试析斯特林原理发动机在创新实验中的应用

张甜

摘 要：随着社会经济的不断发展，人们对能源的创新利用以及减少环境污染等方面产生了新的思考，对单缸高温置换型发动机借助斯特林原理加以改造可以有效优化热力学以及空气动力学的实际应用。基于此，本文对斯特林原理发动机的创新实验进行探讨，分别从建立斯特林原理创新实验室的背景与意义、基于STL原理的创新实验活动以及STL原理创新实验活动的重要意义出发，进一步推动对能源综合利用的思考。

关键词：斯特林原理 发动机 创新实验

Analysis of the Application of Stirling Principle Engine in Innovation Experiment

Zhang Tian

Abstract：With the continuous development of society and economy， people have produced new thinking on the innovative use of energy and reducing environmental pollution. The transformation of single-cylinder high-temperature displacement engines with the use of Stirling principle can effectively optimize thermodynamics and aerodynamics practical application. Based on this， this article discusses the innovation experiment of the Stirling principle engine， starting from the background and significance of establishing the Stirling principle innovation laboratory， the innovation experiment activities based on the STL principle， and the important significance of the STL principle innovation experiment activities， promoting thinking about comprehensive utilization of energy.

Key words：stirling principle， engine， innovative experiment

1 引言

自工业革命开始，机械设备开始在人们的实际生活中得到广泛应用，进而有效推动了社会的变革。在这样的发展背景下，发动机也得到了显著的发展与提升，其中内燃机和电机被广泛应用于航天、交通、日常生活等各个方面，然而以斯特林原理为基础的发动机却应用的十分有限，进而限制了相关领域的发展。因此应进一步加强对斯特林发动机的创新应用加以探讨，进而有效发挥其在能源利用上的重要作用。

2 建立斯特林原理创新实验室的背景与意义

斯特林原理发动机是由英国科学家Robert Stirling在1816年发明的，该外燃发动机的主要工作原理是运用了“热—功转换”的相关模式，物理界将其统称为STL原理。STL发动机的发明是在蒸汽机出现之后，在当时因为蒸汽机锅炉高温、高压的特性常会导致安全事故的发生，并以此为契机Stirling开始了对不需要锅炉的发动机的研究，并有效并发明了STL循环以及STL热机[1]。STL循环的本质是一种全封闭式的热机循环，这也就说明了在整个热机内部参与工作的气体是不需要与外界产生交换的，相较于蒸汽机、内燃机等开放式循环模式，STL循环的全封闭循环工作方式省略了进气和排气的环节，进而也大大提升了STL发动机的使用寿命、降低了后期的维护成本。如果STL循环的热效率可以得到有效发挥，那么其理想状态就可以近似于卡诺循环;同时，相较于内燃机燃料参与发动机内部工作的燃料供给方式，STL发动机属于外燃机，即燃料只需要提供发动机所需的热量，而不需要参与发动机内部工作。这样的模式最为突出的优势是STL发动机的燃料实用范围被大大扩大，不仅是局限于汽油、柴油等常规燃料，煤炭、木柴等较为低级的燃料也可以使用，而且清洁太阳能也可以利用STL發动机发挥其积极效用。另外，由于STL发动机内部气体不参与燃烧的特性也使得发电机工作过程中没有剧烈的震动与噪音，这样的优良特性也为STL发动机更为广泛的应用提供了保障。

之所以STL发动机没有同蒸汽机一样受到重视，主要是因为在STL原理的使用过程中会受到一定的应用条件限制，即在当时工艺较为不发达的时候，STL发动机气缸在长时间工作运行之后会出现开裂的情况，同时也随着内燃机改良进程的不断推进，STL发动机也逐渐消失在人们的视野中。但随着经济的不断发展，能源危机以及环境污染问题开始出现，STL发动机凭借其高效、节能等优势又被重新投入到了各个领域的应用当中。

因此在此基础上建立STL原理创新实验室可以通过更为生动形象的方法对基础物理学加以阐述，进而引导学生的正确思维、带动其进一步加强对自然科学和基础科学的研究与探索。同时，可以进一步帮助学生参与到教师的演示模型讲解以及自身对模块化小型发动机的组装实践中，进而开拓学生对基础物理学的思考，帮助其更加深刻地理解、掌握相应的物理学原理。而且STL原理创新实验室的建立以及相关创新活动的开展还可以在帮助学生了解发动机演变历史的基础上，明确相关物理学基本原理在发动机上以及日常生活当中的实际应用，进一步激发学生的创新思考意识与开拓进取精神，进而体现出了十分重要的现实意义。

3 基于STL原理的创新实验活动

开展STL原理的创新实验首先需要准备一定的教学演示模型，进而通过模型对其中蕴含的基本原理展开讲解，进而有效加深学生对STL原理实际应用的理解程度与掌握程度。通常情况下，作为教学演示模型的STL原理发动机有多个部分组成，其中主要包括动力气缸、动力压气活塞、传动连杆以及可视结构框架等部件。如果将STL原理发动机按照使用的热源温度进行区分主要可以分成两类，分别为单缸高温置换型发动机演示模型以及低温磁链型发动机演示模型。其中，单缸高温置换型高温差STL发动机模型更多会采用酒精灯、电热丝以及太阳能聚焦等加热方式;而热气缸与动力气缸则分别采用耐高温玻璃以及人工研磨配和玻璃气缸、活塞制成，进而大大提升了STL发动机模型的气密性以及免维护性。同时，单缸高温置换型高温差STL发动机模型还具有输入能量高、转速快、动力性能优良等特征，以至于还可以带动LED灯等负载，进而大大提升了实验的震撼效果，带给学生更深的实验体会。而另外一种低温磁链型STL发动机模型通常采用的集热方式主要为热水集热、低温电热丝集热以及太阳直接照射集热，其中热气缸和动力气缸则分别采用耐高温透明工程塑料以及人工研磨配合玻璃气缸、活塞制成，进而也具备着较高的气密性与免维护性。在实际展开演示实验的过程中，低温磁链型STL发动机模型因具备较少的输入热量，所以该模型的热气缸一般会远远大于动力气缸，以进一步增加吸热面积。如果对二者加以比较，低温磁链型STL发动机虽然动力效果不足单缸高温置换型发动机，但依然具备着较为明显的演示效果，只需很少的热量就可以实现发动机的转动。

在演示模型展示的过程中，通过向学生介绍STL原理发动机不同的热源驱动模式，加强学生对热能与机械能转换的热力学过程的思考，加深对多种能源综合利用的理解。同时，为进一步优化教学效果，加深学生的影响与理解，还可以在实验过程中引入一部分简易组装的小型STL原理发动机模型，进而可以布置学生以分组的形式进行模块化STL原理发动机模型的零部件组装。在此过程中，学生可以通过组装发电机的零部件加深对其中蕴含物理学基本原理的理解与掌握，同时充分体会到发动机模型创新应用的乐趣。

在现阶段的物理实验教学过程中，加强对学生创新意识和创新能力的培养时教育环节中的重中之重，为了进一步培养出更多的物理专业优秀人才，使得物理教育工作可以最大限度地符合时代的发展需求、有效地服务于日常生活，物理教育工作者应进一步加强对教育环节的思考与变革。同时，如何在知识传授的过程中有效提升学生的创新意识与专业技能是每一位教育工作者需要思考的问题，因此可以通过不断对教学手段的创新应用来加强学生对理论知识的理解以及借助更为科学的实践活动加强对学生创新意识和能力的培养。在这样的模式下，学生可以更为深化地理解物理学基础理论在实际生活中的应用，为培养出更多适应社会发展需求的优质人才打下基础。

4 STL原理创新实验活动的重要意义

总的来说，STL原理创新实验室的创新活动具有十分强烈的现实意义，其重要体现在四个方面：第一是该实验具有着安全、稳定、启动时间短的特点，进而可以在满足课程需要的基础上显著提升课堂的生动性。第二是学生可以借助演示模型的展示加深对热能与机械能转换的理解，进而不断提升物理课程的教学效果。第三是在对小型发动机模型零部件组装的过程中，学生可以通过具体操作更加深入地了解物理学基本原理在STL发动机中的实际应用以及其中物理学基本原理的主要构成。第四是借助这样更为创新的教学方法，可以在演示与操作的过程中增加教师与学生之间的互动，有效改变了传统教学模式中的弊端，提升学生对物理教学知识的接受程度。STL原理发电机创新实验的开展一方面可以更为直观地将物理学基本原理及应用展示出来，而另一方面也大大提升了学生对学习物理的兴趣以及实际动手操作能力。

在实际开展实验课程的过程中，可以先对STL发动机的结构、活塞运动方式以及机械连接方式等基础内容进行讲解，进而有效拓展学生对发动机认识，加深对学生思维方向的引导。接着，应让学生清楚意识到STL发动机对社会发展的重要作用以及现阶段对其进行重新研究的意义，从而帮助学生在对基础物理科学及理论熟练运用的基础上加强创新意识的培养。在学习STL发动机的实际应用时，可以介紹STL原理在气体制冷领域的应用、STL原理循环特性对当今社会环保节能建设的关键作用、STL发动机在第三代和第四代常规潜艇上的军事应用等方面的内容，进而可以通过相关知识的拓展提升学生的创新意识与探索意识，为开拓学生思维、促进其全面发展奠定坚实基础[2]。

5 结语

综上所述，斯特林原理发电机凭借其高效率的特征在能源的优化利用方面发挥了十分关键的效用。在现阶段的时代背景下，人们对节能环保的关注愈发广泛，因此对发电机的改造以及创新应用也体现出了很强的必要性。通过进一步对斯特林原理发电机展开相应的创新实验，可以有效深化对其运行方式及机械结构的研究，进而开拓出更为防范的应用领域。同时，也可以进一步适应当今社会对环保节能的要求。

天水师范学院校列科研项目资助 项目名称：斯特林发动机活塞杆密封材料研究 项 目编号：0110-101100110106。

参考文献：

[1]刘彦平.斯特林原理发动机在创新实验中的应用[J].中国教育技术装备，2019（07）：123-124+127.

[2]谭德宁，张燕红，魏红梅等.一种斯特林发动机的设计[J].新技术新工艺，2019，（9）：50-52.