斯特灵发动机

史特林引擎英語:[1]又名熱空氣引擎,是一种基于斯特林循环的闭循环活塞式热机。闭循环的意思是膨胀和压缩介质一直保存在气缸内;而开循环,如内燃机需要与大气交换气体。

長型史特林機剖面圖:
  • 粉紅–高溫汽缸壁
  • 深灰–低溫汽缸壁(透過黃色通道注入和排出冷卻液)
  • 深綠–溫度隔離壁
  • 淺綠–配气活塞
  • 深藍–活塞
  • 淺藍–曲柄和齒輪
不在圖上的:熱源和冷源。

历史

伦敦的牧师罗伯特·斯特灵(Robert Stirling)于1816年发明的,所以命名为“史特林引擎”(Stirling engine)。

工作原理

斯特林发动机透過气体吸收热源的内能,热胀冷缩做功,然后接触冷源,气体压缩,使活塞复位。发动机内的工作气体处于封闭中,因此可以用惰性气体来作为介質。以简单的双缸斯特林为例,斯特林发动机的工作过程可以分为如下几个阶段[2]

  1. 右侧气缸与热源接触,缸内气体受热膨胀,对右侧活塞做功,活塞上升,接近于等温膨胀过程。
  2. 左侧活塞上升,右侧活塞下降,工作气体进入左侧气缸,接近于等容放热过程。
  3. 左侧气缸与冷源接触,缸内气体冷却收缩,左侧活塞下降,接近于等温压缩过程。
  4. 左侧活塞继续下降,工作气体返回右侧气缸,接近于等容吸热过程,完成一个循环。

理想情况下,等容放热量与等容吸热量相同,等温膨胀吸热量高于等温压缩放热量,输出机械能。

配气活塞式斯特林发动机的原理,配气活塞斯特林发动机有配气活塞和动力活塞两个活塞。其中配气活塞并不密封,气体可以从其和气缸间的缝隙中自由流动:

  1. 底部气体受热,配气活塞向上运动。
  2. 配气活塞上部气体受到压迫,一部分推动动力活塞运动,一部分从缝隙中进入配气活塞底部受热膨胀继续推动配气活塞。
  3. 动力活塞转动,带动飞轮,飞轮带动配气活塞向下运动。
  4. 配气活塞压迫气体进入上方,气体被冷却收缩,配气活塞上升,完成一个循环。

背景

在將熱變成機械功的轉換上,斯特林引擎在真實的熱機中可達最高的熱效率,至多80%,僅受工作氣體和引擎材料的不理想性質限制,例如摩擦熱傳導性、抗張強度、緩慢、熔點等。

只要提供充足熱源,此引擎理論上可用被任何熱源推動,包括太陽能化學能核能

內燃機相比,斯特林引擎往往維修需求較低,更高效、更安靜、而且更可靠。它們傾向被應用於某些特殊用途以發揚其獨特優點。特別是首要目標非減低每單位功率的投資成本(金錢/千瓦),而是減低引擎產生每單位能量的成本(金錢/度)的時候。

在額定功率下,斯特林引擎的投資成本目前比內燃機引擎高,而且通常更大更重,因此這引擎科技很少單獨以此作為競爭基準。然而在一些用途上(例如需要靜音的潛艇[3]),適當的本益分析可令斯特林引擎優於內燃機引擎。

近年來,鑑於能源成本普遍上漲,能源短缺和全球暖化之類的環境問題,斯特林引擎的優點愈來愈顯著。也有人将斯特林发动机运用在了实验车辆上。[4] 對斯特林引擎科技提高興趣促進了斯特林裝置的研發。其應用涵蓋藉由不相容於內燃機的豐富能源抽水、宇基太空航行、發電,像是太陽能、農業廢料還有家庭垃圾。

另一個斯特林引擎的潛力是,若供應機械功,它可以作為一種熱泵。已有實驗利用風能驅動斯特林熱泵作為家用冷暖空調

很小的斯特林发动机

問題在于(1)散熱器巨大,无法用于移動机器如汽車,(2)材料要求過高,沒有材料可平價用于大功率引擎。

相關條目

资料来源

  1. . hotairengines.org. [2020-06-19]. (原始内容存档于2020-06-06).
  2. 斯特林发动机工作原理 存檔,存档日期2009-07-11.
  3. . [2009-05-18]. (原始内容存档于2010-03-04).
  4. . [2009-05-19]. (原始内容存档于2009-07-11).

延伸閱讀

  • R.C. Belaire (1977). "Device for decreasing the start-up time for stirling engines", US patent 4057962. Granted to Ford Motor Company, 15 November 1977.
  • P.H. Ceperley. . Journal of the Acoustical Society of America. 1979, 66 (5): 1508–1513. Bibcode:1979ASAJ...66.1508C. doi:10.1121/1.383505.
  • P. Fette. . [2009-01-19]. (原始内容存档于2001-03-08).
  • P. Fette. . [2009-01-19]. (原始内容存档于2001-03-08).
  • D. Haywood. (PDF). [2009-01-19]. (原始内容 (PDF)存档于2007-09-26).
  • Z. Herzog. . Mont Alto: Pennsylvania State University. 2006 [2009-01-19]. (原始内容存档于2007-04-03).
  • F. Kyei-Manu; A. Obodoako. (PDF). 2005 [2009-01-19]. (原始内容 (PDF)存档于2009-03-06).
  • Lund University, Department of Energy Science: Division of Combustion Engines. . [2009-01-19]. (原始内容存档于2008-04-19).
  • N.P. Nightingale. (PDF). NASA. 1986 [2009-01-19]. (原始内容存档 (PDF)于2010-05-18).
  • D. Phillips. . 1994 [2009-01-19]. (原始内容存档于2009-01-19).

外部連結

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