斯特林發(fā)動機使用斯特林循環(huán)，這不同于內(nèi)燃機中的循環(huán)。

• 斯特林發(fā)動機中使用的氣體從來都不會離開發(fā)動機。 與汽油發(fā)動機或柴油發(fā)動機不同，它沒有排放高壓氣體的排氣閥，并且不會發(fā)生爆炸過程。 因此，斯特林發(fā)動機的噪音很低。
• 斯特林循環(huán)使用外熱源，可以是汽油、太陽能或由腐爛植物產(chǎn)生的熱量。 發(fā)動機氣缸中不會發(fā)生燃燒過程。

斯特林發(fā)動機的配置方式有數(shù)百種。 在本文中，我們將了解斯特林循環(huán)以及這款發(fā)動機兩種不同配置的工作原理。

斯特林發(fā)動機的主要原理是，首先在發(fā)動機內(nèi)封入一定量的氣體，然后斯特林循環(huán)的一系列活動會改變發(fā)動機內(nèi)部的氣壓，從而導致其做功。

有幾種氣體的特性對斯特林發(fā)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(shù)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(fā)動機為例，詳細了解一下斯特林循環(huán)的各個部分。 這種簡化發(fā)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(huán)由四部分組成。 上面動畫中的兩個活塞完成了整個循環(huán)：

1. 對加熱式氣缸（左邊）內(nèi)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(huán)中的這個過程是做功過程。
2. 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(huán)的下一個環(huán)節(jié)壓縮氣體。
3. 冷卻式氣缸中的活塞（右邊）開始壓縮氣體。 此壓縮過程產(chǎn)生的熱量會通過冷卻源散發(fā)掉。
4. 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(huán)的點。

斯特林發(fā)動機在循環(huán)的第一部分只產(chǎn)生動力。 增加斯特林循環(huán)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(huán)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(huán)中這個階段的壓力，就可增加發(fā)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(fā)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(fā)動機的動力輸出的。
• 減少第三階段的動力消耗：循環(huán)的第三階段依靠第一階段產(chǎn)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(nèi)部功率消耗，從而有效增加發(fā)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(tài)下的斯特林循環(huán)。 由于發(fā)動機設計的物理限制，發(fā)動機實際工作時的循環(huán)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(fā)動機。 配氣活塞式發(fā)動機可能最容易理解，因此我們從它開始。

配氣活塞式發(fā)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(fā)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(wǎng)站供圖 圖中的發(fā)動機通過您的手溫就能工作

為了能夠工作，上圖中的發(fā)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(fā)動機了。

在上圖中，您可以看到兩個活塞：

1. 動力活塞：這是發(fā)動機上方較小的活塞。 它是緊封閉的。當發(fā)動機內(nèi)的氣體膨脹時，動力活塞會向上運動。
2. 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(fā)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(fā)動機內(nèi)的大部分氣體由熱源加熱，然后開始膨脹。 發(fā)動機內(nèi)產(chǎn)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(fā)動機內(nèi)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(fā)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(fā)動機。

在這款發(fā)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(fā)動機不產(chǎn)生動力的情況下，這可以保持活塞運動。

火焰持續(xù)對氣缸下部加熱。

1. 循環(huán)的第一階段會產(chǎn)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。
2. 在接下來的階段，兩個活塞都會發(fā)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(wǎng)，供加熱氣體穿過。 鐵絲網(wǎng)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(fā)。
3. 接著，冷卻式氣缸中的活塞開始壓縮氣體。 壓縮過程中產(chǎn)生的熱量由散熱片散發(fā)。
4. 在循環(huán)的最后一個階段，兩個活塞都會發(fā)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(huán)中儲存的熱量）進入加熱式氣缸。 這時，新的循環(huán)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(fā)動機呢？ 在下一節(jié)，我們將探究其中的某些原因。

有幾個主要特征使斯特林發(fā)動機在許多應用中，包括大多數(shù)汽車和卡車，顯得不切實際。

由于熱源來自外部，因此發(fā)動機需要經(jīng)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(fā)動機內(nèi)的氣體需要很長時間）。 這意味著：

• 發(fā)動機在提供有效動力之前需要時間暖機。
• 發(fā)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(nèi)燃機。 但是，斯特林發(fā)動機為混合動力汽車提供動力卻是切實可行的。