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斯特灵发动机

史特林引擎（英語：Stirling Engine）[1]又名熱空氣引擎，是一种基于斯特林循环（英语：Stirling cycle）的闭循环活塞式热机。闭循环的意思是膨胀和压缩介质一直保存在气缸内；而开循环，如内燃机需要与大气交换气体。

長型史特林機剖面圖：
  • 粉紅–高溫汽缸壁
  • 深灰–低溫汽缸壁（透過黃色通道注入和排出冷卻液）
  • 深綠–溫度隔離壁
  • 淺綠–配气活塞
  • 深藍–活塞
  • 淺藍–曲柄和齒輪
不在圖上的：熱源和冷源。

历史

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伦敦的牧师罗伯特·斯特灵（Robert Stirling）于1816年发明的，所以命名为“史特林引擎”（Stirling engine）。

工作原理

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史特林引擎2種─大學生5分鐘
斯特林引擎

斯特林发动机透過气体吸收热源的内能，热胀冷缩做功，然后接触冷源，气体压缩，使活塞复位。发动机内的工作气体处于封闭中，因此可以用惰性气体来作为介質。以简单的双缸斯特林为例，斯特林发动机的工作过程可以分为如下几个阶段[2]：

  1. 右侧气缸与热源接触，缸内气体受热膨胀，对右侧活塞做功，活塞上升，接近于等温膨胀过程。
  2. 左侧活塞上升，右侧活塞下降，工作气体进入左侧气缸，接近于等容放热过程。
  3. 左侧气缸与冷源接触，缸内气体冷却收缩，左侧活塞下降，接近于等温压缩过程。
  4. 左侧活塞继续下降，工作气体返回右侧气缸，接近于等容吸热过程，完成一个循环。

理想情况下，等容放热量与等容吸热量相同，等温膨胀吸热量高于等温压缩放热量，输出机械能。

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    共用活塞的活塞斯特林发动机
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    冷热双活塞分离的活塞斯特林发动机

配气活塞式斯特林发动机的原理，配气活塞斯特林发动机有配气活塞和动力活塞两个活塞。其中配气活塞并不密封，气体可以从其和气缸间的缝隙中自由流动：

  1. 底部气体受热，配气活塞向上运动。
  2. 配气活塞上部气体受到压迫，一部分推动动力活塞运动，一部分从缝隙中进入配气活塞底部受热膨胀继续推动配气活塞。
  3. 动力活塞转动，带动飞轮，飞轮带动配气活塞向下运动。
  4. 配气活塞压迫气体进入上方，气体被冷却收缩，配气活塞上升，完成一个循环。

背景

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在將熱變成機械功的轉換上，斯特林引擎在真實的熱機中可達最高的熱效率，至多80%，僅受工作氣體和引擎材料的不理想性質限制，例如摩擦、熱傳導性、抗張強度、緩慢、熔點等。

只要提供充足熱源，此引擎理論上可用被任何熱源推動，包括太陽能、化學能和核能。

與內燃機相比，斯特林引擎往往維修需求較低，更高效、更安靜、而且更可靠。它們傾向被應用於某些特殊用途以發揚其獨特優點。特別是首要目標非減低每單位功率的投資成本（金錢/千瓦），而是減低引擎產生每單位能量的成本（金錢/度）的時候。

在額定功率下，斯特林引擎的投資成本目前比內燃機引擎高，而且通常更大更重，因此這引擎科技很少單獨以此作為競爭基準。然而在一些用途上（例如需要靜音的潛艇[3]），適當的本益分析可令斯特林引擎優於內燃機引擎。

近年來，鑑於能源成本普遍上漲，能源短缺和全球暖化之類的環境問題，斯特林引擎的優點愈來愈顯著。也有人将斯特林发动机运用在了实验车辆上。[4] 對斯特林引擎科技提高興趣促進了斯特林裝置的研發。其應用涵蓋藉由不相容於內燃機的豐富能源抽水、宇基太空航行、發電，像是太陽能、農業廢料還有家庭垃圾。

另一個斯特林引擎的潛力是，若供應機械功，它可以作為一種熱泵。已有實驗利用風能驅動斯特林熱泵作為家用冷暖空調。

 
很小的斯特林发动机

問題在于（1）散熱器巨大，无法用于移動机器如汽車，（2）材料要求過高，沒有材料可平價用于大功率引擎。

相關條目

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资料来源

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  1. ^ 邓迪的史特林引擎. hotairengines.org. [2020-06-19]. （原始内容存档于2020-06-06）. 
  2. ^ 斯特林发动机工作原理 互联网档案馆的存檔，存档日期2009-07-11.
  3. ^ 零距离细看日本最强AIP潜艇工艺. [2009-05-18]. （原始内容存档于2010-03-04）. 
  4. ^ 萬能科大光電系周鑑恆教授成功研發出載人的史特林引擎車. [2009-05-19]. （原始内容存档于2009-07-11）. 

延伸閱讀

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外部連結

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