2.1　斯特林循环

尽管斯特林发动机的制造成本较高，但由于它具有运行稳定且安静、热效率相对较高、几乎可以利用任何温度达450℃以上的能源作为热源等独特优势，在世界范围内得到广泛应用。

尽管具备上述优点，斯特林发动机自身也存在缺陷。由于其尺寸的限制，一般来说指示功率很低，无法满足大型器械的需要。而且其加工制造费用相对较高，与其他发动机相比单位功率所需要的制造费用较高，因此19世纪一直未能在市场中赢得相对重要的位置。随着世界对能源及能源效率问题的日益重视，20世纪30年代，飞利浦公司研究者意识到斯特林发动机在改善世界能源问题、提高能源效率上的重要意义，斯特林发动机迎来了历史的转折点。该公司在斯特林发动机的研究上投入了大量的人力资源与物质资源，因此斯特林发动机技术的研究也取得了长足进步。斯特林发动机运行的安静与稳定性、热效率高以及对能源的广泛适应性的优点脱颖而出。同时，斯特林发动机的应用也日益广泛，从最初的车用、船用，开始延伸至血液输送、发电等。根据运行模式的不同，斯特林发动机可以用作热泵或者热气机。

斯特林发动机主要经历四个工作过程，四个过程循环进行以保证其正常运转。首先，

（1）在惯性作用下，配气活塞对压缩腔内气体进行压缩。由于压缩腔与回热器紧密相连，压缩过程中产生的热量可由冷却器带走，理想情况下可认为压缩腔内进行的是等温放热过程。冷却器的冷却效率要相当高才能保证斯特林发动机的性能。

（2）工质集中于回热器以及回热器附近，吸收上一个循环过程中储存在回热器中的热量。尽管此时配气活塞在运动，但此时动力活塞也在运动，因而气体工质的整体体积基本不变，此时气体工质发生的是等容吸热过程。由于气体流速较快，为使回热器内的热量得到充分吸收和利用，回热器的性能相当重要。

（3）热源提供热量后，斯特林发动机的配气活塞进行膨胀运动，理想情况下认为热源不断向膨胀腔补充热量，膨胀腔内发生的是等温膨胀过程。

（4）当配气活塞运动到一定程度时，膨胀活塞开始运动，由于两个活塞的相对运动，使工质的整体容积保持不变，且此时工质大部分集中在回热器内部及其附近，因此在回热器内发生的是等容换热过程。此时，如果回热器具有足够大的比面积和热容，工质放出的热量可被回热器充分吸收并储存起来。

理想情况下，完成上述四个过程后斯特林发动机内部的气体工质回到初始状态，开始下一轮循环。

对于作为动力循环的斯特林循环，在分析时采用目前工程上主流的第一定律分析法对斯特林循环的做功能力以及热效率进行分析。理想情况下斯特林循环为内可逆循环。与理想化的内燃机循环，例如混合加热循环、定压加热循环和定容加热循环相比，斯特林循环在循环过程中引入了回热过程，从而提高了热效率。根据热力学定律不难推出，在同一温度范围内，理想斯特林循环的热效率与卡诺循环热效率相等。

众所周知，燃气轮机与内燃机也能够提供动力。内燃机工作过程中有害气体的排放较多，且构成循环的过程主要集中发生在一个腔体，因此需要顺次进行，而燃气轮机的四个循环过程在机器的不同部分同时发生。斯特林发动机内发生的四个过程介于内燃机和燃气轮机之间，四个过程的发生虽然顺次进行，但是在时间上又顺次重叠，四个过程在机器的不同部位发生，但是界限较为模糊。因此，对斯特林发动机热力过程的分析以及换热单元的设计与燃气轮机和内燃机相比难度大得多。

目前较为典型的斯特林发动机工作原理简图见图2-1。

图2-1　斯特林发动机的工作原理简图

斯特林循环主要由四个热力过程组成，其中包含两个等温过程和两个等容过程。在循环过程中，等容放热过程和等容吸热过程均在回热器中往复进行。等容放热过程放出的热量被回热器吸收、储存，当循环工质再次来到回热器时工质将热量再次传回给循环工质从而实现能量的有效利用，这也是斯特林循环的效率比较高的原因。另外两个过程分别发生在加热腔和冷却腔中。在加热腔中，工质吸收热量，膨胀做功；在冷却腔中，工质将热量传递给冷却器，实现温度的降低。综合以上分析，斯特林发动机的循环效率可表示为

式中:W为功率输出；Q1为工质从高温热源吸收的热量；Th为高温热源的温度；Tc为低温热源的温度。

斯特林发动机的效率与高温热源温度Th以及低温热源温度Tc紧密相关。随着高温热源温度T1的升高以及低温热源温度T2的降低，斯特林发动机的效率显著提高。因此，无论是提高能源转化效率，还是减少污染量的排放，斯特林发动机都有独特优势，这也是斯特林发动机被称为能量转换器的原因。