斯特林发动机

斯特林发动机是一种往复的，连续外燃式发动机，和传统的内燃机相似，它也有一个活塞和气缸，但是它的内部工质通常为氢或者是氦，而且是被密封着的。功率的产生是需要交替加热和冷却工质，因为这样做可以导致作用在活塞的压力发生改变。斯特林发动机有一个刚问热源和一个低温的热沟，热源是压缩空间而热沟则是膨胀空间，在热源和热沟之间设置有回热器来实现隔离。斯特林发动机属于外燃式往复发动机。它与内燃机的区别在于对封入内部的气体从外部进行加热和冷却，从而推动活塞往复做功，由于这一区别，它具有以下优点：1、燃料多样化：由于是外燃机，可使用多种燃料，从煤炭、薪柴、余热到太阳能等均可利用。2、高效率：由于在加热器和冷却器中间没有蓄热式换热器，从理论上可接近卡诺循环[1]。

斯特林发动机及其循环

1816年伦敦牧师Robert Stirling提出了一种活塞式热气发动机一斯特林发动机的构想，这是一种外部加热的闭式循环发动机。该循环由两个等温过程和两个定容回热过程组成，属于概括性卡诺循环的一种。实现斯特林循环的关键在于实现回热。斯特林构想的热机由两个气缸-活塞夹一个蓄热式回热器组成。其制冷工作过程工作原理如下：

两个气缸-活塞系统为膨胀气缸-活塞系统和压缩气缸-活塞系统，分别对应于高温吸热和低温放热过程。两个气缸内工质气体通过蓄热式回热器连通，假定两个气缸缸套保持良好等温传热能力，以保证缸内气体温度各自始终不变（等温），稳态工作状况下，蓄热式回热器已经建立了从高温（膨胀气缸）到低温（压缩气缸）的稳定温度梯度。定义两个气缸-活塞系统中活塞靠近蓄热式回热器的行程止点为近止点，远离回热器的行程止点为远止点。选取循环开始时压缩活塞位于远止点，膨胀活塞位于近止点。此时工质气体完全处于压缩气缸中（假定理想情况下回热器内不存储气体），状态点编号为2。

循环开始后，压缩活塞向近止点运动，膨胀活塞不动，气体压力升高，比体积缩小（密度增大），是为等温压缩放热过程。当缸内气体压力达到额定压力，状态达到3点，膨胀活塞开始离开近止点向远止点运动，工质气体经蓄热式回热器流人膨胀气缸，蓄热器蓄热能力无限大且传热良好，从压缩缸到膨胀缸沿程各点温度保持稳定，工质经过蓄热器时沿程各点均为等容吸热，于是工质密度不变，通过蓄热器后变化到状态点4。压缩活塞到达近止点，全部工质通过蓄热器到达膨胀气缸，也全部到达状态点4。而后压缩活塞保持不动，膨胀活塞继续向远止点运动，气体进人定温膨胀吸热过程。该过程中，工质从膨胀气缸缸套等温吸热，压力降低，密度减小（比体积增大）。膨胀活塞到达远止点，过程完成，终于状态点1。然后膨胀活塞从远止点出发，压缩活塞从近止点出发，分别在同一时刻到达近止点和远止点，期间工质气体全部通过蓄热器进入压缩气缸，同时在蓄热器内沿程各点等温散发之前吸收的热能，实现一级冷却，并回到状态点2。

制约斯特林循环实际应用的因素有：高低温热源的等温吸热和等温放热难以实现、回热器回热难以实现、蓄热式回热器内部工质气体残留、蓄热式回热器阻力损失、活塞行程控制。玩具级的斯特林循环发动机和斯特林制冷机有很多产品出现，但是对实用级的斯特林机器上述制约因素的影响迅速变大，导致其竞争力快速下降。

斯特林发动机优点

与内燃机比较热气机所具备的优点：

1、适用于各种能源。无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统（如热管）间接加热时，几乎可以使用任何高温热源，如：生物质能（柴火等），而发动机本身（除加热器外）不需要作任何更改同时热气机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量；太阳能，这是斯特林发动机较为常见的用途之一；放射性同位素，常见于用于潜艇、深空的AIP系统。

2、噪音小。热气机在运行时，由于燃料的燃烧是连续的，因此避免了类似内燃机的爆震做功和间歇燃烧过程，从而实现了低噪音的优势。这使得它可以用在潜艇上以得到较好的隐蔽性。热气机单机容量小，机组容量从20-50kw，可以因地制宜的增减系统容量。结构简单，零件数比内燃机少40%，降价空间大，同时维护成本也较低。

3、不受气压影响。这是由于斯特林闭循环中工质与大气隔绝产生的。这使得它非常适合于高海拔地区使用。

斯特林发动机缺点

1、对材料要求高。内燃机的燃气最高温度要比斯特林高得多，但内燃机依靠散热把气缸的温度控制在90度左右，而斯特林发动机的加热器和膨胀腔需要长时间保持在较高的温度，这对材料提出了较高的要求。

2、热量损失大。同样是因为长时间保持高温，这使得很多热量通过直接传递和热辐射的形式损失了。所以需要采取一系列措施来减少热损失，比如把活塞做成中空结构，并且在里面设置多道“热障”。

3、体积大。这是由减少热损失的一系列措施导致的，要隔热，比功率就小。

4、反应慢。这些是针对常规结构的斯特林发动机而言。由于热源来自外部，传热需要时间，因此发动机需要经过一段时间才能使气缸的温度变化。这意味着：在提供有效动力之前需要时间暖机；不能快速改变其动力输出；密封和润滑的问题。密封和润滑在一定程度上相互矛盾。由于工作介质是有限的，因此对密封的要求较高，这也是斯特林发动机发明比内燃机早却没能得到很快发展的原因之一。为了降低摩擦损失，润滑的要求同样较高。由于润滑油汽化会凝结在回热器上造成堵塞，因此不能使用润滑油，只能干摩擦。对策：一般使用聚四氟乙烯（PTFE）和聚醚醚酮（PEEK）以及各种填料（青铜、石墨等）制成的活塞环，具有自动形成润滑层（自润滑）、耐高温（250℃Max）的特性。

斯特林发动机研发改良

已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。成功实例有美国STM公司的民用25KW外燃机以及日本亲潮级潜艇使用的斯特林发动机，中国潜艇也有自研成熟的斯特林发动机。热气机的未来发展将更多的应用新材料（如陶瓷），可将加热器温度进一步提高，理论有效效率可提升至42%。斯特林发动机有报道，已经开始研究在计算机主板的散热风扇上使用，通过北桥芯片的发热来带动斯特林发动机，以此来给硬件降温，该研究还处于研究阶段。

斯特林发动机的应用

随着全球能源与环保的形势日趋严峻，斯特林发动机由于其具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越受到重视，在水下动力、太阳能动力、空间站动力、热泵空调动力，车用混合推进动力等方面得到了广泛的研究与重视，并且已得到了一些成功的应用。斯特林机推广中的3个方向包括：

（1）小型分布式热电联产系统：斯特林发动机基于其特点可应用于热电联产系统。热电联产系统从规模上分为小型分布式热电联产系统和大型的以热电厂为基础的热电联产系统。其中小型分布式热电联产系统具有设备小型化和燃料多元化等特征。小型分布式热电联产系统主要由动力装置、供热装置和其他辅助装置组成，其中动力装置是整个系统的核心部件。天然气首先进人燃烧器进行燃烧，产生的高温烟气先用来加热发动机的高温热腔（区），然后与换热器进行换热，得到热水流入储槽作为生活热水，低温废气则从尾气管排出。同时，冷水冷却发动机的低温冷腔（区）也被加热得到热水。工质则在高温热腔与低温冷腔之间循环流动，推动活塞往复运动对外做功，带动发动机发电。

（2）低能级的余热回收：斯特林机也特别适合用来回收利用低能级的余热，如工厂余热、地热、太阳能等，以取得良好的节能效益。

（3）移动式动力源：对斯特林发动机进行小型化和轻量化改造，并改善其控制性能后，亦可作为推士机、压路机，甚至是潜水艇的动力来源。

发展

俄借“绝气”发动机研发常规潜艇

按“绝气”模式工作的斯特林发动机有望使常规潜艇焕发生机。按照这一方案，俄潜艇研发人员正在研制新一代常规动力潜艇。

位于俄圣彼得堡的著名潜艇研制单位——“红宝石”设计局日前对媒体披露，其试验的“绝气”斯特林发动机表现良好，今年该动力装置将安装到俄最新的“拉达”677式柴电潜艇上。到2017年，俄将批量生产装有“绝气”辅助发动机的新一代非核动力潜艇。

这是一种不依赖空气的动力装置，即发动机的内燃做功不使用空气中的氧气，而是改用预先储备的低温液化甲烷和液氧。其优势是，能够长时间在无空气条件下工作，因此尤其适合作为潜水艇的动力装置。

海军军事专家：中国常规潜艇AIP技术不输其他国家

斯特林发动机AIP的优点在于结构紧凑，技术简单，运行可靠性高，灵活性较好，造价和运行费用相对较低。但它受限于其自身工作原理，存在单机功率较低、设计制造和使用要求较高的缺点。另外，其瞬间提速或减速能力较弱，不利于潜艇的机动性。在潜深较大时，需要用压缩机将废气加压后才能排出舱外，提高了振动噪音等级和能耗。该技术最先达到实用化水平，典型代表是瑞典海军的“哥特兰”级潜艇与日本海上自卫队的“苍龙”级潜艇。

对于两种技术哪种更为先进时，李杰说，“各有千秋”，主要取决于对技术的掌握情况和操控维护水平。他告诉记者，燃料电池AIP潜艇水下续航时间相对比较长，可达15—20多天，但是管理和控制相对比较难，爆炸等危险性大些；而斯特林发动机AIP，续航时间稍微短些，例如日本“苍龙”级发动机续航时间一般为15天，但是操控起来相对简单。从目前来看，差别并不是特别大，只要技术掌握得好，安全性和运作效果都不错。“就像核技术一样，只要各个环节都严格管控，就不会出现问题或将危险降至最低。”