斯特林發動機

1816年倫敦牧師Robert Stirling 提出了一種活塞式熱氣發動機一斯特 林發動機的構想，這是一種外部加熱的閉式循環發動機。該循環由兩個等温過程和兩個定容回熱過程組成，屬於概括性卡諾循環的一種。實現斯特林循環的關鍵在於實現回熱。斯特林構想的熱機由兩個氣缸-活塞夾一個蓄熱式回熱器組成。其製冷工作過程工作原理如下 ^[4]  ：

兩個氣缸-活塞系統為膨脹氣缸-活塞系統和壓縮氣缸-活塞系統，分別對應於高温吸熱和低温放熱過程。兩個氣缸內工質氣體通過蓄熱式回熱器連通，假定兩個氣缸缸套保持良好等温傳熱能力，以保證缸內氣體温度各自始終不變(等温)，穩態工作狀況下，蓄熱式回熱器已經建立了從高温( 膨脹氣缸)到低温(壓縮氣缸)的穩定温度梯度。定義兩個氣缸-活塞系統中活塞靠近蓄熱式回熱器的行程止點為近止點，遠離回熱器的行程止點為遠止點。選取循環開始時壓縮活塞位於遠止點，膨脹活塞位於近止點。此時工質氣體完全處於壓縮氣缸中(假定理想情況下回熱器內不存儲氣體)，狀態點編號為2。

循環開始後，壓縮活塞向近止點運動，膨脹活塞不動，氣體壓力升高，比體積縮小(密度增大)，是為等温壓縮放熱過程。當缸內氣體壓力達到額定壓力，狀態達到3點，膨脹活塞開始離開近止點向遠止點運動，工質氣體經蓄熱式回熱器流人膨脹氣缸，蓄熱器蓄熱能力無限大且傳熱良好，從壓縮缸到膨脹缸沿程各點温度保持穩定，工質經過蓄熱器時沿程各點均為等容吸熱，於是工質密度不變，通過蓄熱器後變化到狀態點4。壓縮活塞到達近止點，全部工質通過蓄熱器到達膨脹氣缸，也全部到達狀態點4。而後壓縮活塞保持不動，膨脹活塞繼續向遠止點運動，氣體進人定温膨脹吸熱過程。該過程中，工質從膨脹氣缸缸套等温吸熱，壓力降低，密度減小(比體積增大)。膨脹活塞到達遠止點，過程完成，終於狀態點1。然後膨脹活塞從遠止點出發，壓縮活塞從近止點出發，分別在同一時刻到達近止點和遠止點，期間工質氣體全部通過蓄熱器進入壓縮氣缸，同時在蓄熱器內沿程各點等温散發之前吸收的熱能，實現一級冷卻，並回到狀態點2。

制約斯特林循環實際應用的因素有:高低温熱源的等温吸熱和等温放熱難以實現、回熱器回熱難以實現、蓄熱式回熱器內部工質氣體殘留、蓄熱式回熱器阻力損失、活塞行程控制。玩具級的斯特林循環發動機和斯特林製冷機有很多產品出現， 但是對實用級的斯特林機器上述制約因素的影響迅速變大，導致其競爭力快速下降。 ^[1] 

與內燃機比較熱氣機所具備的優點：

1、適用於各種能源。無論是液態的、氣態的或固態的燃料，當採用載熱系統(如熱管)間接加熱時，幾乎可以使用任何高温熱源，如：生物質能（柴火等），而發動機本身(除加熱器外)不需要作任何更改同時熱氣機無需壓縮機增壓，使用一般風機即可滿足要求，並允許燃料具有較高的雜質含量；太陽能，這是斯特林發動機較為常見的用途之一；放射性同位素，常見於用於潛艇、深空的AIP系統。

2、噪音小。熱氣機在運行時，由於燃料的燃燒是連續的，因此避免了類似內燃機的爆震做功和間歇燃燒過程，從而實現了低噪音的優勢。這使得它可以用在潛艇上以得到較好的隱蔽性。熱氣機單機容量小，機組容量從20-50kw，可以因地制宜的增減系統容量。結構簡單，零件數比內燃機少40%，降價空間大，同時維護成本也較低。

3、不受氣壓影響。這是由於斯特林閉循環中工質與大氣隔絕產生的。這使得它非常適合於高海拔地區使用。 ^[3] 

1、對材料要求高。內燃機的燃氣最高温度要比斯特林高得多，但內燃機依靠散熱把氣缸的温度控制在90度左右，而斯特林發動機的加熱器和膨脹腔需要長時間保持在較高的温度，這對材料提出了較高的要求。

2、熱量損失大。同樣是因為長時間保持高温，這使得很多熱量通過直接傳遞和熱輻射的形式損失了。所以需要採取一系列措施來減少熱損失，比如把活塞做成中空結構，並且在裏面設置多道“熱障”。

3、體積大。這是由減少熱損失的一系列措施導致的，要隔熱，比功率就小。

4、反應慢。這些是針對常規結構的斯特林發動機而言。由於熱源來自外部，傳熱需要時間，因此發動機需要經過一段時間才能使氣缸的温度變化。這意味着：在提供有效動力之前需要時間暖機；不能快速改變其動力輸出；密封和潤滑的問題。密封和潤滑在一定程度上相互矛盾。由於工作介質是有限的，因此對密封的要求較高，這也是斯特林發動機發明比內燃機早卻沒能得到很快發展的原因之一。為了降低摩擦損失，潤滑的要求同樣較高。由於潤滑油汽化會凝結在回熱器上造成堵塞，因此不能使用潤滑油，只能幹摩擦。對策：一般使用聚四氟乙烯（PTFE）和聚醚醚酮（PEEK）以及各種填料（青銅、石墨等）製成的活塞環，具有自動形成潤滑層（自潤滑）、耐高温（250℃Max）的特性。 ^[3] 

已設計製造的熱氣機有多種結構，可利用各種能源，已在航天、陸上、水上和水下等各個領域進行應用。試驗熱氣機的功率傳遞機構分為曲柄連桿傳動、菱形傳動、斜盤或擺盤傳動、液壓傳動和自由活塞傳動等。成功實例有美國STM公司的民用25KW外燃機以及日本親潮級潛艇使用的斯特林發動機，中國潛艇也有自研成熟的斯特林發動機。熱氣機的未來發展將更多的應用新材料(如陶瓷)，可將加熱器温度進一步提高，理論有效效率可提升至42%。斯特林發動機有報道，已經開始研究在計算機主板的散熱風扇上使用，通過北橋芯片的發熱來帶動斯特林發動機，以此來給硬件降温，該研究還處於研究階段。 ^[3] 

隨着全球能源與環保的形勢日趨嚴峻，斯特林發動機由於其具有多種能源的廣泛適應性和優良的環境特性已越來越受到重視,在水下動力、太陽能動力、空間站動力、熱泵空調動力，車用混合推進動力等方面得到了廣泛的研究與重視，並且已得到了一些成功的應用。斯特林機推廣中的3個方向包括：

(1)小型分佈式熱電聯產系統：斯特林發動機基於其特點可應用於熱電聯產系統。熱電聯產系統從規模上分為小型分佈式熱電聯產系統和大型的以熱電廠為基礎的熱電聯產系統。其中小型分佈式熱電聯產系統具有設備小型化和燃料多元化等特徵。小型分佈式熱電聯產系統主要由動力裝置、供熱裝置和其他輔助裝置組成，其中動力裝置是整個系統的核心部件。天然氣首先進人燃燒器進行燃燒，產生的高温煙氣先用來加熱發動機的高温熱腔(區)，然後與換熱器進行換熱，得到熱水流入儲槽作為生活熱水，低温廢氣則從尾氣管排出。同時，冷水冷卻發動機的低温冷腔(區)也被加熱得到熱水。工質則在高温熱腔與低温冷腔之間循環流動，推動活塞往復運動對外做功，帶動發動機發電。

(2)低能級的餘熱回收：斯特林機也特別適合用來回收利用低能級的餘熱，如工廠餘熱、地熱、太陽能等，以取得良好的節能效益。

(3)移動式動力源：對斯特林發動機進行小型化和輕量化改造，並改善其控制性能後，亦可作為推士機、壓路機，甚至是潛水艇的動力來源。 ^[3]