斯特林发动机性能模拟研究

王淼 徐鹏辉 赵利宏 赵凯强 王国卓

（天津商业大学 天津 300000）

斯特林发动机[1]（Stirling Engine）是一种外部供热的活塞式发动机，它以气体作工质，按闭式回热循环的方式进行工作。斯特林发动机最早发明于1816年，比内燃机发明早几十年，但由于受当时材料及制造水平的限制，没有得到进一步的发展。20世纪70年代爆发中东石油危机后，人们预感到了能源危机，同时，环境污染的严重危害也日益显现。基于斯特林发动机对能源的广泛适应性和优异的环境特性，人们恢复了对斯特林发动机的兴趣。在日本召开的第七届斯特林热机大会上更有学者直接指出“21世纪是斯特林热机的世纪”。由此可见，开展斯特林热机的研究日益突显迫切。

斯特林循环[2]是由两个等温过程和两个等容过程组成的，其理论效率等于卡诺效率，斯特林发动机有诸多优点[3]：燃料来源广，热效率高，运转特性好，噪音低，排气污染小，工作可靠，维护成本低，尽管在车辆上应用斯特林发动机的困难是其较大的重量及体积，但是由于其具有以上优点将使得其成为21世纪客车主要电源。

1 理论模型

为了简化分析，先做以下假设：1）循环按等温过程进行；2）工质无泄漏；理想气体3）总无益容积比不低于1.3，加热器的无益容积比应占总无益容积比的35%左右；4）平均循环压力不大于10兆帕。循环系统划分成三部分：热区，温度为TH（由膨胀腔和加热器组成）、冷区温度为TC（由冷却器和压缩腔组成）和回热器组成的回热区。

1.1 容积

其中，为活塞行程，为曲轴转角，为气缸直径，为活塞杆直径，,分别为加热器和冷却器的通流容积，为回热器的通流容积。

1.2 压力和循环功

这里所计算的压力，是不考虑工质流阻损失时的循环压力，因此循环系统内各点的压力是一致的。求出了循环压力p和循环容积后，即可用梯形法算出总循环功

其中，为平均循环压力。Y为单位换算系数，取值1.045

2 结果与讨论

本文是对某一型斯特林发动机的性能进行模拟计算，该发动机的具体参数如下：气缸直径6.5 cm，活塞行程5 cm，工质为氦气，平均循环压力为10 mpa。取900℃，取300℃。

2.1 计算结果

2.2 结论

（1）总容积的最大值从图1 中可查出为435.35，最小值为138.44容积压缩比

（2）压力比

（3）若发动机转速取为1500 rpm/min，循环功率w=25，则基本功率为：Pout

[1]金东寒.斯特林发动机技术[M]，2009.

[2]钱国柱.热气机原理与设计[M].

[3]李海伟，石林锁，李亚奇.斯特林发动机的发展与应用[A].能源技术，2010,31（4）：228-231.