车用斯特林发动机控制系统(补充修改稿)

车用斯特林发动机控制系统

孔令斌

摘要：本文介绍的斯特林发动机起动制动及工况控制系统，通过向处于等温膨胀过程相位的工作腔加注工质，实现起动运行；通过向处于等温压缩过程相位的工作腔加注工质，实现制动运行；通过向所有工作腔加注或泄减工质，同时增大或减小燃油和空气供给量，实现加速或减速运行。起动制动由发动机转子相位信号和输入的信号控制。加速减速由工质均衡器室的压力升降控制。用于汽车，斯特林发动机的起动信号、起动时的空气燃油供给信号、点火信号都由同一开关控制；斯特林发动机的加速信号由加速踏板控制；斯特林发动机的减速信号、制动信号、车轮制动信号都由制动踏板控制。操作规程与内燃机汽车基本相同。这种汽车的发动机和车辆同时制动新技术，提高了车辆安全性。

关键词：汽车；斯特林发动机；起动；制动

1．引言

早在上世纪30年代，欧美国家就试图将斯特林发动机用作汽车发动机[1]。但是，体积大、密封难这两大障碍始终阻碍其发展[2][3]。尽管如此，直到70年代，斯特林发动机仍被认为是很有前途的车用发动机[1]。进入80年代，以上观点发生了转变，1982年3月，在英国伦敦里丁大学召开的第一届国际斯特林发动机学术会议认为：在车用发动机领域，斯特林发动机不能与内燃机竞争，其发展方向确定为功率大约50KW以内的低功率发动机，应用于水下动力、垃圾填埋气发电、热电联供、太阳能热发电等领域[4]。

2007年12月，中国人发明的斯特林可逆热机消除了体积大、密封难这两大障碍[5]。斯特林可逆热机结构简单紧凑，相同工作容积，其整机体积不及内燃机的一半，零件减少三分之一以上。斯特林可逆热机采用两级密封技术，将动密封转变为静密封，做到可靠密封。这两个问题得到解决，斯特林发动机其他优势就充分显现。

斯特林可逆热机作发动机，除了具有斯特林发动机固有的节能环保无噪音等优势外，独特的起动制动及工况控制系统更提升了发动机的安全性、经济性和操作性能。在此方面，不仅内燃机不能与之相比，就是Kockums公司V4-275R发动机和菲利浦公司4-235发动机的控制系统也没有如此简洁高效[4] [6]。起动运行是在燃烧供热开始的同时，向处于等温膨胀过程的工作腔加注工质，膨胀压力增高，发动机迅速起动；制动运行是在发动机高速运转时，向处于等温压缩过程的工作腔加注工质，发动机迅速减速；工况控制是通过同步增减处于运行状态发动机工作腔的工质和燃油空气供给量，使发动机输出功率相应增减，而热机效率保持基本不变。

而内燃机起动靠专用的起动电机，没有工质制动的良好条件，工况控制只有增减燃油量一条途径，燃料过多时燃烧不完全，热机效率波动大。曾经拥有的竞争优势已丧失，被斯特林发动机取代是必然趋势[7]。

斯特林可逆热机的起动制动及工况控制系统的工作原理是利用工质均衡器室的压力是各工作腔控制基准和等温过程的压力波动规律。

2．起动制动及工况控制系统

2.1系统构成及运行

起动制动及工况控制系统由高压工质罐、起动制动控制器、工质均衡器室、

图1 斯特林发动机控制系统

Fig.1 The control system of the stirling engine

减速阀、加速阀、减压阀一、减压阀二、回压阀、低压工质罐、工质增压泵等10个部件组成，由起动制动控制信号、转子相位信号、工况控制信号等3个

信号源控制，完成起动、加速、减速、停机等4种操作。各部件的连接关系如图一所示。方框代表部件或信号，箭头方向代表工质流动方向或信号传递方向。各部件的构成及功能列入表一。

高压工质罐有3个流出端口和1个流入端口。1个流出端口与起动制动控制器连接；1个流出端口与减压阀二连接；1个流出端口与减压阀一连接；流入端口与工质增压泵连接。

起动制动控制器由4个单向阀和1个接收转子相位信号和起动制动控制信号、控制4个单向阀开关的装置组成。4个单向阀的进口端连接高压工质罐，出口端分别连接4个工作腔。

工质均衡器室是将4个工质均衡器封闭在内的1个密闭容器，分别与减速阀的进口端和加速阀的出口端连接，并有 1 个控制燃油量和空气量的压力信号输出口。4个工质均衡器分别连接4个工作腔。

减速阀是进口端与工质均衡器室连接，出口端与低压工质罐连接的阀门。开闭受工况控制信号控制。

加速阀是进口端与减压阀二连接，出口端与工质均衡器室连接的阀门。开闭受工况控制信号控制。

减压阀一的进口端与高压工质罐连接，出口端与二级密封腔连接。

减压阀二的进口端与高压工质罐连接，出口端与加速阀连接。

回压阀的进口端与二级密封腔连接，出口端与低压工质罐连接。

低压工质罐分别与减速阀的出口端、回压阀的出口端、工质增压泵的进口端连接。

工质增压泵的进口端与低压工质罐连接，出口端与高压工质罐连接。

工质均衡器室的压力成了四个工作腔工质量和燃油空气量的控制基准，与二级密封腔压力已经没有关系。工质均衡器室可以安装在二级密封腔外，与工作腔的接口开在回热器的低温端。回热器是斯特林发动机的关键部件，工质在回热器内的流变特性，对斯特林发动机性能影响很大[8]。现代斯特林发动机回热器都是采用金属丝网蓄热的设计方式[9]。没有充分利用四缸斯特林发动机在同一时间，各工作腔分别处于不同的热力学过程，既有处于放热过程的，又有处于吸热过程的，且工质流向相反的特点。也就是没有利用逆流换热效果最好的客观规律[10]。其实，只要将每个工作腔的两气缸用若干根金属管连接，四个工作腔的金属管中部均匀分散紧贴，熔为一体，彼此之间能进行热交换，再外包绝热层。就是热交换式回热器。用于大功率发动机，热交换式回热器比蓄热式回热器更省料、高效、低成本，工质流变性也会更好。也有利于控制系统的运行。

该斯特林发动机控制系统部件体积小，便于布置，易于操控。工质是完成起动制动及工况控制的执行者。起动，工质由高压工质罐流入处于等温膨胀过程的工作腔；制动，工质由高压工质罐流入处于等温压缩过程的工作腔；加速，工质由高压工质罐经减压阀二、加速阀、工质均衡器单向阀流入4个工作腔；减速，工质从4个工作腔经工质均衡器安全阀、减速阀流入低压工质罐。

工质经减压阀一流入回压阀关闭的二级密封腔，压力值由减压阀一设定，并和4个工作腔内的压力达到动态平衡，实现可靠密封。这是起动制动及工况控制有效进行的保证。

起动运行时，给起动制动控制器输入向处于等温膨胀过程相位的工作腔注入工质的信号。起动制动控制器根据转子相位信号，确认处于等温膨胀过程相位的工作腔，并开启相应阀门。工质从高压工质罐流入处于等温膨胀过程相位的工作腔，腔内压力升高，推动活塞运动，发动机起动。

制动运行时，给起动制动控制器输入向处于等温压缩过程相位的工作腔注入工质的信号。起动制动控制器根据转子相位信号，确认处于等温压缩过程相位的工作腔，并开启相应阀门。工质从高压工质罐流入处于等温压过程相位的工作腔，腔内压力升高，阻止活塞运动，发动机制动。

加速运行时，开启加速阀，工质流入工质均衡器室，压力升高，自动打开工质均衡器的单向阀，工质流入工作腔。与此同时，压力升高的信号传到燃油和空气供给系统，燃油和空气供给量同步增加，发动机加速。

减速运行时，开启减速阀，工质由工质均衡器室流入低压工质罐，工质均衡器室的压力降低。压力降低到工质均衡器的安全阀开启所需压差时，工作腔内的工质从安全阀溢流到工质均衡器室。与此同时，压力降低的信号传到燃油和空气供给系统，燃油和空气供给量同步减少，发动机减速。

2.2起动制动原理

斯特林可逆热机的4个工作腔，无论何时都分别处于斯特林循环4个热力学过程。处于等容吸热过程和等容放热过程的工作腔，两个活塞对热机转子的扭矩方向相反，二者大体平衡，可以认为不输出功；处于等温膨胀过程的工作腔，两