简易斯特林发动机制作原理

简易斯特林发动机制作原理

史特灵引擎属於外燃引擎，只要高温热源温度够高，无论是使用太阳能、废热、核原料、牛粪、丙烷、天然气、沼气（甲烷）、丁烷与石油在内的任何燃料，皆可使之运转，不同於必须使用特定燃料的汽油引擎、柴油引擎等内燃引擎。

A.基础篇

A1气体的特性

如图1把橡皮绑在容器口上，我们能容易瞭解到受热时橡皮会膨胀(图2)，冷却时橡皮会缩收(图3)，这是加热时，内部气体压力作用在橡皮上(图2)，当然人的眼睛是无法看到气体压力的。

A2移气器

如果我们放入一个移气器(Displacer)到容器内(图4)，而这个移气器的直径比容器的内径小一些，当移气器自由上下移动时，即可以把容器内的气体挤下或挤上。这个时候，如果我们在容器底端加热，而在容器上端冷却，使上下两端具有足够的温差，即可看见此时橡皮会不断膨胀及收缩。其原理如下：当移气器上移，容器内的气体被挤至容器底端，此时由於容器底端加热，因此气体受热，压力变大，此压力经由活塞与容器间的空隙传到橡皮，使得橡皮会膨胀(图5)。

相反的，若施以适当的力量把移气器下移，则容器内的气体被挤至容器上端，此时由於容器上端为冷却区，因此气体被冷却，使气体温度降低，压力变小，而使得橡皮会缩收(图5)。

如此，不断使移气器自由上下移动，即可看见此时橡皮会不断膨胀及收缩。

由此，可知移气器的功用主要在於移动气体，使气体在冷热两端之间来回流动。国立成功大学航太系郑金祥教授把Displacer命名为”移气器”，实在更为贴

切，也比较不容易混淆，比较不会使人误以为它的作用跟输出功率的动力活塞一样。

A3曲柄机构

要让移气器上下移动，只要将移气器与一曲轴连结(图6)。当曲轴旋转时，移气器就会被带上及带下。将移气器与曲轴连结完毕之后，在容器底端加热上端冷却，只要用手转动曲轴，使得移气器移上及移下，此时橡皮便会重复膨胀及收缩(图7)。

A4动力活塞

橡皮的膨胀及收缩运动，可以转换为动力输出，此时，橡皮的作用即如同一动力活塞。我们可以另加一根连桿接到上述的曲轴上，便可将橡皮的膨胀及收缩运动转换为曲轴的旋转运动。连接到移气器的曲轴部位与连接到动力活塞的曲轴部位必须呈固定的角度差，一般是90度(图8,9)。橡皮的膨胀及缩收所產生的曲轴的旋转运动提供了移气器上下移动的力量，多餘的力量则可以输出。必须注意的是，移气器本身不会动，而是被曲轴带动，动力来源是动力活塞。

为何相位角是90度?

如图9当移气器移到最顶点的位置时，底部加热空间最大，此时所產生的压力也最大，当移气器移到最底点的位置时，顶部冷却空间最大，此时所產生的压力也最小，如把动力活塞的曲柄连接到曲轴水平位置最远的地方时可產生最大的扭力，此时可看到连接到移气器的曲轴部位与连接到动力活塞的曲轴部位呈90度的角度差，该角度称为相位角。曲柄连接到曲轴水平的位置也决定了引擎旋转方向。

上述的条件为静态环境的结果，当随著引擎的转速、负载、温度及使用气体的不同则会有不同的最佳相位角，一般以90度作为通用的相位角。

A5飞轮

如果只有上述的零件，引擎还是不能运转。因为利用橡皮的膨胀或收缩(图8,9)，并无法让曲轴旋转一整圈。因此，必须加上一个有旋转惯性的设备，即“飞轮”，才能达成连续的运转。

一般採用的飞轮，最常见的是圆形飞轮，如图10所示。如果除了惯性需求外，还要考虑平衡问题，则在曲轴旋转面的另一端加一配重物充当飞轮，便可解决平衡问题(图11)。

B.进阶篇

史特灵引擎是一种高效率的能量转换装置，係採用封闭气体循环（Closedgascycle）及再生器（Regenerator）设计。理论上，理想史特灵引擎的热效率(Thermalefficiency)与卡诺引擎(Carnotengine)相当，二者皆属可逆热机（Reversiblecycle），具最高热力循环转换效率。史特灵引擎的使用的工作气体可为高压之空气、氮气、氦气、或氢气。一般而言，大致分为两种可能的配置：第一种配置利用一个动力活塞（Piston）压缩或膨胀气体，另利用一个移气器（Displacer）使工作气体在气缸内来回流动；第二种配置则不用移气器，完全利用两个活塞来达到压缩膨胀气体与来回驱赶气体的目的。当气缸内部气体被驱赶至加热部而受热时，即因膨胀推动动力活塞而对外作功。

以气缸数与动力活塞及移气器的排列构型来区分，史特灵引擎又可以分为下列三种形式：

(1)α型—又称双气缸型（twin-cylinderStirlingengine），此型无移气器，然具有二个动力活塞，分别在二个独立的气缸内作动。

(2)β型—又称为同轴活塞型（coaxialpiston-displacerStirlingengine），具有一动力活塞与一移气器，二者位於同一气缸，且沿相同轴移动。自由活塞式史特灵

引擎即属此类。

(3)γ型—具有二个独立气缸，其中一气缸内设置动力活塞，另一气缸则设置一移气器，本模型则属於γ型。

史特灵引擎在不同的额定功率下皆能表现出高效率，且因其乃属常压燃烧供热之外燃机，燃烧较为完全，故排气洁净。最重要的是，它可以适用不同的热来源，包括汽油、天然气、太阳能、生质能、废热利用等。近年来，能源工程技术相关的研究者对史特灵引擎的研究兴趣正逐渐加温，极可能成为另一个未来可供选择的动力来源之一。

配合上图，理想史特灵引擎的热力循环概念介绍如下：

(1)a→b过程中，工作流体等体积吸热升温；

(2)b→c过程中，工作流体等温吸热膨胀；

(3)c→d过程中，工作流体等体积冷却降温；

(4)d→a过程中，工作流体等温冷却收缩。

史特灵引擎与卡诺引擎比较，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，史特灵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，若史特灵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)。

值得注意的是，实际上史特灵引擎内部工作流体的温度和压力，在循环变化过程中并非是完全均匀的。因此，体积和压力的变化也非如上图所示那样清楚分明。