[科普中国]-斯特林发动机

斯特林发动机是英国物理学家罗巴特 斯特林于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”。斯特林发动机是通过气缸内工作介质（氢气或氦气）经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力，因此又被称为热气机。斯特林发动机是一种外燃发动机，其有效效率一般介于汽油机与柴油机之间。

斯特林发动机及其循环1816年伦敦牧师Robert Stirling 提出了一种活塞式热气发动机一斯特 林发动机的构想，这是一种外部加热的闭式循环发动机。该循环由两个等温过程和两个定容回热过程组成，属于概括性卡诺循环的一种。实现斯特林循环的关键在于实现回热。斯特林构想的热机由两个气缸-活塞夹一个蓄热式回热器组成。其制冷工作过程工作原理如下：

两个气缸-活塞系统为膨胀气缸-活塞系统和压缩气缸-活塞系统，分别对应于高温吸热和低温放热过程。两个气缸内工质气体通过蓄热式回热器连通，假定两个气缸缸套保持良好等温传热能力，以保证缸内气体温度各自始终不变(等温)，稳态工作状况下，蓄热式回热器已经建立了从低温( 膨胀气缸)到高温(压缩气缸)的稳定温度梯度。定义两个气缸-活塞系统中活塞靠近蓄热式回热器的行程止点为近止点，远离回热器的行程止点为远止点。选取循环开始时压缩活塞位于远止点，膨胀活塞位于近止点。此时工质气体完全处于压缩气缸中(假定理想情况下回热器内不存储气体)，状态点编号为2。

循环开始后，压缩活塞向近止点运动，膨胀活塞不动，气体压力升高，比体积缩小(密度增大)，是为等温压缩放热过程。当缸内气体压力达到额定压力，状态达到3点，膨胀活塞开始离开近止点向远止点运动，工质气体经蓄热式回热器流人膨胀气缸，蓄热器蓄热能力无限大且传热良好，从压缩缸到膨胀缸沿程各点温度保持稳定，工质经过蓄热器时沿程各点均为等温放热，于是工质密度不变，通过蓄热器后变化到状态点4。压缩活塞到达近止点，全部工质通过蓄热器到达膨胀气缸，也全部到达状态点4。而后压缩活塞保持不动，膨胀活赛继续向远止点运动，气体进人定温膨胀吸热过程。该过程中，工质从膨胀气缸缸套等温吸热，压力降低，密度减小(比体积增大)。膨胀活塞到达远止点，过程完成，终于状态点1。然后膨胀活塞从远止点出发，压缩活塞从近止点出发，分别在同一时刻到达近止点和远止点，期间工质气体全部通过蓄热器进入压缩气缸，同时在蓄热器内沿程各点等温吸取之前释人的热能，实现回热，并回到状态点2。

制约斯特林循环实际应用的因素有:高低温热源的等温吸热和等温放热难以实现、回热器回热难以实现、蓄热式回热器内部工质气体残留、蓄热式回热器阻力损失、活塞行程控制。玩具级的斯特林循环发动机和斯特林制冷机有很多产品出现， 但是对实用级的斯特林机器上述制约因素的影响迅速变大，导致其竞争力快速下降。1

斯特林发动机优点与内燃机比较热气机所具备的优点：

1、适用于各种能源。无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源，如：生物质能（柴火等），而发动机本身(除加热器外)不需要作任何更改同时热气机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量；太阳能，这是斯特林发动机较为常见的用途之一；放射性同位素，常见于用于潜艇、深空的AIP系统。

2、噪音小。热气机在运行时，由于燃料的燃烧是连续的，因此避免了类似内燃机的爆震做功和间歇燃烧过程，从而实现了低噪音的优势。这使得它可以用在潜艇上以得到较好的隐蔽性。热气机单机容量小，机组容量从20-50kw，可以因地制宜的增减系统容量。结构简单，零件数比内燃机少40%，降价空间大，同时维护成本也较低。

3、不受气压影响。这是由于斯特林闭循环中工质与大气隔绝产生的。这使得它非常适合于高海拔地区使用。2

斯特林发动机缺点1、对材料要求高。内燃机的燃气最高温度要比斯特林高得多，但内燃机依靠散热把气缸的温度控制在90度左右，而斯特林发动机的加热器和膨胀腔需要长时间保持在较高的温度，这对材料提出了较高的要求。

2、热量损失大。同样是因为长时间保持高温，这使得很多热量通过直接传递和热辐射的形式损失了。所以需要采取一系列措施来减少热损失，比如把活塞做成中空结构，并且在里面设置多道“热障”。

3、体积大。这是由减少热损失的一系列措施导致的，要隔热，比功率就小。

4、反应慢。这些是针对常规结构的斯特林发动机而言。由于热源来自外部，传热需要时间，因此发动机需要经过一段时间才能使气缸的温度变化。这意味着：在提供有效动力之前需要时间暖机；不能快速改变其动力输出；密封和润滑的问题。密封和润滑在一定程度上相互矛盾。由于工作介质是有限的，因此对密封的要求较高，这也是斯特林发动机发明比内燃机早却没能得到很快发展的原因之一。为了降低摩擦损失，润滑的要求同样较高。由于润滑油汽化会凝结在回热器上造成堵塞，因此不能使用润滑油，只能干摩擦。对策：一般使用聚四氟乙烯（PTFE）和聚醚醚酮（PEEK）以及各种填料（青铜、石墨等）制成的活塞环，具有自动形成润滑层（自润滑）、耐高温（250℃Max）的特性。2

斯特林发动机研发改良已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。成功实例有美国STM公司的民用25KW外燃机以及日本亲潮级潜艇使用的斯特林发动机，中国潜艇也有自研成熟的斯特林发动机。热气机的未来发展将更多的应用新材料(如陶瓷)，可将加热器温度进一步提高，理论有效效率可提升至42%。斯特林发动机有报道，已经开始研究在计算机主板的散热风扇上使用，通过北桥芯片的发热来带动斯特林发动机，以此来给硬件降温，该研究还处于研究阶段。2

斯特林发动机的应用随着全球能源与环保的形势日趋严峻，斯特林发动机由于其具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越受到重视,在水下动力、太阳能动力、空间站动力、热泵空调动力，车用混合推进动力等方面得到了广泛的研究与重视，并且已得到了一些成功的应用。斯特林机推广中的3个方向包括：

(1)小型分布式热电联产系统：斯特林发动机基于其特点可应用于热电联产系统。热电联产系统从规模上分为小型分布式热电联产系统和大型的以热电厂为基础的热电联产系统。其中小型分布式热电联产系统具有设备小型化和燃料多元化等特征。小型分布式热电联产系统主要由动力装置、供热装置和其他辅助装置组成，其中动力装置是整个系统的核心部件。天然气首先进人燃烧器进行燃烧，产生的高温烟气先用来加热发动机的高温热腔(区)，然后与换热器进行换热，得到热水流入储槽作为生活热水，低温废气则从尾气管排出。同时，冷水冷却发动机的低温冷腔(区)也被加热得到热水。工质则在高温热腔与低温冷腔之间循环流动，推动活塞往复运动对外做功，带动发动机发电。

(2)低能级的余热回收：斯特林机也特别适合用来回收利用低能级的余热，如工厂余热、地热、太阳能等，以取得良好的节能效益。王森曾提出一种用来回收汽车尾气余热的系统。其主要工作原理为：汽车尾气直接加热斯特林发动机热腔中的工质，使之膨胀做功推动活塞运动，使热能转化为机械能，再通过一台小型发电机将机械能转化为电能，通过充电电路给车载蓄电池充电。由此完成从汽车尾，气低温余热到电能的转化。

(3)移动式动力源：对斯特林发动机进行小型化和轻量化改造，并改善其控制性能后，亦可作为推士机、压路机，甚至是潜水艇的动力来源。2

本词条内容贡献者为:

王宁 - 副教授 - 西南大学