斯特林引擎小车制作

斯特林引擎小车创新设计竞赛2一、意义培养学生设计制作能力，树立创新设计思想掌握Stirling引擎的工作原理，触发应用灵感3二、目的通过学习，设计与制作斯特林引擎模型，了解斯特林引擎的基本构成、工作原理和特点，实现将热能转换成机械动力的过程，将所学的机械设计和能量转换、机械制图方面的知识综合运用到斯特林引擎模型制作中去，培养学生的创新思维能力和实践动手能力，提高综合素质，同时增加节能环保意识。4课程内容斯特林引擎概念斯特林引擎工作原理斯特林引擎基本形式斯特林引擎设计斯特林引擎各类模型拓展斯特林引擎历史和现在5三、斯特林引擎历史斯特林引擎（Stirlingengine），是一种外燃机，它是英国牧师罗伯特·斯特林在1861年发明的热气引擎。6三、斯特林引擎历史1807年GeorgeCayley创造了第一台能实际工作的开式循环热气机1816年RobertStirling发明了闭式循环热气机1851年JohnEricssion制成了44.4kW的外燃式开式循环热气机1853年制造了缸径4.26m的超大型热气机，总功率220kW，效率13%，装在2000T的明轮船上1916年最后一台老式热气机出厂7四、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RobertStirling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又“如日中天”（华尔街日报语）。8910五、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源。理论斯特林循环的循环热效率为卡诺效率，即是在一定的高温热源和低温热源之间工作的热机的最高效率。斯特林引擎循环系统中工质压力变化平缓，循环压力比通常小于2，且没有充量更换，因而运转平稳安静。11斯特林循环TheStirlingcycle斯特林循环两个等温过程两个等容过程卡诺循环两个等温过程两个绝热过程TheStirlingcycle12外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，有别于依靠燃料在发动机内部燃烧获得动力的内燃机。新型外燃机使用氢气作为工质，在四个封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。斯特林发动机是一种外燃机13外燃机优缺点由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。只要热腔达到700℃，设备即可做功运行，环境温度越低，发电效率越高。外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。但是，斯特林发动机还有许多问题要解决，例如膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等。所以，还不能成为大批量使用的发动机。斯特林发动机目前有报道，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。1415已研发改良的的外燃机改良的单缸斯特林发动机示意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。美国STM公司的民用25KW外燃机按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。配气活塞式热气机，在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动；双作用式热气机，每个气缸内只有一个活塞，兼起配气活塞和动力活塞的作用。各缸的上部为热腔，下部为冷腔。各热腔经加热器、回热器和冷却器与邻缸的下部冷腔连接，组成一个动力单元。日本亲潮级潜艇使用的斯特林发动机原理图热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程。两缸外燃机工作原理热气机的优点与内燃机比较热气机所具备的优点：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(太阳能放射性同位素和核反应等)，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。热气机在运行时，由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，独立于燃气的工质通过加热器吸热，并按斯特林循环对外做功，因此避免了类似内燃机的爆震做功和间歇燃烧过程，从而实现了高效、低噪和低排放运行。高效：总能效率达到80%以上；低噪：1米处裸机噪音底于68dBA；低排放：尾气排放达到欧5标准。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。17热气机存在的主要问题热气机尚存在的主要问题和缺点是制造成本较高，工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题，功率调节控制系统较复杂，机器较为笨重。热气机的未来发展将更多的应用新材料(如陶瓷)和新工艺，以降低造价；对实际循环进行理论研究，完善结构，提高性能指标；在应用方面，正大力研究汽车用的大功率燃煤热气机、太阳能热气机和特种用途热气机等。热气机分为单缸、2缸、4缸等形式；单缸热气机的燃烧室与冷却器共一室，需要交替向燃烧室中注入燃气、燃烧、排气、注入冷却气体等循环过程，驱动活塞上下运动带动曲轴转动，由于燃烧室需要交替使用，与一般的内燃机一样复杂，很少再发展。2缸热气机的燃烧、冷却过程完全连续，1个汽缸加热、1个冷却，工质在2个气缸中密闭循环，反复被加热冷却，活塞在热气驱动下上下运动驱动曲轴旋转。4缸热气机的气缸上部加热、下部冷却，或相反，工质在相邻两个气缸的上下部间循环，4个活塞交替上下，直接驱动斜盘转动，工作最为平顺。18热气机的应用热气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。热气机推广中的3个方向包括：热电联产充分利用它环境污染小和可使用多种燃料及易利用余热的特点，用于热电联产可取得更高的热效率和经济效率。四联装余热回收系统低能级的余热回收利用对燃烧系统稍加改进便可利用工场余热、地热和太阳能进行发电或直接驱动水泵，可取得更大的节能效益。移动式动力源通过对发动机的小型化和轻量化，并改善其控制性能后，亦可以作为推土机、压路机等车辆的动力。注意斯特林发动机的发明时间是1816，是和蒸汽机差不多的古老的发动机，多年没有引起人们的重视，斯特林发动机的几个特性是非常适合潜艇的，首先是燃烧连续，由于工质不燃烧，因此没有内燃机的爆震现象，噪音低；其次可以使用任何燃料，其燃烧室在外，燃烧的过程与工质无关，或者说只要有热源、冷源就能工作，无论烧煤烧碳都可以，只要能发热就行；19斯特林发动机的发展斯特林循环热空气发动机不排废气，除燃烧室内原有的空气外，不需要其他空气，所以适用于都市环境和外层空间。18世纪末和19世纪初，热机普遍为蒸汽机，它的效率是很低的，只有3％一5％左右，即有95％以上的热能没有得到利用。到1840年，热机的效率也仅仅提高到8％。斯特林对于热力学理论的研究，就是从提高热机效率的目的出发的。他所提出的斯特林循环的效率，在理想状况下，可以无限提高。当然受实际可能的限制，不可能达到100％，但提供了提高热效率的努力方向。20六、斯特林引擎原理用燃料在气缸外部的燃烧室加热工作气体（氢气或氦气），工作气体与外部完全封闭。工作气体受热膨胀后推动气缸内的活塞作功，膨胀后被冷却，体积缩小，再次进人燃烧室内加热，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。2122斯特林引擎模型实例2324（1）等容加热过程②→③在工作气体(空气)所占容积一定的情况下，工作气体自低温空间向高温空间移动。那个一定容积(等容)的工作气体，通过气缸被加热，由于高温而压力上升。（2）等温膨胀过程③→④②→③过程工作气体的压力上升，工作气体所占容积增加，高温·低温侧的两活塞开始下降。此外工作气体通过气缸壁一边加热一边继续膨胀，并且使输出轴旋转。即时得到飞轮积蓄的一部分动能。25（3）等容冷却过程④→①③→④过程利用飞轮积蓄的能源，高温侧活塞上升，低温侧活塞下降。即，工作气体所占容积一定时，工作气体自高温空间向低温空间移动，那个时候一定容量(等容)的工作气体，通过联结部(冷却部)及气缸壁冷却，由于低温压力开始降低。（4）等温压缩过程①→②④→①过程工作气体的压力下降。因此工作气体所占容积减少，利用飞轮积蓄的能源，高温·低温侧的两活塞开始上升。最近工作气体一边压缩一边通过联结部(冷却部)及气缸壁冷却，工作气体所占容积最小。这样引擎启动时，被高温·低温侧的两活塞密闭的工作气体所占容积，需要根据工作煤气加热增加的方向使之旋转,不过旋转开始后，利用飞轮重复③→④→①→②→③的过程。作为这个结果能从输出轴得到动力。26斯特林引擎原理图α型雙活塞型（Two-Piston）27γ型交換器型（Displacer）28斯特林引擎原理图2930加热点31玻璃球引擎32七、斯特林引擎的基本形式33八、斯特林引擎各类模型34九、斯特林引擎优缺点（相比内燃机）优点：污染小噪声低热效率高运行成本低，可以燃用任何一种燃料。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-外燃混合发电型35十、斯特林引擎缺点（相比内燃机)缺点：转速低加速性差结构复杂笨重造价高因此一直无法与内燃机竞争，没有得到实际应用。36十一、设计与制作在基本设想阶段要求进行作出基于输出和形状的概略图。在设计阶段作出基于各零件的强度计算和形状计算的实施计划图的概略图。在制造图纸的作成阶段作出基于零部图和组装图的计划图。在制造阶段提供加工材料及规格零件和加工必要零件。在组装阶段检查规格零件及加工零件的尺寸，进行各零件的粘结及联结的组装。在此后的试运行阶段进行加热确认引擎的工作。这时如果产生不正常的情况，追查原因并图示达到初期要求性能的改进方法。373839【完成品尺寸(mm)】W280×D125×H130【材质】车身部分和除底座以外的主体零件：铝；导热剂：铁，导管等；螺丝钉等：铁（镀镍）【重量(g)】700经典发明之斯特林引擎小车40经典发明之斯特林引擎小车41经典发明之斯特林引擎小车424344454647484950515253配件淘购，废物利用，节约成本，集思广益淘宝网，阿里巴巴，旧玩具，旧货市场，废旧器具，玩具车，玩具车底盘，玩具车齿轮，玩具车车轮塑料齿轮，二手玩具，废旧物资回收站（针筒，橡皮，胶圈，胶管）54塑料齿轮，玩具车齿轮，玩具车车轮555657585960616263極速引擎的魅力–史特靈引擎（StirlingEngine）的製作與教學活動設計曾玉泉國立台灣師範大學工業科技教育系研究生參、利用周遭材料製作史特靈引擎（StirlingEngine）6465666768697071本次比赛参考资料：《斯特林引擎模型制作》滨口和洋等著曹其新，凌芳等译上海交通大学出