关于斯特林发动机的研究与发展
学号：13015218
姓名：彭俊图
摘要:简述了斯特林发动机的发展历史及研究现状，介绍了斯特林循环并归纳了斯特林循环的分析方法，阐述了斯 特林发动机的特点和应用，并展望了斯特林发动机的发展前景。
关键词:斯特林发动机;斯特林循环;碟式太阳能热发电系统
随着社会的不断发展，化石燃料的消耗量日益增大，传 统燃料的内燃机将面临着严重的能源危机，而积极解决这个 问题的有效途径之一是开发一种可以使用与传统内燃机不同的燃料的动力装置，斯特林发动机则是目前可行的最佳途 径之一。斯特林发动机(Stirling engine) 又叫热气机，是一种 封闭式外燃机，具有燃料来源广，热效率高，排气污染少，噪音低，运转特性好，结构简单，维修方便等优点，并且在太阳能碟式发电系统中有着重要的应用，越来越受到人们的关注。国外一些专家预言， 21 世纪将是斯特林发动机的 世纪。
1 斯特林发动机的发展
1816 年，罗伯特·斯特林 (Robe Stirling) 发明了闭式循 环的热气机一一斯特林发动机。在当年的第 4081 号专利 中，罗伯特·斯特林在历史上第一次描述了回热器的结构和 应用，并对第一台闭式循环热气机的构造进行了描述
斯特林发动机是一种外部燃烧(加热)的封闭式活塞发 动机。自罗伯特·斯特林于 1816 年发明斯特林循环以来，限于当时条件，大部分发动机的功率和效率都很低，逐渐被 比其发明晚半个多世纪的内燃机所替代。 1916 年最后一台 老式斯特林发动机出厂，斯特林发动机的发展告一段落[1 3J 近几十年来，随着能源问题和污染问题日益突出，以及
斯特林发动机的一些关键技术问题的解决和它所特有的优 点，因而受到了国内外的广泛关注。 20 世纪 30 年代到 60 代，现代斯特林发动机的鼻祖一一荷兰的菲利普公司开创了 现代斯特林发动机发展的新阶段。之后经过通用发动机公 司、福特汽车公司、瑞典联合热气机公司的不断发展，在包括
美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本等主要工业国家政府的
资助下，在碟式太阳能热发电、制冷和热泵等领域取得重要 进展。我国的某些研究机构也在 20 世纪 70 年代中期开始 研究斯特林发动机，并在碟式太阳能热发电领域取得一定 成果
2 斯特林的国内外研究现状
Kaushik对不可逆斯特林发动机进行了有限时间热力学分析。分析指出，在不考虑各种损失和回热器效率为1条件下 种循环的效率等于卡诺循环的效率，同时还指出了回热器的效率不会影响发动机的输出功率。 Halit 指出工质的泄露对斯特林发动机的性能有着重要的影响。Koi-chi建立以一个斯特林发动机原型为基础，在标准状态和无负载的情况下，用空气作为工质进行试验，最后得出：提高换热器性能、降低机械损失对提高斯特林发动机的性能是十分有效的。Nezaket基于UrieliandBerchowitz’s规则，用热力学原理中稳流分析
法分析了γ型斯特林发动机的运行特性。Bancha和Thombare 分别研究了低温差的斯特林发动机在太阳能热发电中应用的可行性方法，并指出立式双作用往复式γ型斯特林发动机在未来的太阳能热发电中有巨大潜力。Tlili采用平均温差的斯特林发动机模型，研究了基于碟式系统用斯特林技术的太阳能热发电系统，该系统假设接收器的温度为20℃，温差为300℃。在初始设计阶段，根据完整模型换热器中能量损失和压降损失的最优状态确定临界参数，并根据最优化原理指出了在给定的温差、运行频率和死区容积下，功率最大时有确定的最佳扫气容积。William证明了斯特林发动机比火花塞发动机可节约燃料
10%～30%。USPS
（unitedstatespostalservice）测试LLV（long-lifevehicle）的数据表明斯特林发动机的理想节能空间可达30%。JGaryWood用完整的线性变换方法设计了应用于空间供能的改进型35W自由活塞式斯特林发动机，特别指出了它有很高的热电转换效率（卡诺效率的50%）和功率系数（100W/kg）。
我国对斯特林发动机的研究起步较晚，但发展速度比较快， 特别是1984年6月，在上海举行了“第二届国际斯特林发动机会议”之后，我国的斯特林发动机的研究工作出现了新的局面。吴沛宜提出了五部件绝热气缸模型，考虑热交换器的效率及其死区容积的影响，运用变质量系统热力学理论和
数值方法，分析了实用的斯特林循环，并求出循环内各热参数的瞬时变化和一个循环的平均参数。李修宝建立了以一维不定常可压缩气体流动理论为基础的斯特林发动机工作循环数学模型。严子浚研究了受热阻、热漏和回热损失3种主要不可逆因素影响的斯特林热机的优化性能，导出了热机的基本优化关系及功率和效率界限。杨征分析了四缸双作用斯特林发动机工作过程中存在的各种流动阻力损失和热量损失，建立了适用于模拟四缸双作用斯特林发动机性能的模型， 并应用拟牛顿法和惩罚函数法实现了对最优化模型的求解， 设计了输出功率从5kW到25kW的四缸双作用斯特林发动机，对斯特林发动机的结构参数进行优化。朱榜荣建立了考虑热漏、回热损失等不可逆因素的循环平均传热模型，并用功率优化法和生态学优化法进行系统优化，得到了不同优化目标下的最佳工质温度比与最佳换热面积比。同时对斯特林机进行仿真研究，采用C++Bulider编写算法程序对斯特林机进行仿真试验。高瑶采用接近实际应用的等温模型对斯特林发动机进行建模，分别考虑了斯特林发动机中存在的3种流动阻力引起的功率损失和8种热损失引起的效率损失，并对5kW点聚焦太阳能斯特林发电系统进行了性能分析。
3斯特林发动机的循环