车用斯特林发动机研究

阿古达木

摘 要：斯特林发动机，又称热气机，是一种外燃机，即依靠外部热源对密封在机器中的气体工质加热，使其不断热胀冷缩，进行闭式循环，推动活塞做功。斯特林发动机对外燃方式无特殊要求，只要外部热源的温度高于机器中工质的温度即可，加热方式灵活，既可以使用传统的化石燃料，又可以使用太阳能、生物质能。斯特林发动机的热效率很高，在热力学理论上等于同温限下的概括性卡诺循环效率。

关键词：斯特林发动机 燃料 安全性

Abstract：The Stryn engine， also known as the hot air machine， is an external combustion engine， which relies on the external heat source to heat the gas working in the machine， making it expand continuously and shrink， and carry out the closed cycle to drive the piston to do the work. There is no special requirement for the external combustion mode of Stryn engine. As long as the external heat source temperature is higher than the working medium temperature of the machine， the heating mode is flexible， which can not only use traditional fossil fuel， but also use solar energy and biomass energy. Stryn engine thermal efficiency is very high， generally equal to Kano cycle efficiency under isothermal limit thermodynamic theory.

Key words： fuel safety of Stryn engine.

一、分析来源

斯特林发动机与内燃机最大的区别在于：在做功时，不是通过燃料在气缸内部瞬间气化，然后以爆震的方式推动活塞；而是依靠外部的热源对热膨胀气缸中的工质持续传热，使其不断升温升压，然后推动活塞做功。因此，斯特林发动机在工作时较内燃机平稳，而且噪声也小很多。这对现代汽车行业低噪音、多燃料综合利用带来了技术革新的思路。

二、可行性分析

斯特林发动机的功率密度小，暖机时间长，响应慢，造成这个结果的原因就是因为他是外燃机，然而汽车并不是以一定速度跑在路上，它要怠速、启动、减速、加速、制动，工况变化非常大，以上问题使斯特林功率变化往往是赶不上这些变化的，但是汽车上没有斯特林发动机也不是绝对的。斯特林发动机最大的优点就是完成各种能量转换，是非常符合“动力”这个概念的。汽车尾气温度很高，这也是很大的一部分能量，所以在排气歧管处可装有斯特林发动机，这部分能量可直接送给斯特林而其转换为机械能再连接一个小型发电机，再通过稳压升压电路和蓄电池供给汽车照明等。

三、斯特林发动机用于车用动力要解决的问题

1、输出功率和扭矩随着道路需求快速可控，转速满足要求；

2、燃料选择及燃油消耗及升功率要满足经济型要求；

3、系统成本要低于内燃机；

四、问题决绝路线

1、由于斯特林发动机的转速及输出功率不能跟内燃机一样瞬间增减，反应速度较为柔和的原因，不能直接作为动力源来输出。因此目前推荐的处理办法是让斯特林负责发电并通过电池储存电能、再通过控制电机来控制车的动能及转速。这也就是把斯特林机难处理的事情转移到了下一个环节去处理，并适合于汽车的实际转速和动力需求。但是这样一来，整个系统成本会提高，可能导致效率和经济型打折扣。因此需要系统的设计和选型，然后跟传统的燃气式内燃机经济型进行对比。

2、为了跟传统燃气式内燃机更有竞争力，利用斯特林的外燃机特点，需要开发更为经济型的燃料。首先所选燃料是普遍易开采到，成本低廉、安全性高。目前有一种新技术叫做钍燃料。这种钍燃料动力系统及方法，钍燃料动力系统包括：热力单元、发电单元与冷却单元，热力单元包括锅炉与热力发生器；锅炉包括介质腔与燃料腔，热力发生器包括钍燃料和激光器，钍燃料放置于燃料腔中，燃料腔的腔壁设有开孔，激光器设置在腔壁的外侧，激光器发出的激光能够穿过开孔加热钍燃料从而使钍燃料产生热能，介质腔容置液体介质，其包括介质输入端与介质输出端；发电单元包括斯特林机与发电机，斯特林机与介质输出端相连通，斯特林机与发电机连接以带动发电机的发电；冷却单元设置于斯特林机与介质输入端之间并且与二者分别连通。通过该技术提供动力具有成本低、环保且更便捷的优点。但是钍燃料本身的提炼过程及安全性方面也有很长一段时间的路要走。

3、Autonotive Stirling EngineMod II Design Report 中讲解了某种型号斯特林发动机在轿车上的应用实例。同时描述了设计结构、性能参数等。但是毕竟是上个世纪80年代的产物，相对现在新的汽车领域中继续对比生存，寻找优越性的话要做的工作更多。比如升功率提高、效率提高、工况灵活性应对能力方面的匹配技术等等都是一个攻关的课题。就拿GOE4-95型发动机而言仅适合于1升左右排量的汽车，充其量是微型车发动机。而且目前的行业中所试验转速2800转。更高的转速导致动密封寿命受损更快，维护成本会提高。因此如果同等用化石能源的来驱动汽车作为发动机的话，认为竞争不过传统內燃机。必须采用非化石能源、特殊的经济型能源利用是斯特林发动机能够在汽车市场上生存的唯一法宝。而上面提到的钍燃料的特殊性，也是对这个技术增添了难度，需要多方的合作和联合开发。并且需要国家及行业安全方面的认可。

4、斯特林发动机提高功率的手段跟内燃机十分相似，也是通过工作循环压力、转速、自耗功率降低等手段来实现升功率的提升。但是不代表能够无极限上升。到了一定值后出现效率下降、材料工况极限等不利因素产生。因此斯特林机本身可以说也是一种成熟的技术，细节设计方面有一定的优化空间，但也有他的弊端。如何把斯特林发动机的优点最大限度的发挥到车用机型上是最为关键。但是依然存在转速低、加工精度高、成本高、对路况灵敏性差等特点，导致不能独立完成作为动力设备，必然采取电机及电池的配合。这样导致系统的成本不一定占优势。因此斯特林机用于汽车市场需要一段时间的开发过程，不仅在于斯特林本身、同时对燃料选择、能量传递方式、可控性等方面都等做详细的设计论证。