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基于废气能量回收的斯特林发动机的设计

目录

TOC\o1-3\h\z\u第一章绪论 1

1.1本课题的目的和意义 1

1.2斯特林发动机的发展现状与趋势 1

1.3本文研究的主要内容 3

第二章斯特林发动机的理论分析 4

2.1斯特林发动机的基本构造 4

2.2斯特林发动机的工作原理 5

2.3斯特林发动机的特点 7

第三章基于废气能量回收的斯特林发动机的设计 9

3.1斯特林发动机设计类型的选择 9

3.2工质的选择 10

3.3斯特林发动机设计参数 11

3.3.1活塞与气缸的设计 11

3.3.2加热器设计 13

3.3.3冷却器设计 15

3.3.4回热器设计 17

第四章斯特林发动机的性能分析 20

4.1Matlab软件介绍 20

4.2斯特林发动机的性能分析 20

4.2.1压力变化规律 21

4.2.2容积的变化 22

4.2.3循环功 23

第五章总结与展望 24

参考文献 25

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第一章绪论

1.1本课题的目的和意义

目的：斯特林发动机设计是为了实现对废气和能源的回收，通过使用斯特林循环来回收内燃机内的废气和能源，推进对资源的二次综合利用，从而使发动机能够真正做到节约能源和低碳减排，提高资源和能量综合利用率。

意义:随着全球经济和社会以及现代汽车制造工业的不断壮大，能源消耗量急剧上升，能源的供需矛盾也日益凸显，并给我国造成了严峻的环境污染[1]。出于汽车的保有量日益增多，汽车的能源消耗占整体能源消耗中的百分之七十以上，所占比例也愈加显著，汽车的节能问题同样愈加受到了各个地区和国家的重视,成为了当今世界新一代汽车制造工业发展的焦点。我国仍然是一个石油储备相对较少且资金匮乏的国家，目前已经发展成为全球第二大石油进口国，而汽车上所消耗的能源则以石油作为燃料。调查研究结果表明，汽车的燃料和电池在燃烧过程中发出的最佳能量仅仅有三分之一左右被有效地利用，其它能量则散发、排放回到了大气中，这就会造成能源的损失和浪费，并给汽车带来了不良的环境影响[2]。因此有效地利用汽车的废热资源是目前实现电动汽车节能的有效方法，这就对车辆的发动机性能提出了更高的要求。因此本文研究设计了一种能够进行废气能量回收的斯特林发动机,来进行能量的二次利用。斯特林发动机因其对多种可再生燃料的适应性、优越的环保特性及较高的转化效率,在进行废热回收再生利用中所占的地位也是相当明显的。研究使用斯特林循环技术来处理和回收内燃机中的废气能源,在实现节能低碳减排,提高资源的能耗综合利用率等方面都具有重要意义。

1.2斯特林发动机的发展现状与趋势

随着面对当今世界的清洁能源与环保利用格局发展形势日益严峻的情况,斯特林发动机由于其多种对天然燃料的综合适应性、良好的环保利用特性和较高的燃料能量回收转换利用效率,更是愈来愈多地受到社会人们的高度重视。水下流体动力学、太阳能综合发电、热电综合联产、低能级利用余热资源回收再综合利用等诸多领域都已经获得了广泛的应用科学技术研究和商业运行[3]。美国位于底特律的STM混合动力公司,已成功研制开发设计生产销售出25KW的斯特林发动机,该公司发动机发电设备目前主要配套的发电产品类型包括热电联产型、太阳能--外燃混合发电型以及余热利用型。

斯特林发动机的结构设计和在进行废气能量回收并且二次使用中所需要具有的一些技术特点，相对于其他类型的发动机而言，优势较大。斯特林发动机可以直接使用尾气中排出的热量作为热源进行燃气加热输出到工质,而不必再额外需要任何的燃气热能传动转换器或者加热传动装置或热力传动加热介质,就可以能把其中剩余的燃气热能直接转换成成为高利用价值的燃气动力或者发电能源并进行余热输出,在大型炼油厂、化工场、焦化厂、冶炼工厂等都已经可以直接投入使用。尽管把斯特林发动机与其它的各种热能混合动力机械系统结合在一起来用以进行风力发电很平常,国外专家在70年代末期开始着手对其可行性问题进行了研究，斯特林发动机可以进行废气回收的新型内燃机中燃烧废气的产生能量,目前仍然处于技术研究进行阶段。

在国内，1995年周军和张华葆就他们对超高压传动柴油机与斯特林发动机之间的液力复合传动操作控制方式研究进行了一次深入的理论研究和技术探讨[5]。对于一款全新的柴油机，对其的最高转速进行减少，使用推后转速的喷油定时、进行在相等的压力下进行燃烧，结果可以导致燃油排气系统中的排气背压和尾气排出的温度均有所上升，这为散热联合燃烧拥有一个更高的散热效率的斯特林发动机车型提供了一个良好的大气环境保护使用