孔令斌
廣漢華星新技術開發(fā)研究所（618300）
E-mail：klb212817@163.com
摘要：本文介紹的斯特林發(fā)動機起動制動及工況控制系統(tǒng)，通過向處于等溫膨脹過程相位的工作腔加注工質(zhì)，實現(xiàn)起動運行；通過向處于等溫壓縮過程相位的工作腔加注工質(zhì)，實現(xiàn)制動運行；通過向所有工作腔加注或泄減工質(zhì)，同時增大或減小燃油和空氣供給量，實現(xiàn)加速或減速運行。起動制動由發(fā)動機轉(zhuǎn)子相位信號和輸入的信號控制。加速減速由工質(zhì)均衡器室的壓力升降控制。用于汽車，斯特林發(fā)動機的起動信號、起動時的空氣燃油供給信號、點火信號都由同一開關控制；斯特林發(fā)動機的加速信號由加速踏板控制；斯特林發(fā)動機的減速信號、制動信號、車輪制動信號都由制動踏板控制。操作規(guī)程與內(nèi)燃機汽車基本相同。這種汽車的發(fā)動機和車輛同時制動新技術，提高了車輛安全性。
關鍵詞：汽車；斯特林發(fā)動機；起動；制動
1． 引言
早在上世紀30年代，歐美國家就試圖將斯特林發(fā)動機用作汽車發(fā)動機[1]。但是，體積大、密封難這兩大障礙始終阻礙其發(fā)展。盡管如此，直到70年代，斯特林發(fā)動機仍被認為是很有前途的車用發(fā)動機[1]。進入80年代，以上觀點發(fā)生了轉(zhuǎn)變，1982年3月，在英國倫敦里丁大學召開的第一屆國際斯特林發(fā)動機學術會議認為：在車用發(fā)動機領域，斯特林發(fā)動機不能與內(nèi)燃機競爭，其發(fā)展方向確定為功率大約50KW以內(nèi)的低功率發(fā)動機，應用于水下動力、垃圾填埋氣發(fā)電、熱電聯(lián)供、太陽能熱發(fā)電等領域[2]。
2007年12月，中國人發(fā)明的斯特林可逆熱機消除了體積大、密封難這兩大障礙[3]。斯特林可逆熱機結(jié)構(gòu)簡單緊湊，相同工作容積，其整機體積不及內(nèi)燃機的一半，零件減少三分之一以上。斯特林可逆熱機采用兩級密封技術，將動密封轉(zhuǎn)變?yōu)殪o密封，做到可靠密封。這兩個問題得到解決，斯特林發(fā)動機其他優(yōu)勢就充分顯現(xiàn)。
斯特林可逆熱機作發(fā)動機，除了具有斯特林發(fā)動機固有的節(jié)能環(huán)保無噪音等優(yōu)勢外，獨特的起動制動及工況控制系統(tǒng)更提升了發(fā)動機的安全性、經(jīng)濟性和操作性能。在此方面，不僅內(nèi)燃機不能與之相比，就是現(xiàn)有的其他斯特林發(fā)動機也望塵莫及。起動運行是在燃燒供熱開始的同時，向處于等溫膨脹過程的工作腔加注工質(zhì)，膨脹壓力增高，發(fā)動機迅速起動；制動運行是在發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，向處于等溫壓縮過程的工作腔加注工質(zhì)，發(fā)動機迅速減速；工況控制是通過同步增減處于運行狀態(tài)發(fā)動機工作腔的工質(zhì)和燃油空氣供給量，使發(fā)動機輸出功率相應增減，而熱機效率保持基本不變。
而內(nèi)燃機起動靠專用的起動電機，沒有工質(zhì)制動的良好條件，工況控制只有增減燃油量一條途徑，燃料過多時燃燒不完全，熱機效率波動大。曾經(jīng)擁有的競爭優(yōu)勢已喪失，被斯特林發(fā)動機取代是必然趨勢。
斯特林可逆熱機的起動制動及工況控制系統(tǒng)的工作原理是利用工質(zhì)均衡器室的壓力是各工作腔控制基準和等溫過程的壓力波動規(guī)律。
2． 起動制動及工況控制系統(tǒng)
2.1系統(tǒng)構(gòu)成及運行
起動制動及工況控制系統(tǒng)由高壓工質(zhì)罐、起動制動控制器、工質(zhì)均衡器室、
圖一 斯特林發(fā)動機起動制動及工況控制系統(tǒng)
減速閥、加速閥、減壓閥一、減壓閥二、回壓閥、低壓工質(zhì)罐、工質(zhì)增壓泵等10個部件組成，由起動制動控制信號、轉(zhuǎn)子相位信號、工況控制信號等3個信號源控制，完成起動、加速、減速、停機等4種操作。各部件的連接關系如圖一所示。方框代表部件或信號，箭頭方向代表工質(zhì)流動方向或信號傳遞方向。
高壓工質(zhì)罐有3個流出端口和1個流入端口。1個流出端口與起動制動控制器連接；1個流出端口與減壓閥二連接；1個流出端口與減壓閥一連接；流入端口與工質(zhì)增壓泵連接。
起動制動控制器由4個單向閥和1個接收轉(zhuǎn)子相位信號和起動制動控制信號、控制4個單向閥開關的裝置組成。4個單向閥的進口端連接高壓工質(zhì)罐，出口端分別連接4個工作腔。
工質(zhì)均衡器室是將4個工質(zhì)均衡器封閉在內(nèi)的1個密閉容器，分別與減速閥的進口端和加速閥的出口端連接，并有1 個控制燃油量和空氣量的壓力信號輸出口。4個工質(zhì)均衡器分別連接4個工作腔。
減速閥是進口端與工質(zhì)均衡器室連接，出口端與低壓工質(zhì)罐連接的閥門。開閉受工況控制信號控制。
加速閥是進口端與減壓閥二連接，出口端與工質(zhì)均衡器室連接的閥門。開閉受工況控制信號控制。
減壓閥一的進口端與高壓工質(zhì)罐連接，出口端與二級密封腔連接。
減壓閥二的進口端與高壓工質(zhì)罐連接，出口端與加速閥連接。
回壓閥的進口端與二級密封腔連接，出口端與低壓工質(zhì)罐連接。
低壓工質(zhì)罐分別與減速閥的出口端、回壓閥的出口端、工質(zhì)增壓泵的進口端連接。
工質(zhì)增壓泵的進口端與低壓工質(zhì)罐連接，出口端與高壓工質(zhì)罐連接。
工質(zhì)是完成起動制動及工況控制的執(zhí)行者。起動制動，工質(zhì)由高壓工質(zhì)罐流入處于等溫過程的工作腔；加速，工質(zhì)由高壓工質(zhì)罐經(jīng)減壓閥二流入4個工作腔；減速，工質(zhì)從4個工作腔流入低壓工質(zhì)罐。工質(zhì)經(jīng)減壓閥一流入回壓閥關閉的二級密封腔，壓力值由減壓閥一設定，并和4個工作腔內(nèi)的壓力達到動態(tài)平衡，實現(xiàn)可靠密封。這是起動制動及工況控制有效進行的保證。
起動運行時，給起動制動控制器輸入向處于等溫膨脹過程相位的工作腔注入工質(zhì)的信號。起動制動控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子相位信號，確認處于等溫膨脹過程相位的工作腔，并開啟相應閥門。工質(zhì)從高壓工質(zhì)罐流入處于等溫膨脹過程相位的工作腔，腔內(nèi)壓力升高，推動活塞運動，發(fā)動機起動。
制動運行時，給起動制動控制器輸入向處于等溫壓縮過程相位的工作腔注入工質(zhì)的信號。起動制動控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子相位信號，確認處于等溫壓縮過程相位的工作腔，并開啟相應閥門。工質(zhì)從高壓工質(zhì)罐流入處于等溫壓過程相位的工作腔，腔內(nèi)壓力升高，阻止活塞運動，發(fā)動機制動。
加速運行時，開啟加速閥，工質(zhì)流入工質(zhì)均衡器室，壓力升高，自動打開工質(zhì)均衡器的單向閥，工質(zhì)流入工作腔。與此同時，壓力升高的信號傳到燃油和空氣供給系統(tǒng)，燃油和空氣供給量同步增加，發(fā)動機加速。
減速運行時，開啟減速閥，工質(zhì)由工質(zhì)均衡器室流入低壓工質(zhì)罐，工質(zhì)均衡器室的壓力降低。壓力降低到工質(zhì)均衡器的安全閥開啟所需壓差時，工作腔內(nèi)的工質(zhì)從安全閥溢流到工質(zhì)均衡器室。與此同時，壓力降低的信號傳到燃油和空氣供給系統(tǒng)，燃油和空氣供給量同步減少，發(fā)動機減速。
2.2起動制動原理
斯特林可逆熱機的4個工作腔，無論何時都分別處于斯特林循環(huán)4個熱力學過程。處于等容吸熱過程和等容放熱過程的工作腔，兩個活塞對熱機轉(zhuǎn)子的扭矩方向相反，二者大體平衡，可以認為不輸出功；處于等溫膨脹過程的工作腔，兩個活塞對熱機轉(zhuǎn)子的扭矩方向相同，都為正，輸出功為正；處于等溫壓縮過程的工作腔，兩個活塞對熱機轉(zhuǎn)子的扭矩方向相同，都為負，輸出功為負[4]。發(fā)動機起動的條件是處于等溫膨脹過程的工作腔壓力大于處于等溫壓縮過程的工作腔壓力。增大工作腔壓力的方法只有兩種：一是供熱，二是增加工質(zhì)。
如果4個工作腔的工質(zhì)始終等量，供熱就能使處于等溫膨脹過程的工作腔壓力大于處于等溫壓縮過程的工作腔壓力，發(fā)動機就能起動。而4個工作腔的工質(zhì)始終等量是不可能的，僅靠供熱起動困難。向處于等溫膨脹過程的工作腔加注工質(zhì)，發(fā)動機就能迅速起動。制動過程正好相反，向處于等溫壓縮過程的工作腔加注工質(zhì)，壓力達到處于等溫膨脹過程工作腔的壓力，發(fā)動機停機。
2.3工況控制原理
斯特林可逆熱機的工質(zhì)均衡器限定各工作腔相同的工作壓差，并以工質(zhì)均衡器室的壓力為控制基準。在熱量流入端溫度和熱量流出端溫度確定的前提下，工質(zhì)均衡器室的壓力值反映了參與作功的工質(zhì)量，也就反映了輸出功率的值。因為兩者是同增共減的關系，所以工質(zhì)均衡器室的壓力值也是發(fā)動機工況的較好控制基準。斯特林發(fā)動機是工質(zhì)調(diào)控工況，與內(nèi)燃機溫度調(diào)控工況相比，有更高的熱機效率和更好的工況特性。
發(fā)動機的每個工況，都有與之對應的工質(zhì)均衡器室壓力值。而每個工質(zhì)均衡器室壓力值，有若干個相對應的工況。選擇各壓力值對應的最佳工況，使發(fā)動機盡量在最佳工況下運行。什么是最佳工況呢？熱量流入端溫度和熱量流出端溫度都是設計溫度的工況，就是最佳工況。
如人為升高工質(zhì)均衡器室壓力，而不增大燃油供給量，這時工質(zhì)流入各工作腔，工質(zhì)密度增大，也就增大了熱量流量，供熱溫度要降低，熱機效率隨之而降，輸出功率也要降低。這種工況就不是最佳工況。必須相應增大燃油和空氣供給量，使熱量流入端溫度不降低，熱量流出端溫度不升高。
因此，確定各工質(zhì)均衡器室壓力值對應的最佳工況的燃油和空氣供給量是很重要的工作。
所謂工況控制，就是保證發(fā)動機處于或接近最佳工況。
3． 車用前景展望
斯特林可逆熱機的功率以電流輸出，具有發(fā)展電動車的天然優(yōu)勢。取締傳統(tǒng)的變速器，配置電機電控裝置就成了電動車。這是汽車工業(yè)的發(fā)展方向[5]。但在很長的過渡期內(nèi)，配置變速器的斯特林發(fā)動機動力車還是市場的必然選擇。可借用磁力攪拌高壓反應釜的磁力傳動裝置，能在可靠密封的前提下，將熱機轉(zhuǎn)子的動力傳到變速器。還可采用機械密封裝置直接將熱機轉(zhuǎn)子的動力傳到變速器。
無論何種情形，起動制動及工況控制系統(tǒng)都不可缺。采用后兩種方案，就相當于用斯特林發(fā)動機換掉內(nèi)燃機。因兩者操作控制方式不同，是否有既保持現(xiàn)有操作模式，又滿足可靠操控要求的兩全之策呢？回答是肯定的！換上斯特林發(fā)動機；斯特林發(fā)動機的起動信號、起動時的空氣燃油供給信號、點火信號都由控制內(nèi)燃機起動馬達的開關控制；斯特林發(fā)動機的加速信號由加速踏板控制；斯特林發(fā)動機的減速信號、制動信號、車輪制動信號都由制動踏板控制，信號響應次序為減速信號為先，制動信號次之，車輪制動信號最后；熱量流入端和熱量流出端溫度表取代水溫表；加裝工質(zhì)均衡器室壓力表。就成了斯特林發(fā)動機汽車！操作和內(nèi)燃機汽車基本一樣：置空檔，打開起動開關，空氣、燃油進入燃燒室混和后被點燃，熱量流入端溫度升高，同時有工質(zhì)被注入處于等溫膨脹過程相位的工作腔，發(fā)動機起動，關閉起動開關；腳踏加速踏板，工質(zhì)流入工質(zhì)均衡器室，發(fā)動機加速；掛檔起步，進入正常行駛狀態(tài)。腳踏制動踏板，減速閥打開，工質(zhì)流出工質(zhì)均衡器室，發(fā)動機減速，加大踏板位移量，制動信號響應，有工質(zhì)被注入處于等溫壓縮過程相位的工作腔，發(fā)動機制動，迅速減速，繼續(xù)加大踏板位移量，最后啟動車輪制動。三者共同作用，制動效果好。在行駛中調(diào)速，用前兩種減速方式就行了，停車才啟動車輪制動。唯一不同點是斯特林發(fā)動機沒有怠速，松開加速踏板不減速，必須踏制動踏板發(fā)動機才減速。這種汽車的發(fā)動機和車輛同時制動新技術，提高了車輛安全性。
該斯特林發(fā)動機，可廣泛應用于各類汽車，而不局限于轎車，可使汽車達到最嚴格的排放標準，可使用多種燃料，拓寬了汽車燃料來源。同一輛車，只要對燃料空氣量隨工質(zhì)均衡室壓力變化規(guī)律曲線作調(diào)整，就能使用各類生物質(zhì)能源、多種石油餾份、天然氣、氫氣！直接以氫氣為燃料，綜合性能會優(yōu)于目前被認定為新能源汽車終點的氫燃料電池車[5]！將會開創(chuàng)清潔燃料汽車新時代。
為滿足重載汽車的動力需求，可在輕型汽車用斯特林發(fā)動機的基礎上，通過加大工作腔缸徑和沖程長度，以及增加工作腔數(shù)這兩種方法來設計制造大功率發(fā)動機。增加工作腔數(shù)，等溫過程的相角減小，等容過程的相角增大，兩者是互補關系。工作腔數(shù)也不能太多。否則，等溫過程的相角太小影響正常運行。綜合考慮各種因素，6個工作腔較好。結(jié)合增大工作腔容積措施，發(fā)動機的功率可以很大，還可用于火電、核電、船舶等領域。
4． 結(jié)束語
起動制動及工況控制系統(tǒng)能確保斯特林可逆熱機作汽車發(fā)動機，在安全性、環(huán)保性、燃料經(jīng)濟性、制造成本、維護費用等方面都優(yōu)于其他發(fā)動機[5]。斯特林發(fā)動機汽車是新能源汽車發(fā)展的正確方向。將來的汽車市場必然是以斯特林發(fā)動機汽車為主，電動汽車為輔的格局！憧憬即將到來的斯特林熱機時代，中國應該是未來汽車工業(yè)先驅(qū)！
詳細附件： 200710050949-斯 特林可逆熱機.PDF
致謝
在本文寫作過程中，孔令聰給予了大力支持和幫助，在此表示感謝！
參考文獻
�。�1］［美］ R.W.Richardson 八十年代車用發(fā)動機展望 內(nèi)燃機 1979，4
�。�2］金東寒 《斯特林發(fā)動機技術》 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社 2010年1月
［3］ 孔令斌 兩級密封式斯特林可逆熱機 世界科技研究與發(fā)展 2009年12月第31卷第6期；1016-1019頁
［4］ 孔令斌 新型斯特林發(fā)動機設計理論研究 中國科技論文在線 2007年6月13日
�。�5］ 孔令斌 中國新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略探索 中國科技論文在線 2009年2月19日
個人簡介：孔令斌，四川省勞動模范， 1963年生于四川敘永，1986年畢業(yè)于西南石油學院。
The control system of the stirling engine in car
Kong Ling- Bing
Guanghan Huaxing Innovative Technology Development Institute（618300）
E-mail：klb212817@163.com
Abstract:This paper introduces a control system of the stirling engine which is by adding working substance to the working cylinder which is in constant temperature expansion process to start the engine, by adding working substance to the working cylinder which is in constant temperature compression process to slow down the engine, by changing pressure of working substance in all working cylinders and fuel to control the velocity of the engine.So the start or stop of the stirling engine can be controlled by rotor phase and input signal,and the velocity of the stirling engine can be controlled by pressure of working substance equalizer.When the stirling engine is used in car ,the operation of the stirling engine with above-mentioned control system is same as the internal-combustion engine. But the stirling engine with above-mentioned control system can brake by itself, so it is better than the internal-combustion engine in braking security.
Keyword: car stirling engine start brake
