绿色动力——斯特林发动机

发布时间：97年06月27日

金东寒

（中国舰船研究院上海711研究所）

一、概述

斯特林发动机（Stirling engine，又名热气机）是一种闭式循环往复式外燃机，其理想热力学循环称作斯特林循环（即：概括性卡诺循环），因此，同温限下其理论效率最高。更吸引人的是它具有两个明显优于内燃机的特点：一是能利用各种能源，无论是常用的液体燃料，还是气体燃料或固体燃料，甚至太阳能、化学反应能和放射性同位素能源，只要能产生一定温度的热量，热气机就可以工作；二是振动噪音低、排放污染小，具有良好的环境特性。

热气机的发明早于内燃机，是由一位叫罗伯特 · 斯特林的苏格兰牧师于1816年发明的。在整个19世纪，这种发动机累计生产了数千台，并投入实用。小到驱动风扇的几十瓦发动机，大到埃立克森号船上使用的巨型四缸220 kW发动机。由于受当时材料和工艺的限制，那时的热气机效率十分低而且十分笨重，随着内燃机和电动机的发明和发展，它不得不退出历史舞台。

现代热气机的研究和发展始于1938年，先驱者是荷兰的菲利浦公司（Philips Corp），其初衷是为电子管收音机或类似的设备提供小型发电动力。经过菲利浦公司长达20年单枪匹马的研究，热气机的性能有了明显的提高，有效效率从5%提高到38%，单位扫气容积功率提高到85 kW/L，并初步显示了热气机所固有的K它优点。以后，菲利浦公司又成功地将热气机装到游艇、割草机以及多种燃料发电机组上进行了演示性试验。为这些试验所吸引，1958年以后，美国的通用汽车公司和福特汽车公司、西德的MAN和MWM公司以及瑞典的联合斯特林公司（United Stirling）都陆续成为菲利浦公司专有技术的特许者，加入了热气机技术的研究与发展行列。从而，在以后的20年内，掀起了一个热气机研究的高潮。1978年，福特汽车公司迫于集中力量解决其汽车产品所面临的现实问题的需要，终止了与菲利浦公司的合同，一年以后，菲利浦公司因失去这样一个重要的合作伙伴而丧失了信心，终止了所有的热气机研究活动，这两件事情的发生，对全世界的热气机研究者和热气机研究活动都是一个严重打击。几乎就在同时，美国能源部根据一项议会法案，开始执行一项耗资9700万美元、为期5年的汽车热气机（ASE）发展计划（后延长为10年，实际投资1. 07亿美元）。日本政府也在庞大的月光计划中资助84亿日元，发展燃气热泵空调用热气机。这两项计划的执行及顺利完成，极大地促进了热气机技术的发展。

随着人们对能源和环境这两个全球性问题的日益关注，人们越来越意识到热气机技术能对保存资源和保护环境起到积极的作用。因此，越来越多的国家和组织开始参与热气机技术的研究和发展活动。大量资金和众多人员的投入，使热气机技术在实用化的道路上有了长足进步。现在，人们谈论的最多的已不再是热气机技术是否成熟的问题，而是何时商品化和怎样商品化的问题。

二、热气机技术的发展现状

（1）热气机的关键技术

● 燃烧技术

需要解决的问题包括 :对于液体和气体燃料，主要是如何保证高效的燃烧和较清洁的排放。为此，发展了高效预热器和燃气再循环技术；对于固体燃料，主要是解决燃气的腐蚀、熔灰的处理和传热的强化问题。

● 热交换器技术

在结构和功能上，热气机区别于内燃机之处就体现在3个特殊的热交换器：加热器、回热器和冷却器。一般来说，这3个热交换器的制造成本约占整机成本的40%。因此，最大的问题是如何在保证热交换器性能和可靠性的同时，大幅度降低其制造成本。

● 密封技术

对于高性能热气机而言，由于工质通常为氢气和氦气，而且平均循环压力都在15 MPa左右，因此，活塞环密封和活塞杆密封就成了直接影响热气机性能和可靠性的关键所在。

● 控制技术

热气机的控制要比内燃机的控制复杂，它至少包括两个独立的控制回路：燃烧控制回路和功率控制回路。因此，在某些对热气机的动态性能要求较高的应用场合（如作为汽车发动机），所需的控制系统就相当复杂，而且费用也比较高。

近年来，从世界范围来看，这些关键技术都已陆续得到了突破。现在的问题是如何针对某一特定的市场要求 · 找到一种效费比最高的解决方案。下面，将结合一些热气机的应用开发，介绍上述关键技术的进展。

（2）热气机的应用开发

● 混合推进车用动力

美国机械技术公司（MTI）在执行ASE计划期间共发展了两代样机，即：Mod I和Mod Ⅱ。截止1987年4月，累积台架试验时间达26000小时，装车路试达3100小时，结果表明：ModⅡ热气机能完全达到ASE计划的预定目标，即：按EPA混合驱动循环考核，其燃油经济性较当时先进的内燃机汽车提高30%，排放指标完全可以达到联邦政府讨论中的标准，加速性和响应时间与内燃机汽车相当，而且，能使用多种燃料。

然而，更有竞争力的方案是混合推进汽车，即：以“蓄电池/电机+热气机”作为汽车动力。以小型汽车为例，电机的功率约为40 kW左右，而热气机的功率只需15 kW左右，两者的连接既可串联，又可并联。在城市内，用电机推进；在高速公路上，主要靠热气机推进，辅之于电机。混合推进的优点是：在市内，完全是电动汽车，最大限度地保护了环境；在郊区，依然具有热气机汽车的全部优点（良好的经济性、污染少和适应多种燃料），同时简化了控制系统，使其在成本上更具竞争力。1993年，通用汽车公司与美国能源部签署一项费用分担的合同，计划在以后的5年内开发出可供生产的混合推进汽车。

● 太阳能发电动力

太阳能是大自然赐予人类的最清洁的能源，因此，人们一直向往能大规模地利用太阳能来发电。然而，现有的光电池和热电式太阳能发电装置都存在着效率低、成本高的弱点，难于大规模推广。而小型热气机太阳能发电装置相比之下就显得很有竞争力。美国麦道公司与瑞典联合斯特林公司合作研制的25 kWe级盘式热气机太阳能发电装置取得了显著进展，早在1986年就有8台机组分别装到加利福尼亚州、乔治亚州和内华达州的太阳能试验场进行并网发电现场试验。连续12个月的发电试验证实了热气机具有高效率（平均最高效率达27.6%）和易于维护的优点。

德国也非常重视这一领域的开发，专门成立由4家公司组成的联合体。其成员单位SOLO公司已获得生产双缸单作用V-160的许可证。该机由瑞典的联合斯特林公司于70年代研制成功，以氦气作工质，功率为9 kW，效率为30%，已累积生产170多台，技术相当成熟。SOLO公司于1992年起将3台V-160太阳能发电装置安装在西班牙的一个太阳能试验场进行现场试验。截止1996年，共累积试验25000小时，在太阳辐射为1000 W/m²时，发电功率达到9 kW，效率达到20.3%，结果相当令人鼓舞。SOLO公司已完成了V-160热气机的改进工作，改进机被称作SOLO161，功率提高到10 kW，生产成本得到大幅度降低，现已生产了20台，进一步的试验尚在进行当中。SOLO公司计划明年进行小批量生产，正式向市场推出。

● 总能系统

无论家庭还是企业，在消费电能的同时，往往还要消费大量的热能（用于供暖和提供生活或生产用热水）。因此，总能系统可以大幅度地提高能量的综合利用效率，可用于居民小区、宾馆和边远住宅的热电联供，以及一些大量用热的企业。热气机总能系统与内燃机总能系统相比具有明显的优点：能利用多种燃料、排放污染少、噪声低。

新西兰Whisper Tech Ltd公司研制成功一档Whgisper Gen800小型热气机发电系统，在发电800 W的同时，提供5 kW 50~60℃热水，可燃用汽油、柴油和天然气，噪声只有44 dB（7 m以外）。可用作游艇上的辅助动力和边远住宅的热电联供。现已正式向市场推出。

● 生物质能发电动力

我国农村缺电少油，但却拥有大的生物质能（如秸秆、稻壳等），这款为开发燃用生物质能的热气机发电装置提供了市场机会。美国和欧洲一些国家都在积极开发这类装置，并已进行了现场试验，解决熔灰问题有两条技术途径 :一是直接燃烧生物质，采用易于清理的热头结构 :二是采用气化炉燃烧生物质，从根本上避免了熔灰附着在热头上。

● 低温差发电动力

近几年来，比较热门的研究领域就是低温差热气机。目前，已有很多低温差模型热气机问世，最著名的当属美国威斯康辛大学Senft教授研制的Ringbom热气机、只需0.5℃的温差就能以60 r/min的速度运转。日本人研制出150 W低温差热气机，工作温差为100℃，指示效率为5%。

低温差热气机由于工作参数低，因此结构简单、造价便宜、寿命长，适合于作废热回收发电动力。这样，100~300℃的废热均可用来发电。

三、热气机商品化的前景

现代热气机经过了50年的发展后。在技术上已经成熟，在性能上又能满足未来人们对资源和环境的要求，因此，现在该是热气机进入商品市场的时候了。然而，热气机的商品化进程并未如我们期望的那般迅速。个中原因相当复杂，以下解释或许能有助于理解这一现象 :

首先，热气机作为动力机在客观上始终要面对一个强大的对手——内燃机，而内燃机已经发展到近乎完善的境地。而且又有数以万计的科技人员和强大的工业基础作靠山，这就注定了热气机的商品化过程是漫长而艰难的。

其次，以往热气机的研究活动大部分限于学术界和研究机构，人数少、力量分散、投资强度低。数十年来，全世界用于热气机研究的累积投资尽管也有数亿美元，但这还不会超过累积用于研究内燃机两个重要零件的费用。

第三。缺乏工业部门的有效参与。值得庆幸的是，情况正在发生变化。从第8届国际热气机会议上，笔者发现已有更多的公司加入了热气机技术开发的行列。

从以往的挫折中，人们吸取到很多经验和教训，并就热气机商品化的途径达成了几点共识 :

● 应避免与内燃机正面竞争，凡是内燃机能用的地方，就应该用内燃机；

● 应重视市场研究，待别要对市场进行细分，以合理确定产品的具体要求；

● 不要单纯追求热气机的高性能，重要的是追求系统的高效费比，系统的实用性和可靠性。