斯特林循环引擎

背景

发动机是一种将能量转化为有用功的机器：例如，燃烧煤来转动发电厂发电机的驱动轴。当今生产中最常见的发动机是汽油动力汽车发动机。其他常见的发动机是用于重型卡车和一些乘用车的柴油发动机、在发电厂发电的蒸汽轮机、用于推动飞机的喷气发动机以及用于为割草机等小型设备提供动力的二冲程汽油发动机。这些发动机中的每一个都将燃烧化石燃料产生的热量转化为有用的功。

能量是做功的能力。这两个量是相关的，单位相同，但能量不能完全转化为功。例如，如果用于为炉子提供燃料，则 1 加仑 (3.8 1) 汽油所含的化学能足以在标准条件下煮沸大约 14 加仑 (53 1) 的水。但是，如果将同样加仑的汽油放入便携式发电机（将汽油转化为功，然后将功转化为电），然后将电用于在电炉上烧水，则不太可能在发电机耗尽燃料之前，可以煮沸超过 3 加仑（11.4 1）的水。

电炉不能像汽油炉那样烧水的原因是发动机在将热量转化为功方面的热效率不是 100%——热效率意味着产生的有用功除以提供给发动机的能量。这就是为什么燃气灶或干衣机比同等电器更便宜的原因。在便携式发电机的情况下，一些汽油的能量最终会进入发动机的废气中，一些会被浪费在加热发电机上，还有一些会在发电机内部的运动部件相互摩擦时将机械能转化为摩擦热而浪费在内部。

研究热量如何在发动机中循环以产生功的科学称为热力学，源自希腊语 therme (热)和动力 （力量）。将热量转化为功的循环称为热力学循环。以汽油为燃料的汽车发动机使用奥托循环。柴油发动机使用柴油循环。蒸汽机或蒸汽发电厂使用朗肯循环。这些循环都不能用于将能量完全转化为功。这是因为它们都必须将热量排放到环境中。发电厂或蒸汽机必须冷凝蒸汽才能将水送回锅炉（失去能量）。汽车发动机必须将含有大量能量的热废气从排气管排出。将热量转化为功的热效率最高的实用循环是斯特林循环。斯特林循环是热效率最高的发动机，因为对于任何发动机产生的功，它向环境浪费（或排出）的热量最少。使用斯特林循环的发动机称为斯特林循环发动机。斯特林循环发动机可用于为汽车、卡车或飞机提供动力，或发电。与类似的奥托、柴油或兰金循环发动机相比，它将以更少的能量输入完成这项工作。

历史

第一个实用的发动机是詹姆斯瓦特于 1769 年获得专利的蒸汽机。瓦特的发动机使用来自燃煤锅炉的蒸汽将能量转化为功。瓦特发动机由锅炉、气缸内的活塞、水冷式冷凝器、水泵、管道和导管组成，以在发动机周围移动水和蒸汽，以及转换活塞上下运动的连杆在驱动轴上做圆周运动。驱动轴可用于多种用途，例如为磨机提供动力或从煤矿中抽水。

瓦特的引擎使用四步热力循环来做功。循环从阀门打开开始，让压力下的蒸汽流入气缸。当蒸汽在汽缸中膨胀时，它会压低活塞，从而产生有用的功。当活塞到达气缸底部时，允许蒸汽进入气缸的阀门关闭，气缸和冷凝器之间的阀门打开。因为冷凝器的压力比气缸低得多，它实际上将蒸汽向上吸入冷凝器。当蒸汽从汽缸中被拉出时，活塞与蒸汽一起被拉起，使活塞返回到它的起始位置，在那里准备做更多的工作。一旦冷凝器中的蒸汽完全变回水，水就会被泵回锅炉，在那里变回蒸汽，完成循环。

该循环的热效率低下是蒸汽被送到冷凝器时仍有大量能量留在蒸汽中。然而，这些能量几乎没有任何可以回收利用，因为蒸汽不能在不对其进行大量工作的情况下被泵回锅炉；通常比冷凝器中损失的热量更多的功。蒸汽必须先转化为水，然后才能泵入锅炉。因此，由燃烧的煤提供的大量热量损失了。

蒸汽机使现代工业世界成为可能，但也并非没有缺点。冷水和蒸汽的混合以及原始冶金技术导致频繁的锅炉爆炸。由此造成的生命损失是促使罗伯特·斯特林牧师（除了是他那个时代最重要的工程师之一，还是苏格兰教会的任命牧师）开发一种使用空气的发动机的动力因素。而不是蒸汽来驱动它的活塞。作为副产品，斯特林发动机的热效率比瓦特发动机高得多，主要是因为它不需要在循环过程中冷凝蒸汽。尽管斯特林的发动机要安全得多，但当时的技术不允许制造超过几马力（千瓦）的斯特林发动机。

斯特林的发动机在 19 世纪从未流行起来。化石燃料丰富，冶金技术得到改进，蒸汽机不再那么危险。因此，斯特林循环固有的热效率优势不足以激励工程师克服希望制造更强大的斯特林循环发动机的工程师面临的重大设计挑战。在 20 世纪，以奥托循环运行的内燃机主导了工业世界，因为它的制造成本低于斯特林循环发动机，而且化石燃料的价格仍然合理且充足。然而，发动机设计人员从未忘记斯特林循环是热效率最高的热力循环，并继续设计使用它的发动机。今天，斯特林循环发动机用于生产研究实验室制造的大部分液化空气。它们还用于天气和间谍卫星，并被瑞典海军用于为其一些潜艇提供动力。

原材料

斯特林循环发动机可由多种金属制成。发动机缸体通常由球墨铸铁或铸铝合金（通常为铝和硅）制成。许多内部零件（曲柄和活塞）也由球墨铸铁或铝制成，但一些需要更高强度的部件可以由高强度 S-7 工具钢制成。垫圈和密封件由 Lexan、氯丁橡胶或天然橡胶制成。发动机充满加压的氦气或空气，称为工作流体。将热量从热源传递到工作流体的组件需要承受非常高且恒定的温度。它可以由高强度钢或陶瓷复合材料制成，例如碳化硅 (SiC)。

设计

斯特林循环发动机设计是热力学、传热分析、振动分析、机械动力学、材料强度和机器设计的复杂融合。热力学用于确定发动机的尺寸并选择其运行温度。需要进行传热分析以确定热量如何从热源传递到工作流体，以及发动机部件将如何设计以承受这种热流。振动分析用于平衡发动机以实现平稳运行。需要机械动力学来计算单个发动机部件中的诱导应力。需要进行材料强度分析来确定发动机中各个部件的尺寸，以便它们能够承受诱导应力。机器设计需要将热力循环转化为工作发动机。这些设计要求中的每一个都涉及大量的分析。

斯特林循环发动机类似于蒸汽机。两者都有活塞和气缸，并且都是外燃机，因为燃料燃烧发生在发动机外。两种发动机之间的第一个主要区别是斯特林循环发动机使用气体（通常是空气、氢气或氦气）而不是水和蒸汽作为工作流体，这些流体使活塞运动并产生功。另一个重要区别是斯特林循环发动机有两个气缸或空间，一个用于工作流体膨胀，一个用于工作流体压缩，而蒸汽机只有一个气缸。然而，两种发动机之间最重要的区别在于，斯特林循环发动机不是将多余的热量浪费在冷凝器中，而是通过储存多余的热量供下一个循环使用来完成其热力循环。正因为如此，斯特林循环发动机不仅是最热效率的发动机，而且是最热效率的发动机。一辆典型的汽车具有大约 30% 的热效率。燃煤发电厂的效率可能为 45%。一个非常大的柴油发动机可能有 50% 的热效率。在 2,500°F (1,370°C) 的燃烧温度下运行的斯特林循环发动机的理论最大热效率约为 78%。当然，没有人能够制造出具有接近这种热效率的斯特林循环发动机。迄今为止，工程师还未能克服斯特林循环的实现所带来的重大设计问题。

在蒸汽机中，热量被施加到锅炉上以产生蒸汽，然后用于驱动活塞。在斯特林循环发动机中，热量被施加到发动机主气缸的外部，从而加热气缸内的空气。这种热空气膨胀，驱动发动机的动力活塞。外燃机相对于内燃发动机的主要优点之一是外燃机中的工作流体永远不会暴露于燃烧产物中，因此保持更清洁。此外，由于可以在快速循环发动机外部以受控方式产生热量，因此斯特林循环发动机在相同输出功率下产生的产生烟雾的一氧化二氮不到内燃机产生的 5%。

斯特林循环由四个步骤组成，就像蒸汽机的兰金循环一样。然而，斯特林循环发动机不是将工作流体从锅炉移动到汽缸到冷凝器再到锅炉，而是将工作流体从高温的膨胀空间移动到蓄热式热交换器，再移动到低温的压缩空间，然后返回。由于发动机热侧和冷侧之间的温差，工作流体移动。例如，通过燃烧废物来加热热侧。冷的一面就是没有加热的一面，它只是相对于热的一面冷。该过程的关键是蓄热式换热器。它被称为可再生的，因为它在循环的一个阶段储存热量，然后在下一个阶段将热量返回。

从动力冲程开始，斯特林循环的四个步骤是：工作流体全部包含在膨胀空间内，它从外部热源吸收热量，使其膨胀，压下动力活塞和置换器，生产工作；动力活塞是静止的，而置换器（一种在发动机的空间之间穿梭工作流体但不工作的活塞）向上移动，将工作流体从膨胀空间推入压缩空间。在途中，大部分留在工作流体中的未转化为功的热量被转移到蓄热式换热器；工作活塞固定在主缸的顶部，工作流体在压缩空间被压缩回原来的体积，这需要向发动机的冷侧排出一些热量，这是一个热损失的来源，因此损失了热效率；工作流体通过再生式换热器返回，在那里回收大部分储存的热量，并进入膨胀空间，在那里它准备被外部热源再次膨胀以做功。

动力活塞和置换器的各种运动（有时，它们一起运动以实现恒定体积过程，而有时一个静止不动，而另一个运动则用于压缩和膨胀）由菱形驱动器控制。

制造
过程

组件制造

• 1 发动机缸体和活塞采用铸件制造。将熔化的钢或铝倒入一个空心模具中，该模具的形状与最终所需的产品相似，然后冷却。斯特林循环发动机缸体需要容纳两个活塞气缸，一个用于动力活塞，一个用于置换活塞（将工作流体移回动力气缸）、再生热交换器、曲轴、燃烧室和各种工作流体在两个气缸之间来回移动的通道。
• 2 一旦铸件冷却，任何外来材料都会被磨掉。通常需要通过钻出无法经济地铸造的孔（因为它们的尺寸或复杂的几何形状）并将气缸铰孔到最终所需的直径来精加工发动机缸体。铰孔是必要的 A. 热源。 B. 蓄热式热交换器。 C. 置换器。 D. 工作活塞。 E. 菱形驱动。 F. 曲柄箱。 G. 置换器连杆。 H. 曲轴。 1. 气封。 J. 工作流体被加热的膨胀空间。因为活塞和气缸之间需要精细的公差。
• 3 曲轴和连杆采用锻造或铸造制造。在锻造过程中，一块金属坯料——称为坯料——被放置在两个模具之间（模具是由非常高强度的工具钢制成的模具）。然后将重达数吨的锤子落到模具上。在锻造之前，坯料通常被加热到几乎熔点。锻造过程可以使用不同的模具分几个步骤进行以获得最终形状。铸件是通过用熔融金属填充空心模具制成的。金属可以是球墨铸铁、钢、铝或合金。
• 4 发动机部件经过机械加工以达到最终公差。最后的成型通常在车床上完成。曲轴/连杆/活塞旋转，同时刀具（由比被加工零件更硬的材料制成）推进到旋转零件上以去除多余的金属。现代计算机控制的车床可以轻松达到 0.0001 英寸（0.0025 毫米）的公差。使用零件静止而切削工具旋转的铣床在最终零件中切削任何所需的孔、槽或通道。
• 5 蓄热式热交换器是通过将数千根细钢丝插入钢板制成的。当工作流体从主缸移动到辅助缸时，它会将热量传递给这些销。最靠近主气缸的销将是最热的。最靠近辅助气缸的销将是最冷的。
• 6 任何热源，太阳能或燃烧，均可用于为斯特林循环发动机提供动力。无论来源如何，热量都集中在与工作活塞直接相邻的腔室中。发动机的循环会带走一些热量并将其转换为工作。由于斯特林循环发动机是外燃发动机，因此输入的热量可以是恒定的（与内燃机中产生的一系列爆炸产生的热量不同）。然而，由于热量是恒定的，与热源接触的发动机部件必须设计成能够长时间适应高温。

组装

• 7 曲轴插入发动机缸体并用轴承固定在那里。轴承允许曲轴在发动机缸体内转动而不会产生过多的摩擦热。轴承通过压紧固定在发动机缸体上（轴承外径略大于发动机缸体孔的内径）。通过将轴承压入发动机缸体，轴承牢固地固定在缸体上。
• 8 活塞和连杆落入气缸中，并使用高强度螺栓和锁紧垫圈从下方连接到曲轴。使用预定扭矩拧紧螺栓。
• 9 蓄热式热交换器插入在主缸和辅助缸之间流动的管道中，并用螺栓固定到位。
• 10 气缸盖用螺栓固定在发动机顶部，检修盖用螺栓固定在发动机底部。发动机缸体和盖板之间使用垫圈以提供有效的密封。热源室内置于主缸盖内。
• 11 工作流体被泵入发动机。工作流体通常是加压氦气。

副产品/废物

就其排放的温室气体和产生烟雾的化学物质的数量而言，斯特林循环发动机比内燃机产生更多有用的功。该发动机还可用于回收本来会被浪费掉的热量，例如它只是燃烧以摆脱它的垃圾填埋气。因此，总的来说，发动机是环保的。通过在斯特林循环发动机中利用太阳能，可以在不需要光伏电池的情况下在无法接入电网的地区发电。

未来

斯特林循环发动机的未来非常光明。如果工程师可以设计并批量生产小型、可靠的斯特林循环发动机，就不需要核能或化石燃料燃烧发电厂。家庭中使用的大部分电力可以在房屋内产生。发动机可以在夏天冷却房屋而不使用消耗臭氧层的制冷剂，并在冬天加热房屋。不幸的是，在斯特林循环发动机能够广泛使用之前，必须克服严重的实际设计困难。最大的工程障碍是发动机燃烧室的设计。由于斯特林循环发动机在非常高的温度下运行，燃烧室不能由用于生产汽车发动机的廉价材料制成。使用高强度不锈钢或陶瓷复合材料，除了价格昂贵之外，还使得发动机的制造极其困难。其他重要的设计障碍包括设计可靠的齿轮机构以将斯特林循环活塞运动（与标准奥托循环汽车发动机相比非常复杂）转化为曲轴运动，以及设计能够将工作流体保持在发动机内的密封件。

哪里可以了解更多

书籍

Moran、Michael J. 和 Howard N. Shapiro。 工程热力学基础。 第 4 版。约翰威利父子，2000 年。

Organ, A. J. 斯特林机的热力学和气体动力学。 剑桥大学出版社，1992 年。

沃克，格雷厄姆。 斯特林发动机。 牛津大学出版社，1980 年。

Walker、Graham、Graham Reader、Owen R. Faubel 和 Edward Bingham。 斯特林替代方案、电力系统、制冷剂和热泵。 Gordon 和 Breach Science 出版社，1996 年。

其他

格里塞尔，尤金。主页。 “斯特林循环的动画。” 2001 年 9 月 27 日。。

“斯特林循环常见问题。” 美国斯特灵公司网页。 2001 年 9 月 27 日。 。

杰夫 雷恩斯