斯特林引擎模型创新设计课程中心

1、探究课名称：探究课名称： 斯特林引擎模型创新设计斯特林引擎模型创新设计上课老师:凌 芳上课地点:B楼展示厅2一、课程目的通过学习，设计斯特林引擎模型，了解斯特林引擎的基本构成、工作原理、基本结构形式和特点。通过学习，培养学生的创新思维能力和实践动手能力，提高综合素质。 通过学习，在学习过程之中增加节能环保意识。3二、课程内容二、课程内容1.了解斯特林引擎开发的历史及状况；2.了解斯特林引擎基本构成、工作原理、基本形式3.设计斯特林引擎模型；4.与内燃机之比较优缺点；4课程内容课程内容斯特林引擎斯特林引擎概念概念斯特林引擎斯特林引擎工作原理工作原理斯特林引擎斯特林引擎基本形式基本形式斯特林引擎斯

2、特林引擎设计设计斯特林引擎斯特林引擎各类模型各类模型探究探究斯特林引擎斯特林引擎历史和现在历史和现在5三、课程安排三、课程安排课程名称斯特林引擎创新设计课时数3任课教师凌芳教学内容学时分配自学要求实习报告或作业要求团队项目要求讲授课时实践内容与学时斯特林引擎基础知识10.5要求学生发挥创造性思维，按时、独立完成相关主题斯特林引擎设计作业要求：准时提交、内容完整、满足要求、态度认真、不准抄袭。分组：3-5人，在规定的时间内，完成至少1个斯特林引擎的设计斯特林引擎设计0.516四、课程背景全社会大力提倡节能减排，建设资源节约型、环境友好型社会t汽车：混合动力汽车t热电联供t制冷、空调t斯特林制冷循

3、环t压缩机t太空t水下可再生能源l风能l太阳能l地热l生物质l小水电多种热源7五、斯特林引擎的历史斯特林引擎（Stirling engine），是一种外燃机，它是英国牧师罗伯特斯特林在1816年发明的热气机。当时蒸气机很盛行,由于锅炉事故多发，虽然效率低但安全性高的以大气压下空气为工作气体的热气机即斯特林引擎被大家所接受并得到应用。 8五 、斯特林引擎的历史1816年:获得专利Robert Stirling 取得英国(苏格兰)N0.4081专利。获得专利的引擎是用大气压下空气作为工作气体的引擎。约1850年:起步阶段1843年RStirling与其弟弟James Stirling对引擎做出改良

4、，其热效率从8提高到18。该引擎特点是利用自增压器产生的高压空气(1.2MPa)作为工作气体，并且是具有2个置换器和1个动力活塞的双作用引擎。9约1910年:低生产期倒退期美国J.Ericsson生产了大约3000台(0.55PS)用于抽水泵，压缩机等。但是，由于过热使得气缸壁被烧损，随着1876年的N.A.Otto的4冲程气体引擎，1883年GDaimler的4冲程的汽油机和1893年RDiesel的柴油机被相继发明，斯特林引擎最终被淘汰出局。1940年1970年:复兴期荷兰Philips公司1937注意到斯特林引擎的低振动和低噪音特点，进行了作为军用便携无线机电源的小型发电机驱动用引擎的开

5、发。该公司开发了菱形传动机构和袜套式密封的密封装置。该密封技术的利用使氦和氢可以作为工作气体，热效率一下提高到33-38。同时该公司与美国GM公司合作，进行了车用引擎的开发。10约1990年:商品开发期Philips公司1980年停止了引擎的开发,将技术转让给由自该公司独立出来并由R.J.Meijer先生创立在美国的STM公司(Stirling Thermal Motors,Inc.)。这期间开发的引擎的热效率达到了40。同时STM公司也在进行冲程可变的油压斜板机构的太阳能发电和热电联产用引擎(2540kW)的开发。另外Philips公司与许多公司进行了技术合作。同时也在进行与各家公司的商品开

6、发合作以及与其他公司更进一步的技术合作。19902000年:相关装置的过渡时期在日本，以商品化为目标对斯特林引擎进行降低成本和容积的研究工作。商品化的相近用途技术就有蒸气压缩式热泵动力。在其他国家也有少量用于太阳能驱动抽水泵以及海上动力源的实用化案例。另外，用该引擎进行太阳热能发电系统也在实验测试中。11 现在:商品化根据热源的多样性、低振动特点，欧洲着重发电功率1kW级的家用热电联产系统，欧美也在发电功率3kW、10kW以及25kW级的太阳热能发电系统和3kW及35kW级的木质物质燃烧发电系统推进它们的商品化工作。在日本，对面向家用热电联产系统的1kW和0.5kW级自由活塞引擎进行量产化同时

7、,生物质燃烧用3kW和5kW级的引擎发电系统,以及利用余热的0.2kW、1kW和10kW级的引擎发电系统的也进行了开发。 回顾斯特林引擎开发的历史，在开发初期因内燃机而受到冷落，至今也有不能打破这种状况。但是，热源种类的自由度、温差利用、低振动，特别是环保等特点必定使其能找到用武之地。12六、斯特林引擎的现在斯特林引擎在太阳能热发电领域“如日中天”自从Robert Stirling于18世纪初发明斯特林循环以来，斯特林引擎的发展远不及内燃机等热机，但是，现在斯特林引擎在太阳能热发电领域太阳能热发电领域又“如日中天”（华尔街日报语）。13太阳能发电系统 141516现役的瑞典海军哥德级(Gotl

8、and Class)潜艇，其绝气进系统(Air Independent Propulsion)，以燃烧液态氧和柴油的斯特林引擎提供辅助动力，可将下潜时间延长至数周之久，具有极佳的静音匿踪性能。 17七、斯特林引擎的概念斯特林引擎是一种外燃（或外部加热）式闭式循环活塞式引擎，也称为热气机，其热力循环为斯特林循环。各种燃料燃烧装置、太阳能、原子能、蓄热装置以及化学反应生成热装置等均可以成为其外部加热热外部加热热源源。理论斯特林循环的循环热效率为卡诺效率卡诺效率，即是在在一定的高温热源和低温热源之间工作的热机的最高一定的高温热源和低温热源之间工作的热机的最高效率效率。斯特林引擎循环系统中工质压力变化

9、平缓工质压力变化平缓，循环压力比通常小于2，且没有充量更换，因而运转平稳安运转平稳安静静。 18八、斯特林引擎原理用燃料燃料在气缸外部的燃烧室燃烧室加热加热工作气体（氢气或氦气），工作气体与外部完全封闭。工作气体受热膨胀受热膨胀后推动气缸内的活塞活塞作功作功，膨胀膨胀后被冷却冷却，体积缩小缩小，再次进人燃烧室燃烧室内加热加热，完成一次循环。引擎的转速可通过控制工作气体的流量来加以调节。 19加热器加热器冷却器冷却器再生器再生器20工作气体的膨胀、收缩及引擎的运动 实际的斯特林引擎是，通过配置数个活塞和热交换器，从外部连续加热冷却使工作气体的压力发生变化来实现的。 斯特林引擎的基本工作原理是，通

10、过对工作气体的加热膨胀，冷却收缩来做功实现的，即如图所示，密闭空间内的工作气体在汽缸的外部进行加热时，活塞下降，冷却时活塞上升。但是，从实际运作中发现，由于汽缸有着很大的热容量，用上述的加热、冷却方法，不能使它高转速运转，因此，作为实用性的引擎是不可行的。 21斯特林引擎的基本结构（型） 斯特林引擎，它是由2个温度差的汽缸、相位角相差90deg的 2个活塞、被称之为热交换器的加热器/再生器/冷却器，及圆滑的可连续运转的惯性轮4部分构成。 2223动作过程动作过程（1）（2）加热过程：膨胀的活塞下降，而压缩活塞向上）加热过程：膨胀的活塞下降，而压缩活塞向上运动，工作气体从压缩空间（低温空间）流向

11、膨胀空间（高温空运动，工作气体从压缩空间（低温空间）流向膨胀空间（高温空间），引擎内部的压力便上升。间），引擎内部的压力便上升。（2）（3）膨胀过程：）膨胀过程：2个活塞受到工作气体的压力，都个活塞受到工作气体的压力，都向下运动，这时，引擎就得到了一个驱动动力。向下运动，这时，引擎就得到了一个驱动动力。（3）（4）冷却过程：利用惯性轮所储备的能量使曲柄轴）冷却过程：利用惯性轮所储备的能量使曲柄轴转动起来，这时，膨胀活塞向上运动，而压缩活塞向下运动。工转动起来，这时，膨胀活塞向上运动，而压缩活塞向下运动。工作气体便从膨胀空间流入压缩空间，引擎内部的压力随之降低。作气体便从膨胀空间流入压缩空间，引

12、擎内部的压力随之降低。（4）（1）压缩过程：由于受到工作气体压力与活塞背面）压缩过程：由于受到工作气体压力与活塞背面的压力差，的压力差，2个活塞同时向上推进。这与利用爆炸产生驱动力的个活塞同时向上推进。这与利用爆炸产生驱动力的内燃机不同，它是通过工作气体在压缩过程中使引擎得到驱动力。内燃机不同，它是通过工作气体在压缩过程中使引擎得到驱动力。整个斯特林引擎的运动就是以上过程整个斯特林引擎的运动就是以上过程反复反复工作而成。工作而成。24九、斯特林引擎原理图25九、斯特林引擎原理图2627十、斯特林引擎的基本形式28型型高性能引擎有如图的美国SPS制160发动机。该发动机行程容积160cm3使用1

13、3MPa氦为工作气体。其输出10-l5kVV(转速1500-3600rpm)且热效率3032，被开发用于热电联产与太阳能发电。29型型高性能引擎有如图三菱电机制发动机。该发动机总行程容积266 cm3使用平均压力8 MPa的氦为工作气体，额定输出5.8kW (1500rpm)及最大热效率32(800rpm)，被开发用于蒸气压缩式热泵的压缩机驱动。30型 型有图所示德国HTC制的太阳能和抽水热的低温差用发动机。该发动机在面积lm2排气器表面采集太阳光，根据仅40k的低度差输出50W，是使用大气压空气为工作气体的低技术发动机。该发动机被用于抽取地下水的泵。31复动型如图所示为4缸组合（复动）型，各

14、气缸中的活塞上下的高温和低温腔保持90的相位差联结。与斯特林引擎的基本形式的引擎，紧凑并高输出的设计成为可能。该结构称为4缸双作用式。32对于动力引擎的情况，复动型引擎输出方法如图1所示分为旋转斜板，U型曲柄，型曲柄与图2所示直列曲柄等机构。输出30KW级以上的引擎为这些类型。图1图233十一、斯特林引擎模型实例 最简单构造的型斯特林发动机。膨胀侧及压缩侧的活塞及气缸使用玻璃制注射器(3cc)。膨胀侧活塞上部，设置约0.7mm间隙不锈钢制的帽子式加热器。通过在板材上开孔(3.5mm)膨胀空间与压缩空间与气缸联结。该发动机以酒精灯或气焊等加热并以3000rpm的转速运行。34 玻璃球引擎 (1)

15、 构造 玻璃球引擎的基本构造如图所示。试管 (以下称置换器气缸)内放入玻璃球 (以下称置换器)，通过硅橡胶管与注射器 (以下称内筒动力活塞，外筒称动力活塞气缸)连接。 在置换器气缸的中心附近设置其摆动运动支点，使得在动力活塞的端部也能进行自由摆动。(2) 工作原理 玻璃球引擎, 是置换器气缸与动力活塞气缸的传动运动具有特殊构造的自由活塞类型的引擎但是置换器的运动受置换器气缸倾斜度的支配，而且动力活塞气缸的运动受置换器运动的支配。35低温引擎 低温引擎的换置器气缸上下受热面积很大，是引擎内部能吸收大量热的构造的低温型引擎。试制的引擎能利用手掌与大气的温差（约10）工作。该引擎的动力活塞及其气缸和

16、换置器轴及其引导使用玻璃制注射器（3和0.5cc）。换置器为了轻量化使用泡沫聚苯乙烯，换置器和气缸的间隙为2mm。36空盒引擎空盒引擎试制的空盒引擎如图所示。该引擎在加热部放入80的热水而冷却部自然空冷状态下能工作。试制发动机的换置器的气缸为点心盒子(207mm60mm)，动力活塞及其气缸和换置器轴及其引导使用玻璃制注射器（3和1cc）。换置器活塞使用泡沫聚苯乙烯并且飞轮使用氯乙烯板。该引擎不利用特殊工作机械而能制作。 37以太阳能为热源运行的汽车 38PET瓶型引擎汽车 空罐引擎汽车 39足步行机器人 2足3轮步行机器人40斯特林引擎各类模型斯特林引擎各类模型41课堂设计（建议）利用蜡烛的斯

17、特林引擎小车或小船利用太阳能的斯特林引擎小车或小船利用太阳能的斯特林引擎风扇创意设计应用在各种领域的斯特林引擎装置 42设计要求能充分运用课堂学到的知识；设计的作品独特新颖，能明确反映设计的初衷；徒手作图完整、规范，尺寸大小自定，图纸清晰简洁；提倡设计多样化，个性化 。说明自己作品设计从选题到整个设计的理论基础、设计创意、实践应用等过程。43十四、思考题你认为在哪种领域使用斯特林引擎比较合适？如何提高斯特林引擎的使用效率？如何利用斯特林引擎工作原理，对建筑物的空调系统进行改进？如何利用计算机CPU的热量对计算机自身进行散热？ 。44各种内燃机热效率和输出功率的关系 45十二、斯特林引擎优点（相

18、比内燃机）（1）热效率高。热效率高。从理论上来说，它与卡诺循环（Carnots cycle）一样拥有高的热效率。（2）运行成本低，可以燃用任何一种燃料。运行成本低，可以燃用任何一种燃料。由于作为外燃机不选择热源，因此，可以利用一些化石燃料，太阳能，生物源和余热等。（3）污染小。污染小。在利用化石燃料燃烧所得到的热源的情况下，由于它是连续燃烧所以废气是清洁的。（4）噪声低。噪声低。作为动力源由于工作气体的压力变动呈现正弦波状，所以振动和噪音都比较低，实现了低噪运作。 斯特林引擎的推广应用，有利于国防，有利于经济建设，有利于产业结构优化，有利新能源利用，有利于环境保护，有利于我国在该技术领域赶超世界先进水平。 5kW的外燃机 太阳能太阳能-外燃混合发电型外燃混合发电型46十三、斯特林引擎缺点（相比内燃机)另一方面，斯特林引擎也存在着以下