試析斯特林原理發動機在創新實驗中的應用

張甜

摘 要：隨著社會經濟的不斷發展，人們對能源的創新利用以及減少環境污染等方面產生了新的思考，對單缸高溫置換型發動機借助斯特林原理加以改造可以有效優化熱力學以及空氣動力學的實際應用。基于此，本文對斯特林原理發動機的創新實驗進行探討，分別從建立斯特林原理創新實驗室的背景與意義、基于STL原理的創新實驗活動以及STL原理創新實驗活動的重要意義出發，進一步推動對能源綜合利用的思考。

關鍵詞：斯特林原理 發動機 創新實驗

Analysis of the Application of Stirling Principle Engine in Innovation Experiment

Zhang Tian

Abstract：With the continuous development of society and economy， people have produced new thinking on the innovative use of energy and reducing environmental pollution. The transformation of single-cylinder high-temperature displacement engines with the use of Stirling principle can effectively optimize thermodynamics and aerodynamics practical application. Based on this， this article discusses the innovation experiment of the Stirling principle engine， starting from the background and significance of establishing the Stirling principle innovation laboratory， the innovation experiment activities based on the STL principle， and the important significance of the STL principle innovation experiment activities， promoting thinking about comprehensive utilization of energy.

Key words：stirling principle， engine， innovative experiment

1 引言

自工業革命開始，機械設備開始在人們的實際生活中得到廣泛應用，進而有效推動了社會的變革。在這樣的發展背景下，發動機也得到了顯著的發展與提升，其中內燃機和電機被廣泛應用于航天、交通、日常生活等各個方面，然而以斯特林原理為基礎的發動機卻應用的十分有限，進而限制了相關領域的發展。因此應進一步加強對斯特林發動機的創新應用加以探討，進而有效發揮其在能源利用上的重要作用。

2 建立斯特林原理創新實驗室的背景與意義

斯特林原理發動機是由英國科學家Robert Stirling在1816年發明的，該外燃發動機的主要工作原理是運用了“熱—功轉換”的相關模式，物理界將其統稱為STL原理。STL發動機的發明是在蒸汽機出現之后，在當時因為蒸汽機鍋爐高溫、高壓的特性常會導致安全事故的發生，并以此為契機Stirling開始了對不需要鍋爐的發動機的研究，并有效并發明了STL循環以及STL熱機[1]。STL循環的本質是一種全封閉式的熱機循環，這也就說明了在整個熱機內部參與工作的氣體是不需要與外界產生交換的，相較于蒸汽機、內燃機等開放式循環模式，STL循環的全封閉循環工作方式省略了進氣和排氣的環節，進而也大大提升了STL發動機的使用壽命、降低了后期的維護成本。如果STL循環的熱效率可以得到有效發揮，那么其理想狀態就可以近似于卡諾循環;同時，相較于內燃機燃料參與發動機內部工作的燃料供給方式，STL發動機屬于外燃機，即燃料只需要提供發動機所需的熱量，而不需要參與發動機內部工作。這樣的模式最為突出的優勢是STL發動機的燃料實用范圍被大大擴大，不僅是局限于汽油、柴油等常規燃料，煤炭、木柴等較為低級的燃料也可以使用，而且清潔太陽能也可以利用STL發動機發揮其積極效用。另外，由于STL發動機內部氣體不參與燃燒的特性也使得發電機工作過程中沒有劇烈的震動與噪音，這樣的優良特性也為STL發動機更為廣泛的應用提供了保障。

之所以STL發動機沒有同蒸汽機一樣受到重視，主要是因為在STL原理的使用過程中會受到一定的應用條件限制，即在當時工藝較為不發達的時候，STL發動機氣缸在長時間工作運行之后會出現開裂的情況，同時也隨著內燃機改良進程的不斷推進，STL發動機也逐漸消失在人們的視野中。但隨著經濟的不斷發展，能源危機以及環境污染問題開始出現，STL發動機憑借其高效、節能等優勢又被重新投入到了各個領域的應用當中。

因此在此基礎上建立STL原理創新實驗室可以通過更為生動形象的方法對基礎物理學加以闡述，進而引導學生的正確思維、帶動其進一步加強對自然科學和基礎科學的研究與探索。同時，可以進一步幫助學生參與到教師的演示模型講解以及自身對模塊化小型發動機的組裝實踐中，進而開拓學生對基礎物理學的思考，幫助其更加深刻地理解、掌握相應的物理學原理。而且STL原理創新實驗室的建立以及相關創新活動的開展還可以在幫助學生了解發動機演變歷史的基礎上，明確相關物理學基本原理在發動機上以及日常生活當中的實際應用，進一步激發學生的創新思考意識與開拓進取精神，進而體現出了十分重要的現實意義。

3 基于STL原理的創新實驗活動

開展STL原理的創新實驗首先需要準備一定的教學演示模型，進而通過模型對其中蘊含的基本原理展開講解，進而有效加深學生對STL原理實際應用的理解程度與掌握程度。通常情況下，作為教學演示模型的STL原理發動機有多個部分組成，其中主要包括動力氣缸、動力壓氣活塞、傳動連桿以及可視結構框架等部件。如果將STL原理發動機按照使用的熱源溫度進行區分主要可以分成兩類，分別為單缸高溫置換型發動機演示模型以及低溫磁鏈型發動機演示模型。其中，單缸高溫置換型高溫差STL發動機模型更多會采用酒精燈、電熱絲以及太陽能聚焦等加熱方式;而熱氣缸與動力氣缸則分別采用耐高溫玻璃以及人工研磨配和玻璃氣缸、活塞制成，進而大大提升了STL發動機模型的氣密性以及免維護性。同時，單缸高溫置換型高溫差STL發動機模型還具有輸入能量高、轉速快、動力性能優良等特征，以至于還可以帶動LED燈等負載，進而大大提升了實驗的震撼效果，帶給學生更深的實驗體會。而另外一種低溫磁鏈型STL發動機模型通常采用的集熱方式主要為熱水集熱、低溫電熱絲集熱以及太陽直接照射集熱，其中熱氣缸和動力氣缸則分別采用耐高溫透明工程塑料以及人工研磨配合玻璃氣缸、活塞制成，進而也具備著較高的氣密性與免維護性。在實際展開演示實驗的過程中，低溫磁鏈型STL發動機模型因具備較少的輸入熱量，所以該模型的熱氣缸一般會遠遠大于動力氣缸，以進一步增加吸熱面積。如果對二者加以比較，低溫磁鏈型STL發動機雖然動力效果不足單缸高溫置換型發動機，但依然具備著較為明顯的演示效果，只需很少的熱量就可以實現發動機的轉動。

在演示模型展示的過程中，通過向學生介紹STL原理發動機不同的熱源驅動模式，加強學生對熱能與機械能轉換的熱力學過程的思考，加深對多種能源綜合利用的理解。同時，為進一步優化教學效果，加深學生的影響與理解，還可以在實驗過程中引入一部分簡易組裝的小型STL原理發動機模型，進而可以布置學生以分組的形式進行模塊化STL原理發動機模型的零部件組裝。在此過程中，學生可以通過組裝發電機的零部件加深對其中蘊含物理學基本原理的理解與掌握，同時充分體會到發動機模型創新應用的樂趣。

在現階段的物理實驗教學過程中，加強對學生創新意識和創新能力的培養時教育環節中的重中之重，為了進一步培養出更多的物理專業優秀人才，使得物理教育工作可以最大限度地符合時代的發展需求、有效地服務于日常生活，物理教育工作者應進一步加強對教育環節的思考與變革。同時，如何在知識傳授的過程中有效提升學生的創新意識與專業技能是每一位教育工作者需要思考的問題，因此可以通過不斷對教學手段的創新應用來加強學生對理論知識的理解以及借助更為科學的實踐活動加強對學生創新意識和能力的培養。在這樣的模式下，學生可以更為深化地理解物理學基礎理論在實際生活中的應用，為培養出更多適應社會發展需求的優質人才打下基礎。

4 STL原理創新實驗活動的重要意義

總的來說，STL原理創新實驗室的創新活動具有十分強烈的現實意義，其重要體現在四個方面：第一是該實驗具有著安全、穩定、啟動時間短的特點，進而可以在滿足課程需要的基礎上顯著提升課堂的生動性。第二是學生可以借助演示模型的展示加深對熱能與機械能轉換的理解，進而不斷提升物理課程的教學效果。第三是在對小型發動機模型零部件組裝的過程中，學生可以通過具體操作更加深入地了解物理學基本原理在STL發動機中的實際應用以及其中物理學基本原理的主要構成。第四是借助這樣更為創新的教學方法，可以在演示與操作的過程中增加教師與學生之間的互動，有效改變了傳統教學模式中的弊端，提升學生對物理教學知識的接受程度。STL原理發電機創新實驗的開展一方面可以更為直觀地將物理學基本原理及應用展示出來，而另一方面也大大提升了學生對學習物理的興趣以及實際動手操作能力。

在實際開展實驗課程的過程中，可以先對STL發動機的結構、活塞運動方式以及機械連接方式等基礎內容進行講解，進而有效拓展學生對發動機認識，加深對學生思維方向的引導。接著，應讓學生清楚意識到STL發動機對社會發展的重要作用以及現階段對其進行重新研究的意義，從而幫助學生在對基礎物理科學及理論熟練運用的基礎上加強創新意識的培養。在學習STL發動機的實際應用時，可以介紹STL原理在氣體制冷領域的應用、STL原理循環特性對當今社會環保節能建設的關鍵作用、STL發動機在第三代和第四代常規潛艇上的軍事應用等方面的內容，進而可以通過相關知識的拓展提升學生的創新意識與探索意識，為開拓學生思維、促進其全面發展奠定堅實基礎[2]。

5 結語

綜上所述，斯特林原理發電機憑借其高效率的特征在能源的優化利用方面發揮了十分關鍵的效用。在現階段的時代背景下，人們對節能環保的關注愈發廣泛，因此對發電機的改造以及創新應用也體現出了很強的必要性。通過進一步對斯特林原理發電機展開相應的創新實驗，可以有效深化對其運行方式及機械結構的研究，進而開拓出更為防范的應用領域。同時，也可以進一步適應當今社會對環保節能的要求。

天水師范學院校列科研項目資助 項目名稱：斯特林發動機活塞桿密封材料研究 項 目編號：0110-101100110106。

參考文獻：

[1]劉彥平.斯特林原理發動機在創新實驗中的應用[J].中國教育技術裝備，2019（07）：123-124+127.

[2]譚德寧，張燕紅，魏紅梅等.一種斯特林發動機的設計[J].新技術新工藝，2019，（9）：50-52.