環保科技--史特林引擎.docVIP

篇名: 環保科技- -史特林引擎 作者: 謝志輝。市立木柵高工。 蔡尚宏。市立建國中學。 魏源廷。復興實驗中學。 林俊廷。市立萬芳高中。 指導老師: 蘇淑菁老師 前言 我們在翻閱科普雜誌時,發現了一種引擎,其運作原理十分特別,與一般的引擎略有不同,它擁有低汙染、高效率的優點, 由於節能減碳與環保意識的抬頭，它相當符合現代的需求, 因此本文就以史特林引擎為題,將其發展以及運作原理做深入的探討，希望把書本上所學與現實生活中的應用合而為一。 歷史 在西元一八一六年,蘇格蘭的史特林先生發明了一種極為特別的外燃機，因為早期這種外燃機均以空氣為工作流體，所以稱為熱空氣引擎，後來它被稱為稱為史特林引擎。十九世紀時史特林引擎被運用在工業上，但卻因為內燃機與蒸氣機的角逐，與當時石油尚未高漲的價格而慘遭淘汰，於是在二十世紀初期這種引擎開始被小型內燃機取代。就在它漸漸被遺忘，只被用於製造玩具與小電風扇的一九三○年，恰好美國的飛利浦公司想要擴展收音機的銷售市場到電力供應不到的區域，並且認為低功率而便於攜帶的發電機可以達到這樣的目標，於是運作安靜、能用多種燃料的史特林引擎便雀屏中選了。受到第一個實驗性引擎成功的激勵，飛利浦公司開始了一個計畫，這個計畫的進行期間是第二次世界大戰至一九四○年代後期，內容是將加入史特林引擎的產品交給副廠量產。第一批產品於一九五一年開始生產，但是它不能與低價、低能源消耗的電晶體收音機抗衡，這意味著他們沒有達到他們一開始的目的，因此最後只有大約150個引擎被成功製造，它們進入了大學裡的電機部門，成為了學生們對於史特林引擎絕佳的研究材料。飛利浦對實驗性的史特林引擎應用產品的研發持續到一九七○年代，這使他們獲得了大量的專利以及豐富的資訊，這些資訊被授權給其他公司，成為現代許多工作發展的基礎，可惜的是，至今史特林引擎仍未能普及於市面。 原理 可以將熱能轉換成動能的裝置稱為熱機，它分為內燃機和外燃機，內燃機是將燃料注入汽缸中，經由進氣、壓縮、燃燒、排氣四個步驟來產生動能的，例如柴油引擎；外燃機則是熱源位於汽缸之外，藉由溫差產生動能的引擎，史特林引擎即屬之，接下來詳細介紹引擎中的各個部分，分為移氣器、曲柄機構、與動力活塞 移氣器: 在容器底端加熱導致氣體壓力變大，推動移氣器上升，相反的，當轉輪推動移氣器下移，氣體將流至上部被冷卻，使壓力變小。 曲柄機構: 曲柄機構簡單來說是與移氣器連接的一個裝置，當移氣器上升或下移會導致曲柄機構的轉動。 動力活塞:密封在缸口的橡皮功用等於一個動力活塞，與移氣器在曲柄機構上夾90度角的動力活塞，可以使曲柄機構旋轉，帶動移氣器上下運動，此外，移氣器並不會自己移動，而是由曲柄機構帶動。 以下是史特林引擎的運作流程： (圖1)是史特林引擎的構造，一塊將缸口密封的橡皮與一個活動式的移氣器分別連接到轉軸上，兩者之間呈90度夾角，汽缸底部設置一個熱源，上半部設置一個冷卻裝置，(圖2)空氣受熱膨脹，推動移氣器並帶動轉軸旋轉，上半部空氣開始冷卻，(圖3)由於轉軸的慣性使移氣器下移，並因為空氣冷縮而使活塞下降，帶動轉軸旋轉，完成一周期的循環。 法國人卡諾曾提出熱機最高效率的循環理論，理想的史特林引擎符合這個理論，而現實的史特林引擎也可以達到50%的最大理論值，這無非是驚人的極高比例，循環過程中氣壓與體積的關係如下圖。 1.升溫：汽缸內的氣體在體積不變的情況下溫度升高，根據PV=nRT壓力上升。 2.膨脹：汽缸內的氣體在溫度不變的情況下體積膨脹，壓力下降。 3.降溫：汽缸內的氣體在體積不變的情況下溫度下降，壓力下降。 4.收縮：汽缸內的氣體在溫度不變的情況下體積收縮，壓力上升。 經由這四個步驟往復循環，可以將熱能轉換成「功」 兩種史特林引擎 Alpha型: 一個Alpha史特林引擎包含兩個汽缸與動力活塞，一個加熱，一個冷卻。雖然這種引擎擁有高功率轉換率，但也存在著技術問題：熱氣缸的活塞無法維持長久的密封。因此，實際上這些活塞常有大的體積，以使密封區遠離高溫。 大多數的工作流體都在熱氣缸中加熱並膨脹，推動熱氣缸的動力活塞至整個運動中的頂點。膨脹將延續到冷氣缸中，把更多熱氣缸中的氣體抽到冷氣缸裡。 氣體此時有最大的體積，熱氣缸活塞開始將大部分的氣體擠壓至冷氣缸中，它們在冷氣缸中溫度降低、氣壓下降。 現在幾乎所有氣體都在冷氣缸中，並且持續在冷卻，冷氣缸的活塞因飛輪的慣性而擠壓氣缸中的氣體。 氣體此時有最小的體積，它將在熱氣缸中被加熱並膨脹，推動活塞開始下一次循環。 Beta型: 一個Beta史特林引擎擁有和動力活塞在同一個軸上、同一氣缸中的移氣活塞。移氣活塞是鬆脫的，它不會從膨脹的氣體中引出能量，只用於幫助工作流體從熱的一端移動至冷的一端。當工作流體被推到氣缸熱的一端，就會擴張並推動動力活塞，當工