斯特林热机的可行性分析与展望

姜昱祥 张 营 冯允茹

（山东凯文科技职业学院，山东 济南250200）

0 前言

斯特林发动机(St ir ling engine)又叫热气机，是一种外部燃烧(加热)的封闭式活塞发动机，具有燃料来源广、效率高、污染小、噪音低和维修方便等优点， 可以应用在许多领域内中作为清洁高效的动力机，对节能减排、保护环境有重要意义。 斯特林发动机对燃料的适应性很强，可用能源除了煤、石油、天然气外，还可以利用太阳能、原子能、化学能以及木材、秸秆等农林废弃物燃烧所放出来的热能。 斯特林发动机的热效率很高， 理论上斯特林循环效率等于相同状态下的卡诺效率，实验表明斯特林发动机的实际有效效率可以达到32%～40%，最高甚至可达47%。 斯特林发动机运行的污染物排放少，作为外燃机燃料可以在足够的空气下连续燃烧，燃烧比较充分，与内燃机相比，排放的一氧化碳和碳氢化合物等有害气体大大减少。斯特林发动机没有气阀机构，工质在汽缸内的压力变化接近正弦波形，而且燃烧不会产生的爆震和排气波， 因而运转比较平稳， 噪音比较小； 例如STM 生产的50kW 的斯特林发动机在裸机工作时，1m 处的噪音低于75dB。斯特林发动机的运转比较平稳，扭矩比较均匀，超负荷能力强(可以在超负荷50%的情况下仍然能正常运转)，相比之下内燃机超负荷能力只有5%～15%。另外，斯特林发动机结构简单，比内燃机少40%的零部件，例如自由活塞式斯特林发动机只有密封的汽缸和两个活塞，没有容易出故障的气阀机构、高压喷油系统和需要良好润滑的活塞环，维修也比较方便。 本文将对斯特林发动机的发展历史进行回顾，并对斯特林发动机的特点和分析方法进行分析，指出斯特林发动机的关键技术和发展前景。

1 三种基本结构形式

斯特林发动机主要由压缩腔、加热器、回热器、冷却器和膨胀腔组成，根据工作空间和回热器的配置方式上，可以分为，和 三种基本类型，如图所示：

图1

α 型斯特林发动机的结构最简单，加热器、回热器、冷却器两侧配备了热活塞和冷活塞，热活塞负责工质的膨胀，冷活塞负责工质的压缩，当工质全部进入其中一个汽缸时，一个活塞固定，另一个活塞压缩或膨胀工质。

β 型斯特林发动机在同一个汽缸中配备了配气活塞和动力活塞，配气活塞负责驱动工质在加热器、回热器和冷却器之间流通；动力活塞负责工质的压缩和膨胀，当工质在冷区时压缩工质，当工质在热区时让工质膨胀。

γ 型斯特林发动机的动力活塞和配气活塞分别处于配气汽缸和动力汽缸内，配气活塞同样负责驱动工质流通，动力活塞单独完成工质的压缩和膨胀。

2 斯特林循环的分析法

斯特林发动机工作过程中的各种损失是影响斯特林发动机性能的主要因素。 如果对这些损失有更有深入的了解，就有可能进一步提高热效率，从而制造出性能更好的斯特林发动机，提高其在发动机领域的竞争力。 但通常很难用仪器测定这些损失，因此一般采用理论分析法估算，并通过输出功率等间接的性能实验结果进行验证，从而指导更高效的斯特林发动机的设计。

从19 世纪70 年代始至今，斯特林发动机领域的研究者们先后发展了各种不同级别的斯特林循环分析法，并将它们成功的应用于斯特林发动机的设计中。本文对现有的斯特林循环分析法进行了综述和比较，并对其发展前景作了展望。

斯特林发动机的形式多种多样， 但是在理论上都是按斯特林循环进行工作的。 根据马提尼的命名规则，斯特林循环的分析法可以分为零级分析法、一级分析法、二级分析法、三级分析法和四级分析法5 类。

2.1 零级分析法

零级分析法并没有对斯特林循环进行分析，而是根据斯特林发动机的实验结果引入经验因子，归纳出斯特林发动机实际功率的经验关系式。该方法简单实用，一般可用于定性分析，不合适做斯特林发动机的优化设计。 Carlquist 和Beale 对零级分析法的应用与发展做出了重要功能贡献。

2.2 一级分析法

一级分析法又称等温分析法， 只最基本的斯特林循环分析方法。该方法主要假设热腔和冷腔工质的循环温度恒定，通过理论分析可以推导出斯特林发动机功率和效率的解析式。 Schmidt 首先应用一级分析法，以α 型斯特林发动机为模型，根据质量、能量守恒定律和理想气体状态方程，对斯特林发动机进行了理论研究。 但由于一级分析法的等温假设过于理想，不符合实际情况，因而存在交大的理论误差，一般只用于定性分析。

2.3 二级分析法

二级分析法假设热腔和冷腔内的工质温度在循环的过程中这是变化的。 因此基于二级分析法所建的数学模型一般为常微分方程组，结合理想气体状态方程以及边界条件可进行数值求解。最常用的二级分析法是绝热分析法。相对一级分析法而言，二级分析法更接近实际，具有更为重要的价值。

2.4 三级分析法

三级分析法又称为节点分析法，由Finkelstein 首先完成。 Urieli、Gedeon、Martini 等对其进行了深入补充，并编成了软件进行模拟。三级分析法是对工质作一维流动假设，在每个节点处对工质的传热和气体动力学过程用质量、动量和能量守恒的偏微分方程进行描述。 三级分析法解决了一级分析法和二级分析法的空间误差问题，得到了广泛的应用和发展。

2.5 四级分析法

四级分析法又称为多维CFD 分析法， 是在三级分析法的基础上将维数增加到二维甚至是三维，其计算过程极其复杂，往往需求与商业化的CFD 软件。 多维CFD 分析法已成功应用于内燃机和燃气轮机的设计，但在斯特林发动机上的应用还是不完善，因为到目前为止，多维CFD 在两流上的应用还很困难。 尽管如此，由于四级分析法的精度比较高，作为研发的重点，随着各种辅助工具的不断改善，四级分析法终将成为斯特林循环的主要分析法。

3 斯特林发动机的优点

斯特林发动机是外燃机，与传统的内燃机相比主要有以下几个方面的优点：

3.1 燃料来源广

斯特林发动机对燃料的适应性很强，可用燃料除了煤、石油、天然气、化石燃料外，还包括太阳能、原子能、化学能，以及木材、秸秆等农林废弃物燃烧所放出来的能量。 此外，斯特林发动机还可以用来回收各种分散或低品位的热能。

3.2 热效率高

理想斯特林循环由两个等温过程和两个等容过程组成，其理论循环效率等于相同状态下的卡诺效率。 实验表明，斯特林发动机的实际有效效率能达到32%-40%，最高可达47%。

3.3 排气污染小

由于斯特林发动机的燃烧过程是连续的，空气燃烧比的变化对效率和功率的影响都很小， 所以斯特林发动机可以在足够的控旗下运转，燃料的燃烧值比较高，和内燃机相比，大大降低了废气中CO、HC等有害气体的含量。

3.4 噪音低

斯特林发动机没有气阀机构且工质在气缸内的压力变化类似于正弦，并且没有燃烧产生的爆震和排气波，因而斯特林发动机运转比较平稳，噪音比较小。 如STM 产生的50KW 的斯特林发动机，其裸机工作时在1m 处的噪声低于75dB。

3.5 运转特性好

由于斯特林发动机中最大压力与最小压力之比一般小于2，因此其扭矩比较均匀、运转比较平稳。 此外，斯特林发动机的超负荷能力强，在超负荷50%的情况下仍能正常运转，相对于内燃机5%-15%的超负荷能力具有更好的运转特性。

3.6 结构简单，维修方便

斯特林发动机的结构简单，比内燃机少40%的零部件。例如，自由活塞式斯特林发动机只有三大部件：密封的汽缸和两个活塞，没有容易出故障的气阀机构、高压喷油系统和需要良好润滑的活塞环，便于保养维修。

4 斯特林热机应用展望

斯特林发动机的用途非常广，特别适合应用在小型的低品位能源资源发电项目中。 例如在太阳能热发电项目中，斯特林发动机可以把集热器中的热能直接转化成动能驱动发电机发电，在美国和澳大利等国家已经取得了实质性的突破，很多实验电站已经运行多年，大规模的商业运行电站也正在建立。

此外斯特林发动机在我国民用特别是农村的应用潜力，在低品位能源中的应用。 斯特林发动机在废热回收、人工心脏、空间站动力、水下动力和车用动力等方面都有重要的应用，其理论价值和实际意义都值得我们做进一步的研究。

近年来斯特林发动机的研究在世界领域取得了突破性的进展，能源危机更增加了世界各个国家对斯特林发动机的重视程度，进一步加快斯特林发动机的发展速度。 由于斯特林热机的得天独厚的优势，以及各种新材料新技术的出现，斯特林热机必将代替内燃机成为以后的主要动力来源。 尽管我国对它的研究起步较晚，但是中国的研制能力和研制水平以及国家对新能源新技术的大力支持，使其在国家的中长期发展计划计划中占有重要的位置。今后国家将大力扶持其在废热利用以及太阳能发电等各种领域的应用。斯特林热机的广泛应用必将使我国能源利用率得到大幅度的提高，无论是对环境保护还是节能减排都有着非常重要的积极意义，也将为我国经济又好又快发展提供充足动力。