斯特林發動機性能模擬研究

王淼 徐鵬輝 趙利宏 趙凱強 王國卓

（天津商業大學 天津 300000）

斯特林發動機[1]（Stirling Engine）是一種外部供熱的活塞式發動機，它以氣體作工質，按閉式回熱循環的方式進行工作。斯特林發動機最早發明于1816年，比內燃機發明早幾十年，但由于受當時材料及制造水平的限制，沒有得到進一步的發展。20世紀70年代爆發中東石油危機后，人們預感到了能源危機，同時，環境污染的嚴重危害也日益顯現。基于斯特林發動機對能源的廣泛適應性和優異的環境特性，人們恢復了對斯特林發動機的興趣。在日本召開的第七屆斯特林熱機大會上更有學者直接指出“21世紀是斯特林熱機的世紀”。由此可見，開展斯特林熱機的研究日益突顯迫切。

斯特林循環[2]是由兩個等溫過程和兩個等容過程組成的，其理論效率等于卡諾效率，斯特林發動機有諸多優點[3]：燃料來源廣，熱效率高，運轉特性好，噪音低，排氣污染小，工作可靠，維護成本低，盡管在車輛上應用斯特林發動機的困難是其較大的重量及體積，但是由于其具有以上優點將使得其成為21世紀客車主要電源。

1 理論模型

為了簡化分析，先做以下假設：1）循環按等溫過程進行；2）工質無泄漏；理想氣體3）總無益容積比不低于1.3，加熱器的無益容積比應占總無益容積比的35%左右；4）平均循環壓力不大于10兆帕。循環系統劃分成三部分：熱區，溫度為TH（由膨脹腔和加熱器組成）、冷區溫度為TC（由冷卻器和壓縮腔組成）和回熱器組成的回熱區。

1.1 容積

其中，為活塞行程，為曲軸轉角，為氣缸直徑，為活塞桿直徑，,分別為加熱器和冷卻器的通流容積，為回熱器的通流容積。

1.2 壓力和循環功

這里所計算的壓力，是不考慮工質流阻損失時的循環壓力，因此循環系統內各點的壓力是一致的。求出了循環壓力p和循環容積后，即可用梯形法算出總循環功

其中，為平均循環壓力。Y為單位換算系數，取值1.045

2 結果與討論

本文是對某一型斯特林發動機的性能進行模擬計算，該發動機的具體參數如下：氣缸直徑6.5 cm，活塞行程5 cm，工質為氦氣，平均循環壓力為10 mpa。取900℃，取300℃。

2.1 計算結果

2.2 結論

（1）總容積的最大值從圖1 中可查出為435.35，最小值為138.44容積壓縮比

（2）壓力比

（3）若發動機轉速取為1500 rpm/min，循環功率w=25，則基本功率為：Pout

[1]金東寒.斯特林發動機技術[M]，2009.

[2]錢國柱.熱氣機原理與設計[M].

[3]李海偉，石林鎖，李亞奇.斯特林發動機的發展與應用[A].能源技術，2010,31（4）：228-231.