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斯特林發動機使用斯特林循環，這不同于內燃機中的循環。
- 斯特林發動機中使用的氣體從來都不會離開發動機。 與汽油發動機或柴油發動機不同，它沒有排放高壓氣體的排氣閥，并且不會發生爆炸過程。 因此，斯特林發動機的噪音很低。
- 斯特林循環使用外熱源，可以是汽油、太陽能或由腐爛植物產生的熱量。 發動機氣缸中不會發生燃燒過程。
斯特林發動機的配置方式有數百種。 在本文中，我們將了解斯特林循環以及這款發動機兩種不同配置的工作原理。
斯特林發動機的主要原理是，首先在發動機內封入一定量的氣體，然后斯特林循環的一系列活動會改變發動機內部的氣壓，從而導致其做功。
有幾種氣體的特性對斯特林發動機的運轉非常重要：
- 如果向一定空間中注入一定量的氣體，當氣體的溫度升高時，壓力就會增加。
- 如果壓縮一定數量的氣體（減少所占用空間的體積），氣體的溫度就會升高。
讓我們以簡化的斯特林發動機為例，詳細了解一下斯特林循環的各個部分。 這種簡化發動機采用兩個氣缸。 一個由外熱源（如火）進行加熱，另一個由外部冷卻源（如冰）進行制冷。 兩個氣缸的氣腔相通，并通過連桿讓兩個活塞相連，其中連桿決定了活塞的相對運動。
斯特林循環由四部分組成。 上面動畫中的兩個活塞完成了整個循環：
- 對加熱式氣缸（左邊）內的氣體進行加熱，導致壓力上升。 這會強制活塞往下運動。 斯特林循環中的這個過程是做功過程。
- 當右邊的活塞向下運動時，左邊的活塞就會向上運動。 這會將熱氣推入冷卻式氣缸中，然后將氣體快速冷卻到冷卻源的溫度，從而降低壓力。 這有助于在循環的下一個環節壓縮氣體。
- 冷卻式氣缸中的活塞（右邊）開始壓縮氣體。 此壓縮過程產生的熱量會通過冷卻源散發掉。
- 右邊的活塞向上運動，而左邊的活塞向下運動。 這樣就能強制氣體進入加熱式氣缸，然后氣體會快速升溫，從而將壓力提升至可重復循環的點。
斯特林發動機在循環的第一部分只產生動力。 增加斯特林循環的動力輸出主要有兩種方式：
- 增加第一階段的動力輸出：在循環的第一階段，推動活塞的加熱氣體的氣壓開始做功。 如果提高循環中這個階段的壓力，就可增加發動機的動力輸出。 一種升高壓力的方法是提高氣體的溫度。 本文稍后會介紹雙活塞式斯特林發動機，我們將了解蓄熱器是如何通過臨時儲存熱量來增加發動機的動力輸出的。
- 減少第三階段的動力消耗：循環的第三階段依靠第一階段產生的動力使活塞對氣體做功。 如果降低這個階段的壓力，就可降低內部功率消耗，從而有效增加發動機的動力輸出。 減少壓力的一種方式是將氣體冷卻到較低溫度。
這部分介紹了理想狀態下的斯特林循環。 由于發動機設計的物理限制，發動機實際工作時的循環會略有不同。 在接下來的兩個部分中，我們將了解幾種不同的斯特林發動機。 配氣活塞式發動機可能最容易理解，因此我們從它開始。
配氣活塞式發動機有一個活塞和一個置換器，而非兩個活塞。 置換器的作用是控制氣體燃燒室加熱和冷卻的時間。 此類斯特林發動機有時會在課堂演示中使用。 您甚至可以購買配套元件，自己制造一個！
 American Stirling Company 網站供圖 圖中的發動機通過您的手溫就能工作 |
為了能夠工作，上圖中的發動機需要大氣缸頂部與底部之間存在溫差。 這種情況下，您的手溫和周圍空氣溫度的差異就足以運行發動機了。
在上圖中，您可以看到兩個活塞：
- 動力活塞：這是發動機上方較小的活塞。 它是緊封閉的。當發動機內的氣體膨脹時，動力活塞會向上運動。
- 置換器：這是圖中較大的活塞。它在氣缸中非常自由，因此隨著其上下運動，空氣很容易在加熱式或冷卻式氣缸之間流動。
置換器通過上下運動來控制是對發動機中的氣體進行加熱還是冷卻。 它有兩個位置：
- 當置換器靠近大氣缸的上方時，發動機內的大部分氣體由熱源加熱，然后開始膨脹。 發動機內產生的壓力會強制動力活塞向上運動。
- 當置換器靠近大氣缸的底部時，發動機內的大部分氣體開始冷卻收縮。 這會導致壓力下降，從而使動力活塞向下運動，對氣體進行壓縮。
發動機會反復對氣體進行加熱和冷卻，以便從氣體的膨脹和收縮中吸取能量。
接下來，我們將了解雙活塞式斯特林發動機。
在這款發動機中，加熱式氣缸通過外部燃燒來加熱。 冷卻式氣缸用空氣冷卻，它上面有散熱片，可以加速冷卻過程。 將每個活塞的連桿連接到小輪輻上，再將這些輪輻與較大的飛輪相連。 在發動機不產生動力的情況下，這可以保持活塞運動。
火焰持續對氣缸下部加熱。
- 循環的第一階段會產生壓力，強制活塞向左運動，進行做功。 冷卻后的活塞幾乎靜止不動，因為此時它正在回轉以改變方向。
- 在接下來的階段，兩個活塞都會發生運動。 加熱式活塞向右運動，冷卻式活塞向上運動。 這樣就能通過蓄熱器將大部分氣體吸入冷卻式活塞。 蓄熱器是一種可以臨時儲存熱量的裝置：它可能是一個鐵絲網，供加熱氣體穿過。 鐵絲網的表面很大，可以快速吸收大部分熱量。 剩下的少部分熱量由散熱片散發。
- 接著，冷卻式氣缸中的活塞開始壓縮氣體。 壓縮過程中產生的熱量由散熱片散發。
- 在循環的最后一個階段，兩個活塞都會發生運動：冷卻式活塞向下運動，而加熱式活塞向左運動。 這會強制氣體通過蓄熱器（蓄熱器會重新使用上次循環中儲存的熱量）進入加熱式氣缸。 這時，新的循環又開始了。
您可能會奇怪，為什么市場上沒有廣泛應用斯特林發動機呢？ 在下一節，我們將探究其中的某些原因。
有幾個主要特征使斯特林發動機在許多應用中，包括大多數汽車和卡車，顯得不切實際。
由于熱源來自外部，因此發動機需要經過一段時間才能響應用于氣缸的熱量變化（通過氣缸壁將熱量傳導給發動機內的氣體需要很長時間）。 這意味著：
- 發動機在提供有效動力之前需要時間暖機。
- 發動機不能快速改變其動力輸出。
這些缺點幾乎都表明，它無法取代汽車中的內燃機。 但是，斯特林發動機為混合動力汽車提供動力卻是切實可行的。
