)徇^程（定容吸熱和定容放熱）所組成。斯特林發(fā)動機(jī)

斯特林循環(huán)過程1——2為定溫壓縮過程。工質(zhì)的容積從V1被壓縮到V2，V1—壓縮—V2，溫度、壓力都要升高，為保持定溫工質(zhì)溫度TC不變，向冷源放熱。過程2——3為定容吸熱過程。過程中工質(zhì)容積保持不變。低溫工質(zhì)吸取熱量，工質(zhì)溫度從TC→升高TE，工質(zhì)壓力也升高。stirling-engine-cycle.swf斯特林發(fā)動機(jī)

斯特林循環(huán)過程3——4為定溫膨脹過程。過程中工質(zhì)膨脹并從熱源不斷吸取熱量，保持工質(zhì)溫度TE維持不變，工質(zhì)壓力下降。V3—膨脹—V4，TE不變，P3—下降—P4，大量吸熱。過程4——1為定容放熱過程。過程中工質(zhì)容積不變，將熱量釋放出來，溫度、壓力都下降。并回復(fù)到始點(diǎn)狀態(tài)。斯特林發(fā)動機(jī)

斯特林循環(huán)(a)P-V圖和T-S圖(b)在循環(huán)各端點(diǎn)的活塞位置(c)時(shí)間排量圖(a)Tmax(b)相位(c)Tmin膨脹腔回?zé)崞鲏嚎s腔時(shí)間TmaxTminQEQC斯特林發(fā)動機(jī)

斯特林循環(huán)從P——V圖可以知道，循環(huán)過程所組成的面積表示循環(huán)功的大小。T——S圖中循環(huán)所組成的面積表示循環(huán)吸收的熱量。為了說明斯特林循環(huán)的特性，我們將它與卡諾循環(huán)進(jìn)行比較。介紹一下卡諾循環(huán)（利用內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)教程）斯特林發(fā)動機(jī)

斯特林循環(huán)圖中已經(jīng)示出了卡諾循環(huán)，如圖中所示：卡諾循環(huán)是由兩個(gè)定溫過程和兩個(gè)絕熱過程所組成的可逆循環(huán)，圖中定溫（1——2’和3——4’），絕熱（2’

——3和4’——1）。絕熱過程在P——V圖上斜率較大，定溫過程的斜率相近，組成的P——V面積比較窄小。絕熱過程熵不變，為直線。斯特林發(fā)動機(jī)

斯特林循環(huán)卡諾循環(huán)的熱效率ηc=1-(Tc/TE)，它僅與熱源與冷源的溫度有關(guān)。與工質(zhì)的性質(zhì)和熱機(jī)的類型等無關(guān)。從熱力學(xué)的觀點(diǎn)看，卡諾循環(huán)是最有利的一種熱力循環(huán)。具有最高的熱效率。在冷源與熱源溫度比相同的情況下，任何一種熱機(jī)的循環(huán)效率都不可能高于卡諾循環(huán)。斯特林發(fā)動機(jī)

斯特林循環(huán)需要指出的是：在活塞式發(fā)動機(jī)上實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán)的困難很大，主要是因?yàn)闅怏w（例如空氣）的定溫過程和絕熱過程在P——V圖上的斜率差別很小，因此在P——V圖上循環(huán)過程所呈現(xiàn)的面積也很小，除非采用極高的壓力和極長的活塞沖程。這將使發(fā)動機(jī)變得很笨重，甚至有可能不能產(chǎn)生足夠的功去克服自身的摩擦損失。因此，在研究熱機(jī)的理想循環(huán)時(shí)，卡諾循環(huán)僅具有重要的指導(dǎo)意義。斯特林發(fā)動機(jī)

斯特林循環(huán)斯特林循環(huán)與卡諾循環(huán)的共同點(diǎn)是：兩者的壓縮過程和膨脹過程都是在定溫條件下完成的，不同的其余的兩個(gè)過程。斯特林循環(huán)在極限回?zé)岬那闆r下，定容放熱4——1所釋放的熱量QR與定容吸熱2——3所吸收的熱量QR相等，它們就與卡諾循環(huán)的兩個(gè)絕熱過程相當(dāng)。所以在相同的循環(huán)溫度比條件下，兩種循環(huán)熱效率相同。內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)——奧托循環(huán)和笛卡爾循環(huán)的熱效率均低于卡諾循環(huán)，也低于斯特林循環(huán)。與卡諾循環(huán)相比，斯特林循環(huán)的活塞式發(fā)動機(jī)卻得到了實(shí)際發(fā)展。斯特林發(fā)動機(jī)

斯特林循環(huán)1—2—3—4—1）比卡諾循環(huán)功面積（1—2’—3—4’—1）要大。P—V圖陰影面積代表斯特林循環(huán)比卡諾循環(huán)增加的功。T——S圖中陰影面積則代表斯特林循環(huán)比卡諾循環(huán)需要增加的熱量。輸入熱量增加了，但輸出功也相應(yīng)增加，其輸入熱量轉(zhuǎn)換為功的比例（即熱效率）仍與卡循環(huán)熱效率相同。在理論上是可以證明的。（這們這里不再展開講）在P—V圖中，由循環(huán)過程所組成的面積表示循環(huán)功的大小。在給定的壓力、溫度和容積界限下，斯特林循環(huán)的循環(huán)功（面積斯特林發(fā)動機(jī)

斯特林循環(huán)為了評價(jià)循環(huán)的動力性，人們給出了一個(gè)很重要的參數(shù)，即循環(huán)平均壓力pt。循環(huán)平均壓力表示單位氣缸工作容積所做的循環(huán)功，即pt=W/V0，它用來說明單位氣缸工作容積做功能力的大小。斯特林循環(huán)平均壓力最高，單位氣缸容積所做的功最大?；钊桨l(fā)動機(jī)的升功率指標(biāo)反映了發(fā)動機(jī)的強(qiáng)化程度及設(shè)計(jì)水平，它與pt有著正比例的關(guān)系。目前，已試制的熱氣機(jī)中，每升氣缸工作容積能產(chǎn)生150kW的功率，而目前內(nèi)燃機(jī)是難以達(dá)到的。斯特林發(fā)動機(jī)

實(shí)際循環(huán)

前面講的循環(huán)理論及結(jié)論都是在許多假設(shè)條件下得到的，實(shí)際循環(huán)與理想循環(huán)的差別很大。主要體現(xiàn)在：①活塞運(yùn)動是連續(xù)的，不是間斷運(yùn)動。導(dǎo)致P—V圖是一條光滑的封閉曲線，而循環(huán)的四個(gè)過程并無明確的界限。工質(zhì)分配在具有不同溫度區(qū)域的各腔室及換熱器中，因此，對工質(zhì)的全部質(zhì)量而言，不可能繪制出有意義的T—S圖。實(shí)際不存在真正意義的容積回?zé)徇^程。斯特林發(fā)動機(jī)

實(shí)際循環(huán)

②實(shí)際的壓縮和膨脹過程不是定溫過程。由于實(shí)際傳熱率的有限性以及不可避免的熱傳導(dǎo)損失，實(shí)際的壓縮和膨脹過程是多變過程。發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)（比如超過1000r/min），循環(huán)過程與其說是定溫過程（熱傳導(dǎo)無限大），不如說更接近于絕熱過程（沒有熱傳導(dǎo)）。此外，對工質(zhì)的加熱不僅發(fā)生在工質(zhì)從回?zé)崞髁飨蚺蛎浨坏倪^程中，也產(chǎn)生在工質(zhì)從膨脹腔回流到回?zé)崞鞯倪^程中；同樣，工質(zhì)從回?zé)崞髁飨驂嚎s腔和由壓縮腔流向回?zé)崞鞯倪^程中均受到冷卻。這些都使實(shí)際過程增加了復(fù)雜性，對熱氣機(jī)的性能產(chǎn)生不利影響。斯特林發(fā)動機(jī)

實(shí)際循環(huán)

③附加容積的存在。所謂附加容積是指各換熱器的通流容積及其連接通道和氣缸余隙容積的總和。亦稱死容積。附加容積的存在，產(chǎn)生氣體的流動損失是不言而喻的，此外還導(dǎo)致工質(zhì)在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的重新分布；附加容積比越大，工質(zhì)分布在膨脹腔和壓縮腔的相對比值減少，導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)的容積壓縮比ε減小，結(jié)果使循環(huán)功下降。斯特林發(fā)動機(jī)

實(shí)際循環(huán)

④實(shí)際發(fā)動機(jī)所用的工質(zhì)并非理想氣體。即使采用氫氣作為工質(zhì)，仍然具有一定的密度和粘度。當(dāng)工質(zhì)在冷、熱腔之間高速流動流經(jīng)冷卻器、回?zé)崞骱图訜崞鲿r(shí)，流體動力摩擦損失產(chǎn)生了。在同一瞬間，工質(zhì)在壓縮腔和膨脹腔的壓力并不相等，使膨脹腔P——V圖的面積減小，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的輸出功減少，效率降低。斯特林發(fā)動機(jī)

實(shí)際循環(huán)

⑤回?zé)崞鞑⒉皇峭昝赖?。在定容吸熱過程中工質(zhì)能從回?zé)崞骰厥盏降臒崃浚陀谠诙ㄈ莘艧徇^程中工質(zhì)釋放給回?zé)崞鞯目偀崃?。也就是說，回?zé)崞鞯男什豢赡苁?00%。實(shí)際熱氣機(jī)的加熱器不能做得很大，其尺寸是有限制的。燃料燃燒所產(chǎn)生的全部熱量不可能都傳給工質(zhì)，經(jīng)排氣所帶走的熱量是一項(xiàng)很大的能量損失，這也是熱氣機(jī)盡可能加裝利用排氣熱能的空氣預(yù)熱器的理由，但完全避免排氣損失是不可能的。斯特林發(fā)動機(jī)

實(shí)際循環(huán)

熱氣機(jī)為了實(shí)現(xiàn)斯特林循環(huán)，活塞的運(yùn)動是不連續(xù)的。實(shí)際上難以設(shè)計(jì)制造出使活塞作間歇跳躍運(yùn)動的傳動機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)也不可能有效和可靠地工作。實(shí)際熱氣機(jī)是尋求一種接近理想循環(huán)活塞運(yùn)動規(guī)律的傳動機(jī)構(gòu)，而活塞運(yùn)動是連續(xù)的。內(nèi)燃機(jī)經(jīng)常采用的十字頭式曲柄連桿機(jī)構(gòu)，也是熱氣機(jī)常采用的傳動機(jī)構(gòu)之一。在熱氣機(jī)兩活塞作簡諧運(yùn)動的情況下，讓我們通過對四個(gè)熱力過程的分析來進(jìn)一步說明熱氣機(jī)的實(shí)際循環(huán)。斯特林發(fā)動機(jī)

實(shí)際循環(huán)

設(shè)一單作用式熱氣機(jī)的熱腔和冷腔的最大容積相等，熱活塞運(yùn)動領(lǐng)先于冷活塞運(yùn)動的相位角φ=90°。圖中表示了冷腔容積、熱腔容積以及工作腔容積（冷、熱腔容積之和）與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系。

斯特林發(fā)動機(jī)

實(shí)際循環(huán)

當(dāng)活塞在連續(xù)運(yùn)動的情況下，雖然各個(gè)過程難以明確劃分，但每循環(huán)仍具有理想循環(huán)四個(gè)過程的特點(diǎn)。斯特林發(fā)動機(jī)

實(shí)際循環(huán)

①壓縮過程，主要在曲軸轉(zhuǎn)角α=0～90°期間發(fā)生。在此期間，冷活塞從下止點(diǎn)運(yùn)動到行程中部，冷腔容積縮小了一半；熱活塞從行程中部運(yùn)動到上止點(diǎn)，熱腔容積減小到零。于是，總的工作腔容積從1.5V0減小到0.5V0，工質(zhì)受到壓縮并處于冷腔。要注意的是，此階段終了時(shí)的容積0.5V0并非是工作腔的最小容積，但已接近最小容積。當(dāng)α=135°時(shí)，即VE+VC=0.29V0才是最小工作腔容積；斯特林發(fā)動機(jī)

實(shí)際循環(huán)

②定容加熱，在α=90～180°時(shí)，冷活塞從行程中部運(yùn)動到上止點(diǎn)，冷腔容積從0.5V0減少到零；而熱活塞從上止點(diǎn)運(yùn)動到行程中部，熱腔容積從零增大到0.5V0。兩活塞在這一過程中如此運(yùn)動的結(jié)果，使工作腔總?cè)莘e的變化很小（在0.5V0到0.29V0之間變化），且在工作腔最小容積附近發(fā)生，因此與理想的定容過程相似。當(dāng)工質(zhì)從冷腔經(jīng)回?zé)崞鬓D(zhuǎn)移到熱腔時(shí)，工質(zhì)是在接近定容的情況下吸取回?zé)崞鞯臒崃?；斯特林發(fā)動機(jī)

實(shí)際循環(huán)

③膨脹過程，主要在曲軸轉(zhuǎn)角α=180～270°期間發(fā)生。當(dāng)熱活塞從行程中部運(yùn)動到下止點(diǎn)，使熱腔容積從0.5V0增加到V0，冷活塞從上止點(diǎn)運(yùn)動到行程中部，冷腔容積也由零增加到0.5V0。于是，總的工作腔容積從0.5V0增加到1.5V0，膨脹過程主要發(fā)生在此階段。在α=270°時(shí)，熱腔已增至最大容積，工質(zhì)基本處于熱腔。值得注意的是，此時(shí)工作腔總?cè)莘e并未達(dá)到最大值；斯特林發(fā)動機(jī)

實(shí)際循環(huán)

④定容冷卻，在α=270～360°時(shí)，熱活塞從下止點(diǎn)運(yùn)動到行程中部，熱腔容積從V0縮小到0.5V0；冷活塞則從行程中部運(yùn)動到下止點(diǎn)，冷腔容積從0.5V0增大到V0。兩活塞在這一過程中如此運(yùn)動的結(jié)果，使工作腔總?cè)莘e的變化很小（在1.5V0到1.7V0之間變化），變化幅度僅為0.21V0，因此可認(rèn)為接近定容過程。在此階段，熱腔容積減小而冷腔容積增大，使工質(zhì)從熱腔流入冷腔。在流經(jīng)回?zé)崞鲿r(shí)，工質(zhì)將部分熱量傳給了回?zé)崞鬏d體而使本身得到冷卻。斯特林發(fā)動機(jī)

實(shí)際循環(huán)

如上所述，采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的熱氣機(jī)，若壓縮過程和膨脹過程能在定溫下完成，且回?zé)崞魇峭晟频?，仍可證明其循環(huán)效率等卡諾效率。但實(shí)際上，熱氣機(jī)難以實(shí)現(xiàn)定溫壓縮及定溫膨脹，回?zé)徇^程也遠(yuǎn)非完美；附加容積的存在，工質(zhì)在高速流動中與流道壁的摩擦?xí)?dǎo)致壓力降，循環(huán)過程中產(chǎn)生的各種熱損失等，是實(shí)際循環(huán)偏離理想循環(huán)的主要原因。加上設(shè)計(jì)和制造不良會引起過高的機(jī)械損失、過大的熱量散失，密封裝置存在工質(zhì)泄漏等，導(dǎo)致功率和熱效率進(jìn)一步下降，嚴(yán)重地偏離理想狀況。從P——V圖上，實(shí)際循環(huán)示功圖（指工作腔總?cè)莘e）的大體情況看，它不再象理想循環(huán)那樣，由兩條定容線和兩條定溫線所形成的四邊形，而是圓滑的橢圓狀的封閉圖形。斯特林發(fā)動機(jī)

基本特點(diǎn)

熱氣機(jī)具有柴油機(jī)、汽油機(jī)、蒸汽機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等普通熱機(jī)所具有的一些主要優(yōu)點(diǎn)。如：①可用多種燃料；因燃燒過程是連續(xù)的，且是在缸外接近于大氣壓力的狀態(tài)下進(jìn)行的，故對燃料品質(zhì)要求不高。凡是燃燒溫度可達(dá)450℃以上的任何種類的燃料都可以作為熱氣機(jī)的能源。如：煤油、重柴油、煤炭、薪柴和秸桿、煤氣、天然氣、沼氣、酒精和植物油等。②熱效率高理論循環(huán)效率等于最高循環(huán)效率—卡諾效率。現(xiàn)有樣機(jī)的試驗(yàn)證明，熱氣機(jī)的卡諾效率達(dá)66~70%，有效效率達(dá)32~40%（相當(dāng)于柴油機(jī)效率），斯特林發(fā)動機(jī)

基本特點(diǎn)

如果采用陶瓷耐熱材料，加熱器的溫度上升到1000℃時(shí)，有效效率將可達(dá)到44%左右。

③排氣污染少；連續(xù)高溫燃燒，可以在足夠的過量空氣下運(yùn)轉(zhuǎn)，廢氣中CO、HC和碳煙含量少，有害氣體排放要比內(nèi)燃機(jī)低得多。④噪音低；無燃燒爆炸和排氣波，沒有氣閥機(jī)構(gòu)且運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，沒有氣閥沖擊和活塞敲缸聲。ASE-1型小于67.5分貝（美國）；V4X-190型小于70分貝（瑞典）。有人稱熱氣機(jī)為無聲發(fā)動機(jī)。斯特林發(fā)動機(jī)

基本特點(diǎn)

⑤運(yùn)轉(zhuǎn)特性好；壓力變化平穩(wěn)，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)扭矩變化均勻。且超負(fù)荷能力很大，能在超過負(fù)荷50%的情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而內(nèi)燃機(jī)只能超載10~15%。⑥工作可靠，維修費(fèi)用低；沒有氣閥機(jī)構(gòu)、高壓噴油系統(tǒng)和需要良好潤滑的活塞環(huán)，唯一不可靠因素是密封裝置，滑潤系統(tǒng)與大氣隔絕，不受燃燒產(chǎn)物的污染，潤滑油不需要經(jīng)常更換，滑油消耗量很少。斯特林發(fā)動機(jī)

結(jié)構(gòu)類型

由前面的斯特林循環(huán)及熱氣機(jī)的工作原理可知，熱氣機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有兩個(gè)溫度不同而容積作周期性變化的腔室，并用換熱器把這兩個(gè)腔室聯(lián)結(jié)起來。為了實(shí)現(xiàn)斯特林循環(huán)，要有兩個(gè)運(yùn)動的活塞，使兩個(gè)腔室的容積發(fā)生變化。為了實(shí)現(xiàn)定溫壓縮（1——2）需要有一個(gè)壓縮腔（或稱為冷腔），并配置能將壓縮熱導(dǎo)出的換熱器——工質(zhì)冷卻器。為實(shí)現(xiàn)定溫膨脹（3——4），要具在一個(gè)膨脹腔（熱腔），并應(yīng)設(shè)置使工質(zhì)能作定溫膨脹的供熱設(shè)施——工質(zhì)加熱器。斯特林發(fā)動機(jī)

結(jié)構(gòu)類型

為實(shí)現(xiàn)回?zé)徇^程（2——3吸熱、4——1放熱），還應(yīng)有一個(gè)交替地吸熱和放熱的裝置——回?zé)崞鳌？梢姼鞣N類型的熱氣機(jī)不論其布置形式如何，均存在由冷腔、冷卻器、回?zé)崞?、加熱器、熱腔所組成的閉式循環(huán)系統(tǒng)。為了使工質(zhì)在閉式循環(huán)回路中的流動能滿足熱力循環(huán)過程的要求，兩個(gè)活塞的運(yùn)動必需保持某一相位差，否則是不能工作的。一般規(guī)定熱活塞（在熱腔運(yùn)動的活塞）運(yùn)動領(lǐng)先于冷活塞運(yùn)動的曲軸轉(zhuǎn)角稱為活塞的領(lǐng)先角φ，φ大體為90°。斯特林發(fā)動機(jī)

結(jié)構(gòu)類型

熱氣機(jī)的種類很多，分為①單作用式熱氣機(jī)；②配氣活塞熱氣機(jī)；③雙作用式熱氣機(jī)等，而配氣活塞式熱氣機(jī)又包括：單缸配氣活塞式熱氣機(jī)和雙缸配氣活塞式熱氣機(jī)。也有將熱氣機(jī)分為alpha(α)、beta(β)和gamma(γ)等三種類型的劃分方法，前面基本都已經(jīng)介紹過，下面具體介紹一下。斯特林發(fā)動機(jī)

結(jié)構(gòu)類型

①單作用式熱氣機(jī)（α型）單作用式是相對于雙作用式而言的。是指兩活塞都只有一面為工作腔。兩個(gè)活塞都傳遞動力，稱為動力活塞。兩活塞對循環(huán)系統(tǒng)的密封在活塞上。工質(zhì)在兩個(gè)腔室之間振蕩，這是熱氣機(jī)最主要的特點(diǎn)。這種類型熱氣機(jī)又有平行氣缸、V型氣缸、對置氣缸及旋轉(zhuǎn)氣缸等多種。斯特林發(fā)動機(jī)

結(jié)構(gòu)類型

斯特林發(fā)動機(jī)

結(jié)構(gòu)類型

②配氣活塞熱氣機(jī)Ⅰ單缸配氣活塞式熱氣機(jī)(β型)

同一缸內(nèi)設(shè)置兩個(gè)活塞，配氣活塞和動力活塞，兩個(gè)區(qū)，冷區(qū)和熱區(qū)，兩個(gè)腔，熱腔和冷腔。配氣活塞的主要功能是將工質(zhì)從一個(gè)腔室擠向另一個(gè)腔室，使工質(zhì)在循環(huán)回路中來回流動，配氣活塞又稱工質(zhì)置換器（Displacer）。斯特林發(fā)動機(jī)

結(jié)構(gòu)類型

先看幾個(gè)動畫，了解一下其結(jié)構(gòu)型式SingleCylinderStirling.htmRhombic_3D_anim_sal.gifRhombic_anim_jeff.gif再看一下相關(guān)網(wǎng)站RobertStirling.htm斯特林發(fā)動機(jī)

結(jié)構(gòu)類型

給出兩張?jiān)摲N類型熱氣機(jī)的圖片斯特林發(fā)動機(jī)

結(jié)構(gòu)類型

特點(diǎn)：配氣活塞上、下腔的壓力在整個(gè)循環(huán)中，理論上是相同的。熱腔容積的變化由配氣活塞運(yùn)動所控制，而冷腔容積變化則要由配氣活塞和動力活塞兩者的運(yùn)動聯(lián)合控制。兩活塞的行程有一段可以是重疊的，故冷腔的最小容積理論上可以為零。右圖中SL即為其重疊行程。斯特林發(fā)動機(jī)

結(jié)構(gòu)類型

單缸配氣活塞式熱氣機(jī)又有多種形式。有將回?zé)崞髟O(shè)在缸外的外回?zé)崞魇剑@種形式在小型熱氣機(jī)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

Rhombic_anim_jeff.gif

回?zé)崤錃饣钊綗釟鈾C(jī)，其配氣活塞的一部分或全部是用多孔金屬基體做成的，它本身就構(gòu)成一個(gè)回?zé)崾綋Q熱器。

Stirling.swf斯特林發(fā)動機(jī)

結(jié)構(gòu)類型

自由活塞式則上一種有趣的結(jié)構(gòu)，正發(fā)展用于太陽能轉(zhuǎn)換、人工心臟和熱泵等領(lǐng)域。

Stirling_largest_solar斯特林發(fā)動機(jī)

結(jié)構(gòu)類型

Ⅱ雙缸配氣活塞式熱氣機(jī)(γ型)

這種形式熱氣機(jī)的特點(diǎn)是配氣活塞與動力活塞分別置于連通的兩個(gè)氣缸中，配氣活塞的作用仍然是推動工質(zhì)在冷、熱腔之間往返流動，而主要由動力活塞輸出功。

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斯特林發(fā)動機(jī)

結(jié)構(gòu)類型