關于V型斯特林引擎的研究

何永旭　王悅祺　熱比古麗　徐亞

摘要：本課題根據了“上海大學生工程訓練綜合能力競賽”的主題“綠色環保、再生能源”要求進行的斯特林發動機設計和小車的設計。達到了能量轉換僅僅靠一種燃料連續燃燒的V型雙缸斯特林引擎裝置，基本機械結構自主設計，氣缸最大缸徑不超過Φ20mm，采用酒精加熱箱燃燒高純度乙醇來獲得能量。

關鍵詞：結構設計；斯特林發動機

一、斯特林發動機研究現狀

Kaushik對不可逆斯特林發動機進行了有限時間熱力學分析。分析指出，在不考慮各種損失和回熱器效率為1條件下 種循環的效率等于卡諾循環的效率，同時還指出了回熱器的效率不會影響發動機的輸出功率。 Halit 指出工質的泄露對斯特林發動機的性能有著重要的影響。Koi-chi建立以一個斯特林發動機原型為基礎，在標準狀態和無負載的情況下，用空氣作為工質進行試驗，最后得出：提高換熱器性能、降低機械損失對提高斯特林發動機的性能是十分有效的[1]。

二、斯特林引擎的基本工作原理及介紹

斯特林發動機的工作原理：

斯特林發動機的氣缸由兩部分組成一部分是熱腔，另一部分叫做冷腔，介質在溫度較低的冷腔中被壓縮，隨后進入高溫熱腔被燃燒的燃料加熱，體積膨脹進行做工。燃料持續燃燒[3]。

斯特林循環的四個步驟：

①定溫壓縮過程：配氣機構運動到最高點位置，活塞則從下止點向上運動從而壓縮工作介質，工質經過冷卻系統時將相應的熱能通過空氣進一步釋放到空氣中，當發動機活塞運動到達它的上止點時壓縮過程至此結束。

②定容回熱過程：此時活塞位于最高點附近，氣門下行這樣使得冷艙內的氣體重新經過回流器返回帶加熱的熱艙，此時介質溫度相對較低，吸收熱艙內的熱量，溫度重新升高。

③定溫膨脹過程：配氣氣門迅速下行，工質被加熱器加熱溫度迅速上升，隨后再加熱腔中體積變大，壓力增高推動活塞向下移動，此時對外作功，輸出動力。

④定容儲熱進程：動力活塞保持起止點四周的位置，配氣活塞上行，介質經過加熱腔返回冷腔中，回熱器接收工質的熱量，介質溫度降低至冷腔溫度[9]。

三、斯特林引擎零部件介紹

1.發動機氣缸設計。本氣缸設計借鑒了已有單缸吸火斯特林發動機的氣缸，得出了現有的尺寸和材料選擇要求。氣缸的主要尺寸為外徑：35mm，內缸直徑：18mm，因為氣門的特殊性，它與氣缸的結合是光滑金屬面的接觸，所以在氣缸的一側銑出一個深度為7mm的平面，在該平面上，開一個長度為12mm寬度為6mm的腰孔，該孔為氣缸進氣口。斯特林氣缸采用了黃銅作為材料，進行設計加工，黃銅散熱條件好，易加工，缸體由一整塊黃銅切割成型缸體上切割7個深度為4mm，寬度為2.4的深槽，以提高散熱能力，如圖：

2.連桿設計。因為氣門屬于高速運動件，氣門機構其實是由及部分組合而成首先與活塞接觸的是氣門滑塊，該部分是由長度為16mm寬度為10mm的黃銅制作而成，與金屬片相連，該金屬片是鋼片具有彈性好，強度高的優點，鋼片的尺寸選擇要求不高，符合相應的主要零件尺寸就可以，與鋼片相連的是一根中控的高強度鋼管，該鋼管長度為28mm外置彈簧，內孔為3mm螺紋，鋼管下部鏈接的是滑塊，該滑塊起到導向作用，因此中間開有長度為16mm快讀為5mm的腰孔，方便主軸承的通過，所以氣門材料選擇要求高，本次設計采用低碳鋼、鈦合金等硬度大，耐磨性好的材料。如圖：

3.活塞及連桿設計。活塞連桿機構由四部分組成，分別是活塞，活塞內襯，活塞銷和連桿組成，該活塞的設計與內燃機活塞完全不同，該活塞外徑為18mm與氣缸配合要求非常高，最大的不同是活塞的中間開有4mm的螺紋孔，用來連接活塞內襯，通過活塞內襯的旋入深度調整活塞的位置，活塞內部開有10mm的孔，連桿的設計依據活塞，選材上，使用強度較高的低碳鋼，長度為60mm厚度為3mm兩邊的開孔都是3mm，其中鏈接用的活塞銷使用的是低碳鋼材料，長度為9mm直徑為2mm，活塞內襯通過頂部的螺紋鏈接在活塞上。

四、斯特林引擎的組裝

除了上述所提到的零件設計，還有設計了其他零部件，如燃料箱的支架，曲柄機構，主軸承，適用于新型斯特林發動機的螺絲，固定氣缸、支架、氣門軸承的內螺絲等，因為篇幅有限，沒有一一描述設計過程，但是相應的三維模型已經建立，完成所有零件的三維建模以后，利用CATIA三維建模軟件中的裝配模塊，將所有的42個零件進行裝配，如圖

參考文獻：

[1]裴鑫智. 開展大學生工程訓練綜合能力競賽的意義--以無碳小車的改進為例[D].山西太原，2015

[2]李寶華，胡志勇.在虛擬樣機下自卸汽車舉升機構仿真與優化設計.[D].內蒙古工業大學碩士論文，2009

[3]徐維錚，鄭衛剛，等.基于熱能和光能的野外發電裝置設計[M].湖北科技出社，2013