斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)使用斯特林循環(huán)，這不同于內(nèi)燃機(jī)中的循環(huán)。

• 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的氣體從來(lái)都不會(huì)離開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)。 與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不同，它沒(méi)有排放高壓氣體的排氣閥，并且不會(huì)發(fā)生爆炸過(guò)程。 因此，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音很低。
• 斯特林循環(huán)使用外熱源，可以是汽油、太陽(yáng)能或由腐爛植物產(chǎn)生的熱量。 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中不會(huì)發(fā)生燃燒過(guò)程。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)兩種不同配置的工作原理。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的主要原理是，首先在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)封入一定量的氣體，然后斯特林循環(huán)的一系列活動(dòng)會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的氣壓，從而導(dǎo)致其做功。

有幾種氣體的特性對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要：

• 如果向一定空間中注入一定量的氣體，當(dāng)氣體的溫度升高時(shí)，壓力就會(huì)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(huì)升高。

讓我們以簡(jiǎn)化的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)為例，詳細(xì)了解一下斯特林循環(huán)的各個(gè)部分。 這種簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)采用兩個(gè)氣缸。 一個(gè)由外熱源（如火）進(jìn)行加熱，另一個(gè)由外部冷卻源（如冰）進(jìn)行制冷。 兩個(gè)氣缸的氣腔相通，并通過(guò)連桿讓兩個(gè)活塞相連，其中連桿決定了活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

斯特林循環(huán)由四部分組成。 上面動(dòng)畫(huà)中的兩個(gè)活塞完成了整個(gè)循環(huán)：

1. 對(duì)加熱式氣缸（左邊）內(nèi)的氣體進(jìn)行加熱，導(dǎo)致壓力上升。 這會(huì)強(qiáng)制活塞往下運(yùn)動(dòng)。 斯特林循環(huán)中的這個(gè)過(guò)程是做功過(guò)程。
2. 當(dāng)右邊的活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，左邊的活塞就會(huì)向上運(yùn)動(dòng)。 這會(huì)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(gè)環(huán)節(jié)壓縮氣體。
3. 冷卻式氣缸中的活塞（右邊）開(kāi)始?jí)嚎s氣體。 此壓縮過(guò)程產(chǎn)生的熱量會(huì)通過(guò)冷卻源散發(fā)掉。
4. 右邊的活塞向上運(yùn)動(dòng)，而左邊的活塞向下運(yùn)動(dòng)。 這樣就能強(qiáng)制氣體進(jìn)入加熱式氣缸，然后氣體會(huì)快速升溫，從而將壓力提升至可重復(fù)循環(huán)的點(diǎn)。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在循環(huán)的第一部分只產(chǎn)生動(dòng)力。 增加斯特林循環(huán)的動(dòng)力輸出主要有兩種方式：

• 增加第一階段的動(dòng)力輸出：在循環(huán)的第一階段，推動(dòng)活塞的加熱氣體的氣壓開(kāi)始做功。 如果提高循環(huán)中這個(gè)階段的壓力，就可增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(huì)介紹雙活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，我們將了解蓄熱器是如何通過(guò)臨時(shí)儲(chǔ)存熱量來(lái)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出的。
• 減少第三階段的動(dòng)力消耗：循環(huán)的第三階段依靠第一階段產(chǎn)生的動(dòng)力使活塞對(duì)氣體做功。 如果降低這個(gè)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(dòng)機(jī)的動(dòng)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的物理限制，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)的循環(huán)會(huì)略有不同。 在接下來(lái)的兩個(gè)部分中，我們將了解幾種不同的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。 配氣活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)可能最容易理解，因此我們從它開(kāi)始。

配氣活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)活塞和一個(gè)置換器，而非兩個(gè)活塞。 置換器的作用是控制氣體燃燒室加熱和冷卻的時(shí)間。 此類斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)有時(shí)會(huì)在課堂演示中使用。 您甚至可以購(gòu)買配套元件，自己制造一個(gè)！

American Stirling Company 網(wǎng)站供圖 圖中的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)您的手溫就能工作

為了能夠工作，上圖中的發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)了。

在上圖中，您可以看到兩個(gè)活塞：

1. 動(dòng)力活塞：這是發(fā)動(dòng)機(jī)上方較小的活塞。 它是緊封閉的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的氣體膨脹時(shí)，動(dòng)力活塞會(huì)向上運(yùn)動(dòng)。
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(yùn)動(dòng)，空氣很容易在加熱式或冷卻式氣缸之間流動(dòng)。

置換器通過(guò)上下運(yùn)動(dòng)來(lái)控制是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣體進(jìn)行加熱還是冷卻。 它有兩個(gè)位置：

• 當(dāng)置換器靠近大氣缸的上方時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的大部分氣體由熱源加熱，然后開(kāi)始膨脹。 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的壓力會(huì)強(qiáng)制動(dòng)力活塞向上運(yùn)動(dòng)。
• 當(dāng)置換器靠近大氣缸的底部時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的大部分氣體開(kāi)始冷卻收縮。 這會(huì)導(dǎo)致壓力下降，從而使動(dòng)力活塞向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)氣體進(jìn)行壓縮。

發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)反復(fù)對(duì)氣體進(jìn)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(lái)，我們將了解雙活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。

在這款發(fā)動(dòng)機(jī)中，加熱式氣缸通過(guò)外部燃燒來(lái)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(guò)程。 將每個(gè)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(dòng)機(jī)不產(chǎn)生動(dòng)力的情況下，這可以保持活塞運(yùn)動(dòng)。

火焰持續(xù)對(duì)氣缸下部加熱。

1. 循環(huán)的第一階段會(huì)產(chǎn)生壓力，強(qiáng)制活塞向左運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行做功。 冷卻后的活塞幾乎靜止不動(dòng)，因?yàn)榇藭r(shí)它正在回轉(zhuǎn)以改變方向。
2. 在接下來(lái)的階段，兩個(gè)活塞都會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。 加熱式活塞向右運(yùn)動(dòng)，冷卻式活塞向上運(yùn)動(dòng)。 這樣就能通過(guò)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(shí)儲(chǔ)存熱量的裝置：它可能是一個(gè)鐵絲網(wǎng)，供加熱氣體穿過(guò)。 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(kāi)始?jí)嚎s氣體。 壓縮過(guò)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(gè)階段，兩個(gè)活塞都會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)：冷卻式活塞向下運(yùn)動(dòng)，而加熱式活塞向左運(yùn)動(dòng)。 這會(huì)強(qiáng)制氣體通過(guò)蓄熱器（蓄熱器會(huì)重新使用上次循環(huán)中儲(chǔ)存的熱量）進(jìn)入加熱式氣缸。 這時(shí)，新的循環(huán)又開(kāi)始了。

您可能會(huì)奇怪，為什么市場(chǎng)上沒(méi)有廣泛應(yīng)用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)呢？ 在下一節(jié)，我們將探究其中的某些原因。

有幾個(gè)主要特征使斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在許多應(yīng)用中，包括大多數(shù)汽車和卡車，顯得不切實(shí)際。

由于熱源來(lái)自外部，因此發(fā)動(dòng)機(jī)需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能響應(yīng)用于氣缸的熱量變化（通過(guò)氣缸壁將熱量傳導(dǎo)給發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的氣體需要很長(zhǎng)時(shí)間）。 這意味著：

• 發(fā)動(dòng)機(jī)在提供有效動(dòng)力之前需要時(shí)間暖機(jī)。
• 發(fā)動(dòng)機(jī)不能快速改變其動(dòng)力輸出。

這些缺點(diǎn)幾乎都表明，它無(wú)法取代汽車中的內(nèi)燃機(jī)。 但是，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)為混合動(dòng)力汽車提供動(dòng)力卻是切實(shí)可行的。