斯特林发动机结构设计【全套含有CAD图纸三维建模】
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I 摘 要 随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。研究能以天然气、沼气、生物质等作为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，具有重要的意义。斯特林发动机作为外燃机具有的燃料多样化、效率高、噪音和污染小等特点，适于利用农村薪材、桔杆和太阳能进行发电。斯特林发动机得天独厚的优势，以及各种新材料新技术的出现，斯特林发动机必将代替内燃机为 21 世纪提供主要动力。斯特林发动 机的广泛应用，必将使我国的能源利用效率得到大幅度提高，无沦是对环境保护还是节能减排，都有着非常重要的积极意义，也将会为我国的经济又好义快的发展提供充足动力。本文通过研究斯特林发动机的性能特性，讲述了斯特林发动机的结构类型与设计方法，对 主要部件进行结构设计 ，阐述了斯特林发动机的特点及主要应用，设计并使用 制了斯特林发动机三维模型，并对该模型进行了分析， 对其动力输出进行优化 。 关键词 : 斯特林发动机；结构设计；优化 I of by is be as to of of a of a it is of as an a in to as as a of 1st it no is or a be s to By of of it to 目 录 摘 要 . I . I 1 绪论 .未定义书签。 述 . 错误 !未定义书签。 前世界的能源形势 . 错误 !未定义书签。 能概况 . 错误 !未定义书签。 来使用能源的发展方向 . 错误 !未定义书签。 动机发展简史 . 错误 !未定义书签。 代发动机节能新技术 . 错误 !未定义书签。 国发动机研发现状 . 错误 !未定义书签。 斯特林发动机国内外研究动态 . 错误 !未定义书签。 内发展状况 . 错误 !未定义书签。 外发展状况 . 错误 !未定义书签。 文的主要研究内容 . 错误 !未定义书签。 2 斯特林发动机组成及理论分析 .未定义书签。 特林发动机的组成 . 错误 !未定义书签。 特林发动机的工 作原理 . 错误 !未定义书签。 特林发动机热效率分析 . 错误 !未定义书签。 结 . 错误 !未定义书签。 3 斯特林发动机性能分析 .未定义书签。 特林发动机实际循环性能分析计算 . 错误 !未定义书签。 特林发动机性能模拟及影响性能因素 . 错误 !未定义书签。 胀腔、压缩腔示功图和总示功图 . 错误 !未定义书签。 度、压力、转速等因素对斯特林发动机性能影响 . 错误 !未定义书签。 论 . 错误 !未定义书签。 4 斯特林发动机主要零部件设计 .未定义书签。 特林发动机的设计类型 . 错误 !未定义书签。 特林发动机设计参数的选择及确定 . 错误 !未定义书签。 特林发动机的设计及主要零件部件设计 . 错误 !未定义书签。 特林发动机设计外型 . 错误 !未定义书签。 要机构的设计 . 错误 !未定义书签。 结 论 .未定义书签。 参考文献 . 48 致 谢 . 49 50 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 毕 业 设 计 (论文 ) 题 目 斯特林发动机结构设计 系 别 专业班级 学生姓名 指导教师 二一六年六月 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 I 摘 要 随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。研究能以天然气、沼气、生物质等作为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，具有重要的意义。斯特林发动机作为外燃机具有的燃料多样化、效率高、噪音和污染小等特点，适于利用农村薪材、桔杆和太阳能进行发电。斯特林发动机得天独厚的优势，以及各种 新材料新技术的出现，斯特林发动机必将代替内燃机为 21 世纪提供主要动力。斯特林发动机的广泛应用，必将使我国的能源利用效率得到大幅度提高，无沦是对环境保护还是节能减排，都有着非常重要的积极意义，也将会为我国的经济又好义快的发展提供充足动力。本文通过研究斯特林发动机的性能特性，讲述了斯特林发动机的结构类型与设计方法，对 主要部件进行结构设计 ，阐述了斯特林发动机的特点及主要应用，设计并使用 制了斯特林发动机三维模型，并对该模型进行了分析， 对其动力输出进行优化 。 关键词 : 斯特林发动机；结构设计 ；优化 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 I of by is be as to of of a of a it is of as an a in to as as a of 1st it no is or a be s to By of of it to 含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 目 录 摘 要 . I . I 1 绪论 . 3 述 . 3 前世界的能源形势 . 3 能概况 . 5 来使用能源的发 展方向 . 5 动机发展简史 . 6 代发动机节能新技术 . 6 国发动机研发现状 . 7 斯特林发动机国内外研究动态 . 8 内发展状况 . 8 外发展状况 . 8 文的主要研究内容 . 10 2 斯特林发动机组成及理论分析 . 11 特林发动机的组成 . 11 特林发动机的工作原理 . 12 特林发动机热效率分析 . 15 结 . 15 3 斯特林发动机性能分析 . 16 特林发动机实际循环性能分析计算 . 16 特林发动机性能模拟及影响性能因素 . 19 胀腔、压缩腔示功图和总示 功图 . 20 度、压力、转速等因素对斯特林发动机性能影响 . 21 论 . 22 4 斯特林发动机主要零部件设计 . 23 特林发动机的设计类型 . 23 特林发动机设计参数的选择及确定 . 23 特林发动机的设计及主要零件部件设计 . 24 特林发动机设计外型 . 24 要机构的设计 . 24 结 论 . 45 参考文献 . 48 致 谢 . 49 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 3 1 绪论 述 前世界的能源形势 在当今世界科学技术的迅速发展，人们在不断完善现有动力机的同时，还在努力探索开发新型的动力机，外燃机就是在这样的背景下设计成功的，随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。研究能以天然气、沼气、生物质等作 为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一的石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，从而促进经济的可持续发展和社会进步，具有重要的意义。 斯特林发动机 (名热气机 )是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，它理想的热力循环称作斯特林循环 (即：概括性卡诺循环 )。因此，同温度下其理论效率最高，更吸引人的是它具有两个明显优于内燃机的特点： 一是能利用各种能源，无论是常用的液体燃料，还是气体燃料或固体燃料，甚至太阳能、化学反应能和放射性同位素能源，只要是能 产生一定温度的热量，斯特林发动机就可以工作； 二是振动噪音低、排放污染小，具有良好的环境特性。斯特林发动机是一种利用燃料的热能来工作的动力机，因为燃料在缸外燃烧所以也叫外燃机。外燃机采用往复活塞式，燃料燃烧对加热装置内的气体释放热能，被压缩的气体接受热能后进入缸内膨胀，推动活塞式曲轴带动外界负荷而旋转。斯特林发动机工作时，里面有气体工质作功，用于作功的气体可采用具有比功率高，流阻损失小的特种气体，其质量可以灵活调动，一般比内燃机吸入缸内的气体质量大的多；做功气体温度一般在 700以下，比内燃机爆发时 2000以上低的多，因此作功气体传给冷却介质被带出机外的热能相对很少。它是二行程发动机，工作时，将导热率高的气体 (如：氦气、氢气、蒸汽、复合气、空气等 )密封，由活塞的运动来实现气体的流动，使气体在高温条件下膨胀，在较低湿度下压缩，膨胀后的气体被重新压回加热腔，使气体在气缸和加热装置内实施热力循环，不需换气，达到热能对机械能的连续转换。 斯特林发动机是由多种不同功能的配件系统组成 (如：外部供热系统、热能转换系统、动力转动系统、气体控制系统、润滑系统、起动系统、机体等 )涉及到多方面的技术，但这些技术又基本上属于已知的 内燃机的技术范畴，是我们已经掌握的相对成熟的技术。 能源是世界人类社会经济发展的重要物质基础，是生产力发展的主要动力。世界经济包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 4 发展历史充分表明：能源的增长速度与 步增长，呈正相关。战后 50 70 年代世界资 本主义经济大发展与充足的廉价能源供给，特别是石油供给密切相关。为此 ， 能源供给引起世界的普遍关注。能源是人类社会发展的重要基础 资 源。但由于世界能源资源产地与能源消费中心相距较远，特别是随着世界经济的发展、世界人口的 剧 增和人民生活水平的不断提高， 世界能源需求量持续增大，由此导致对能源资源的争夺日趋激烈、 环境污染加重和环保压力加大。由此可以断定 ,在未来生活中 ,节能减排这个话题将不会减弱 ,相反的 ,反而会被越来越多的人所关注 ,而节能减排最终会成为一个永久的话题被人们所认识和对待 。 1816 年由苏格兰牧师雷伯尔特斯特林发明，又称“热空气发动机”，当时已生产出数千台。后由于蒸汽机和内燃机的出现而被冷落，到二十世纪初已基本消失， 主要由于封入的工质为空气，加热温度仅几百度，致使机构庞大使用不便。 1930年荷兰菲利蒲公司欣赏它外燃式静止发动机的特点，做为无线电用发电机的动力而重新开发，但不久由于电子器件的晶体管化而停 顿。以后又做为用发动机重新开发，采取 700以上的加热 5 20氢气和氮气为工质，试制了换置式和斜板回转式双向型发动机，并做了装车试验。由于高温，高压产生的高效率和高转矩，在以氢气为工质时达到了高速度，初步显示有可能成为比内燃机效率高的外燃式发动机。该公司将液氨用发动机商品化，将其余的发动机制造技术于 1957 1967年陆续转让给西德和瑞典的有关公司。 1973年世界性石油危机后，节油和油的替代提上重要议事日程。菲利蒲公司重新和美国福特公司合作共同开发了 127回转斜板式双向型 4 2150A 发动机 。 进入八十年代以来，第二次石油危机又引起各国对斯特林发动机的关心，后来石油供应虽有缓和，但从环保和能源角度出发各国又竞相进行斯特林发动机开发工作。 斯特林发动机的一个突出优点是可以利用多种分散的能源。我国是一个农业大国，农业是国民经济的基础。我国农村有丰富的生物质能资源，但品种、分布不均，具有季节性、间歇性分散性的特点。用旧式炉灶直接燃烧，热效率很低，一般为 10 15。如果用斯特林发动机将农村烧掉的生物质能 (按 1987年的 328，以同样的效率 (10 15 )转换为电能，则可为农村提供 260 400h 电，相当于同年农村用电量的 2 3倍。 中国还有 3500 万人口完全没有电力供应，更多的人口没有持续可靠的电力供应。这些地区多在边远的地区、山区和荒漠，以及海岛等地区，架设电网的投资太大，采用柴油发电成本太高，而斯特林外燃机可以利用太阳能、沼气、植物垃圾热解气体的特性，可以较好的解决这一难题。 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 5 能概况 节能指的是低能耗、低污染、新能源、新动力。节能的宗旨就是在满足需求的前提下尽可能少的耗费能源，同时减少污染气体的产生。由于能源危机和环境问题的日益严重 ,越来越多的厂家开始研制节能 型 ,不仅从整体结构入手 ,节能型发动机的研究更是其中的重中之重。目前世界上的节能型主要有三种类型，一是纯电动 ， 二是混合动力，三是燃料电池。 来使用能源的发展方向 美国发现节目曾讨论了解决能源问题的途径，其中的提案有生物能源 、 氢能源 、 电动，以及 节油车与出行方式的优化与改变。中国机械联合会张小虞在谈到能源的发展时讲到新能源的发展是战略性的新型产业，而不是权宜之计，在新能源的创新 和 第三代锂电池的出现后，比能量 和 比功率提高 7倍时，新能源就可以和传统进行竞争。但新能源的发展是有渐进性的，不能一蹴而就。所以 在目前 还是 对传统的节油性进行发展。锂电池大规模用于电动车还需一定时间 ,目前国内锂电池的研究工作和国外相比，差距主要体现在电池的控制系统和电源管理系统上。邓伦浩对记者说，现在国内对锂电池的研究处于各自开发的状态。目前 ,有的公司已经能够为电动提供相应的锂电池配套产品，配套的锂电池一般能跑200伦浩告诉记者，现在国内锂电池的价格太高，电源管理系统的问题还没得到很好地解决。电动还面临充电的问题。目前，家里的一般线路不能为电动锂电池充电，必须配一个小型的专用充电器，而且充电的时间很长，很麻烦。在国 外，为了解决这一问题，一般都把充电站和加油站放在一起。现在国内的充电站还没有大规模地建立起来。 陈全世告诉记者，目前国内锂电池研究存在三大问题 ,首先是制造的一致性问题 ,由于在锂电池的制造工艺和设备上存在差距，使得国内锂电池的生产工艺参差不齐，制造标准还达不到一致性。电动所用的锂电池都是串联或并联在一起，如果一致性问题解决不好，那么所生产的锂电池也就无法大规模应用于电动。 其次是知识产权问题。目前国内在磷酸铁锂电池的研究上已经取得突破，但是由于美国在这方面有专利，所以虽然我们在一些环节上能够自主研发，但是在知 识产权问题上，还不知如何应对。第三是原材料的筛选问题。现在用于锂电池生产的原材料不可能全部进口，主要还 是取自国内，但是国内的原材料要通过国际认证，生产出的锂电池才能被国际认可，所以在原材料认证环节上目前还存在一些问题。 目前中国 80%的二氧化碳排放来自燃煤，超过 50%的煤炭消费用于火力发电，而同时，火力发电量占到总发电量的 70%以上。加之目前我国煤炭发电平均效率只有35%，在这样的情况下，发展电动，无异于增加电力消耗，同时也就意味着增加碳排放量。随着我国城镇化、工业化步伐的加快，电力资源将更为紧张。而在 风能、核能发电尚在发包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 6 展阶段的我国而言，大力发展电动，势 必将增加能源供需紧张形势，相反不利于低碳产业的发展布局。对于政府来说，在不遗余力地支持电动发展、支持相关企业开发新产品的同时，更需要解决源头问题。以电动为例，用煤炭替换石油的作为并不可取，电动成为低碳经济时代先锋的前提是解决电力资源问题，否则，前景并不乐观。从以上各个专家的看法，可以看出我国要发展电动是非常艰辛的和曲折的。但这并不代表不可能，只是时间问题，只要我们攻克了那些技术难题，电动将会造福我们国民，甚至全人类。因此 ,发展纯电动势不可挡。 动机发展简史 发动机，又称为引擎，是一种能够把一种形式的能转化为另一种更有用的能的机器，通常是把化学能转化为机械能。发动机最早诞生在英国 , 回顾发动机产生和发展的历史，它经历了外燃机和内燃机两个发展阶段。所谓外燃机，就是燃料在发动机的外部燃烧，发动机将这种燃烧产生的热能转化成动能的机器。内燃机就是燃料在发动机的内部燃烧，同时将这种燃烧产生的热能转化成动能。 18世纪中叶，瓦特发明蒸汽机标志着发动机的产生，蒸汽机这种外燃机是当时那个时代最主要的代表。 1886年，奔驰一号的发明标志着内燃机开始进入我们的生活。虽然 当初的发动机动力小，效率低，但是随着时代的发展，发动机也有了巨大的改变，由最初的外燃机发展到内燃机，再由 1892 年发明化油器而产生的化油器发动机，再到 1967 年电喷技术的出现而产生的电喷发动机，然后就是近几年的缸内直喷技术发展起来的缸内直喷发动机。这些无一不是发动机跨时代的进步。 代发动机节能新技术 通过查阅资料，当代发动机先进技术主要有以下几点： 一： 控燃烧速率）技术。该技术是通过控制进气气流的组织形式（涡流和滚流）来改善燃烧，以达到降低排放、提高燃油经济性的新技术。主要有两种形式：蝶 阀式和滑板式。优点是： 二： 轮增压中冷）技术。该技术是利用专门的压气机将气体在进入汽缸前预先进行压缩，提高进气压力，从而提高进入汽缸的气体密度，减小体积，由此，单位体积内气体质量增加，满足燃烧需要又可提高发动机的体积比功率和重量比功率、提高机械效率、减少有害废气的排放和降低噪声。增压方式主要有三种：涡轮增压、机械增压和气波增压。 优点是在不增加排量的基础上大幅度提高功率和扭矩，同时提高 燃油经济性和降低尾气排放。 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 7 三： 油直喷）技术。该技术是通过电控系统的控制直接将汽油直接喷射在燃烧室内，同通过气门进入的空气进行混合从而形成可燃混合气进行燃烧。优点是： 时发动机具有更高的热效率，燃料热充分利用。利用该技术的发动机动力比普通的高 40%。 耗量低，升功率大。 C、 四： 变气门）技术。由于发动机运转速度不同，所需要的气门叠开角不同，而通常的发动机气门都是固定的，无法控制气门的叠开角 ，为节省燃油，出现了 术。该技术是通过对某种特定的转速 /负荷运行模式进行优化来降低油耗和有害物质的排放。该技术的运用，使得高速功率和低速扭矩有了较大的提高怠速性能更趋于优化，解决了常用的固定气门和节油之间的矛盾。 五： 气再循环）技术。所谓废气再循环是在保证内燃机动力性不降低的前提下 , 根据内燃机的温度及负荷大小将发动机排出的废气的一部份再送回进气管 , 和新鲜空气或 新鲜混合气混合后再次进入气缸参加燃烧 , 使燃烧反应的速度减慢 , 从而降低排放量 , 是控制 放的主要措施。废气 中的氧含量很低 , 含有大量 水蒸气 ,这三种气体很稳定 ,不能燃烧 ,可吸收大量热量。当一部份排气经 制阀还流回进气系统与新鲜空气或新鲜混合气混合后 , 稀释了新鲜空气或新鲜混合气中的氧浓度 , 使燃烧速度降低。这两个因素都使燃烧温度降低 , 从而有效控制了燃烧过程中 生成。 国发动机研发现状 我国发动机研发主要有三种形式：一是企业自行研发，主要是一些独立的发动机生产企业。二是委托或与国外技术公司合作研发，主要对象是自主品牌的整车企业或者发动机企业。三是引进国外先进技术， 消化、吸收和改进，主要是一些合资企业。 我国车用能源消耗日益紧迫，从 2000年至今，我国保有量以年均 10%以上的速度递增，车用燃油消费占石油消耗的比例逐年增加， 2007 年末达到 我国发动机的质量及可靠性在最近的二十年虽然取得了较大的进步，但是发动机的节能减排技术远低于国外先进水平，平均油耗高于国外发动机 10%以上。发动机节能减排技术的研发也是国内企业参与国际竞争、走向国际市场的需要。这些紧迫的形势在逼迫我们加快节能发动机技术的研发，但是，在这方面我们国家还存在很多的问题。一：我国及发动机企业对节 能发动机的研发还没有形成有效的开发模式，相应的经验积累也较少。二：由于我国发动机新的节能减排技术研发滞后，每到新的节能减排标准实施时，自主品牌企业不得不依靠国外技术，包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 8 并因此支付过多的费用。三：对先进、前沿的节能减排技术，国内企业由于能力限制，目前只能是模仿。四：政策层面缺少行之有效的支持措施。为促进我国节能发动机的研发，国家制订了一系列的政策措施。技术方面：将节能与新能源的关键技术和零部件研发列入国家科技计划，给予重点支持。建立节能与新能源产业联盟，集中力量攻克关键技术，促进产业化发展建立符合中国实际的行驶 工况以及特定地区、特定车型的行驶工况，促进燃料经济性水平提高。尽快制订和完善节能与新能源技术标准和法规。财税方面：国家采取补贴和税费优惠政策，推动纯电动、混合动力等新能源发展。建立以燃料经济性标准为依据的财税奖罚机制。对达到国家标准的产品，纳税人执行标准的纳税税率；对优于国家标准的产品，按等级调减纳税税率；对低于国家标准的产品，按等级提高纳税税率。建立与车辆燃料经济性挂钩的惩罚性特别目的税：对不达标的车辆给予惩罚性的税收，在交纳了相应的罚款后准予生产和进口，以及上牌和注册使用。建立这种目的税是为了在不增加国家财政支出的情况下，很好地解决节能降耗目标实现与市场需求间的一些难以协调的矛盾。 斯特林发动机国内外研究动态 内发展状况 我国从七十年代末即开始斯特林发动机的研究开发工作，已设计出功率 1501 种，多数已在实验室正常运转。现从事此项工作的约 300 人，并正筹建中国热气机研究会。北京农业工程大学凌泽芝同志在能源政策研究通讯 1991 年第一期“发展热气机、促进农村电气化”一文中介绍国内外斯特林发动机的发展概况及其特点后建议：“充分利用我国农村丰富的生物质能源和部分地区丰富的 太阳能资源以解决农业用电问题”。并希望纳入国家“八五”科技规划和组织有关单位联合攻关。上海 711 研究所研制出热气机，是一种具有国际水准的科研成果，而排放的污染气体比目前市面上的其它发动机都要小，达到欧洲排放标准。 外发展状况 1用于热电联产型 充分利用它环境污染小的特点，在大城市里可以以天燃气作燃料，通过斯特林发动机的内部的冷却装置，冷却水被加热并回收烟气，即可采暖。 1台 2500 1500建筑平方米采暖。 这种使用斯特林发动机的热电联产装置实际上相当于一台副产 电力的供热锅炉，一般情况下是根据供热需求来确定其运行状态的，其电力系统可以与电网连接，多余的电力通过配电盘向外界供电。如果配备相应的热水型吸收式制冷机的话，夏季就可以利用热能制包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 9 取空调所需的冷却水，从而部分地取代目前广泛使用的耗电量可观的蒸汽压缩式空调制冷装置。显然，不仅在冬季的供暖期，而且在夏天的供冷期，热电联产装置都能发挥重要的作用。 目前，农用动力斯特林发动机，已引起各国的极大兴趣。在农村，可以燃烧各种物质如木屑、米糠、棉秆、椰子皮壳和谷壳等进行工作的。以空气为工质，运转时，噪音低，振动小，无污染。不用 润滑，即可取暖，又可发电，非熟练工人也能操作。 2斯特林太阳能发电装置 利用斯特林发动机外燃的特性，将多面反光镜聚焦在发动机的热腔，利用太阳的能量加温热腔发电，发电功率达到 20备可以自动跟踪太阳旋转。它还可以有另一个独具匠心的设计是在太阳落山后或阳光不足以发电时，自动合闭热腔，利用燃料燃烧发电，一机两用，节省了蓄电池投资，提高了能源供应设备的利用效率。而造价仅仅为硅晶光伏电池的三分之一，投资效益极好。 3低能级的余热回收利用型 斯特林发动机的另一优势是余热回收，而且大大简化了工艺技术。利用热腔温 度达到700即可发电的特性，不需要任何介质或热能转换装置，直接将热腔伸入热源之中，将余热转换成高价值的电能。例如：炼油厂、化工厂、焦化厂、冶炼厂等，均可使用。每个外燃机可以回收 254 4推进车用动力型 利用斯特林发动机的排气污染低以及多种燃料的高度适应性的优点，美国机槭技术公司 (执行 小型为例，电机的功率约为 40斯特林发动机的功率只需 15右，两者的连接既可串联，又可并联。在城市内，用电机推进；在高速公路上，主要靠斯特林发动 机推进，辅之于电机。混合推进的优点是：在市内，完全是电动，最大限度地保护了环境；在郊区，依然具有斯特林发动机的全部优点 (良好的经济性、污染少和适应多种燃料 )，同时简化了控制系统，使其在成本上更具竞争力。 5低温差发电动力型 近几年来，比较热门的研究领域就是低温差斯特林发动机。日前，已有很多低温差模型斯特林发动机问世，最著名的当属美国威斯康辛大学 授研制的 特林发动机，只需 温差就能以 60r/本人研制出 150作温差为 100。指示效 率为 50。低温差斯特林发动机由于工作参数低，因此结构简单、造价便宜、寿命长，适合于作废热回收发电动力。这样， 100 300 的废热包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 10 均可用来发电。 文的主要研究内容 1从斯特林发动机的特点出发，对斯特林发动机的原理和组成进行了详细分析。 2从 力学循环理论入手，讨论了热气机的功率、效率及热损失计算，定性分析了影响热气机输出性能的各种因素。 3对所要求的斯特林发动机模型进行初步设计计算和模型制作。 4主要部件结构设计和材料强度计算，设计主要部件如连杆、活塞，缸体，缸盖，滑块，依照曲柄连杆机构的原理设计。 5根据发动机输出的功率和扭矩对其动力输出进行优化，以达到使用最少的能量达到最大的动力输出。 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 11 2 斯特林发动机组成及理论分析 斯特林引擎的基本工作原理是，通过工作气体的的加热膨胀、冷却收缩来做功实现的，通过气缸的外部对密闭空间内的工作气体进行控制，加热时活塞下降，冷却时活塞上升。实用性斯特林引擎是通过配置多个活塞和热交换器，从外部连续加热冷却使工作气体的压力发生变化来实现高速运转。本章将介绍斯特林发动机的基本组成、运动形式和配气活塞式斯特林引擎的工作原理。 特林发动 机的组成 斯特林发动机是一种热 机械能的转换装置，因此，他的主要组成与内燃机等热机是类似的，即由热的发生系统、热 机械能转换系统、动力传递系统以及其他的保证发动机正常运转的一些辅助系统。一台能独立工作的斯特林发动机由下列系统组成：外部供热 (燃烧 )系统、闭式循环系统 (热 机械能转换系统 )、动力传动系统 (包括工质密封系统 )、负荷控调系统以及辅传动、冷却、起动等的辅助系统。斯特林发动机区别内燃机根本所在是外部供热 (燃烧 )系统和闭式循环系统。如图 2 外部燃烧系统的作用是给闭式循环系统提供能源，因此，凡是温 度在 450以上的任何发热装置都可以成为斯特林发动机的外部热源，例如：各种矿物燃料的燃烧装置、原子反应堆 (可控核裂变热装置和放射性同位素的衰变热装置 )、化学反应生成热装置、各种形式的蓄热装置、太阳能和激光能都可以作为斯特林发动机的外部热源。 闭式循环系统的功能是在较低的温度和压力水平下压缩闭式循环回路中的工质，并在较高的温度和压力下进行膨胀，获得正的膨胀功。在现代斯特林发动机中，闭式循环回路由冷腔、冷却器、回热器、加热器和热腔组成，并按上述顺序依次串联在一起，冷腔和冷却器处于循环的低温部分，压缩热量由冷却器 导至外界；热腔和加热器处循环的高温部分，膨胀热由加热器供给。工质在系统中来回流动一次，完成一个循环，循环周期为 2。 1热膨胀腔 在循环过程中膨胀腔永远处于高温状态，在膨胀时相当部分的工质居于热膨胀腔。根据热气机的循环特性，膨胀腔必须能承受高温和高压，对它的要求比柴油机的燃烧室高的多，有相当一部分的热损失是由热的膨胀腔传出的。 2冷压缩腔 在循环过程中冷压缩腔始终处于比环境温度，或比冷却水温度稍高一些的温度下，在压缩过程中有相当一部分工质居于压缩腔。 3加热器 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 12 加热器的职能是将外部热源的热能传给系统， 达到对工质加热膨胀的目的。加热器管的一端与膨胀腔联通，另一端与回热器沟通。 4回热器 回热器串联在加热器和冷却器之间，是循环系统的一个内部换热器，它交替地从工质吸收和向工质释放热量，使工质反复地受到冷却和加热。从完成热力循环的箔度来说，回热器并不是不可缺少的，但是，从运行经济性来看，回热器是一个极其重要的不可缺少的组件，是一个重要的节能装置。在性能较高的实际热气机中，回热器的蓄放热能力，约为加热器传热能力的 3 5 倍，为冷却器冷却能力的 8 10 倍。因此，如果取消回热器，在保证膨胀温度和压缩温度不变的情况下， 不仅会导致加热器和冷却器容量大幅度增大，而且会使发动机的功率和效率降到不能接受的程度。 5冷却器 冷却器位于回热器和压缩腔之问，其功能是将压缩热导到外界，保证工质在较低的温度下进行压缩。 凡是柴油机或汽油机能利用的传动系统，例如普通的曲柄连杆机构、斜盘或摆盘机构和液压传动机构等均可用于斯特林发动机。 图 2特林发动机的工作原理 由于是对小功率的斯特林发动机的研究，所以本文重点是研究单作用配气活塞式斯特林发动机，下面就重点介绍配气活塞式斯特林发动机的工作原理。 配气活 塞式斯特林发动机只有一个气缸，其内置有两个活塞。靠近加热器一侧的活塞包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 13 叫配气活塞，靠近冷却器一侧的活塞叫动力活塞。配气活塞的上方叫热腔 (膨胀腔 )，配气活塞下方与动力活塞上方所组成的腔室叫冷腔 (压缩腔 )。热腔、加热器、回热器、冷却器和冷腔串联在一起，形成一个完整的循环回路。如图 2 2 所示。同样，热腔和加热器处于循环的最高温度下，叫热区；冷腔和冷却器处于循环的低温区，叫冷区。因为配气活塞上下端的压力是一致的，所以它既不向外界输出功，也不从外界接受功，其功用是使工质在循环回路中来回流动，故有配气活塞之称。因为工质的 来回流动是由配气活塞完成的，所以称为配气活塞式斯特林发动机。这类斯特林发动机的一个特点是，热腔是由配气活塞(热活塞 )单独控制的，而冷腔则是由配气活塞和动力活塞联合控制的。 图 2缸单作用斯特林发动机结构简图 图 2特林发动机热力循环的 与 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 14 斯特林发动机的热力过程是按斯特林循环进行的。如图 2 3 所示。斯特林循环是由两个等温过程和两个等容过程组成的。 1等温压缩过程 1 2。压缩开始时，动力活塞处于下止点，配气活塞位于上止点，此时工作腔容积最大，温度最低，压力最小，即 C ， 在压缩过程 1气活塞在上止点保持不动，动力活塞从下止点向上止点运动，工作腔容积随着动力活塞的向上运动而逐渐变小，工质被压缩，压力也随之逐渐增大。压缩热由冷却器导至外界，而保持温度 变，实现等温压缩。待动力活塞运动到上止点后压缩过程结束，此时工作腔容积最小，即 为在恒定的温度 实现等温压缩，工质必须通过冷却器向外界释出压缩热 时，在压缩过程中外界必须对工质做功，外界所输入的压缩 于工质在等温压缩下 向外界释出的热量 质内能不变，而熵减小。 2等容加热过程 2 3。在这一过程中动力活塞在上止点保持不动，配气活塞向下止点运动。由于动力活塞保持不动，不论配气活塞如何运动，工作腔容积始终不变 (配气活塞向下移动式，活塞上端增大的容积等于下端减少的容积，即热腔所增加的容积等于冷腔缩小的容积 )，即 2=气活塞从上止点向下止点运动的结果，工质从冷腔流入热腔，在流经回热器获得热量 工质温度从 高到 E，压力也相应地从 容积不变，实现了等容加热。在这一过程中 ，工质与外界无热交换，也不做功，但工质的内能和熵都增大。 3等温膨胀过程 3 4。在这一过程中，工质在最高循环温度 完成等温膨胀，并向外界做功。膨胀开始时，配气活塞继续向下止点运动，而动力活塞也从其上止点向下止点运动，过程结束时两个活塞同时到达下止点。由于动力活塞从上止点运动到下止点，工作腔容积从 大到 质在最高的循环温度 4=状态下完成等温膨胀，必须由加热器从外界向工质提供热量 质在膨胀过程中向外界做功，其值于外界供给工质的热量 质内能不变，但熵增大。 4等容冷却过程 4 1。配气活塞从下止点迅速返回上止点，而动力活塞在下止点保持不动，待配气活塞到达上止点后过程结束，完成一个循环。由于配气活塞从下止点返回上止点，其结果是使工质从热腔返回冷腔；流经回热器时，回热器吸收了工质的部分热量，使工质的温度从循环最高温度 E=降到最低温度 1。因为动力活塞不动，故工作腔容积不变， 1=程是等容的。循环压力也由 降到 此，全部参数回复到循环的起始状态。回热器将从工质中吸收的热量贮存起 来，在下一个循环的等容加热过程 2 3 中再传给工质。在等容冷却过程中，工质与外界无热交换，也不做包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 15 功，但内能和熵均下降。 特林发动机热效率分析 依据上述循环系统的热力分析，和参考文献 1得： 斯特林发动机的循环效率为： )1)(1(+()(1(=(+)1)(1(=0000 (2其中，回热器有效性 定义为： =(T (系数 =V； 1/ 由此可以看出若回热器工作不完善时， 1，循环效率 C(卡诺效率 )；但当回 热器工作完美时，有 =1，即， =C =1在理论上斯特林发动机的循环效率与卡诺循环的效率是相等的。一般回热器的效率 =以斯特林发动机有较高的热效率。并且由图 2示，用两条等容线代替了卡诺循环的两条等熵线 (3 3 ， 1 1 )斯特林循环具有大的示功面积，在压力、温度和容积变化的上下限相同的情况下斯特林循环要比卡诺循环多做功，因此，斯特林发动机高的行程容积功率是普通的活塞式内燃机所望尘莫及的。 结 本章节主要就斯特林发动机的组成及原理进行了分析阐述。从理论上来说，斯 特林引擎与卡诺循环一样拥有高的热效率。作为外燃机不选择热源，因此可利用燃料或者太阳能，生物能的余热，而且燃料的充分燃烧使得废气较为清洁。但是一内燃机相比，每个单位输出功率的重量、容积及成本都显劣势，所示暂时还不能代替内燃机，但作为一种环保引擎，其拥有广阔的发展空间。本章通过对组成和原理的学习，对斯特林发动机进行了进一步的了解，为下一步引擎的性能分析做好了准备。 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 16 3 斯特林发动机性能分析 斯特林发动机作为动力装置，评价其性能好坏的主要指标是其输出功率和效率。从发动机的组成来看，尽管影响发动机性能的因素很多， 但是主要的影响因素还是闭循环系统的设计参数 (包括加热器、回热器、冷却器的参数、传动机构的参数等 )和运行条件参数 (包括转速、工作介质的平均压力、加热温度和冷却温度等 )。 在发动机实际循环稳态性能的分析中，目前主要以 出的施密特循环理论为依据，在此基础上， 出了等温分析法。等温分析法则考虑了工作介质的损失，假定气缸内的换热过程是等温的，计算一个循环的基本功，并假定各种损失互不影响，分别考虑工质的流阻损失、活塞的穿梭损失，泵气损失、各部件的导热损失、回热器的补热损失等，再修 正基本功的计算公式，进而计算出输入热量、指示功、指示效率。确定机械摩擦损失后，可计算出发动机的有效功率和有效效率。本文结合施密特循环理论和等温分析法，对斯特林发动机的功率、效率以及各种损失的计算、结构参数和运行条件对性能的影响等问题进行分析，通过模拟发动机的性能特性，从而得到提高发动机性能的途径，为发动机的设计提供指导性意见。 特林发动机实际循环性能分析计算 实用等温分析法，之所以强调实用两字，是因为它与别的计算方法比较，即简单又较精确，作为斯特林发动机功率和效率的初步估算是最合适的一种方法。此外 ，这种方法实用之所在，还在于它适用与各种传动机构，不必使用经验修正系数，而所谓的经验修正系数往往是有局限的，缺乏普遍指导意义。 对热气机热力性能计算采用的是 是基于下列条件进行的：热气机的结构型式是配气活塞式单缸发动机机：传动机构采用曲柄连杆式；加热器、冷却器采用管式；回热器用环形结构；工质为空气；燃料为生物质。 图 3轴运动示意图 (1)对曲柄连杆式传动机构进行运动学分析，确定连杆之间的关系式，推导出各个活包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 17 塞的位移方程，及膨胀腔容积、压缩腔容积随曲轴 毕 业 设 计 (论文 ) 题 目 斯特林发动机结构设计 系 别 专业班级 学生姓名 指导教师 二一六年六月 I 摘 要 随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。研究能以天然气、沼气、生物质等作为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，具有重要的意义。斯特林发动机作为外燃机具有的燃料多样化、效率高、噪音和污染小等特点，适于利用农村薪材、桔杆和太阳能进行发电。斯特林发动机得天独厚的优势，以及各种 新材料新技术的出现，斯特林发动机必将代替内燃机为 21 世纪提供主要动力。斯特林发动机的广泛应用，必将使我国的能源利用效率得到大幅度提高，无沦是对环境保护还是节能减排，都有着非常重要的积极意义，也将会为我国的经济又好义快的发展提供充足动力。本文通过研究斯特林发动机的性能特性，讲述了斯特林发动机的结构类型与设计方法，对 主要部件进行结构设计 ，阐述了斯特林发动机的特点及主要应用，设计并使用 制了斯特林发动机三维模型，并对该模型进行了分析， 对其动力输出进行优化 。 关键词 : 斯特林发动机；结构设计 ；优化 I of by is be as to of of a of a it is of as an a in to as as a of 1st it no is or a be s to By of of it to 目 录 摘 要 . I . I 1 绪论 . 2 述 . 2 前世界的能源形势 . 2 能概况 . 4 来使用能源的发展方向 . 4 动机发展简史 . 5 代发动机节能新技术 . 5 国发动机研发现状 . 6 斯特林发动机国内外研究动态 . 7 内发展状况 . 7 外发展状况 . 7 文的主要研究内容 . 9 2 斯特林发动机组成及理论分析 . 10 特林发动机的组成 . 10 特林发动机的工作原理 . 11 特林发动机热效率分析 . 14 结 . 14 3 斯特林发动机性能分析 . 15 特林发动机实际循环性能分析计算 . 15 特林发动机性能模拟及影响性能因素 . 18 胀腔、压缩腔示功图和总示功图 . 19 度、压力、转速等因素对斯特林发动机性能影响 . 20 论 . 21 4 斯特林发动机主要零部件设计 . 22 特林发动机的设计类型 . 22 特林发动机设计参数的选择及确定 . 22 特林发动机的设计及主要零件部件设计 . 23 特林发动机设计外型 . 23 要机构的设计 . 23 结 论 . 44 参考文献 . 48 致 谢 . 49 2 1 绪论 述 前世界的能源形势 在当今世界科学技术的迅速发展，人们在不断完善现有动力机的同时，还在努力探索开发新型的动力机，外燃机就是在这样的背景下设计成功的，随着石油资源的日益短缺，石 油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。研究能以天然气、沼气、生物质等作为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一的石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，从而促进经济的可持续发展和社会进步，具有重要的意义。 斯特林发动机 (名热气机 )是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，它理想的热力循环称作斯特林循环 (即：概括性卡诺循环 )。因此，同温度下其理论效率最高，更吸引人的是它具有两个明显优于内燃机 的特点： 一是能利用各种能源，无论是常用的液体燃料，还是气体燃料或固体燃料，甚至太阳能、化学反应能和放射性同位素能源，只要是能产生一定温度的热量，斯特林发动机就可以工作； 二是振动噪音低、排放污染小，具有良好的环境特性。斯特林发动机是一种利用燃料的热能来工作的动力机，因为燃料在缸外燃烧所以也叫外燃机。外燃机采用往复活塞式，燃料燃烧对加热装置内的气体释放热能，被压缩的气体接受热能后进入缸内膨胀，推动活塞式曲轴带动外界负荷而旋转。斯特林发动机工作时，里面有气体工质作功，用于作功的气体可采用具有比功率高，流阻损失 小的特种气体，其质量可以灵活调动，一般比内燃机吸入缸内的气体质量大的多；做功气体温度一般在 700以下，比内燃机爆发时 2000以上低的多，因此作功气体传给冷却介质被带出机外的热能相对很少。它是二行程发动机，工作时，将导热率高的气体 (如：氦气、氢气、蒸汽、复合气、空气等 )密封，由活塞的运动来实现气体的流动，使气体在高温条件下膨胀，在较低湿度下压缩，膨胀后的气体被重新压回加热腔，使气体在气缸和加热装置内实施热力循环，不需换气，达到热能对机械能的连续转换。 斯特林发动机是由多种不同功能的配件系统组成 (如：外部供 热系统、热能转换系统、动力转动系统、气体控制系统、润滑系统、起动系统、机体等 )涉及到多方面的技术，但这些技术又基本上属于已知的内燃机的技术范畴，是我们已经掌握的相对成熟的技术。 能源是世界人类社会经济发展的重要物质基础，是生产力发展的主要动力。世界经济 3 发展历史充分表明：能源的增长速度与 步增长，呈正相关。战后 50 70 年代世界资 本主义经济大发展与充足的廉价能源供给，特别是石油供给密切相关。为此 ， 能源供给引起世界的普遍关注。能源是人类社会发展的重要基础 资 源。但由于世界能源资源产地与能源消费中心相距较远， 特别是随着世界经济的发展、世界人口的 剧 增和人民生活水平的不断提高， 世界能源需求量持续增大，由此导致对能源资源的争夺日趋激烈、环境污染加重和环保压力加大。由此可以断定 ,在未来生活中 ,节能减排这个话题将不会减弱 ,相反的 ,反而会被越来越多的人所关注 ,而节能减排最终会成为一个永久的话题被人们所认识和对待 。 1816 年由苏格兰牧师雷伯尔特斯特林发明，又称“热空气发动机”，当时已生产出数千台。后由于蒸汽机和内燃机的出现而被冷落，到二十世纪初已基本消失， 主要由于封入的工质为空气，加热温度仅几百度，致使机构庞大使用不 便。 1930年荷兰菲利蒲公司欣赏它外燃式静止发动机的特点，做为无线电用发电机的动力而重新开发，但不久由于电子器件的晶体管化而停顿。以后又做为用发动机重新开发，采取 700以上的加热 5 20氢气和氮气为工质，试制了换置式和斜板回转式双向型发动机，并做了装车试验。由于高温，高压产生的高效率和高转矩，在以氢气为工质时达到了高速度，初步显示有可能成为比内燃机效率高的外燃式发动机。该公司将液氨用发动机商品化，将其余的发动机制造技术于 1957 1967年陆续转让给西德和瑞典的有关公司。 1973年世界性石油危机 后，节油和油的替代提上重要议事日程。菲利蒲公司重新和美国福特公司合作共同开发了 127回转斜板式双向型 4 2150A 发动机。 进入八十年代以来，第二次石油危机又引起各国对斯特林发动机的关心，后来石油供应虽有缓和，但从环保和能源角度出发各国又竞相进行斯特林发动机开发工作。 斯特林发动机的一个突出优点是可以利用多种分散的能源。我国是一个农业大国，农业是国民经济的基础。我国农村有丰富的生物质能资源，但品种、分布不均，具有季节性、间歇性分散性的特点。用旧式炉灶直接燃烧，热效率很低，一般为 10 15。如果用斯特林发动机将农村烧掉的生物质能 (按 1987年的 328，以同样的效率 (10 15 )转换为电能，则可为农村提供 260 400h 电，相当于同年农村用电量的 2 3倍。 中国还有 3500 万人口完全没有电力供应，更多的人口没有持续可靠的电力供应。这些地区多在边远的地区、山区和荒漠，以及海岛等地区，架设电网的投资太大，采用柴油发电成本太高，而斯特林外燃机可以利用太阳能、沼气、植物垃圾热解气体的特性，可以较好的解决这一难题。 4 能概况 节能指的是低能耗、低污染、新能源、新动力。节能的宗旨 就是在满足需求的前提下尽可能少的耗费能源，同时减少污染气体的产生。由于能源危机和环境问题的日益严重 ,越来越多的厂家开始研制节能型 ,不仅从整体结构入手 ,节能型发动机的研究更是其中的重中之重。目前世界上的节能型主要有三种类型，一是纯电动 ， 二是混合动力，三是燃料电池。 来使用能源的发展方向 美国发现节目曾讨论了解决能源问题的途径，其中的提案有生物能源 、 氢能源 、 电动，以及 节油车与出行方式的优化与改变。中国机械联合会张小虞在谈到能源的发展时讲到新能源的发展是战略性的新型产业，而不是权宜之计，在新能源的创 新 和 第三代锂电池的出现后，比能量 和 比功率提高 7倍时，新能源就可以和传统进行竞争。但新能源的发展是有渐进性的，不能一蹴而就。所以在目前 还是 对传统的节油性进行发展。锂电池大规模用于电动车还需一定时间 ,目前国内锂电池的研究工作和国外相比，差距主要体现在电池的控制系统和电源管理系统上。邓伦浩对记者说，现在国内对锂电池的研究处于各自开发的状态。目前 ,有的公司已经能够为电动提供相应的锂电池配套产品，配套的锂电池一般能跑200伦浩告诉记者，现在国内锂电池的价格太高，电源管理系统的问题还没得到很好地解决 。电动还面临充电的问题。目前，家里的一般线路不能为电动锂电池充电，必须配一个小型的专用充电器，而且充电的时间很长，很麻烦。在国外，为了解决这一问题，一般都把充电站和加油站放在一起。现在国内的充电站还没有大规模地建立起来。 陈全世告诉记者，目前国内锂电池研究存在三大问题 ,首先是制造的一致性问题 ,由于在锂电池的制造工艺和设备上存在差距，使得国内锂电池的生产工艺参差不齐，制造标准还达不到一致性。电动所用的锂电池都是串联或并联在一起，如果一致性问题解决不好，那么所生产的锂电池也就无法大规模应用于电动。 其次是知识产 权问题。目前国内在磷酸铁锂电池的研究上已经取得突破，但是由于美国在这方面有专利，所以虽然我们在一些环节上能够自主研发，但是在知识产权问题上，还不知如何应对。第三是原材料的筛选问题。现在用于锂电池生产的原材料不可能全部进口，主要还 是取自国内，但是国内的原材料要通过国际认证，生产出的锂电池才能被国际认可，所以在原材料认证环节上目前还存在一些问题。 目前中国 80%的二氧化碳排放来自燃煤，超过 50%的煤炭消费用于火力发电，而同时，火力发电量占到总发电量的 70%以上。加之目前我国煤炭发电平均效率只有35%，在这样 的情况下，发展电动，无异于增加电力消耗，同时也就意味着增加碳排放量。随着我国城镇化、工业化步伐的加快，电力资源将更为紧张。而在风能、核能发电尚在发 5 展阶段的我国而言，大力发展电动，势 必将增加能源供需紧张形势，相反不利于低碳产业的发展布局。对于政府来说，在不遗余力地支持电动发展、支持相关企业开发新产品的同时，更需要解决源头问题。以电动为例，用煤炭替换石油的作为并不可取，电动成为低碳经济时代先锋的前提是解决电力资源问题，否则，前景并不乐观。从以上各个专家的看法，可以看出我国要发展电动是非常艰辛的和曲折的。但这并不 代表不可能，只是时间问题，只要我们攻克了那些技术难题，电动将会造福我们国民，甚至全人类。因此 ,发展纯电动势不可挡。 动机发展简史 发动机，又称为引擎，是一种能够把一种形式的能转化为另一种更有用的能的机器，通常是把化学能转化为机械能。发动机最早诞生在英国 , 回顾发动机产生和发展的历史，它经历了外燃机和内燃机两个发展阶段。所谓外燃机，就是燃料在发动机的外部燃烧，发动机将这种燃烧产生的热能转化成动能的机器。内燃机就是燃料在发动机的内部燃烧，同时将这种燃烧产生的热能转化成动能。 18世纪中叶，瓦特发明蒸汽机 标志着发动机的产生，蒸汽机这种外燃机是当时那个时代最主要的代表。 1886年，奔驰一号的发明标志着内燃机开始进入我们的生活。虽然当初的发动机动力小，效率低，但是随着时代的发展，发动机也有了巨大的改变，由最初的外燃机发展到内燃机，再由 1892 年发明化油器而产生的化油器发动机，再到 1967 年电喷技术的出现而产生的电喷发动机，然后就是近几年的缸内直喷技术发展起来的缸内直喷发动机。这些无一不是发动机跨时代的进步。 代发动机节能新技术 通过查阅资料，当代发动机先进技术主要有以下几点： 一： 控燃烧速率 ）技术。该技术是通过控制进气气流的组织形式（涡流和滚流）来改善燃烧，以达到降低排放、提高燃油经济性的新技术。主要有两种形式：蝶阀式和滑板式。优点是： 二： 轮增压中冷）技术。该技术是利用专门的压气机将气体在进入汽缸前预先进行压缩，提高进气压力，从而提高进入汽缸的气体密度，减小体积，由此，单位体积内气体质量增加，满足燃烧需要又可提高发动机的体积比功率和重量比功率、提高机械效率、减少有害废气的排放 和降低噪声。增压方式主要有三种：涡轮增压、机械增压和气波增压。 优点是在不增加排量的基础上大幅度提高功率和扭矩，同时提高燃油经济性和降低尾气排放。 6 三： 油直喷）技术。该技术是通过电控系统的控制直接将汽油直接喷射在燃烧室内，同通过气门进入的空气进行混合从而形成可燃混合气进行燃烧。优点是： 时发动机具有更高的热效率，燃料热充分利用。利用该技术的发动机动力比普通的高 40%。 耗量低，升功率大。 C、 四： 变气门）技术。由于发动机运转速度不同，所需要的气门叠开角不同，而通常的发动机气门都是固定的，无法控制气门的叠开角，为节省燃油，出现了 术。该技术是通过对某种特定的转速 /负荷运行模式进行优化来降低油耗和有害物质的排放。该技术的运用，使得高速功率和低速扭矩有了较大的提高怠速性能更趋于优化，解决了常用的固定气门和节油之间的矛盾。 五： 气再循环）技术。所谓废气再循环是在保证内燃机动力性不降低的前提下 , 根据内燃机的温度及负荷大小将发动机排出的废气的一部份再送回进气管 , 和新鲜空气或 新鲜混合气混合后再次进入气缸参加燃烧 , 使燃烧反应的速度减慢 , 从而降低排放量 , 是控制 放的主要措施。废气中的氧含量很低 , 含有大量 水蒸气 ,这三种气体很稳定 ,不能燃烧 ,可吸收大量热量。当一部份排气经 制阀还流回进气系统与新鲜空气或新鲜混合气混合后 , 稀释了新鲜空气或新鲜混合气中的氧浓度 , 使燃烧速度降低。这两个因素都使燃烧温度降低 , 从而有效控制了燃烧过程中 生成。 国发动机研发现状 我国发动机研发主要有三种形式：一是企业自行研发，主要是 一些独立的发动机生产企业。二是委托或与国外技术公司合作研发，主要对象是自主品牌的整车企业或者发动机企业。三是引进国外先进技术，消化、吸收和改进，主要是一些合资企业。 我国车用能源消耗日益紧迫，从 2000年至今，我国保有量以年均 10%以上的速度递增，车用燃油消费占石油消耗的比例逐年增加， 2007 年末达到 我国发动机的质量及可靠性在最近的二十年虽然取得了较大的进步，但是发动机的节能减排技术远低于国外先进水平，平均油耗高于国外发动机 10%以上。发动机节能减排技术的研发也是国内企业参与国际竞争、走向国际 市场的需要。这些紧迫的形势在逼迫我们加快节能发动机技术的研发，但是，在这方面我们国家还存在很多的问题。一：我国及发动机企业对节能发动机的研发还没有形成有效的开发模式，相应的经验积累也较少。二：由于我国发动机新的节能减排技术研发滞后，每到新的节能减排标准实施时，自主品牌企业不得不依靠国外技术， 7 并因此支付过多的费用。三：对先进、前沿的节能减排技术，国内企业由于能力限制，目前只能是模仿。四：政策层面缺少行之有效的支持措施。为促进我国节能发动机的研发，国家制订了一系列的政策措施。技术方面：将节能与新能源的关键技术和 零部件研发列入国家科技计划，给予重点支持。建立节能与新能源产业联盟，集中力量攻克关键技术，促进产业化发展建立符合中国实际的行驶工况以及特定地区、特定车型的行驶工况，促进燃料经济性水平提高。尽快制订和完善节能与新能源技术标准和法规。财税方面：国家采取补贴和税费优惠政策，推动纯电动、混合动力等新能源发展。建立以燃料经济性标准为依据的财税奖罚机制。对达到国家标准的产品，纳税人执行标准的纳税税率；对优于国家标准的产品，按等级调减纳税税率；对低于国家标准的产品，按等级提高纳税税率。建立与车辆燃料经济性挂钩的惩罚性特别 目的税：对不达标的车辆给予惩罚性的税收，在交纳了相应的罚款后准予生产和进口，以及上牌和注册使用。建立这种目的税是为了在不增加国家财政支出的情况下，很好地解决节能降耗目标实现与市场需求间的一些难以协调的矛盾。 斯特林发动机国内外研究动态 内发展状况 我国从七十年代末即开始斯特林发动机的研究开发工作，已设计出功率 1501 种，多数已在实验室正常运转。现从事此项工作的约 300 人，并正筹建中国热气机研究会。北京农业工程大学凌泽芝同志在能源政策研究通讯 1991 年第一期“发展热 气机、促进农村电气化”一文中介绍国内外斯特林发动机的发展概况及其特点后建议：“充分利用我国农村丰富的生物质能源和部分地区丰富的太阳能资源以解决农业用电问题”。并希望纳入国家“八五”科技规划和组织有关单位联合攻关。上海 711 研究所研制出热气机，是一种具有国际水准的科研成果，而排放的污染气体比目前市面上的其它发动机都要小，达到欧洲排放标准。 外发展状况 1用于热电联产型 充分利用它环境污染小的特点，在大城市里可以以天燃气作燃料，通过斯特林发动机的内部的冷却装置，冷却水被加热并回收烟气，即可采暖。 1台 2500 1500建筑平方米采暖。 这种使用斯特林发动机的热电联产装置实际上相当于一台副产电力的供热锅炉，一般情况下是根据供热需求来确定其运行状态的，其电力系统可以与电网连接，多余的电力通过配电盘向外界供电。如果配备相应的热水型吸收式制冷机的话，夏季就可以利用热能制 8 取空调所需的冷却水，从而部分地取代目前广泛使用的耗电量可观的蒸汽压缩式空调制冷装置。显然，不仅在冬季的供暖期，而且在夏天的供冷期，热电联产装置都能发挥重要的作用。 目前，农用动力斯特林发动机，已引起各国的极大兴 趣。在农村，可以燃烧各种物质如木屑、米糠、棉秆、椰子皮壳和谷壳等进行工作的。以空气为工质，运转时，噪音低，振动小，无污染。不用润滑，即可取暖，又可发电，非熟练工人也能操作。 2斯特林太阳能发电装置 利用斯特林发动机外燃的特性，将多面反光镜聚焦在发动机的热腔，利用太阳的能量加温热腔发电，发电功率达到 20备可以自动跟踪太阳旋转。它还可以有另一个独具匠心的设计是在太阳落山后或阳光不足以发电时，自动合闭热腔，利用燃料燃烧发电，一机两用，节省了蓄电池投资，提高了能源供应设备的利用效率。而造价仅仅为硅晶光伏电池的三分之一，投资效益极好。 3低能级的余热回收利用型 斯特林发动机的另一优势是余热回收，而且大大简化了工艺技术。利用热腔温度达到700即可发电的特性，不需要任何介质或热能转换装置，直接将热腔伸入热源之中，将余热转换成高价值的电能。例如：炼油厂、化工厂、焦化厂、冶炼厂等，均可使用。每个外燃机可以回收 254 4推进车用动力型 利用斯特林发动机的排气污染低以及多种燃料的高度适应性的优点，美国机槭技术公司 (执行 小型为例，电机的功率约为 40斯特林发动机的功率只需 15右，两者的连接既可串联，又可并联。在城市内，用电机推进；在高速公路上，主要靠斯特林发动机推进，辅之于电机。混合推进的优点是：在市内，完全是电动，最大限度地保护了环境；在郊区，依然具有斯特林发动机的全部优点 (良好的经济性、污染少和适应多种燃料 )，同时简化了控制系统，使其在成本上更具竞争力。 5低温差发电动力型 近几年来，比较热门的研究领域就是低温差斯特林发动机。日前，已有很多低温差模型斯特林发动机问世，最著名的当属美国威斯康辛大学 授研制的 特 林发动机，只需 温差就能以 60r/本人研制出 150作温差为 100。指示效率为 50。低温差斯特林发动机由于工作参数低，因此结构简单、造价便宜、寿命长，适合于作废热回收发电动力。这样， 100 300 的废热 9 均可用来发电。 文的主要研究内容 1从斯特林发动机的特点出发，对斯特林发动机的原理和组成进行了详细分析。 2从 力学循环理论入手，讨论了热气机的功率、效率及热损失计算，定性分析了影响热气机输出性能的各种因素。 3对所要求的 斯特林发动机模型进行初步设计计算和模型制作。 4主要部件结构设计和材料强度计算，设计主要部件如连杆、活塞，缸体，缸盖，滑块，依照曲柄连杆机构的原理设计。 5根据发动机输出的功率和扭矩对其动力输出进行优化，以达到使用最少的能量达到最大的动力输出。 10 2 斯特林发动机组成及理论分析 斯特林引擎的基本工作原理是，通过工作气体的的加热膨胀、冷却收缩来做功实现的，通过气缸的外部对密闭空间内的工作气体进行控制，加热时活塞下降，冷却时活塞上升。实用性斯特林引擎是通过配置多个活塞和热交换器，从外部连续加热冷却使工作气体 的压力发生变化来实现高速运转。本章将介绍斯特林发动机的基本组成、运动形式和配气活塞式斯特林引擎的工作原理。 特林发动机的组成 斯特林发动机是一种热 机械能的转换装置，因此，他的主要组成与内燃机等热机是类似的，即由热的发生系统、热 机械能转换系统、动力传递系统以及其他的保证发动机正常运转的一些辅助系统。一台能独立工作的斯特林发动机由下列系统组成：外部供热 (燃烧 )系统、闭式循环系统 (热 机械能转换系统 )、动力传动系统 (包括工质密封系统 )、负荷控调系统以及辅传动、冷却、起动等的辅助系统。斯特林发动机区别 内燃机根本所在是外部供热 (燃烧 )系统和闭式循环系统。如图 2 外部燃烧系统的作用是给闭式循环系统提供能源，因此，凡是温度在 450以上的任何发热装置都可以成为斯特林发动机的外部热源，例如：各种矿物燃料的燃烧装置、原子反应堆 (可控核裂变热装置和放射性同位素的衰变热装置 )、化学反应生成热装置、各种形式的蓄热装置、太阳能和激光能都可以作为斯特林发动机的外部热源。 闭式循环系统的功能是在较低的温度和压力水平下压缩闭式循环回路中的工质，并在较高的温度和压力下进行膨胀，获得正的膨胀功。在现代斯特林发动机中，闭式 循环回路由冷腔、冷却器、回热器、加热器和热腔组成，并按上述顺序依次串联在一起，冷腔和冷却器处于循环的低温部分，压缩热量由冷却器导至外界；热腔和加热器处循环的高温部分，膨胀热由加热器供给。工质在系统中来回流动一次，完成一个循环，循环周期为 2。 1热膨胀腔 在循环过程中膨胀腔永远处于高温状态，在膨胀时相当部分的工质居于热膨胀腔。根据热气机的循环特性，膨胀腔必须能承受高温和高压，对它的要求比柴油机的燃烧室高的多，有相当一部分的热损失是由热的膨胀腔传出的。 2冷压缩腔 在循环过程中冷压缩腔始终处于比环境温度， 或比冷却水温度稍高一些的温度下，在压缩过程中有相当一部分工质居于压缩腔。 3加热器 11 加热器的职能是将外部热源的热能传给系统，达到对工质加热膨胀的目的。加热器管的一端与膨胀腔联通，另一端与回热器沟通。 4回热器 回热器串联在加热器和冷却器之间，是循环系统的一个内部换热器，它交替地从工质吸收和向工质释放热量，使工质反复地受到冷却和加热。从完成热力循环的箔度来说，回热器并不是不可缺少的，但是，从运行经济性来看，回热器是一个极其重要的不可缺少的组件，是一个重要的节能装置。在性能较高的实际热气机中，回热器的蓄放热 能力，约为加热器传热能力的 3 5 倍，为冷却器冷却能力的 8 10 倍。因此，如果取消回热器，在保证膨胀温度和压缩温度不变的情况下，不仅会导致加热器和冷却器容量大幅度增大，而且会使发动机的功率和效率降到不能接受的程度。 5冷却器 冷却器位于回热器和压缩腔之问，其功能是将压缩热导到外界，保证工质在较低的温度下进行压缩。 凡是柴油机或汽油机能利用的传动系统，例如普通的曲柄连杆机构、斜盘或摆盘机构和液压传动机构等均可用于斯特林发动机。 图 2特林发动机的工作原理 由于是对小功率 的斯特林发动机的研究，所以本文重点是研究单作用配气活塞式斯特林发动机，下面就重点介绍配气活塞式斯特林发动机的工作原理。 配气活塞式斯特林发动机只有一个气缸，其内置有两个活塞。靠近加热器一侧的活塞 12 叫配气活塞，靠近冷却器一侧的活塞叫动力活塞。配气活塞的上方叫热腔 (膨胀腔 )，配气活塞下方与动力活塞上方所组成的腔室叫冷腔 (压缩腔 )。热腔、加热器、回热器、冷却器和冷腔串联在一起，形成一个完整的循环回路。如图 2 2 所示。同样，热腔和加热器处于循环的最高温度下，叫热区；冷腔和冷却器处于循环的低温区，叫冷区。因为配气活塞上 下端的压力是一致的，所以它既不向外界输出功，也不从外界接受功，其功用是使工质在循环回路中来回流动，故有配气活塞之称。因为工质的来回流动是由配气活塞完成的，所以称为配气活塞式斯特林发动机。这类斯特林发动机的一个特点是，热腔是由配气
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