车用斯特林发动机控制系统
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、 转子相位信号 起动制动控制器 起动制动控制信号 减速阀 工质均衡器室 低压工质罐 工质增压泵 工况控制信号 燃油量 空气量 高压工质罐 减压阀 二 加速阀 减压阀 一 二级密封腔 回压阀
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。
表1 部件构成及功能
Tab. 1 parts and their function
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序号 |
部件 |
构成及功能 |
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1 |
起动制动控制器 |
根据所给信号和转子相位信号，向指定工作过程工作腔注入工质的控制装置。起动时向处于等温膨胀过程的工作腔注入工质；制动时向处于等温压缩过程的工作腔注入工质。 |
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2 |
工质均衡器室 |
将所有工质均衡器封装在内的密闭容器，其压力值控制燃油和空气供给量以及工作腔内工质数量，其压力值的变化控制发动机输出功率增减。 |
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3 |
减速阀 |
阀门，该阀处于开启状态，加速阀关闭，向低压工质罐泄减工质，工质均衡器室压力降低，工质经工质均衡的安全阀由工作腔进入工质均衡器室，发动机输出功率减小。该阀处于关闭状态，若加速阀关闭，发动机输出功率处于稳定；若加速阀开启，发动机输出功率增大。减速阀和加速阀不能同时开启。 |
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4 |
加速阀 |
阀门，该阀处于开启状态，减速阀关闭，向工质均衡器室注入工质，工质经工质均衡的单向阀进入工作腔，发动机输出功率增大。该阀处于关闭状态，若减速阀关闭，发动机输出功率处于稳定；若减速阀开启，发动机输出功率减小。 |
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5 |
减压阀 二 |
减压阀，将高压工质降至加速阀额定压力。 |
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6 |
低压工质罐 |
低压罐体，储存低压工质。 |
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7 |
工质增压泵 |
增压泵，将低压工质加压、注回高压工质罐。 |
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8 |
回压阀 |
阀门，一直保持关闭，只有检修或换工质时开启。 |
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9 |
高压工质罐 |
耐高压罐体，储存高压工质。 |
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10 |
减压阀 一 |
减压阀，将高压工质降至二级密封腔额定压力。 |
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，两个活塞对热机转子的扭矩方向相同，都为正，输出功为正；处于等温压缩过程的工作腔，两个活塞对热机转子的扭矩方向相同，都为负，输出功为负[11]。发动机起动的条件是处于等温膨胀过程的工作腔压力大于处于等温压缩过程的工作腔压力。增大工作腔压力的方法只有两种：一是供热，二是增加工质。
如果4个工作腔的工质始终等量，供热就能使处于等温膨胀过程的工作腔压力大于处于等温压缩过程的工作腔压力，发动机就能起动。而4个工作腔的工质始终等量是不可能的，仅靠供热起动困难。向处于等温膨胀过程的工作腔加注工质，发动机就能迅速起动。制动过程正好相反，向处于等温压缩过程的工作腔加注工质，压力达到处于等温膨胀过程工作腔的压力，发动机停机。
2.3工况控制原理
斯特林可逆热机的工质均衡器限定各工作腔相同的工作压差，并以工质均衡器室的压力为控制基准。在热量流入端温度和热量流出端温度确定的前提下，工质均衡器室的压力值反映了参与作功的工质量，也就反映了输出功率的值。因为两者是同增共减的关系，所以工质均衡器室的压力值也是发动机工况的较好控制基准。斯特林发动机是工质调控工况，与内燃机温度调控工况相比，有更高的热机效率和更好的工况特性。
发动机的每个工况，都有与之对应的工质均衡器室压力值。而每个工质均衡器室压力值，有若干个相对应的工况。选择各压力值对应的最佳工况，使发动机尽量在最佳工况下运行。什么是最佳工况呢？热量流入端温度和热量流出端温度都是设计温度的工况，就是最佳工况。
如人为升高工质均衡器室压力，而不增大燃油供给量，这时工质流入各工作腔，工质密度增大，也就增大了热量流量，供热温度要降低，热机效率随之而降，输出功率也要降低。这种工况就不是最佳工况。必须相应增大燃油和空气供给量，使热量流入端温度不降低，热量流出端温度不升高。
因此，确定各工质均衡器室压力值对应的最佳工况的燃油和空气供给量是很重要的工作。
所谓工况控制，就是保证发动机处于或接近最佳工况。
3． 车用前景展望
斯特林可逆热机的功率以电流输出，具有发展电动车的天然优势。取缔传统的变速器，配置电机电控装置和超级电容器就成了电动车。斯特林可逆热机、电机电控装置、超级电容器才是汽车工业发展的关键技术！动力电池的重要性不及超级电容器！斯特林发动机动力汽车是汽车工业的合理选择。但在很长的过渡期内，配置变速器的斯特林发动机动力汽车还是有市场。可借用磁力搅拌高压反应釜的磁力传动装置，能在可靠密封的前提下，将热机转子的动力传到变速器。还可采用机械密封装置直接将热机转子的动力传到变速器。
无论何种情形，起动制动及工况控制系统都不可缺。采用后两种方案，就相当于用斯特林发动机换掉内燃机。因两者操作控制方式不同，是否有既保持现有操作模式，又满足可靠操控要求的两全之策呢？回答是肯定的！换上斯特林发动机；斯特林发动机的起动信号、起动时的空气燃油供给信号、点火信号都由控制内燃机起动马达的开关控制；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，信号响应次序为减速信号为先，制动信号次之，车轮制动信号最后；热量流入端和热量流出端温度表取代水温表；加装工质均衡器室压力表。就成了斯特林发动机汽车！操作和内燃机汽车基本一样：置空档，打开起动开关，空气、燃油进入燃烧室混和后被点燃，热量流入端温度升高，同时有工质被注入处于等温膨胀过程相位的工作腔，发动机起动，关闭起动开关；脚踏加速踏板，工质流入工质均衡器室，发动机加速；挂档起步，进入正常行驶状态。脚踏制动踏板，减速阀打开，工质流出工质均衡器室，发动机减速，加大踏板位移量，制动信号响应，有工质被注入处于等温压缩过程相位的工作腔，发动机制动，迅速减速，继续加大踏板位移量，最后启动车轮制动。三者共同作用，制动效果好。在行驶中调速，用前两种减速方式就行了，停车才启动车轮制动。唯一不同点是斯特林发动机没有怠速，松开加速踏板不减速，必须踏制动踏板发动机才减速。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。
该斯特林发动机，可广泛应用于各类汽车，而不局限于轿车，可使汽车达到最严格的排放标准，可使用多种燃料，拓宽了汽车燃料来源。同一辆车，只要对燃料空气量随工质均衡室压力变化规律曲线作调整，就能使用各类生物质能源、多种石油馏份、天然气、氢气！直接以氢气为燃料，综合性能会优于目前被认定为新能源汽车终点的氢燃料电池车[12]！将会开创清洁燃料汽车新时代。
为满足重载汽车的动力需求，可在轻型汽车用斯特林发动机的基础上，通过加大工作腔缸径和冲程长度，增加工作腔数，以及拼机这三种方法来设计制造大功率发动机。增加工作腔数，等温过程的相角减小，等容过程的相角增大，两者是互补关系。工作腔数也不能太多。否则，等温过程的相角太小影响正常运行。综合考虑各种因素，6个工作腔较好。达到8个工作腔，可采取四个工作腔相间连接，相当于两个四缸发动机共用一个转子，形象地称为拼机。通过以上各项措施，发动机的功率可以很大。还可用于火电、核电、船舶等领域。
4． 结束语
该起动制动及工况控制系统能确保斯特林可逆热机作汽车发动机，在安全性、环保性、燃料经济性、制造成本、维护费用等方面都优于其他发动机[12]。斯特林发动机汽车是新能源汽车发展的正确方向。将来的汽车市场必然是以斯特林发动机汽车为主，纯电动汽车为辅的格局！憧憬即将到来的斯特林热机时代，中国应该是未来汽车工业先驱！
致谢
在本文写作过程中，孔令聪给予了大力支持和帮助，在此表示感谢！
作者简介
孔令斌（1963— ），男，四川省叙永县人，自由职业者，工程师，斯特林可逆热机发明人。
联系方式
电话 18715818171 电子邮箱 [email protected]
参考文献
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［5］ 孔令斌 两级密封式斯特林可逆热机［J］ 世界科技研究与发展 2009年12月 第31卷第6期；1016-1019页
［6］C.J.Daniele and C.F.Lorenzo,Computer Program for a Four Cylinder Stirling Engine Controls Simulation［J］, DOE/NASA/51040-37,NASA TM-82774,1982.
［7］Walker G,Reader GT and Banwens L,et al.The Prospects for Stirling Cycle Machines in the 21st Century［J］. 7th ISEC,November,1995.
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［11］孔令斌 新型斯特林发动机设计理论研究［J］中国科技论文在线2007年6月13日
［12］孔令斌 中国新能源汽车发展战略探索［J］中国科技论文在线 2009年2月19日