斯特林引擎小車制作a

1、1,一 、意義,培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)制作能力，樹立創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想掌握Stirling引擎的工作原理，觸發(fā)應(yīng)用靈感,,,2,二 、目的,通過(guò)學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)與制作斯特林引擎模型，了解斯特林引擎的基本構(gòu)成、工作原理和特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)力的過(guò)程，將所學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)和能量轉(zhuǎn)換、機(jī)械制圖方面的知識(shí)綜合運(yùn)用到斯特林引擎模型制作中去，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，提高綜合素質(zhì)， 同時(shí)增加節(jié)能環(huán)保意識(shí)。,3,4,三 、斯特林引擎歷史,斯特林引擎（St

2、irling engine），是一種外燃機(jī)，它是英國(guó)牧師羅伯特·斯特林在1861年發(fā)明的熱氣引擎。,,,,,,,,,,5,三 、斯特林引擎歷史,1807年George Cayley創(chuàng)造了第一臺(tái)能實(shí)際工作的開式循環(huán)熱氣機(jī)1816年Robert Stirling發(fā)明了閉式循環(huán)熱氣機(jī)1851年John Ericssion制成了44.4kW的外燃式開式循環(huán)熱氣機(jī)1853年制造了缸徑4.26m的超大型熱氣機(jī)，總功率220kW，效率

3、13%，裝在2000T的明輪船上1916年最后一臺(tái)老式熱氣機(jī)出廠,6,四、斯特林引擎的現(xiàn)在,斯特林引擎在太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域“如日中天”,自從Robert Stirling于18世紀(jì)初發(fā)明斯特林循環(huán)以來(lái)，斯特林引擎的發(fā)展遠(yuǎn)不及內(nèi)燃機(jī)等熱機(jī)，但是，現(xiàn)在斯特林引擎在太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域又“如日中天”（華爾街日?qǐng)?bào)語(yǔ)）。,7,8,,,9,五、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(jī)，其熱力循環(huán)為斯特林循環(huán)

4、。各種燃料燃燒裝置、太陽(yáng)能、原子能、蓄熱裝置以及化學(xué)反應(yīng)生成熱裝置等均可以成為其外部加熱熱源。理論斯特林循環(huán)的循環(huán)熱效率為卡諾效率，即是在一定的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作的熱機(jī)的最高效率。斯特林引擎循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)壓力變化平緩，循環(huán)壓力比通常小于2，且沒(méi)有充量更換，因而運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)安靜。,10,斯特林循環(huán) The Stirling cycle,斯特林循環(huán) 兩個(gè)等溫過(guò)程 兩個(gè)等容過(guò)程卡諾循環(huán)兩個(gè)等溫過(guò)程兩個(gè)絕熱過(guò)程,

5、The Stirling cycle,11,外燃機(jī)是一種外燃的閉式循環(huán)往復(fù)活塞式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，有別于依靠燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒獲得動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)。新型外燃機(jī)使用氫氣作為工質(zhì)，在四個(gè)封閉的氣缸內(nèi)充有一定容積的工質(zhì)。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質(zhì)在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫?zé)崆恢醒杆偌訜?，膨脹做功。燃料在氣缸外的燃燒室?nèi)連續(xù)燃燒，通過(guò)加熱器傳給工質(zhì)，工質(zhì)不直接參與燃燒，也不更換。,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種外燃機(jī),12,外燃機(jī)優(yōu)缺點(diǎn),由于外燃機(jī)避免

6、了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的震爆做功問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了高效率、低噪音、低污染和低運(yùn)行成本。外燃機(jī)可以燃燒各種可燃?xì)怏w，如：天然氣、沼氣、石油氣、氫氣、煤氣等，也可燃燒柴油、液化石油氣等液體燃料，還可以燃燒木材，以及利用太陽(yáng)能等。只要熱腔達(dá)到700℃，設(shè)備即可做功運(yùn)行，環(huán)境溫度越低，發(fā)電效率越高。外燃機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是出力和效率不受海拔高度影響，非常適合于高海拔地區(qū)使用。 　　但是，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)還有許多問(wèn)題要解決，例如膨脹室、壓縮室、加熱器、冷卻室、再生器

7、等的成本高，熱量損失是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的2-3倍等。所以，還不能成為大批量使用的發(fā)動(dòng)機(jī)。 　　斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)目前有報(bào)道，已經(jīng)開始研究在計(jì)算機(jī)主板的散熱風(fēng)扇上使用，通過(guò)北橋芯片的發(fā)熱來(lái)帶動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，以此來(lái)給硬件降溫。,13,14,已研發(fā)改良的的外燃機(jī),改良的單缸斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)示意 http://202.108.15.245/boardfile/mil/20066/20060209083142.gif 　　已設(shè)計(jì)制造的熱氣機(jī)有多種結(jié)構(gòu)，可利用

8、各種能源，已在航天、陸上、水上和水下等各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。試驗(yàn)熱氣機(jī)的功率傳遞機(jī)構(gòu)分為曲柄連桿傳動(dòng)、菱形傳動(dòng)、斜盤或擺盤傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和自由活塞傳動(dòng)等。 　　美國(guó)STM公司的民用25KW外燃機(jī) 　　按缸內(nèi)循環(huán)的組成形式分，熱氣機(jī)主要有配氣活塞式和雙作用式兩類。配氣活塞式熱氣機(jī)，在一個(gè)氣缸內(nèi)有兩個(gè)活塞作規(guī)律的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，冷腔與熱腔之間用冷卻器、回?zé)崞骱图訜崞鬟B接，配氣活塞推動(dòng)工質(zhì)在冷熱腔之間往返流動(dòng)；雙作用式熱氣機(jī)，每個(gè)氣缸內(nèi)只有一個(gè)活塞

9、，兼起配氣活塞和動(dòng)力活塞的作用。各缸的上部為熱腔，下部為冷腔。各熱腔經(jīng)加熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器與鄰缸的下部冷腔連接，組成一個(gè)動(dòng)力單元。 　　日本親潮級(jí)潛艇使用的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖 　　熱力循環(huán)可以分為定溫壓縮過(guò)程、定容回?zé)徇^(guò)程、定溫膨脹過(guò)程、定容儲(chǔ)熱過(guò)程四個(gè)過(guò)程。 　　兩缸外燃機(jī)工作原理 http://202.108.15.245/boardfile/mil/20066/20060209085020.gif,15,熱氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn),與內(nèi)

10、燃機(jī)比較熱氣機(jī)所具備的優(yōu)點(diǎn)： 　　適用于各種能源，無(wú)論是液態(tài)的、氣態(tài)的或固態(tài)的燃料，當(dāng)采用載熱系統(tǒng)(如熱管)間接加熱時(shí)，幾乎可以使用任何高溫?zé)嵩?太陽(yáng)能放射性同位素和核反應(yīng)等)，而發(fā)動(dòng)機(jī)本身(除加熱器外)不需要作任何更改。同時(shí)熱氣機(jī)無(wú)需壓縮機(jī)增壓，使用一般風(fēng)機(jī)即可滿足要求，并允許燃料具有較高的雜質(zhì)含量。 　　熱氣機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由于燃料在氣缸外的燃燒室內(nèi)連續(xù)燃燒，獨(dú)立于燃?xì)獾墓べ|(zhì)通過(guò)加熱器吸熱，并按斯特林循環(huán)對(duì)外做功，因此避免了類似內(nèi)燃

11、機(jī)的爆震做功和間歇燃燒過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了高效、低噪和低排放運(yùn)行。高效：總能效率達(dá)到80%以上；低噪：1米處裸機(jī)噪音底于68dBA；低排放：尾氣排放達(dá)到歐5標(biāo)準(zhǔn)。 　　熱氣機(jī)單機(jī)容量小，機(jī)組容量從20－50kw，可以因地制宜的增減系統(tǒng)容量。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)比內(nèi)燃機(jī)少40％，降價(jià)空間大，同時(shí)維護(hù)成本也較低。,16,熱氣機(jī)存在的主要問(wèn)題,熱氣機(jī)尚存在的主要問(wèn)題和缺點(diǎn)是制造成本較高，工質(zhì)密封技術(shù)較難，密封件的可靠性和壽命還存在問(wèn)題，功率調(diào)節(jié)控制

12、系統(tǒng)較復(fù)雜，機(jī)器較為笨重。 　　熱氣機(jī)的未來(lái)發(fā)展將更多的應(yīng)用新材料(如陶瓷)和新工藝，以降低造價(jià)；對(duì)實(shí)際循環(huán)進(jìn)行理論研究，完善結(jié)構(gòu)，提高性能指標(biāo)；在應(yīng)用方面，正大力研究汽車用的大功率燃煤熱氣機(jī)、太陽(yáng)能熱氣機(jī)和特種用途熱氣機(jī)等。 　　熱氣機(jī)分為單缸、2缸、4缸等形式；單缸熱氣機(jī)的燃燒室與冷卻器共一室，需要交替向燃燒室中注入燃?xì)?、燃燒、排氣、注入冷卻氣體等循環(huán)過(guò)程，驅(qū)動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于燃燒室需要交替使用，與一般的內(nèi)燃機(jī)一樣

13、復(fù)雜，很少再發(fā)展。2缸熱氣機(jī)的燃燒、冷卻過(guò)程完全連續(xù)，1個(gè)汽缸加熱、1個(gè)冷卻，工質(zhì)在 2個(gè)氣缸中密閉循環(huán)，反復(fù)被加熱冷卻，活塞在熱氣驅(qū)動(dòng)下上下運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。4缸熱氣機(jī)的氣缸上部加熱、下部冷卻，或相反，工質(zhì)在相鄰兩個(gè)氣缸的上下部間循環(huán)，4個(gè)活塞交替上下，直接驅(qū)動(dòng)斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)，工作最為平順。,17,熱氣機(jī)的應(yīng)用,熱氣機(jī)由于其具有多種能源的廣泛適應(yīng)性和優(yōu)良的環(huán)境特性已越來(lái)越受到重視，在水下動(dòng)力、太陽(yáng)能動(dòng)力、空間站動(dòng)力、熱泵空調(diào)動(dòng)力、車用混合推

14、進(jìn)動(dòng)力等方面得到了廣泛的研究與重視，并且已得到了一些成功的應(yīng)用。熱氣機(jī)推廣中的3個(gè)方向包括： 　　熱電聯(lián)產(chǎn)充分利用它環(huán)境污染小和可使用多種燃料及易利用余熱的特點(diǎn)，用于熱電聯(lián)產(chǎn)可取得更高的熱效率和經(jīng)濟(jì)效率。 　　四聯(lián)裝余熱回收系統(tǒng) 　　低能級(jí)的余熱回收利用對(duì)燃燒系統(tǒng)稍加改進(jìn)便可利用工場(chǎng)余熱、地?zé)岷吞?yáng)能進(jìn)行發(fā)電或直接驅(qū)動(dòng)水泵，可取得更大的節(jié)能效益。 　　移動(dòng)式動(dòng)力源通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化和輕量化，并改善其控制性能后，亦可以作為推土機(jī)

15、、壓路機(jī)等車輛的動(dòng)力。 　　注意斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)明時(shí)間是1816，是和蒸汽機(jī)差不多的古老的發(fā)動(dòng)機(jī)，多年沒(méi)有引起人們的重視，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的幾個(gè)特性是非常適合潛艇的，首先是燃燒連續(xù)，由于工質(zhì)不燃燒，因此沒(méi)有內(nèi)燃機(jī)的爆震現(xiàn)象，噪音低；其次可以使用任何燃料，其燃燒室在外，燃燒的過(guò)程與工質(zhì)無(wú)關(guān)，或者說(shuō)只要有熱源、冷源就能工作，無(wú)論燒煤燒碳都可以，只要能發(fā)熱就行；,18,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展,斯特林循環(huán)熱空氣發(fā)動(dòng)機(jī)不排廢氣，除燃燒室內(nèi)原有的空氣外，

16、不需要其他空氣，所以適用于都市環(huán)境和外層空間。 　　18世紀(jì)末和19世紀(jì)初，熱機(jī)普遍為蒸汽機(jī)，它的效率是很低的，只有3％一5％左右，即有95％以上的熱能沒(méi)有得到利用。到1840年，熱機(jī)的效率也僅僅提高到8％。斯特林對(duì)于熱力學(xué)理論的研究，就是從提高熱機(jī)效率的目的出發(fā)的。他所提出的斯特林循環(huán)的效率，在理想狀況下，可以無(wú)限提高。當(dāng)然受實(shí)際可能的限制，不可能達(dá)到100％，但提供了提高熱效率的努力方向。,19,六、斯特林引擎原理,用燃料在氣缸外

17、部的燃燒室加熱工作氣體（氫氣或氦氣），工作氣體與外部完全封閉。工作氣體受熱膨脹后推動(dòng)氣缸內(nèi)的活塞作功，膨脹后被冷卻，體積縮小，再次進(jìn)人燃燒室內(nèi)加熱，完成一次循環(huán)。引擎的轉(zhuǎn)速可通過(guò)控制工作氣體的流量來(lái)加以調(diào)節(jié)。,20,,,21,斯特林引擎模型實(shí)例,22,,23,,（1）等容加熱過(guò)程②→③在工作氣體(空氣)所占容積一定的情況下，工作氣體自低溫空間向高溫空間移動(dòng)。那個(gè)一定容積(等容)的工作氣體，通過(guò)氣缸被加熱，由于高溫而壓力上升。（2）等

18、溫膨脹過(guò)程③→④②→③過(guò)程工作氣體的壓力上升，工作氣體所占容積增加，高溫·低溫側(cè)的兩活塞開始下降。此外工作氣體通過(guò)氣缸壁一邊加熱一邊繼續(xù)膨脹，并且使輸出軸旋轉(zhuǎn)。即時(shí)得到飛輪積蓄的一部分動(dòng)能。,24,,（3）等容冷卻過(guò)程④→①③→④過(guò)程利用飛輪積蓄的能源，高溫側(cè)活塞上升，低溫側(cè)活塞下降。即，工作氣體所占容積一定時(shí)，工作氣體自高溫空間向低溫空間移動(dòng)，那個(gè)時(shí)候一定容量(等容)的工作氣體，通過(guò)聯(lián)結(jié)部(冷卻部)及氣缸壁冷卻，由于低溫

19、壓力開始降低。（4）等溫壓縮過(guò)程①→②④→①過(guò)程工作氣體的壓力下降。因此工作氣體所占容積減少，利用飛輪積蓄的能源，高溫·低溫側(cè)的兩活塞開始上升。最近工作氣體一邊壓縮一邊通過(guò)聯(lián)結(jié)部(冷卻部)及氣缸壁冷卻，工作氣體所占容積最小。這樣引擎啟動(dòng)時(shí)，被高溫·低溫側(cè)的兩活塞密閉的工作氣體所占容積，需要根據(jù)工作煤氣加熱增加的方向使之旋轉(zhuǎn),不過(guò)旋轉(zhuǎn)開始后，利用飛輪重復(fù)③→④→①→②→③的過(guò)程。作為這個(gè)結(jié)果能從輸出軸得到動(dòng)力。

20、,25,斯特林引擎原理圖,α型,雙活塞型（Two-Piston）,26,γ型,交換器型（Displacer）,27,斯特林引擎原理圖,,28,29,,,加熱點(diǎn),30,玻璃球引擎,31,七、斯特林引擎的基本形式,32,,八、斯特林引擎各類模型,33,九、斯特林引擎優(yōu)缺點(diǎn)（相比內(nèi)燃機(jī)）,優(yōu)點(diǎn)：污染小  噪聲低熱效率高運(yùn)行成本低，可以燃用任何一種燃料。 斯特林引擎的推廣應(yīng)用，有利于國(guó)防，有利于經(jīng)濟(jì)建設(shè)，有利于產(chǎn)業(yè)

21、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有利新能源利用，有利于環(huán)境保護(hù)，有利于我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域趕超世界先進(jìn)水平。,5kW的外燃機(jī),,,,,太陽(yáng)能-外燃混合發(fā)電型,34,十、斯特林引擎缺點(diǎn)（相比內(nèi)燃機(jī)),缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)速低加速性差結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重造價(jià)高 因此一直無(wú)法與內(nèi)燃機(jī)競(jìng)爭(zhēng)，沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用。,35,十一、 設(shè)計(jì)與制作,在基本設(shè)想階段要求進(jìn)行作出基于輸出和形狀的概略圖。在設(shè)計(jì)階段作出基于各零件的強(qiáng)度計(jì)算和形狀計(jì)算的實(shí)施計(jì)劃圖的概略圖。在制造圖紙的作成階段

22、作出基于零部圖和組裝圖的計(jì)劃圖。在制造階段提供加工材料及規(guī)格零件和加工必要零件。在組裝階段檢查規(guī)格零件及加工零件的尺寸，進(jìn)行各零件的粘結(jié)及聯(lián)結(jié)的組裝。在此后的試運(yùn)行階段進(jìn)行加熱確認(rèn)引擎的工作。這時(shí)如果產(chǎn)生不正常的情況，追查原因并圖示達(dá)到初期要求性能的改進(jìn)方法。,36,37,38,【完成品尺寸(mm)】 W280×D125×H130,【材質(zhì)】 車身部分和除底座以外的主體零件：鋁；導(dǎo)熱劑：鐵，導(dǎo)管等；螺絲釘?shù)龋鸿F（

23、鍍鎳）,【重量(g)】 700,經(jīng)典發(fā)明之斯特林引擎小車,39,經(jīng)典發(fā)明之斯特林引擎小車,40,經(jīng)典發(fā)明之斯特林引擎小車,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,配件淘購(gòu)，廢物利用，節(jié)約成本，集思廣益,淘寶網(wǎng)，阿里巴巴，舊玩具，舊貨市場(chǎng)，廢舊器具，玩具車，玩具車底盤，玩具車齒輪，玩具車車輪塑料齒輪，二手玩具，廢舊物資回收站（針筒，橡皮，膠圈，膠管）,53,塑料齒輪，玩具車齒輪，玩具車車輪,54,55,5

24、6,57,58,59,60,61,62,極速引擎的魅力 –史特靈引擎（Stirling Engine）的製作與教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)曾玉泉國(guó)立臺(tái)灣師範(fàn)大學(xué)工業(yè)科技教育系研究生,參、利用周遭材料製作史特靈引擎（Stirling Engine）,63,64,65,66,67,68,69,70,本次比賽參考資料：《斯特林引擎模型制作》 濱口和洋 等著曹其新，凌芳 等譯上海交通大學(xué)出版社第5章 斯特林引擎模型的設(shè)計(jì)制作及性能評(píng)價(jià)