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斯特林发动机
摘要
斯特林发动机不仅理论热效率高，等于卡诺循环效率，而且作为外燃机其排放特性非常好，所以近三十年来一直是研究的热点。本文主要写了斯特林发动机的循环过程分析、优缺点、应用等。
关键词：斯特林发动机，斯特林循环，机械效率
一、斯特林机简介
这种发动机是伦敦的牧师罗巴特•斯特林（RobertStirling）于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”（Stirlingengine）。斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，即卡诺循环效率。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。
斯特林机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质，气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。
二、斯特林机的循环过程
热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程。斯特林循环可以分为4个过程：

①②③④

①a→b定容回热过程:动力活塞停留在它的上止点附近,配气活塞上行，迫使冷腔内的工质经回热器流入配气活塞上方的热腔，低温工质流经回热器时吸收热量，使温度升高。
②b→c定温膨胀过程：配气活塞继续上行，工质经加热器加热，在热腔中膨胀，推动动力活塞向下并对外作功。
③c→d定容储热过程：动力活塞保持在下止点附近，配气活塞下行，工质从热腔经回热器返回冷腔，回热器吸收工质的热量，工质温度下降至冷腔温度。
④d→a定温压缩过程:配气活塞停留在下止点附近，动力活塞从它的下止点向上压缩工质，工质流经冷却器时将压缩产生的热量散掉，当动力活塞到达它的上止点时压缩过程结束。
斯特林循环与卡诺循环比较，前者由两个等温过程和两个等体积过程所构成，而后者係由两个等温过程和两个绝热过程所构成。换言之，斯特林引擎循环以两个等体积的吸热与排热过程，取代卡诺循环的两个绝热过程。因此，若斯特林引擎循环欲达成卡诺引擎相同的热效率，必须将c→d过程中，工作流体等体积排热过程所排出的的热量，必须用来提供在a→b过程中，工作流体等体积吸热升温所需的热量，这个步骤，叫作再生(Regeneration)，所使用的装置，称为再生器(Regenerator)或回热器。
在理论上，定容储热量等于回热量，其循环效率等于卡诺循环效率。
下面导出斯特林循环的热效率。由于是理想循环，在定容回热过程a→b中工质从回热器中吸收的热量正好等于定容储热过程c→d中放给回热器的热量，在这个过程中工质与外界没有发生热量的交换。经过一个循环回热器恢复到原始状态，所以整个循环中工质吸热（b→c段）
，
整个循环中工质放热（d→a段）

故

可见斯特林循环的热效率与同温限的卡诺循环的效率相等。斯特林循环从表面上看有定容吸热过程、定容放热过程，所以必须有许多热源，但是在定容放热过程中所放出的热量在定容吸热过程中完全被工质本身所吸收。这样的回热过程称为极限回热，在极限回热过程中工质与外界没有发生热量的交换。因此斯特林循环中工质只是从高温热源恒温吸热，向低温热源恒温放热，所以其热效率与卡诺循环热效率相同。我们把象斯特林循环这样的极限回热循环也称做概括性卡诺循环。
实际的斯特林循环发动机，由于存在种种不可逆因素，回热器的效率也不可能达到百分之百，即吸收多少热量就能回热多少热量，所以实际的热气发动机热效率不可能达到很高，也必然低于同温限卡诺循环的理论热效率。但是可以相信，斯特林循环发动机会越来越广泛地进入各实用领域。
三、斯特林机的分类
热气机分为单缸、2缸、4缸等形式；单缸热气机的热腔与冷腔共一室，需要交替向燃烧室中注入燃气、燃烧、排气、注入冷却气体等循环过程，驱动活塞上下运动带动曲轴转动，由于燃烧室需要交替使用，与一般的内燃机一样复杂，很少再发展。2缸热气机的燃烧、冷却过程完全连续，1个汽缸加热、1个冷却，工质在2个气缸中密闭循环，反复被加热冷却，活塞在热气驱动下上下运动驱动曲轴旋转。4缸热气机的气缸上部加热、下部冷却，或相反，工质在相邻两个气缸的上下部间循环，4个活塞交替上下，直接驱动斜盘转动，工作最为平顺。

四、斯特林机的优缺点
与内燃机比较热气机所具备的优点：
适用于各种能源，无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源(太阳能放射性同位素和核反应等)，而发动机本身(除加热器外)不需要作任何更改。同时热气机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量。
热气机在运行时，由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，独立于燃气的工质通过加热器吸热，并按斯