世界领先，国产320kw斯特林发动机研制成功，到底有多先进

根据《中国船舶报》21年12月21日消息，我国研制成功大功率的斯特林发动机，功率达到320千瓦，热效率40%，属于国际领先水平。

斯特林发动机是1816年由英国物理学家斯特林发明的，从原理和结构上来说，这个机器是一个非常简单的机器，但是要做好很难。

▍斯特林发动机是一种外燃机。

所谓的外燃机就是说它的气缸里面只有工质，被外部的热量加热以后会膨胀，推动一个活塞做功。

普通用的柴油机、汽油机，它的气缸里面是要喷油，然后点着火，推动活塞。这种属于内燃机。

那么外燃机跟内燃机有什么区别呢？

主要是内燃机的功率容易做的比较大，机器做的比较紧凑。

而且内燃机功率调节比较容易，因为我们只要通过调节喷入气缸里面的燃油的数量，可以瞬间完成功率调节。

但是外燃机调节功率比较麻烦，因为要通过火焰的大小来改变热量，然后再改变气缸的温度，然后才能改变气缸内部工作工质的温度，再影响活塞的推进。这个响应过程稍微要长一点。

而且在气缸外面加热，相当于要额外多了一套部件，所以外燃机的体积比较大。

蒸汽机也是一种外燃机，所以蒸汽机的体积也是非常庞大的。

▍斯特林发动机的结构、工作原理。

内燃机的工作气缸只有一个，但是斯特林发动机的气缸有两个，一个是热端气缸，一个是冷端气缸。

热端气缸，顾名思义就是火焰来加热的气缸。而且热端气缸和冷端气缸都可以推动活塞，气缸之间是联通的。

火焰加热热端气缸以后，气缸中的气体膨胀，既推动活塞，又把一部分气体推进冷端气缸。冷端气缸中的气体受冷，带动活塞收缩，又把冷端气缸中的一部分气体推入了热端气缸。

两个活塞之间用曲轴连接，夹角是90度。

因为活塞需要越过死点，所以一般会用曲轴连接飞轮。依靠飞轮的惯性使整个运动过程变得平稳。

▍看起来这么容易的斯特林发动机，为什么做起来这么难呢？

网购平台上的玩具斯特林发动机很多。但是一旦需要它有一定的功率输出，那么这个问题就来了。

因为热量是从外面透过气缸加热里面的气体，这就要求热惯性非常小。同时要它输出功率大，那么又必须提高它的温度、压力。

而且斯特林发动机因为它是外燃机，所以没有办法像内燃机那样在汽缸外面包一个水套，冷却气缸。

因此，军用级别斯特林发动机的最大难度就是热端气缸的设计、材料问题。

长期在高温高压下工作，需要它的材料有一定的厚度，同时要让它导热快，必须让这个材料薄，这是一个矛盾的指标。

所以斯特林发动机就是自己玩玩，作为民用的没有什么特别要求的话，它是比较容易实现的。

但是你一定要给一个限定指标，比如说功率跟效率上去的话，那就非常难做。

我国本次研制成功大功率斯特林发动机，说明在材料和结构上有了突破。

▍斯特林发动机的2大特点。

一个是可以用任意燃料，另外一个就是安静。

因为斯特林发动机只需要在外部加热就可以了，所以用木材也可以，用煤也可以，甚至用热水都行。

外燃机它是效率比较高，而且比较安静。因为它是连续的燃烧，不像汽油机的气缸里面它是爆燃，会发出砰的一声。

柴油机、汽油机噪音最大来源，就是燃料在气缸内爆燃，这个爆燃制造的分贝非常高，可以超过120分贝。汽车的发动机如果没有排气管作为消音器，就是所谓的炸街。

斯特林发动机可以在情况下工作，那么什么地方最需要安静？

当然就是潜水艇里面需要安静，因为要隐蔽在水下，不被发现，需要它的噪音降到足够。

常规潜水艇，通常被称为柴电潜艇。浮到水面上开动柴油机，给电池充电，潜到水之下以后使用电池推进。

电池的容量是有限的，到目前为止大容量的高可靠电池还没突破，所以绝大部分常规潜艇在水下推进使用的是铅酸电池。

我们知道铅酸电池能量密度比较小，但是安全。

水下的潜水艇用铅酸电池推进，速度都很慢。巡航大概跟一个人快步走的速度差不多，每小时在6公里。

当然，常规潜艇在水下也可以开到高速，但是电池大约在两个小时就会用尽。

所以大部分情况下，常规潜艇在水下只能龟速运动。一旦被反潜兵器逮到，就会非常难受。

为了提高航速和航程，日本的最新一批潜艇使用了锂电池，锂电池最大的问题就是它不安全。

而且锂电池的容量密度也只有铅酸电池的三倍，使用了锂电池对常规潜艇性能的改善也是有限的。

所以常规潜艇它大部分情况下只能在近海活动，要开到远海去，按照这个速度会很长，在水面上航渡使用柴油机推进的话，又很容易暴露。

这样一来斯特林发动机就有了用武之地，因为它可以在水下安静转动。可以直接带动螺旋桨，也可以带动发电机，给电池充电。

▍斯特林发动机有多安静？

斯特林发动机上面能够产生声音的部件，只有活塞和转动的飞轮，只要轴承的性能好，声音理论上可以做到无限小。

瑞典常规潜艇大量使用斯特林发动机，这样极大延长了潜艇在水下潜航的时间。潜艇只使用电池在水下航行，每隔两天就必须上来开启柴油机充电。

使用斯特林发动机以后，潜艇在水下潜航的时间可以大大延长。

当然，如果从在水下潜航的时间以及潜航的速度来说，核潜艇是最佳的选择。

现代化的核潜艇上面都使用了高浓度的铀（浓度40%），通常比民用核电站用的核燃料要高8倍。

一次装填燃料，可以航行50年，相当于几乎无航行能力。

但是核潜艇有一个麻烦，退役时需要处理这些高浓度的燃料，成本比较高。

而且核潜艇使用了大型反应堆，体积比常规潜艇要大得多，这也限制了它在浅海的活动。

像中国黄海、东海，很多浅海的地方水深只有100米到200米，一个核潜艇的长度就差不多这么长了。

我国的海岸有个特点，大部分是都是大陆架，像这种浅海的地区非常的多，所以说比较小型的常规潜艇比核潜艇要好一些，不仅灵活而且节约成本。

▍320千瓦斯特林发动机有多先进？

斯特林发动机在水下使用氢氧作为燃料，它的功率越大，潜艇在水下潜伏的时间越长。

瑞典的斯特林发动机功率为180千瓦，潜艇可以在水下潜伏10天，我国发动机功率超过其1.5倍以上，理论上水下潜伏时间可达到15天。

通常情况下，核潜艇在水下巡航的时间大概也只有一个月左右，所以15天左右的水下航行时间，基本上可以和核潜艇的水下巡航时间相衔接。

我国潜艇的建设一直是核潜艇和常规潜艇两条腿在走路。

而且根据我国的地形和沿海环境来说，常规潜艇在很长一段时间内都不可能退役，只能进行升级换代。

使用斯特林发动机改进常规潜艇的动力系统之后，可以使我国的常规潜艇在沿海活动时，达到接近核潜艇的使用效果。