簡(jiǎn)易斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)制作原理

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史特靈引擎屬於外燃引擎，只要高溫?zé)嵩礈囟葔蚋?，無(wú)論是使用太陽(yáng)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(yùn)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(jiǎn)單瞭解到受熱時(shí)橡皮會(huì)膨脹(圖2)，冷卻時(shí)橡皮會(huì)縮收(圖3)，這是加熱時(shí)，內(nèi)部氣體壓力作用在橡皮上(圖2)，當(dāng)然人的眼睛是無(wú)法看到氣體壓力的。

A2移氣器

假使我們放入一個(gè)移氣器(Displacer)到容器內(nèi)(圖4)，而這個(gè)移氣器的直徑比容器的內(nèi)徑小一些，當(dāng)移氣器自由上下移動(dòng)時(shí)，即可以把容器內(nèi)的氣體擠下或擠上。這個(gè)時(shí)候，假使我們?cè)谌萜鞯锥思訜?，而在容器上端冷卻，使上下兩端具有足夠的溫差，即可看見(jiàn)此時(shí)橡皮會(huì)不斷膨脹及收縮。其原理如下：

當(dāng)移氣器上移，容器內(nèi)的氣體被擠至容器底端，此時(shí)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(huì)膨脹(圖5)。

相反的，若施以適當(dāng)?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(shí)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(huì)縮收(圖5)。

如此，不斷使移氣器自由上下移動(dòng)，即可看見(jiàn)此時(shí)橡皮會(huì)不斷膨脹及收縮。由此，可知移氣器的功用主要在於移動(dòng)氣體，使氣體在冷熱兩端之間來(lái)回滾動(dòng)。國(guó)立成功大學(xué)航太系鄭金祥教授把Displacer命名為〞移氣器〞，實(shí)在更為貼

切，也比較不簡(jiǎn)單混淆，比較不會(huì)使人誤以為它的作用跟輸出功率的動(dòng)力活塞一樣。

A3曲柄機(jī)構(gòu)

要讓移氣器上下移動(dòng)，只要將移氣器與一曲軸連結(jié)(圖6)。當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，移氣器就會(huì)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(dòng)曲軸，使得移氣器移上及移下，此時(shí)橡皮便會(huì)重復(fù)膨脹及收縮(圖7)。

A4動(dòng)力活塞

橡皮的膨脹及收縮運(yùn)動(dòng)，可以轉(zhuǎn)換為動(dòng)力輸出，此時(shí)，橡皮的作用即宛如一動(dòng)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連接到移氣器的曲軸部位與連接到動(dòng)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(yùn)動(dòng)提供了移氣器上下移動(dòng)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(huì)動(dòng)，而是被曲軸帶動(dòng)，動(dòng)力來(lái)源是動(dòng)力活塞。

為何相位角是90度?

如圖9當(dāng)移氣器移到最頂點(diǎn)的位置時(shí)，底部加熱空間最大，此時(shí)所產(chǎn)生的壓力也最大，當(dāng)移氣器移到最底點(diǎn)的位置時(shí)，頂部冷卻空間最大，此時(shí)所產(chǎn)生的壓力也最小，如把動(dòng)力活塞的曲柄連接到曲軸水平位置最遠(yuǎn)的地方時(shí)可產(chǎn)生最大的扭力，此時(shí)可看到連接到移氣器的曲軸部位與連接到動(dòng)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(dāng)隨著引擎的轉(zhuǎn)速、負(fù)載、溫度及使用氣體的不同則會(huì)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(yùn)轉(zhuǎn)。由于利用橡皮的膨脹或收縮(圖8,9)，并無(wú)法讓曲軸旋轉(zhuǎn)一整圈。因此，必需加上一個(gè)有旋轉(zhuǎn)慣性的設(shè)備，即“飛輪〞，才能達(dá)成連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

一般採(cǎi)用的飛輪，最常見(jiàn)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(wèn)題，則在曲軸旋轉(zhuǎn)面的另一端加一配重物充當(dāng)飛輪，便可解決平衡問(wèn)題(圖11)。

B.進(jìn)階篇

史特靈引擎是一種高效率的能量轉(zhuǎn)換裝置，係採(cǎi)用封閉氣體循環(huán)（Closedgascycle）及再生器（Regenerator）設(shè)計(jì)。理論上，理想史特靈引擎的熱效率(Thermalefficiency)與卡諾引擎(Carnotengine)相當(dāng)，二者皆屬可逆熱機(jī)（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?dú)?、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(gè)動(dòng)力活塞（Piston）壓縮或膨脹氣體，另利用一個(gè)移氣器（Displacer）使工作氣體在氣缸內(nèi)來(lái)回滾動(dòng)；其次種配置則不用移氣器，完全利用兩個(gè)活塞來(lái)達(dá)到壓縮膨脹氣體與來(lái)回驅(qū)趕氣體的目的。當(dāng)氣缸內(nèi)部氣體被驅(qū)趕至加熱部而受熱時(shí)，即因膨脹推動(dòng)動(dòng)力活塞而對(duì)外作功。

以氣缸數(shù)與動(dòng)力活塞及移氣器的排列構(gòu)型來(lái)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(wú)移氣器，然具有二個(gè)動(dòng)力活塞，分別在二個(gè)獨(dú)立的氣缸內(nèi)作動(dòng)。

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

引擎即屬此類。

(3)γ型—具有二個(gè)獨(dú)立氣缸，其中一氣缸內(nèi)設(shè)置動(dòng)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(jī)，燃燒較為完全，故排氣清白。最重要的是，