簡易斯特林發(fā)動機制作原理

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史特靈引擎屬於外燃引擎，只要高溫熱源溫度夠高，無論是使用太陽能、廢熱、核原料、牛糞、丙烷、自然氣、沼氣（甲烷）、丁烷與石油在內(nèi)的任何燃料，皆可使之運轉(zhuǎn)，不同於必需使用特定燃料的汽油引擎、柴油引擎等內(nèi)燃引擎。

A.基礎(chǔ)篇A1氣體的特性

如圖1把橡皮綁在容器口上，我們能簡單瞭解到受熱時橡皮會膨脹(圖2)，冷卻時橡皮會縮收(圖3)，這是加熱時，內(nèi)部氣體壓力作用在橡皮上(圖2)，當然人的眼睛是無法看到氣體壓力的。

A2移氣器

假使我們放入一個移氣器(Displacer)到容器內(nèi)(圖4)，而這個移氣器的直徑比容器的內(nèi)徑小一些，當移氣器自由上下移動時，即可以把容器內(nèi)的氣體擠下或擠上。這個時候，假使我們在容器底端加熱，而在容器上端冷卻，使上下兩端具有足夠的溫差，即可看見此時橡皮會不斷膨脹及收縮。其原理如下：

當移氣器上移，容器內(nèi)的氣體被擠至容器底端，此時由於容器底端加熱，因此氣體受熱，壓力變大，此壓力經(jīng)由活塞與容器間的空隙傳到橡皮，使得橡皮會膨脹(圖5)。

相反的，若施以適當?shù)牧α堪岩茪馄飨乱?，則容器內(nèi)的氣體被擠至容器上端，此時由於容器上端為冷卻區(qū)，因此氣體被冷卻，使氣體溫度降低，壓力變小，而使得橡皮會縮收(圖5)。

如此，不斷使移氣器自由上下移動，即可看見此時橡皮會不斷膨脹及收縮。由此，可知移氣器的功用主要在於移動氣體，使氣體在冷熱兩端之間來回滾動。國立成功大學航太系鄭金祥教授把Displacer命名為〞移氣器〞，實在更為貼

切，也比較不簡單混淆，比較不會使人誤以為它的作用跟輸出功率的動力活塞一樣。

A3曲柄機構(gòu)

要讓移氣器上下移動，只要將移氣器與一曲軸連結(jié)(圖6)。當曲軸旋轉(zhuǎn)時，移氣器就會被帶上及帶下。將移氣器與曲軸連結(jié)完畢之后，在容器底端加熱上端冷卻，只要用手轉(zhuǎn)動曲軸，使得移氣器移上及移下，此時橡皮便會重復(fù)膨脹及收縮(圖7)。

A4動力活塞

橡皮的膨脹及收縮運動，可以轉(zhuǎn)換為動力輸出，此時，橡皮的作用即宛如一動力活塞。我們可以另加一根連桿接到上述的曲軸上，便可將橡皮的膨脹及收縮運動轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。連接到移氣器的曲軸部位與連接到動力活塞的曲軸部位必需呈固定的角度差，一般是90度(圖8,9)。橡皮的膨脹及縮收所產(chǎn)生的曲軸的旋轉(zhuǎn)運動提供了移氣器上下移動的力量，多餘的力量則可以輸出。必需注意的是，移氣器本身不會動，而是被曲軸帶動，動力來源是動力活塞。

為何相位角是90度?

如圖9當移氣器移到最頂點的位置時，底部加熱空間最大，此時所產(chǎn)生的壓力也最大，當移氣器移到最底點的位置時，頂部冷卻空間最大，此時所產(chǎn)生的壓力也最小，如把動力活塞的曲柄連接到曲軸水平位置最遠的地方時可產(chǎn)生最大的扭力，此時可看到連接到移氣器的曲軸部位與連接到動力活塞的曲軸部位呈90度的角度差，該角度稱為相位角。曲柄連接到曲軸水平的位置也決定了引擎旋轉(zhuǎn)方向。

上述的條件為靜態(tài)環(huán)境的結(jié)果，當隨著引擎的轉(zhuǎn)速、負載、溫度及使用氣體的不同則會有不同的最正確相位角，一般以90度作為通用的相位角。

A5飛輪

假使只有上述的零件，引擎還是不能運轉(zhuǎn)。由于利用橡皮的膨脹或收縮(圖8,9)，并無法讓曲軸旋轉(zhuǎn)一整圈。因此，必需加上一個有旋轉(zhuǎn)慣性的設(shè)備，即“飛輪〞，才能達成連續(xù)的運轉(zhuǎn)。

一般採用的飛輪，最常見的是圓形飛輪，如圖10所示。假使除了慣性需求外，還要考慮平衡問題，則在曲軸旋轉(zhuǎn)面的另一端加一配重物充當飛輪，便可解決平衡問題(圖11)。

B.進階篇

史特靈引擎是一種高效率的能量轉(zhuǎn)換裝置，係採用封閉氣體循環(huán)（Closedgascycle）及再生器（Regenerator）設(shè)計。理論上，理想史特靈引擎的熱效率(Thermalefficiency)與卡諾引擎(Carnotengine)相當，二者皆屬可逆熱機（Reversiblecycle），具最高熱力循環(huán)轉(zhuǎn)換效率。史特靈引擎的使用的工作氣體可為高壓之空氣、氮氣、氦氣、或氫氣。一般而言，大致分為兩種可能的配置：第一種配置利用一個動力活塞（Piston）壓縮或膨脹氣體，另利用一個移氣器（Displacer）使工作氣體在氣缸內(nèi)來回滾動；其次種配置則不用移氣器，完全利用兩個活塞來達到壓縮膨脹氣體與來回驅(qū)趕氣體的目的。當氣缸內(nèi)部氣體被驅(qū)趕至加熱部而受熱時，即因膨脹推動動力活塞而對外作功。

以氣缸數(shù)與動力活塞及移氣器的排列構(gòu)型來區(qū)分，史特靈引擎又可以分為以下三種形式：

(1)α型—又稱雙氣缸型（twin-cylinderStirlingengine），此型無移氣器，然具有二個動力活塞，分別在二個獨立的氣缸內(nèi)作動。

(2)β型—又稱為同軸活塞型（coaxialpiston-displacerStirlingengine），具有一動力活塞與一移氣器，二者位於同一氣缸，且沿一致軸移動。自由活塞式史特靈

引擎即屬此類。

(3)γ型—具有二個獨立氣缸，其中一氣缸內(nèi)設(shè)置動力活塞，另一氣缸則設(shè)置一移氣器，本模型則屬於γ型。

史特靈引擎在不同的額定功率下皆能表現(xiàn)出高效率，且因其乃屬常壓燃燒供熱之外燃機，燃燒較為完全，故排氣清白。最重要的是，