斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

外燃機(jī)指燃料在汽缸外燃燒的的發(fā)動(dòng)機(jī)。燃料連續(xù)燃燒，通過加熱器傳給工質(zhì)，工質(zhì)不直接參與燃燒，也不更換。工質(zhì)指的是"工作介質(zhì)"，可以是氫氣或者氦氣(熱力性能較好)

內(nèi)燃機(jī)的燃?xì)庾罡邷囟纫人固亓指叩枚?，但?nèi)燃機(jī)依靠散熱把氣缸的溫度控制在90度左右，而斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱器和膨脹腔需要長時(shí)間保持在較高的溫度，這對(duì)材料提出了較高的要求。

同樣是因?yàn)殚L時(shí)間保持高溫，這使得很多熱量通過直接傳遞和熱輻射的形式損失了。所以需要采取一系列措施來減少熱損失，比如把活塞做成中空結(jié)構(gòu)，并且在里面設(shè)置多道"熱障"。

這是由減少熱損失的一系列措施導(dǎo)致的，要隔熱，比功率就小。

這些是針對(duì)常規(guī)結(jié)構(gòu)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)而言。

由于熱源來自外部，傳熱需要時(shí)間，因此發(fā)動(dòng)機(jī)需要經(jīng)過一段時(shí)間才能使氣缸的溫度變化。

這意味著:

1、在提供有效動(dòng)力之前需要時(shí)間暖機(jī)。

2、不能快速改變其動(dòng)力輸出。

密封和潤滑在一定程度上相互矛盾。

由于工作介質(zhì)是有限的，因此對(duì)密封的要求較高，這也是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)明比內(nèi)燃機(jī)早卻沒能得到很快發(fā)展的原因之一。

為了降低摩擦損失，潤滑的要求同樣較高。由于潤滑油汽化會(huì)凝結(jié)在回?zé)崞魃显斐啥氯虼瞬荒苁褂脻櫥?，只能干摩擦?/p>

對(duì)策:

一般使用聚四氟乙烯(PEFT)和聚醚醚酮(PEEK)以及各種填料(青銅、石墨等)制成的活塞環(huán)，具有自動(dòng)形成潤滑層(自潤滑)、耐高溫(250℃Max)的特性。

與內(nèi)燃機(jī)比較熱氣機(jī)所具備的優(yōu)點(diǎn):

無論是液態(tài)的、氣態(tài)的或固態(tài)的燃料，當(dāng)采用載熱系統(tǒng)(如熱管)間接加熱時(shí)，幾乎可以使用任何高溫?zé)嵩?如:

熱氣機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由于燃料的燃燒是連續(xù)的，因此避免了類似內(nèi)燃機(jī)的爆震做功和間歇燃燒過程，從而實(shí)現(xiàn)了低噪音的優(yōu)勢。這使得它可以用在潛艇上以得到較好的隱蔽性。

熱氣機(jī)單機(jī)容量小，機(jī)組容量從20-50kw，可以因地制宜的增減系統(tǒng)容量。結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)比內(nèi)燃機(jī)少40%，降價(jià)空間大，同時(shí)維護(hù)成本也較低。

這是由于斯特林閉循環(huán)中工質(zhì)與大氣隔絕產(chǎn)生的。這使得它非常適合于高海拔地區(qū)使用。

斯特林(RobertStirling，1790-1878)

英國物理學(xué)家，熱力學(xué)研究專家。

斯特林對(duì)于熱力學(xué)的發(fā)展有很大貢獻(xiàn)。他的科學(xué)研究工作主要是熱機(jī)。熱機(jī)的研制工作，是18世紀(jì)物理學(xué)和機(jī)械學(xué)的中心課題，各種各樣的熱機(jī)殊涌而出，不斷互相借鑒，取長補(bǔ)短，熱機(jī)制造業(yè)興旺起來，工業(yè)革命處于高潮時(shí)期。

隨著熱機(jī)發(fā)展，熱力學(xué)理論研究提到了重要位置，不少科學(xué)家致力于熱機(jī)理論的研究工作，斯特林便是其中著名的一位。他所提出的斯特林循環(huán)，是重要的熱機(jī)循環(huán)之一，亦稱"斯特林熱氣機(jī)循環(huán)"。這種循環(huán)，是封閉式的，采用定容下吸熱的氣體循環(huán)方式。

利用這種循環(huán)的"斯特林熱機(jī)"，具有很多特點(diǎn)，如采用外燃，或外熱源供熱等。由于這種循環(huán)是封閉式循環(huán)，能夠采用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣壓力的高壓氣體工作，這樣可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的單位重量的功率，減小發(fā)動(dòng)機(jī)的體積和重量。

斯特林熱機(jī)在逆向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以作為制冷機(jī)或熱泵機(jī)，這種設(shè)想在現(xiàn)代已進(jìn)入了實(shí)用研究階段。

熱氣機(jī)(StirlingEngine)是一種由外部供熱使氣體在不同溫度下作周期性壓縮和膨脹的閉式循環(huán)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，由蘇格蘭人 Robert Stirling在十九世紀(jì)初發(fā)明，所以又稱斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)燃料在氣缸內(nèi)燃燒的特點(diǎn)熱氣機(jī)又被稱作外燃機(jī)。熱氣機(jī)特指按閉式回?zé)嵫h(huán)工作的熱機(jī)，不包括斯特林熱泵或斯特林制冷機(jī)。

已設(shè)計(jì)制造的熱氣機(jī)有多種結(jié)構(gòu)，可利用各種能源，已在航天、陸上、水上和水下等各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。試驗(yàn)熱氣機(jī)的功率傳遞機(jī)構(gòu)分為曲柄連桿傳動(dòng)、菱形傳動(dòng)、斜盤或擺盤傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和自由活塞傳動(dòng)等。

成功實(shí)例有美國STM公司的民用25KW外燃機(jī)以及日本親潮級(jí)潛艇使用的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，中國潛艇也有自研成熟的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。

熱氣機(jī)的未來發(fā)展將更多的應(yīng)用新材料(如陶瓷)，可將加熱器溫度進(jìn)一步提高，理論有效效率可提升至42%。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)目前有報(bào)道，已經(jīng)開始研究在計(jì)算機(jī)主板的散熱風(fēng)扇上使用，通過北橋芯片的發(fā)熱來帶動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，以此來給硬件降溫，該研究還處于研究階段(2008.04.11)。

斯特林熱機(jī)的結(jié)構(gòu)有很多，但大都是由α 、β、γ三種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變換而來。

常用的有自由活塞式

和四缸雙作用式等

自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)由β式結(jié)構(gòu)發(fā)展而來，取消了曲軸、連桿、飛輪等結(jié)構(gòu)，并具有自激振蕩自啟動(dòng)以及自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載的能力。

四缸雙作用式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)由四個(gè)α式結(jié)構(gòu)冷熱相接組合而成。氣缸上部加熱、下部冷卻，工質(zhì)在相鄰兩個(gè)氣缸的上下部間循環(huán)，4個(gè)活塞交替上下，直接驅(qū)動(dòng)斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)，工作較為平順。

隨著全球能源與環(huán)保的形勢日趨嚴(yán)峻，熱氣機(jī)由于其具有多種能源的廣泛適應(yīng)性和優(yōu)良的環(huán)境特性已越來越受到重視，所以，在水下動(dòng)力、太陽能動(dòng)力、空間站動(dòng)力、熱泵空調(diào)動(dòng)力、車用混合推進(jìn)動(dòng)力等方面得到了廣泛的研究與重視，并且已得到了一些成功的應(yīng)用。熱氣機(jī)推廣中的3個(gè)方向包括:

熱電聯(lián)產(chǎn)充分利用它環(huán)境污染小和可使用多種燃料及易利用余熱的特點(diǎn)，用于熱電聯(lián)產(chǎn)可取得更高的熱效率和經(jīng)濟(jì)效率。

四聯(lián)裝余熱回收系統(tǒng)

低能級(jí)的余熱回收利用對(duì)燃燒系統(tǒng)稍加改進(jìn)便可利用工場余熱、地?zé)岷吞柲苓M(jìn)行發(fā)電或直接驅(qū)動(dòng)水泵，可取得更大的節(jié)能效益。

移動(dòng)式動(dòng)力源通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化和輕量化，并改善其控制性能后，亦可以作為推土機(jī)、壓路機(jī)等車輛的動(dòng)力。

注意斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)明時(shí)間是1816，是和蒸汽機(jī)差不多的古老的發(fā)動(dòng)機(jī)，多年沒有引起人們的重視，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的幾個(gè)特性是非常適合潛艇的，首先是燃燒連續(xù)，由于工質(zhì)不燃燒，因此沒有內(nèi)燃機(jī)的爆震現(xiàn)象，噪音低;其次可以使用任何燃料，其燃燒室在外，燃燒的過程與工質(zhì)無關(guān)，或者說只要有熱源、冷源就能工作，無論燒煤燒碳都可以，只要能發(fā)熱就行。