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放大字体  缩小字体 发布日期:2013-11-26  来源:实验室资讯网
核心提示:斯特林发动机是一种热力发动机,与您汽车上的内燃机有很大的区别。 该发动机于1816年由罗伯特斯特林发明。斯特林发动机可能比汽油
 斯特林发动机是一种热力发动机,与您汽车上的内燃机有很大的区别。 该发动机于1816年由罗伯特·斯特林发明。斯特林发动机可能比汽油发动机或柴油发动机的效率更高。 但现在,斯特林发动机的使用还仅限于一些特殊领域,如潜艇或用于游艇的辅助发电机,这些地方静音操作非常重要。 尽管斯特林发动机在市场上的应用还没有取得普遍成功,但一些权威发明者正在研究这个问题。 

斯特林发动机使用斯特林循环,这不同于内燃机中的循环。

  • 斯特林发动机中使用的气体从来都不会离开发动机。 与汽油发动机或柴油发动机不同,它没有排放高压气体的排气阀,并且不会发生爆炸过程。 因此,斯特林发动机的噪音很低。
  • 斯特林循环使用外热源,可以是汽油、太阳能或由腐烂植物产生的热量。 发动机气缸中不会发生燃烧过程。

斯特林发动机的配置方式有数百种。 在本文中,我们将了解斯特林循环以及这款发动机两种不同配置的工作原理。

斯特林发动机的主要原理是,首先在发动机内封入一定量的气体,然后斯特林循环的一系列活动会改变发动机内部的气压,从而导致其做功。

有几种气体的特性对斯特林发动机的运转非常重要:

  • 如果向一定空间中注入一定量的气体,当气体的温度升高时,压力就会增加。
  • 如果压缩一定数量的气体(减少所占用空间的体积),气体的温度就会升高。

让我们以简化的斯特林发动机为例,详细了解一下斯特林循环的各个部分。 这种简化发动机采用两个气缸。 一个由外热源(如火)进行加热,另一个由外部冷却源(如冰)进行制冷。 两个气缸的气腔相通,并通过连杆让两个活塞相连,其中连杆决定了活塞的相对运动。

 

斯特林循环由四部分组成。 上面动画中的两个活塞完成了整个循环:

  1. 对加热式气缸(左边)内的气体进行加热,导致压力上升。 这会强制活塞往下运动。 斯特林循环中的这个过程是做功过程。
  2. 当右边的活塞向下运动时,左边的活塞就会向上运动。 这会将热气推入冷却式气缸中,然后将气体快速冷却到冷却源的温度,从而降低压力。 这有助于在循环的下一个环节压缩气体。
  3. 冷却式气缸中的活塞(右边)开始压缩气体。 此压缩过程产生的热量会通过冷却源散发掉。
  4. 右边的活塞向上运动,而左边的活塞向下运动。 这样就能强制气体进入加热式气缸,然后气体会快速升温,从而将压力提升至可重复循环的点。

斯特林发动机在循环的第一部分只产生动力。 增加斯特林循环的动力输出主要有两种方式:

  • 增加第一阶段的动力输出:在循环的第一阶段,推动活塞的加热气体的气压开始做功。 如果提高循环中这个阶段的压力,就可增加发动机的动力输出。 一种升高压力的方法是提高气体的温度。 本文稍后会介绍双活塞式斯特林发动机,我们将了解蓄热器是如何通过临时储存热量来增加发动机的动力输出的。
  • 减少第三阶段的动力消耗:循环的第三阶段依靠第一阶段产生的动力使活塞对气体做功。 如果降低这个阶段的压力,就可降低内部功率消耗,从而有效增加发动机的动力输出。 减少压力的一种方式是将气体冷却到较低温度。

这部分介绍了理想状态下的斯特林循环。 由于发动机设计的物理限制,发动机实际工作时的循环会略有不同。 在接下来的两个部分中,我们将了解几种不同的斯特林发动机。 配气活塞式发动机可能最容易理解,因此我们从它开始。

配气活塞式发动机有一个活塞和一个置换器,而非两个活塞。 置换器的作用是控制气体燃烧室加热和冷却的时间。 此类斯特林发动机有时会在课堂演示中使用。 您甚至可以购买配套元件,自己制造一个!

 

 

图中的发动机通过您的手温就能工作
american stirling company 网站供图
图中的发动机通过您的手温就能工作

 

 

为了能够工作,上图中的发动机需要大气缸顶部与底部之间存在温差。 这种情况下,您的手温和周围空气温度的差异就足以运行发动机了。

 

在上图中,您可以看到两个活塞:

  1. 动力活塞:这是发动机上方较小的活塞。 它是紧封闭的。当发动机内的气体膨胀时,动力活塞会向上运动。
  2. 置换器:这是图中较大的活塞。它在气缸中非常自由,因此随着其上下运动,空气很容易在加热式或冷却式气缸之间流动。

置换器通过上下运动来控制是对发动机中的气体进行加热还是冷却。 它有两个位置:

  • 当置换器靠近大气缸的上方时,发动机内的大部分气体由热源加热,然后开始膨胀。 发动机内产生的压力会强制动力活塞向上运动。
  • 当置换器靠近大气缸的底部时,发动机内的大部分气体开始冷却收缩。 这会导致压力下降,从而使动力活塞向下运动,对气体进行压缩。

发动机会反复对气体进行加热和冷却,以便从气体的膨胀和收缩中吸取能量。

接下来,我们将了解双活塞式斯特林发动机。

在这款发动机中,加热式气缸通过外部燃烧来加热。 冷却式气缸用空气冷却,它上面有散热片,可以加速冷却过程。 将每个活塞的连杆连接到小轮辐上,再将这些轮辐与较大的飞轮相连。 在发动机不产生动力的情况下,这可以保持活塞运动。

 

火焰持续对气缸下部加热。

  1. 循环的第一阶段会产生压力,强制活塞向左运动,进行做功。 冷却后的活塞几乎静止不动,因为此时它正在回转以改变方向。
  2. 在接下来的阶段,两个活塞都会发生运动。 加热式活塞向右运动,冷却式活塞向上运动。 这样就能通过蓄热器将大部分气体吸入冷却式活塞。 蓄热器是一种可以临时储存热量的装置:它可能是一个铁丝网,供加热气体穿过。 铁丝网的表面很大,可以快速吸收大部分热量。 剩下的少部分热量由散热片散发。
  3. 接着,冷却式气缸中的活塞开始压缩气体。 压缩过程中产生的热量由散热片散发。
  4. 在循环的最后一个阶段,两个活塞都会发生运动:冷却式活塞向下运动,而加热式活塞向左运动。 这会强制气体通过蓄热器(蓄热器会重新使用上次循环中储存的热量)进入加热式气缸。 这时,新的循环又开始了。

您可能会奇怪,为什么市场上没有广泛应用斯特林发动机呢? 在下一节,我们将探究其中的某些原因。

有几个主要特征使斯特林发动机在许多应用中,包括大多数汽车和卡车,显得不切实际。

由于热源来自外部,因此发动机需要经过一段时间才能响应用于气缸的热量变化(通过气缸壁将热量传导给发动机内的气体需要很长时间)。 这意味着:

  • 发动机在提供有效动力之前需要时间暖机。
  • 发动机不能快速改变其动力输出。

这些缺点几乎都表明,它无法取代汽车中的内燃机。 但是,斯特林发动机为混合动力汽车提供动力却是切实可行的。

编辑:songjiajie2010

 
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关键词: 斯特林发动机
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