以内燃机余热为热源的斯特林热机发电系统设计

王伟任 吴越 陈挑挑

摘 要：内燃机余热回收对于提高汽车的燃油经济性具有良好的应用前景。斯特林发动机利用温差驱动，把低品位的热能转换为能够被利用机械能。本文根据汽车废热排放量随内燃机工况不同而变化的特点，设计了以内燃机废气余热为热源的斯特林热机，并与直线发电机相结合组成发电系统。

关键词：内燃机；余热；斯特林热机；发电

1 引言

随着汽车保有量的逐年增加，环境污染和不可再生能源的过度消耗问题尤为严重，已经成为了人们的格外重视。以内燃机为主的汽车发动机工作时的部分热量不得不以水冷、油冷和风冷的形式被耗散掉，这样浪费了燃油燃烧的很大一部分能量。

分析内燃机的热平衡情况可以得出，汽油机和柴油机的余热分别占燃油燃烧总热量的40%和35%左右[1]，然而真正用于驱动汽车行走做功的能量仅占25%[2]左右。显然，汽车内燃机废热具有很大的利用空间，因此，利用废热发电对于汽车节能有着很重要的意义。

目前，半导体温差发电、氟龙透平发电和废气涡轮发电这三种基本方法是主要的三种发动机废气能量发电技术，都处于研发阶段，还未正式投入商业运作。斯特林热机是能够通过外部加热、闭式循环将热能转换为机械能的装置，可以利用内燃机的废气热量进行发电，但此方面的研究很少。本文根据汽车废热排放量随内燃机工况不同而变化的特点[1，3，4，5]，设计了斯特林热机，并与直线发电机相结合组成发电系统。

2 斯特林热机的优势及其应用

斯特林热机是一种从外部加热，利用闭式回热循环方式将热能转换为机械能的装置。由于斯特林热机采用外部供热，对各种燃料有很大的包容性，所以能够使用低品位燃料，例如湿热、木材、地热能、太阳能、生物质能、废热和其他低品位燃料。而且，斯特林热机仅使用一种工质，运行过程中没有物质状态发生变化，这有利于减少腐蚀与冲击等相关问题[6]，其工质被封装在气缸内部，而且燃料在缸外充分燃烧，有害尾气排放很少，因此对环境造成的污染很小。此外，斯特林热机结构简单，维护工作更加便捷，运行状况更加安全、寿命长、噪音小，因为斯特林热机不需要安装进排气门等相关机械，相比内燃机减少了近40%的零部件。

由于斯特林热机具有无可比拟的优势，其应用范围也比较广泛。目前，斯特林热机在太阳能发电、工业废热回收利用、家庭微型热电冷三联供、热泵空调设备、车用混合推进动力、水下动力装备、核能应用以及航空航天飞行器的电量供给等多个范围内充当着十分特殊的角色[7-9]。

3 系统介绍

本文设计的以内燃机余热为热源的斯特林热机发电系统包括斯特林热机和直线发电机两大部分，其结构图和模型图分别如图1和图2所示。

直线发电机核心部分由线圈和磁铁组成。斯特林热机为主动式自由活塞斯特林热机，主要包括传动机构、冷却器、配气活塞、加热器、动力活塞、热缸、冷缸和回热器等零部件。在热缸内的上下来回运动是由配气活塞连接传动机构完成的。磁铁与动力活塞杆固定连接，动力活塞在冷缸内做上下往复运动，与弹簧、磁铁组成一维动态系统，当动力活塞往下或往上运动时，分别压缩和拉伸弹簧。位于热缸和冷缸之间的回热器起着交替地从工质吸收热和向工质释放热的作用。当工质从热端流向冷端，经过回热器时，工质的部分热量被吸收并储存在回热器内；当工质从冷端运动到热端，流经回热器时，与工质从热端流向冷端相反，回热器将储存的热量返还给工质。可以说，回热器就像一个吸收和释放热量的热力海绵[10，11]。传动机构由两个对称的偏心曲柄连杆机构和一对转向相反的齿轮组成，水平方向上的分力大小相等方向相反，互相抵消，只有垂直方向上驱动活塞做上下往复运动的力，所以活塞环对气缸壁没有侧压力。

动力活塞在冷缸内工作，由于它不与任何传动机构连接，属于自由活塞，仅依靠弹簧来维持上下往复运动。动力活塞的运动行程可变，与缸压、转速、冷热端温度等多个因素有关。

4 工作原理

汽车内燃机的尾气流经加热器，从而给热缸内的工质气体加热。冷却器中充满循环冷却水，从而吸收冷缸内工质的热量。直流电机通过传动机构驱动配气活塞在热缸内做往复运动，引起冷缸内工质压力的变化，变化的压力作用在动力活塞上，使动力活塞、弹簧和磁铁组成的一维动态系统发生振动。如果发生共振现象，即一维动态系统的振动频率与其本身的共振频率相同，。发动机在共振状态时，功率最大，并且具备最佳性能。动力活塞具备与配气活塞相同的振动频率，所以直流电机的转速决定了发动机的转速，只要用控制器调节直流电机的PWM率即可实现发动机转速的调节，具有较快的响应特性。

参考文献：

[1]张勇斌. 汽车废热利用的途径和现状分析[J]. 小型内燃机与车辆技术， 2016， 45（1）：62-64.

[2]Jihui Yang. Opportunities & Challenges of thermoelectric waste heat recovery in the automotive industry [C]. 2005 Diesel Engine Emissions Reduction Conference， Chicago， 2005.

[3]Gupta A K， Lilley D G. Energy recovery opportunities from wastes[J]. Journal of Propulsion & Power， 2015， 15（2）：175-180.

[4]邹政耀， 陈茹雯， 吴晓东. 一种新型的发动机排气余热利用装置[J]. 商用汽车， 2002， （8）：60-61.

[5]李维， 顾平道， 石文卿. 内燃机车高温冷却水余热空调系统的可行性研究[J]. 能源研究与利用， 1996（1）：21-23.

[6]董悦. 斯特林发动机活塞环密封材料寿命相关问题研究[D]. 兰州： 兰州理工大学， 2014.

[7]霍英杰， 董亮， 王丽红， 等. 空间斯特林发电技术的发展[C]. 中国宇航学会深空探测技术专业委员会第九届学术年会论文集（下册）， 北京， 2012.

[8]姜昱祥， 张营， 冯允茹. 斯特林热机的可行性分析与展望[J]. 山东工业技术， 2013， （15）： 226-227.

[9]王淼. 汽车尾气余热驱动斯特林发动机的可行性研究[D]. 天津： 天津商业大学， 2014.

[10]Feng W， Chen L， Wu C， et al. Optimum performance of irreversible Stirling engine with imperfect regeneration [J]. Energy Conversion & Management， 1998， 39（8）： 727-732.

[11]Blank D A， Davis G W， Wu C. Power optimization of an endoreversible Stirling cycle with regeneration [J]. Energy， 1994， 19（1）： 125-133.

作者簡介：

王伟，男，生于1996年6月，汉族，甘肃会宁人，江苏大学，能源与动力工程（动力机械工程及自动化）.

任吴越，男，生于1998年2月，汉族，宁夏石嘴山人，江苏大学，能源与动力工程（动力机械工程及自动化）.

陈挑挑，男，生于1992年1月，汉族，安徽宿州人，江苏大学，动力工程及热物理.