关于V型斯特林引擎的研究

摘要：本课题根据了“上海大学生工程训练综合能力竞赛”的主题“绿色环保、再生能源”要求进行的斯特林发动机设计和小车的设计。达到了能量转换仅仅靠一种燃料连续燃烧的V型双缸斯特林引擎装置，基本机械结构自主设计，气缸最大缸径不超过Φ20mm，采用酒精加热箱燃烧高纯度乙醇来获得能量。

关键词：结构设计；斯特林发动机

一、斯特林发动机研究现状

Kaushik对不可逆斯特林发动机进行了有限时间热力学分析。分析指出，在不考虑各种损失和回热器效率为1条件下 种循环的效率等于卡诺循环的效率，同时还指出了回热器的效率不会影响发动机的输出功率。 Halit 指出工质的泄露对斯特林发动机的性能有着重要的影响。Koi-chi建立以一个斯特林发动机原型为基础，在标准状态和无负载的情况下，用空气作为工质进行试验，最后得出：提高换热器性能、降低机械损失对提高斯特林发动机的性能是十分有效的[1]。

二、斯特林引擎的基本工作原理及介绍

斯特林发动机的工作原理：

斯特林发动机的气缸由两部分组成一部分是热腔，另一部分叫做冷腔，介质在温度较低的冷腔中被压缩，随后进入高温热腔被燃烧的燃料加热，体积膨胀进行做工。燃料持续燃烧[3]。

斯特林循环的四个步骤：

①定温压缩过程：配气机构运动到最高点位置，活塞则从下止点向上运动从而压缩工作介质，工质经过冷却系统时将相应的热能通过空气进一步释放到空气中，当发动机活塞运动到达它的上止点时压缩过程至此结束。

②定容回热过程：此时活塞位于最高点附近，气门下行这样使得冷舱内的气体重新经过回流器返回带加热的热舱，此时介质温度相对较低，吸收热舱内的热量，温度重新升高。

③定温膨胀过程：配气气门迅速下行，工质被加热器加热温度迅速上升，随后再加热腔中体积变大，压力增高推动活塞向下移动，此时对外作功，输出动力。

④定容储热进程：动力活塞保持起止点四周的位置，配气活塞上行，介质经过加热腔返回冷腔中，回热器接收工质的热量，介质温度降低至冷腔温度[9]。

三、斯特林引擎零部件介绍

1.发动机气缸设计。本气缸设计借鉴了已有单缸吸火斯特林发动机的气缸，得出了现有的尺寸和材料选择要求。气缸的主要尺寸为外径：35mm，内缸直径：18mm，因为气门的特殊性，它与气缸的结合是光滑金属面的接触，所以在气缸的一侧铣出一个深度为7mm的平面，在该平面上，开一个长度为12mm宽度为6mm的腰孔，该孔为气缸进气口。斯特林气缸采用了黄铜作为材料，进行设计加工，黄铜散热条件好，易加工，缸体由一整块黄铜切割成型缸体上切割7个深度为4mm，宽度为2.4的深槽，以提高散热能力，如图：

2.连杆设计。因为气门属于高速运动件，气门机构其实是由及部分组合而成首先与活塞接触的是气门滑块，该部分是由长度为16mm宽度为10mm的黄铜制作而成，与金属片相连，该金属片是钢片具有弹性好，强度高的优点，钢片的尺寸选择要求不高，符合相应的主要零件尺寸就可以，与钢片相连的是一根中控的高强度钢管，该钢管长度为28mm外置弹簧，内孔为3mm螺纹，钢管下部链接的是滑块，该滑块起到导向作用，因此中间开有长度为16mm快读为5mm的腰孔，方便主轴承的通过，所以气门材料选择要求高，本次设计采用低碳钢、钛合金等硬度大，耐磨性好的材料。如图：

3.活塞及连杆设计。活塞连杆机构由四部分组成，分别是活塞，活塞内衬，活塞销和连杆组成，该活塞的设计与内燃机活塞完全不同，该活塞外径为18mm与气缸配合要求非常高，最大的不同是活塞的中间开有4mm的螺纹孔，用来连接活塞内衬，通过活塞内衬的旋入深度调整活塞的位置，活塞内部开有10mm的孔，连杆的设计依据活塞，选材上，使用强度较高的低碳钢，长度为60mm厚度为3mm两边的开孔都是3mm，其中链接用的活塞销使用的是低碳钢材料，长度为9mm直径为2mm，活塞内衬通过顶部的螺纹链接在活塞上。

四、斯特林引擎的組装

除了上述所提到的零件设计，还有设计了其他零部件，如燃料箱的支架，曲柄机构，主轴承，适用于新型斯特林发动机的螺丝，固定气缸、支架、气门轴承的内螺丝等，因为篇幅有限，没有一一描述设计过程，但是相应的三维模型已经建立，完成所有零件的三维建模以后，利用CATIA三维建模软件中的装配模块，将所有的42个零件进行装配，如图

参考文献：

[1]裴鑫智. 开展大学生工程训练综合能力竞赛的意义--以无碳小车的改进为例[D].山西太原，2015

[2]李宝华，胡志勇.在虚拟样机下自卸汽车举升机构仿真与优化设计.[D].内蒙古工业大学硕士论文，2009

[3]徐维铮，郑卫刚，等.基于热能和光能的野外发电装置设计[M].湖北科技出社，2013