斯特林發(fā)動機（英文：Stirling engine），是一種利用氣缸內(nèi)工作介質(zhì)（氫氣或氦氣）在冷熱端的溫度差，經(jīng)過冷卻、壓縮、吸熱、膨脹形成的閉式循環(huán)，推動活塞對外做功的外燃式發(fā)動機，又稱熱氣機。
斯特林發(fā)動機主要由壓縮腔、膨脹腔、加熱器、回?zé)崞?/a>和冷卻器組成。工作時，工質(zhì)在膨脹腔經(jīng)加熱膨脹后對外做功，回流冷卻壓縮后進入下一循環(huán)，回?zé)崞骺商岣吣芰坷寐省Ｔ?a href="/hebeideji/7202805507471032324.html">發(fā)動機有α、B、y三種類型，α型為雙缸雙活塞，B、v型用配氣活塞驅(qū)動，根據(jù)活塞功能還可分為單、雙作用型。它由R.斯特林于1816年發(fā)明，后經(jīng)改進，現(xiàn)已應(yīng)用于多個領(lǐng)域。其優(yōu)勢為燃料適應(yīng)性強、排放清潔等，但有效熱效率略低，對材料要求高，主要用于太陽能發(fā)電等領(lǐng)域。
循環(huán)
1816年倫敦牧師Robert Stirling 提出了一種活塞式熱氣發(fā)動機一斯特 林發(fā)動機的構(gòu)想，這是一種外部加熱的閉式循環(huán)發(fā)動機。該循環(huán)由兩個等溫過程和兩個定容回?zé)徇^程組成，屬于概括性卡諾循環(huán)的一種。實現(xiàn)斯特林循環(huán)的關(guān)鍵在于實現(xiàn)回?zé)帷Ｋ固亓謽?gòu)想的熱機由兩個氣缸-活塞夾一個蓄熱式回?zé)崞鹘M成。其制冷工作過程工作原理如下：
兩個氣缸-活塞系統(tǒng)為膨脹氣缸-活塞系統(tǒng)和壓縮氣缸-活塞系統(tǒng)，分別對應(yīng)于高溫吸熱和低溫放熱過程。兩個氣缸內(nèi)工質(zhì)氣體通過蓄熱式回?zé)崞鬟B通，假定兩個氣缸缸套保持良好等溫傳熱能力，以保證缸內(nèi)氣體溫度各自始終不變(等溫)，穩(wěn)態(tài)工作狀況下，蓄熱式回?zé)崞饕呀?jīng)建立了從高溫(膨脹氣缸)到低溫(壓縮氣缸)的穩(wěn)定溫度梯度。定義兩個氣缸-活塞系統(tǒng)中活塞靠近蓄熱式回?zé)崞鞯男谐讨裹c為近止點，遠離回?zé)崞鞯男谐讨裹c為遠止點。選取循環(huán)開始時壓縮活塞位于遠止點，膨脹活塞位于近止點。此時工質(zhì)氣體完全處于壓縮氣缸中(假定理想情況下回?zé)崞鲀?nèi)不存儲氣體)，狀態(tài)點編號為2。
循環(huán)開始后，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)，是為等溫壓縮放熱過程。當缸內(nèi)氣體壓力達到額定壓力，狀態(tài)達到3點，膨脹活塞開始離開近止點向遠止點運動，工質(zhì)氣體經(jīng)蓄熱式回?zé)崞髁魅伺蛎洑飧祝顭崞餍顭崮芰o限大且傳熱良好，從壓縮缸到膨脹缸沿程各點溫度保持穩(wěn)定，工質(zhì)經(jīng)過蓄熱器時沿程各點均為等容吸熱，于是工質(zhì)密度不變，通過蓄熱器后變化到狀態(tài)點4。壓縮活塞到達近止點，全部工質(zhì)通過蓄熱器到達膨脹氣缸，也全部到達狀態(tài)點4。而后壓縮活塞保持不動，膨脹活塞繼續(xù)向遠止點運動，氣體進人定溫膨脹吸熱過程。該過程中，工質(zhì)從膨脹氣缸缸套等溫吸熱，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，終于狀態(tài)點1。然后膨脹活塞從遠止點出發(fā)，壓縮活塞從近止點出發(fā)，分別在同一時刻到達近止點和遠止點，期間工質(zhì)氣體全部通過蓄熱器進入壓縮氣缸，同時在蓄熱器內(nèi)沿程各點等溫吸取之前釋人的熱能，實現(xiàn)回?zé)幔⒒氐綘顟B(tài)點2。
制約斯特林循環(huán)實際應(yīng)用的因素有：高低溫?zé)嵩吹牡葴匚鼰岷偷葴胤艧犭y以實現(xiàn)、回?zé)崞?/a>回?zé)犭y以實現(xiàn)、蓄熱式回?zé)崞鲀?nèi)部工質(zhì)氣體殘留、蓄熱式回?zé)崞髯枇p失、活塞行程控制。玩具級的斯特林循環(huán)發(fā)動機和斯特林制冷機有很多產(chǎn)品出現(xiàn)，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(dǎo)致其競爭力快速下降。
優(yōu)點
與內(nèi)燃機比較熱氣機所具備的優(yōu)點：
1、適用于各種能源。無論是液態(tài)的、氣態(tài)的或固態(tài)的燃料，當采用載熱系統(tǒng)(如熱管)間接加熱時，幾乎可以使用任何高溫?zé)嵩矗纾荷镔|(zhì)能（柴火等），而發(fā)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(fēng)機即可滿足要求，并允許燃料具有較高的雜質(zhì)含量；太陽能，這是斯特林發(fā)動機較為常見的用途之一；放射性同位素，常見于用于潛艇、深空的AIP系統(tǒng)。
2、噪音小。熱氣機在運行時，由于燃料的燃燒是連續(xù)的，因此避免了類似內(nèi)燃機的爆轟做功和間歇燃燒過程，從而實現(xiàn)了低噪音的優(yōu)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(tǒng)容量。結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)比內(nèi)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。這是由于斯特林閉循環(huán)中工質(zhì)與大氣隔絕產(chǎn)生的。這使得它非常適合于高海拔地區(qū)使用。
缺點
1、對材料要求高。內(nèi)燃機的燃氣最高溫度要比斯特林高得多，但內(nèi)燃機依靠散熱把氣缸的溫度控制在90度左右，而斯特林發(fā)動機的加熱器和膨脹腔需要長時間保持在較高的溫度，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溫，這使得很多熱量通過直接傳遞和熱輻射的形式損失了。所以需要采取一系列措施來減少熱損失，比如把活塞做成中空結(jié)構(gòu)，并且在里面設(shè)置多道“熱障”。
3、體積大。這是由減少熱損失的一系列措施導(dǎo)致的，要隔熱，比功率就小。
4、反應(yīng)慢。這些是針對常規(guī)結(jié)構(gòu)的斯特林發(fā)動機而言。由于熱源來自外部，傳熱需要時間，因此發(fā)動機需要經(jīng)過一段時間才能使氣缸的溫度變化。這意味著：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。由于工作介質(zhì)是有限的，因此對密封的要求較高，這也是斯特林發(fā)動機發(fā)明比內(nèi)燃機早卻沒能得到很快發(fā)展的原因之一。為了降低摩擦損失，潤滑的要求同樣較高。由于潤滑油汽化會凝結(jié)在回?zé)崞?/a>上造成堵塞，因此不能使用潤滑油，只能干摩擦。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）制成的氣環(huán)，具有自動形成潤滑層（自潤滑）、耐高溫（250℃Max）的特性。
研發(fā)改良
已設(shè)計制造的熱氣機有多種結(jié)構(gòu)，可利用各種能源，已在航天、陸上、水上和水下等各個領(lǐng)域進行應(yīng)用。試驗熱氣機的功率傳遞機構(gòu)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(fā)動機，中國潛艇也有自研成熟的斯特林發(fā)動機。熱氣機的未來發(fā)展將更多的應(yīng)用新材料(如陶瓷)，可將加熱器溫度進一步提高，理論有效效率可提升至42%。斯特林發(fā)動機有報道，已經(jīng)開始研究在計算機主板的散熱風(fēng)扇上使用，通過北橋芯片的發(fā)熱來帶動斯特林發(fā)動機，以此來給硬件降溫，該研究還處于研究階段。
應(yīng)用
隨著全球能源與環(huán)保的形勢日趨嚴峻，斯特林發(fā)動機由于其具有多種能源的廣泛適應(yīng)性和優(yōu)良的環(huán)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(diào)動力，車用混合推進動力等方面得到了廣泛的研究與重視，并且已得到了一些成功的應(yīng)用。斯特林機推廣中的3個方向包括：
(1)小型分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)：斯特林發(fā)動機基于其特點可應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)從規(guī)模上分為小型分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和大型的以熱電廠為基礎(chǔ)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。其中小型分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有設(shè)備小型化和燃料多元化等特征。小型分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)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(tǒng)的核心部件。天然氣首先進人燃燒器進行燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庀扔脕砑訜?a href="/hebeideji/7202805507471032324.html">發(fā)動機的高溫?zé)崆?區(qū))，然后與冷卻器進行換熱，得到熱水流入儲槽作為生活熱水，低溫廢氣則從尾氣管排出。同時，冷水冷卻發(fā)動機的低溫冷腔(區(qū))也被加熱得到熱水。工質(zhì)則在高溫?zé)崆慌c低溫冷腔之間循環(huán)流動，推動活塞往復(fù)運動對外做功，帶動發(fā)動機發(fā)電。
(2)低能級的廢熱回收：斯特林機也特別適合用來回收利用低能級的余熱，如工廠余熱、地?zé)帷?a href="/hebeideji/7045528900357720814.html">太陽能等，以取得良好的節(jié)能效益。王森曾提出一種用來回收汽車尾氣余熱的系統(tǒng)。其主要工作原理為：汽車尾氣直接加熱斯特林發(fā)動機熱腔中的工質(zhì)，使之膨脹做功推動活塞運動，使熱能轉(zhuǎn)化為機械能，再通過一臺小型發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能，通過充電電路給車載蓄電池充電。由此完成從汽車尾，氣低溫余熱到電能的轉(zhuǎn)化。
(3)移動式動力源：對斯特林發(fā)動機進行小型化和輕量化改造，并改善其控制性能后，亦可作為推土機、壓路機，甚至是潛水艇的動力來源。
參考資料 >
斯特林發(fā)動機.中國大百科全書.2024-03-19