斯特林引擎模型創(chuàng)新設計課程中心

1、探究課名稱：探究課名稱： 斯特林引擎模型創(chuàng)新設計斯特林引擎模型創(chuàng)新設計上課老師:凌 芳上課地點:B樓展示廳2一、課程目的通過學習，設計斯特林引擎模型，了解斯特林引擎的基本構成、工作原理、基本結構形式和特點。通過學習，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力和實踐動手能力，提高綜合素質。 通過學習，在學習過程之中增加節(jié)能環(huán)保意識。3二、課程內容二、課程內容1.了解斯特林引擎開發(fā)的歷史及狀況；2.了解斯特林引擎基本構成、工作原理、基本形式3.設計斯特林引擎模型；4.與內燃機之比較優(yōu)缺點；4課程內容課程內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、特林引擎設計設計斯特林引擎斯特林引擎各類模型各類模型探究探究斯特林引擎斯特林引擎歷史和現(xiàn)在歷史和現(xiàn)在5三、課程安排三、課程安排課程名稱斯特林引擎創(chuàng)新設計課時數(shù)3任課教師凌芳教學內容學時分配自學要求實習報告或作業(yè)要求團隊項目要求講授課時實踐內容與學時斯特林引擎基礎知識10.5要求學生發(fā)揮創(chuàng)造性思維，按時、獨立完成相關主題斯特林引擎設計作業(yè)要求：準時提交、內容完整、滿足要求、態(tài)度認真、不準抄襲。分組：3-5人，在規(guī)定的時間內，完成至少1個斯特林引擎的設計斯特林引擎設計0.516四、課程背景全社會大力提倡節(jié)能減排，建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會t汽車：混合動力汽車t熱電聯(lián)供t制冷、空調t斯特林制冷循

3、環(huán)t壓縮機t太空t水下可再生能源l風能l太陽能l地熱l生物質l小水電多種熱源7五、斯特林引擎的歷史斯特林引擎（Stirling engine），是一種外燃機，它是英國牧師羅伯特斯特林在1816年發(fā)明的熱氣機。當時蒸氣機很盛行,由于鍋爐事故多發(fā)，雖然效率低但安全性高的以大氣壓下空氣為工作氣體的熱氣機即斯特林引擎被大家所接受并得到應用。 8五 、斯特林引擎的歷史1816年:獲得專利Robert Stirling 取得英國(蘇格蘭)N0.4081專利。獲得專利的引擎是用大氣壓下空氣作為工作氣體的引擎。約1850年:起步階段1843年RStirling與其弟弟James Stirling對引擎做出改良

4、，其熱效率從8提高到18。該引擎特點是利用自增壓器產生的高壓空氣(1.2MPa)作為工作氣體，并且是具有2個置換器和1個動力活塞的雙作用引擎。9約1910年:低生產期倒退期美國J.Ericsson生產了大約3000臺(0.55PS)用于抽水泵，壓縮機等。但是，由于過熱使得氣缸壁被燒損，隨著1876年的N.A.Otto的4沖程氣體引擎，1883年GDaimler的4沖程的汽油機和1893年RDiesel的柴油機被相繼發(fā)明，斯特林引擎最終被淘汰出局。1940年1970年:復興期荷蘭Philips公司1937注意到斯特林引擎的低振動和低噪音特點，進行了作為軍用便攜無線機電源的小型發(fā)電機驅動用引擎的開

5、發(fā)。該公司開發(fā)了菱形傳動機構和襪套式密封的密封裝置。該密封技術的利用使氦和氫可以作為工作氣體，熱效率一下提高到33-38。同時該公司與美國GM公司合作，進行了車用引擎的開發(fā)。10約1990年:商品開發(fā)期Philips公司1980年停止了引擎的開發(fā),將技術轉讓給由自該公司獨立出來并由R.J.Meijer先生創(chuàng)立在美國的STM公司(Stirling Thermal Motors,Inc.)。這期間開發(fā)的引擎的熱效率達到了40。同時STM公司也在進行沖程可變的油壓斜板機構的太陽能發(fā)電和熱電聯(lián)產用引擎(2540kW)的開發(fā)。另外Philips公司與許多公司進行了技術合作。同時也在進行與各家公司的商品開

6、發(fā)合作以及與其他公司更進一步的技術合作。19902000年:相關裝置的過渡時期在日本，以商品化為目標對斯特林引擎進行降低成本和容積的研究工作。商品化的相近用途技術就有蒸氣壓縮式熱泵動力。在其他國家也有少量用于太陽能驅動抽水泵以及海上動力源的實用化案例。另外，用該引擎進行太陽熱能發(fā)電系統(tǒng)也在實驗測試中。11 現(xiàn)在:商品化根據(jù)熱源的多樣性、低振動特點，歐洲著重發(fā)電功率1kW級的家用熱電聯(lián)產系統(tǒng)，歐美也在發(fā)電功率3kW、10kW以及25kW級的太陽熱能發(fā)電系統(tǒng)和3kW及35kW級的木質物質燃燒發(fā)電系統(tǒng)推進它們的商品化工作。在日本，對面向家用熱電聯(lián)產系統(tǒng)的1kW和0.5kW級自由活塞引擎進行量產化同時

7、,生物質燃燒用3kW和5kW級的引擎發(fā)電系統(tǒng),以及利用余熱的0.2kW、1kW和10kW級的引擎發(fā)電系統(tǒng)的也進行了開發(fā)。 回顧斯特林引擎開發(fā)的歷史，在開發(fā)初期因內燃機而受到冷落，至今也有不能打破這種狀況。但是，熱源種類的自由度、溫差利用、低振動，特別是環(huán)保等特點必定使其能找到用武之地。12六、斯特林引擎的現(xiàn)在斯特林引擎在太陽能熱發(fā)電領域“如日中天”自從Robert Stirling于18世紀初發(fā)明斯特林循環(huán)以來，斯特林引擎的發(fā)展遠不及內燃機等熱機，但是，現(xiàn)在斯特林引擎在太陽能熱發(fā)電領域太陽能熱發(fā)電領域又“如日中天”（華爾街日報語）。13太陽能發(fā)電系統(tǒng) 141516現(xiàn)役的瑞典海軍哥德級(Gotl

8、and Class)潛艇，其絕氣進系統(tǒng)(Air Independent Propulsion)，以燃燒液態(tài)氧和柴油的斯特林引擎提供輔助動力，可將下潛時間延長至數(shù)周之久，具有極佳的靜音匿蹤性能。 17七、斯特林引擎的概念斯特林引擎是一種外燃（或外部加熱）式閉式循環(huán)活塞式引擎，也稱為熱氣機，其熱力循環(huán)為斯特林循環(huán)。各種燃料燃燒裝置、太陽能、原子能、蓄熱裝置以及化學反應生成熱裝置等均可以成為其外部加熱熱外部加熱熱源源。理論斯特林循環(huán)的循環(huán)熱效率為卡諾效率卡諾效率，即是在在一定的高溫熱源和低溫熱源之間工作的熱機的最高一定的高溫熱源和低溫熱源之間工作的熱機的最高效率效率。斯特林引擎循環(huán)系統(tǒng)中工質壓力變化

9、平緩工質壓力變化平緩，循環(huán)壓力比通常小于2，且沒有充量更換，因而運轉平穩(wěn)安運轉平穩(wěn)安靜靜。 18八、斯特林引擎原理用燃料燃料在氣缸外部的燃燒室燃燒室加熱加熱工作氣體（氫氣或氦氣），工作氣體與外部完全封閉。工作氣體受熱膨脹受熱膨脹后推動氣缸內的活塞活塞作功作功，膨脹膨脹后被冷卻冷卻，體積縮小縮小，再次進人燃燒室燃燒室內加熱加熱，完成一次循環(huán)。引擎的轉速可通過控制工作氣體的流量來加以調節(jié)。 19加熱器加熱器冷卻器冷卻器再生器再生器20工作氣體的膨脹、收縮及引擎的運動 實際的斯特林引擎是，通過配置數(shù)個活塞和熱交換器，從外部連續(xù)加熱冷卻使工作氣體的壓力發(fā)生變化來實現(xiàn)的。 斯特林引擎的基本工作原理是，通

10、過對工作氣體的加熱膨脹，冷卻收縮來做功實現(xiàn)的，即如圖所示，密閉空間內的工作氣體在汽缸的外部進行加熱時，活塞下降，冷卻時活塞上升。但是，從實際運作中發(fā)現(xiàn)，由于汽缸有著很大的熱容量，用上述的加熱、冷卻方法，不能使它高轉速運轉，因此，作為實用性的引擎是不可行的。 21斯特林引擎的基本結構（型） 斯特林引擎，它是由2個溫度差的汽缸、相位角相差90deg的 2個活塞、被稱之為熱交換器的加熱器/再生器/冷卻器，及圓滑的可連續(xù)運轉的慣性輪4部分構成。 2223動作過程動作過程（1）（2）加熱過程：膨脹的活塞下降，而壓縮活塞向上）加熱過程：膨脹的活塞下降，而壓縮活塞向上運動，工作氣體從壓縮空間（低溫空間）流向

11、膨脹空間（高溫空運動，工作氣體從壓縮空間（低溫空間）流向膨脹空間（高溫空間），引擎內部的壓力便上升。間），引擎內部的壓力便上升。（2）（3）膨脹過程：）膨脹過程：2個活塞受到工作氣體的壓力，都個活塞受到工作氣體的壓力，都向下運動，這時，引擎就得到了一個驅動動力。向下運動，這時，引擎就得到了一個驅動動力。（3）（4）冷卻過程：利用慣性輪所儲備的能量使曲柄軸）冷卻過程：利用慣性輪所儲備的能量使曲柄軸轉動起來，這時，膨脹活塞向上運動，而壓縮活塞向下運動。工轉動起來，這時，膨脹活塞向上運動，而壓縮活塞向下運動。工作氣體便從膨脹空間流入壓縮空間，引擎內部的壓力隨之降低。作氣體便從膨脹空間流入壓縮空間，引

12、擎內部的壓力隨之降低。（4）（1）壓縮過程：由于受到工作氣體壓力與活塞背面）壓縮過程：由于受到工作氣體壓力與活塞背面的壓力差，的壓力差，2個活塞同時向上推進。這與利用爆炸產生驅動力的個活塞同時向上推進。這與利用爆炸產生驅動力的內燃機不同，它是通過工作氣體在壓縮過程中使引擎得到驅動力。內燃機不同，它是通過工作氣體在壓縮過程中使引擎得到驅動力。整個斯特林引擎的運動就是以上過程整個斯特林引擎的運動就是以上過程反復反復工作而成。工作而成。24九、斯特林引擎原理圖25九、斯特林引擎原理圖2627十、斯特林引擎的基本形式28型型高性能引擎有如圖的美國SPS制160發(fā)動機。該發(fā)動機行程容積160cm3使用1

13、3MPa氦為工作氣體。其輸出10-l5kVV(轉速1500-3600rpm)且熱效率3032，被開發(fā)用于熱電聯(lián)產與太陽能發(fā)電。29型型高性能引擎有如圖三菱電機制發(fā)動機。該發(fā)動機總行程容積266 cm3使用平均壓力8 MPa的氦為工作氣體，額定輸出5.8kW (1500rpm)及最大熱效率32(800rpm)，被開發(fā)用于蒸氣壓縮式熱泵的壓縮機驅動。30型 型有圖所示德國HTC制的太陽能和抽水熱的低溫差用發(fā)動機。該發(fā)動機在面積lm2排氣器表面采集太陽光，根據(jù)僅40k的低度差輸出50W，是使用大氣壓空氣為工作氣體的低技術發(fā)動機。該發(fā)動機被用于抽取地下水的泵。31復動型如圖所示為4缸組合（復動）型，各

14、氣缸中的活塞上下的高溫和低溫腔保持90的相位差聯(lián)結。與斯特林引擎的基本形式的引擎，緊湊并高輸出的設計成為可能。該結構稱為4缸雙作用式。32對于動力引擎的情況，復動型引擎輸出方法如圖1所示分為旋轉斜板，U型曲柄，型曲柄與圖2所示直列曲柄等機構。輸出30KW級以上的引擎為這些類型。圖1圖233十一、斯特林引擎模型實例 最簡單構造的型斯特林發(fā)動機。膨脹側及壓縮側的活塞及氣缸使用玻璃制注射器(3cc)。膨脹側活塞上部，設置約0.7mm間隙不銹鋼制的帽子式加熱器。通過在板材上開孔(3.5mm)膨脹空間與壓縮空間與氣缸聯(lián)結。該發(fā)動機以酒精燈或氣焊等加熱并以3000rpm的轉速運行。34 玻璃球引擎 (1)

15、 構造 玻璃球引擎的基本構造如圖所示。試管 (以下稱置換器氣缸)內放入玻璃球 (以下稱置換器)，通過硅橡膠管與注射器 (以下稱內筒動力活塞，外筒稱動力活塞氣缸)連接。 在置換器氣缸的中心附近設置其擺動運動支點，使得在動力活塞的端部也能進行自由擺動。(2) 工作原理 玻璃球引擎, 是置換器氣缸與動力活塞氣缸的傳動運動具有特殊構造的自由活塞類型的引擎但是置換器的運動受置換器氣缸傾斜度的支配，而且動力活塞氣缸的運動受置換器運動的支配。35低溫引擎 低溫引擎的換置器氣缸上下受熱面積很大，是引擎內部能吸收大量熱的構造的低溫型引擎。試制的引擎能利用手掌與大氣的溫差（約10）工作。該引擎的動力活塞及其氣缸和

16、換置器軸及其引導使用玻璃制注射器（3和0.5cc）。換置器為了輕量化使用泡沫聚苯乙烯，換置器和氣缸的間隙為2mm。36空盒引擎空盒引擎試制的空盒引擎如圖所示。該引擎在加熱部放入80的熱水而冷卻部自然空冷狀態(tài)下能工作。試制發(fā)動機的換置器的氣缸為點心盒子(207mm60mm)，動力活塞及其氣缸和換置器軸及其引導使用玻璃制注射器（3和1cc）。換置器活塞使用泡沫聚苯乙烯并且飛輪使用氯乙烯板。該引擎不利用特殊工作機械而能制作。 37以太陽能為熱源運行的汽車 38PET瓶型引擎汽車 空罐引擎汽車 39足步行機器人 2足3輪步行機器人40斯特林引擎各類模型斯特林引擎各類模型41課堂設計（建議）利用蠟燭的斯

17、特林引擎小車或小船利用太陽能的斯特林引擎小車或小船利用太陽能的斯特林引擎風扇創(chuàng)意設計應用在各種領域的斯特林引擎裝置 42設計要求能充分運用課堂學到的知識；設計的作品獨特新穎，能明確反映設計的初衷；徒手作圖完整、規(guī)范，尺寸大小自定，圖紙清晰簡潔；提倡設計多樣化，個性化 。說明自己作品設計從選題到整個設計的理論基礎、設計創(chuàng)意、實踐應用等過程。43十四、思考題你認為在哪種領域使用斯特林引擎比較合適？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，對建筑物的空調系統(tǒng)進行改進？如何利用計算機CPU的熱量對計算機自身進行散熱？ 。44各種內燃機熱效率和輸出功率的關系 45十二、斯特林引擎優(yōu)點（相

18、比內燃機）（1）熱效率高。熱效率高。從理論上來說，它與卡諾循環(huán)（Carnots cycle）一樣擁有高的熱效率。（2）運行成本低，可以燃用任何一種燃料。運行成本低，可以燃用任何一種燃料。由于作為外燃機不選擇熱源，因此，可以利用一些化石燃料，太陽能，生物源和余熱等。（3）污染小。污染小。在利用化石燃料燃燒所得到的熱源的情況下，由于它是連續(xù)燃燒所以廢氣是清潔的。（4）噪聲低。噪聲低。作為動力源由于工作氣體的壓力變動呈現(xiàn)正弦波狀，所以振動和噪音都比較低，實現(xiàn)了低噪運作。 斯特林引擎的推廣應用，有利于國防，有利于經濟建設，有利于產業(yè)結構優(yōu)化，有利新能源利用，有利于環(huán)境保護，有利于我國在該技術領域趕超世界先進水平。 5kW的外燃機 太陽能太陽能-外燃混合發(fā)電型外燃混合發(fā)電型46十三、斯特林引擎缺點（相比內燃機)另一方面，斯特林引擎也存在著以下