斯特林引擎小車制作a

1、1,一 、意義,培養(yǎng)學生設計制作能力，樹立創(chuàng)新設計思想掌握Stirling引擎的工作原理，觸發(fā)應用靈感,,,2,二 、目的,通過學習，設計與制作斯特林引擎模型，了解斯特林引擎的基本構成、工作原理和特點，實現(xiàn)將熱能轉換成機械動力的過程，將所學的機械設計和能量轉換、機械制圖方面的知識綜合運用到斯特林引擎模型制作中去，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， 同時增加節(jié)能環(huán)保意識。,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，它是英國牧師羅伯特·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)造了第一臺能實際工作的開式循環(huán)熱氣機1816年Robert Stirling發(fā)明了閉式循環(huán)熱氣機1851年John Ericssion制成了44.4kW的外燃式開式循環(huán)熱氣機1853年制造了缸徑4.26m的超大型熱氣機，總功率220kW，效率

3、13%，裝在2000T的明輪船上1916年最后一臺老式熱氣機出廠,6,四、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)電領域又“如日中天”（華爾街日報語）。,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，其熱力循環(huán)為斯特林循環(huán)

4、。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，即是在一定的高溫熱源和低溫熱源之間工作的熱機的最高效率。斯特林引擎循環(huán)系統(tǒng)中工質壓力變化平緩，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)安靜。,10,斯特林循環(huán) The Stirling cycle,斯特林循環(huán) 兩個等溫過程 兩個等容過程卡諾循環(huán)兩個等溫過程兩個絕熱過程,

5、The Stirling cycle,11,外燃機是一種外燃的閉式循環(huán)往復活塞式熱力發(fā)動機，有別于依靠燃料在發(fā)動機內部燃燒獲得動力的內燃機。新型外燃機使用氫氣作為工質，在四個封閉的氣缸內充有一定容積的工質。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫熱腔中迅速加熱，膨脹做功。燃料在氣缸外的燃燒室內連續(xù)燃燒，通過加熱器傳給工質，工質不直接參與燃燒，也不更換。,斯特林發(fā)動機是一種外燃機,12,外燃機優(yōu)缺點,由于外燃機避免

6、了傳統(tǒng)內燃機的震爆做功問題，從而實現(xiàn)了高效率、低噪音、低污染和低運行成本。外燃機可以燃燒各種可燃氣體，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，以及利用太陽能等。只要熱腔達到700℃，設備即可做功運行，環(huán)境溫度越低，發(fā)電效率越高。外燃機最大的優(yōu)點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)動機還有許多問題要解決，例如膨脹室、壓縮室、加熱器、冷卻室、再生器

7、等的成本高，熱量損失是內燃發(fā)動機的2-3倍等。所以，還不能成為大批量使用的發(fā)動機。 　　斯特林發(fā)動機目前有報道，已經開始研究在計算機主板的散熱風扇上使用，通過北橋芯片的發(fā)熱來帶動斯特林發(fā)動機，以此來給硬件降溫。,13,14,已研發(fā)改良的的外燃機,改良的單缸斯特林發(fā)動機示意 http://202.108.15.245/boardfile/mil/20066/20060209083142.gif 　　已設計制造的熱氣機有多種結構，可利用

8、各種能源，已在航天、陸上、水上和水下等各個領域進行應用。試驗熱氣機的功率傳遞機構分為曲柄連桿傳動、菱形傳動、斜盤或擺盤傳動、液壓傳動和自由活塞傳動等。 　　美國STM公司的民用25KW外燃機 　　按缸內循環(huán)的組成形式分，熱氣機主要有配氣活塞式和雙作用式兩類。配氣活塞式熱氣機，在一個氣缸內有兩個活塞作規(guī)律的相對運動，冷腔與熱腔之間用冷卻器、回熱器和加熱器連接，配氣活塞推動工質在冷熱腔之間往返流動；雙作用式熱氣機，每個氣缸內只有一個活塞

9、，兼起配氣活塞和動力活塞的作用。各缸的上部為熱腔，下部為冷腔。各熱腔經加熱器、回熱器和冷卻器與鄰缸的下部冷腔連接，組成一個動力單元。 　　日本親潮級潛艇使用的斯特林發(fā)動機原理圖 　　熱力循環(huán)可以分為定溫壓縮過程、定容回熱過程、定溫膨脹過程、定容儲熱過程四個過程。 　　兩缸外燃機工作原理 http://202.108.15.245/boardfile/mil/20066/20060209085020.gif,15,熱氣機的優(yōu)點,與內

10、燃機比較熱氣機所具備的優(yōu)點： 　　適用于各種能源，無論是液態(tài)的、氣態(tài)的或固態(tài)的燃料，當采用載熱系統(tǒng)(如熱管)間接加熱時，幾乎可以使用任何高溫熱源(太陽能放射性同位素和核反應等)，而發(fā)動機本身(除加熱器外)不需要作任何更改。同時熱氣機無需壓縮機增壓，使用一般風機即可滿足要求，并允許燃料具有較高的雜質含量。 　　熱氣機在運行時，由于燃料在氣缸外的燃燒室內連續(xù)燃燒，獨立于燃氣的工質通過加熱器吸熱，并按斯特林循環(huán)對外做功，因此避免了類似內燃

11、機的爆震做功和間歇燃燒過程，從而實現(xiàn)了高效、低噪和低排放運行。高效：總能效率達到80%以上；低噪：1米處裸機噪音底于68dBA；低排放：尾氣排放達到歐5標準。 　　熱氣機單機容量小，機組容量從20－50kw，可以因地制宜的增減系統(tǒng)容量。結構簡單，零件數(shù)比內燃機少40％，降價空間大，同時維護成本也較低。,16,熱氣機存在的主要問題,熱氣機尚存在的主要問題和缺點是制造成本較高，工質密封技術較難，密封件的可靠性和壽命還存在問題，功率調節(jié)控制

12、系統(tǒng)較復雜，機器較為笨重。 　　熱氣機的未來發(fā)展將更多的應用新材料(如陶瓷)和新工藝，以降低造價；對實際循環(huán)進行理論研究，完善結構，提高性能指標；在應用方面，正大力研究汽車用的大功率燃煤熱氣機、太陽能熱氣機和特種用途熱氣機等。 　　熱氣機分為單缸、2缸、4缸等形式；單缸熱氣機的燃燒室與冷卻器共一室，需要交替向燃燒室中注入燃氣、燃燒、排氣、注入冷卻氣體等循環(huán)過程，驅動活塞上下運動帶動曲軸轉動，由于燃燒室需要交替使用，與一般的內燃機一樣

13、復雜，很少再發(fā)展。2缸熱氣機的燃燒、冷卻過程完全連續(xù)，1個汽缸加熱、1個冷卻，工質在 2個氣缸中密閉循環(huán)，反復被加熱冷卻，活塞在熱氣驅動下上下運動驅動曲軸旋轉。4缸熱氣機的氣缸上部加熱、下部冷卻，或相反，工質在相鄰兩個氣缸的上下部間循環(huán)，4個活塞交替上下，直接驅動斜盤轉動，工作最為平順。,17,熱氣機的應用,熱氣機由于其具有多種能源的廣泛適應性和優(yōu)良的環(huán)境特性已越來越受到重視，在水下動力、太陽能動力、空間站動力、熱泵空調動力、車用混合推

14、進動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用。熱氣機推廣中的3個方向包括： 　　熱電聯(lián)產充分利用它環(huán)境污染小和可使用多種燃料及易利用余熱的特點，用于熱電聯(lián)產可取得更高的熱效率和經濟效率。 　　四聯(lián)裝余熱回收系統(tǒng) 　　低能級的余熱回收利用對燃燒系統(tǒng)稍加改進便可利用工場余熱、地熱和太陽能進行發(fā)電或直接驅動水泵，可取得更大的節(jié)能效益。 　　移動式動力源通過對發(fā)動機的小型化和輕量化，并改善其控制性能后，亦可以作為推土機

15、、壓路機等車輛的動力。 　　注意斯特林發(fā)動機的發(fā)明時間是1816，是和蒸汽機差不多的古老的發(fā)動機，多年沒有引起人們的重視，斯特林發(fā)動機的幾個特性是非常適合潛艇的，首先是燃燒連續(xù)，由于工質不燃燒，因此沒有內燃機的爆震現(xiàn)象，噪音低；其次可以使用任何燃料，其燃燒室在外，燃燒的過程與工質無關，或者說只要有熱源、冷源就能工作，無論燒煤燒碳都可以，只要能發(fā)熱就行；,18,斯特林發(fā)動機的發(fā)展,斯特林循環(huán)熱空氣發(fā)動機不排廢氣，除燃燒室內原有的空氣外，

16、不需要其他空氣，所以適用于都市環(huán)境和外層空間。 　　18世紀末和19世紀初，熱機普遍為蒸汽機，它的效率是很低的，只有3％一5％左右，即有95％以上的熱能沒有得到利用。到1840年，熱機的效率也僅僅提高到8％。斯特林對于熱力學理論的研究，就是從提高熱機效率的目的出發(fā)的。他所提出的斯特林循環(huán)的效率，在理想狀況下，可以無限提高。當然受實際可能的限制，不可能達到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氣缸內的活塞作功，膨脹后被冷卻，體積縮小，再次進人燃燒室內加熱，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)。,20,,,21,斯特林引擎模型實例,22,,23,,（1）等容加熱過程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。那個一定容積(等容)的工作氣體，通過氣缸被加熱，由于高溫而壓力上升。（2）等

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

19、壓力開始降低。（4）等溫壓縮過程①→②④→①過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·低溫側的兩活塞開始上升。最近工作氣體一邊壓縮一邊通過聯(lián)結部(冷卻部)及氣缸壁冷卻，工作氣體所占容積最小。這樣引擎啟動時，被高溫·低溫側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,不過旋轉開始后，利用飛輪重復③→④→①→②→③的過程。作為這個結果能從輸出軸得到動力。

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,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（相比內燃機）,優(yōu)點：污染小  噪聲低熱效率高運行成本低，可以燃用任何一種燃料。 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)

21、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-外燃混合發(fā)電型,34,十、斯特林引擎缺點（相比內燃機),缺點：轉速低加速性差結構復雜笨重造價高 因此一直無法與內燃機競爭，沒有得到實際應用。,35,十一、 設計與制作,在基本設想階段要求進行作出基于輸出和形狀的概略圖。在設計階段作出基于各零件的強度計算和形狀計算的實施計劃圖的概略圖。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，進行各零件的粘結及聯(lián)結的組裝。在此后的試運行階段進行加熱確認引擎的工作。這時如果產生不正常的情況，追查原因并圖示達到初期要求性能的改進方法。,36,37,38,【完成品尺寸(mm)】 W280×D125×H130,【材質】 車身部分和除底座以外的主體零件：鋁；導熱劑：鐵，導管等；螺絲釘?shù)龋鸿F（

23、鍍鎳）,【重量(g)】 700,經典發(fā)明之斯特林引擎小車,39,經典發(fā)明之斯特林引擎小車,40,經典發(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，廢物利用，節(jié)約成本，集思廣益,淘寶網，阿里巴巴，舊玩具，舊貨市場，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）的製作與教學活動設計曾玉泉國立臺灣師範大學工業(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 等譯上海交通大學出版社第5章 斯特林引擎模型的設計制作及性能評價