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斯特林发动机

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长型斯特林机剖面图：
  • 粉红–高温汽缸壁
  • 深灰–低温汽缸壁（透过黄色通道注入和排出冷却液）
  • 深绿–温度隔离壁
  • 浅绿–配气活塞
  • 深蓝–活塞
  • 浅蓝–曲柄和齿轮
不在图上的：热源和冷源。

斯特林发动机（英语：Stirling Engine）[1]又名热空气发动机，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。

历史

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

工作原理

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斯特林发动机2种─大学生5分钟
斯特林发动机

斯特林发动机透过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质。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
    共用活塞的活塞斯特林发动机
  • 冷热双活塞分离的活塞斯特林发动机
    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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在将热变成机械功的转换上，斯特林发动机在真实的热机中可达最高的热效率，至多80%，仅受工作气体和发动机材料的不理想性质限制，例如摩擦、热传导性、抗张强度、缓慢、熔点等。

只要提供充足热源，此发动机理论上可用被任何热源推动，包括太阳能、化学能和核能。

与内燃机相比，斯特林发动机往往维修需求较低，更高效、更安静、而且更可靠。它们倾向被应用于某些特殊用途以发扬其独特优点。特别是首要目标非减低每单位功率的投资成本（金钱/千瓦），而是减低发动机产生每单位能量的成本（金钱/度）的时候。

在额定功率下，斯特林发动机的投资成本目前比内燃机发动机高，而且通常更大更重，因此这发动机科技很少单独以此作为竞争基准。然而在一些用途上（例如需要静音的潜艇[3]），适当的本益分析可令斯特林发动机优于内燃机发动机。

近年来，鉴于能源成本普遍上涨，能源短缺和全球暖化之类的环境问题，斯特林发动机的优点愈来愈显著。也有人将斯特林发动机运用在了实验车辆上。[4] 对斯特林发动机科技提高兴趣促进了斯特林装置的研发。其应用涵盖借由不相容于内燃机的丰富能源抽水、宇基太空航行、发电，像是太阳能、农业废料还有家庭垃圾。

另一个斯特林发动机的潜力是，若供应机械功，它可以作为一种热泵。已有实验利用风能驱动斯特林热泵作为家用冷暖空调。

很小的斯特林发动机

问题在于（1）散热器巨大，无法用于移动机器如汽车，（2）材料要求过高，没有材料可平价用于大功率发动机。

相关条目

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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 互联网档案馆的存档，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）. 

延伸阅读

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外部链接

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