斯特林发动机技术特点及应用研究

2021-12-05伍赛特

能源与环境 2021年1期

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司上海 200438）

0 引言

瓦特所改良的蒸汽机开创了工业革命的新时代，但当时的蒸汽工作很不安全，汽缸经常发生爆炸，而且在膨胀终了，由于蒸汽在汽缸壁上冷凝，低热损失增大，蒸汽机的效率很低。在这种情况下有人设想，如果以不会冷凝的燃气或热的空气来代替蒸汽就能提高机器的效率。这样，在18 世纪末和19世纪初，出现了各种各样的用热的气体作工质的发动机，有的用燃气空气的混合气，有的用加了热的空气。

斯特林发动机是热气机中的一类，由苏格兰人罗伯特·斯特林发明于1816 年。在19 世纪，曾有数千台热气机在欧美地区得以投入使用。但是，由于当时没有良好的耐热材料，同时对这种机器的特性也不甚了解，用青铜和铸铁作主要材料的热气机的功率和效率也不比蒸汽机高，最后被在蒸汽机基础上发展起来的活塞式内燃机所淘汰［1-2］。

由于能源和环保问题和技术水平的不断提升，近几十年来，对斯特林发动机的重视程度与日俱增。自20 世纪80 年代起，荷兰的菲利浦公司开创了现代斯特林发动机的发展工作，使斯特林发动机的面貌为之一新［3］，引起了不少国家的注意和兴趣。现在，中、美、苏、英、日、德、法、加拿大以及北欧的一些国家都在不同程度上投入了斯特林发动机的发展工作，研制出各种不同用途的斯特林发动机，其中包括车用斯特林发动机、燃煤的固定式斯特林发动机发电站、太阳能斯特林发动机发电站，还有用放射性同位素作热源的完全植入式斯特林发动机人造心脏动力源、水下用斯特林发动机和农用斯特林发动机等［4］。

我国也于20 世纪70 年代正式开展了针对斯特林发动机的发展工作。目前，斯特林发动机也已被列入国家科委的发展计划。

1 斯特林发动机的工作原理

斯特林发动机是一种外燃机，是在较低的温度和压力下压缩工质并在较高的温度和压力下膨胀做功的活塞式发动机。膨胀功由外部热源通过加热器供给，压缩热由冷却器导出；工质是循环使用的，它在一个工作循环结束后并不排出机外，而又重新参与新的循环。所以，斯特林发动机是闭式循环活塞式外燃机。

2 斯特林发动机的特点

按斯特林热力循环工作的斯特林发动机，具有诸多优势，现择要介绍如下。

2.1 适应于燃用多种燃料

斯特林发动机对它的外部燃烧加热系统无特殊的要求，凡是能连续发热的、且温度在300 ℃以上的任何发热装置均可作为它的外部热源。它既可以用普通的液态燃料（柴油、汽油、宽馏份油、酒精等）、气态燃料（甲烷、丙烷、煤气、天然气和氢气等）和固态燃料（煤、木柴及农业“废物”等）工作，也可采用诸如太阳能、核能和化学能工作。斯特林发动机是一种能源来源多样的发动机，是真正的多种燃料发动机。

2.2 较高的转换效率

斯特林发动机的理想循环效率为卡诺效率，而卡诺效率是热力循环的最高效率。但由于存在各种各样的损失，斯特林发动机的实际循环效率约为卡诺效率的70%～80%。考虑了外燃系统效率和机械效率后，斯特林发动机的有效效率约为卡诺效率的55%～65%。例如，车用斯特林发动机最大功率时的效率为33%～36%，部分负荷时的效率则高达37%～42%，一定程度上优于同类型车用内燃机，船用斯特林发动机的最低循环温度低于车用内燃机，因而它具有较高的卡诺效率，有效效率也就更高。

2.3 良好的环境特性

当斯特林发动机采用柴油或汽油工作时，由于燃料是在接近大气压的压力下连续燃烧的，因而燃烧完全，排气中的有害成分较低，明显低于当前最严格的要求标准。如果斯特林发动机采用蓄热器、太阳能和化学反应热能工作时，便不会产生排气污染。

与内燃机相比，斯特林发动机因没有气阀机构［5］、高压油泵、增压器、燃油的剧烈燃烧，以及高压差下的排气和活塞的敲缸现象，所以斯特林发动机的噪声同样较低。未经噪声处理的斯特林发动机的噪声一般为70 dB（A）左右，有的斯特林发动机的噪声甚至低到45 dB（A）～55 dB（A）。在一般情况下斯特林发动机的空气噪声比内燃机低10 dB（A）～20 dB（A），结构噪声则低约20 dB（A）～45 dB（A）。

2.4 出色的运行特性

斯特林发动机气缸中的压力变化平缓，近似于正弦波，最大压力与最小压力的比值一般均小于2，故扭矩极其均匀。 4缸斯特林发动机的扭矩不均匀度一般为0.05～0.09［6-7］。

此外，斯特林发动机的转速范围较大，最高转速和最低稳定转速之比值通常为7～10，因为几乎没有什么因素限制斯特林发动机的最低转速，只要轴承负荷允许的话，转速可以设计得很低。在整个转速范围内扭矩的变化较均匀，这是柴油机和汽油机所无法实现的。斯特林发动机在低转速和高转速时均能产生高扭矩，低转速时的扭矩特性完全可以与活塞式蒸汽机相媲美。

2.5 超负荷能力强、工作可靠且维护简易

斯特林发动机的超负荷能力较强，能在150%的额定负荷下作短期运转［8］。相比之下，内燃机的超负荷能力较小，仅能超载10%～15%。

斯特林发动机工作可靠，因为它没有易产生故障的气阀机构、高压喷油系统和需要良好润滑的活塞环。一般地说，斯特林发动机运转的唯一不可靠因素是活塞杆和活塞的密封，特别是活塞杆密封。

斯特林发动机唯一需要润滑的是传动机构。活塞和气缸是不能用润滑油润滑的。所以，斯特林发动机的润滑油可长期使用，润滑油中的唯一污染物是传动机构运动副产生的磨屑，燃气远离润滑系统，丝亳不会污染润滑油。斯特林发动机的维护比内燃机更为简易。

3 斯特林发动机的现状和应用

由于斯特林发动机可以利用各种能源来进行工作，而且转换效率高，环境特性好，致使斯特林发动机具很好的适应性和适用性。经过许多科学家和有经验的工程师的努力，人们已制成了功率只有数瓦的微型斯特林发动机，作为人造心脏的动力源，这种微型斯特林发动机现正在逐步完善中。人们也制成了功率为数十瓦至数百瓦的斯特林发动机发电装置，其转换效率比热电装置高1 倍～2 倍。功率为数十千瓦的车用斯特林发动机的重量和尺寸指标与车用内燃机差不多，而经济性则比同类型车用内燃机更为优越，经济性提高了40%～100%。同样，斯特林发动机还可用作机车船舶和固定式发电站的动力。下文重点介绍车用斯特林发动机、燃煤的斯特林发动机和太阳能斯特林发动机作简单介绍。

3.1 车用斯特林发动机

斯特林发动机用于轿车动力时可充分满足当时最严格的排放标准。当其用作货车和城市客车动力装置时［9］，虽然尺寸和重量指标的要求都不如轿车动力装置那样严格，但其面临的竞争对手是效率较高的车用柴油机。由于斯特林发动机能符合环保要求和具有较高经济性，在这2 方面它完全可以与柴油机匹敌。

以蓄热器式斯特林发动机为动力装置的车辆有着较好的环保性能。其可利用氟化锂作蓄热材料，对其进行加热后即会熔解，并充分吸收了热能，对氟化锂进行冷却并输出热能来推动斯特林发动机运作，这种斯特林发动机就叫蓄热器式斯特林发动机。

蓄热器式斯特林发动机汽车具有较好的环保性能——安静且无排气污染。然而就运行经济性而论，蓄热器式斯特林发动机汽车明显优于纯电动汽车。

3.2 燃煤的斯特林发动机

为了降低对石油能源的依赖程度，可增大对煤这类一次能源的利用程度。在内燃机内直接燃煤，困难极大，因为煤中的硫分和灰分对机器零部件的腐蚀和磨损几乎会达到难以接受的程度。对煤进行细化和提纯，要消耗颇大的能量。所以内燃机如能燃煤，充其量也只能取得节油不节能的效果。相反，斯特林发动机能直接燃煤，并具有很高的转换效率。

大功率燃煤斯特林发动机，因具有很高的转换效率，可以作为电站、泵站、综合供能系统、机车和船舶的动力。机组的功率范围一般为数十兆瓦，该功率范围的适用性最大，从而有着乐观的市场前景。

大功率高效率燃煤斯特林发动机将由3 部分组成，即煤的燃烧装置、传热装置和斯特林发动机发电装置。煤燃烧系统可采用流化床燃烧系统，因为这种燃煤系统不仅具有较高的燃烧效率，且排气污染较低，可以燃烧劣质煤和工农业的可燃废物。现代流化床燃烧系统的效率一般在80%左右。常压式流化床燃烧技术在我国的发展比较迅速，并有着较高的技术水平。

流化床燃烧系统所产生的热量通过其传热系统被送至斯特林发动机。传热系统一般采用钠热管或氦气循环回路。用钠热管时的传热效率基本上可达到100%，氦循环回路的传热效率在95%左右。斯特林发动机通常采用双作用式结构的机体，并用氦气作工质［10］。

燃煤斯特林发动机发电装置的制造成本较高，明显高于普通的柴油发电装置。但由于煤与油之间的差价，其发电成本仍较低，故所支付的设备成本费用可望在3.5 年～4 年内得到全部补偿。

燃煤斯特林发动机的寿命为数十年，主要零部件的寿命不低于数万小时。发展燃煤斯特林发动机的关键是流化床燃烧系统和斯特林发动机的活塞杆密封，如能顺利解决以上2个问题，则能生产高性能的燃煤斯特林发动机。