斯特林發動機是一種熱機，其由循環壓縮和空氣或其他氣體在不同溫度下，得到的凈轉化熱能量到機械工作。更具體地，斯特林發動機是具有xxx氣態工作流體的閉環再生熱力發動機。在這種情況下，閉環意味著一種熱力學系統，其中工作流體xxx地包含在系統中，并且再生描述了特定類型的內部流體的使用。熱交換器和蓄熱器，稱為蓄熱器。嚴格來說，包含蓄熱器是斯特林發動機與其他閉環熱空氣發動機的區別所在。

羅伯特·斯特林（Robert Stirling）在1816年獲得了xxx個閉環空氣發動機實用實例的專利，弗萊明·詹金（Fleeming Jenkin）早在1884年就提出將所有此類發動機統稱為斯特林發動機。這種命名建議幾乎沒有受到青睞，市場上的各種類型仍以其各自的設計師或制造商的名字而為人所知，例如，Rider，Robinson或Heinrici的（熱）空氣發動機。在1940年代，飛利浦公司正在為其自己的“空氣發動機”版本尋求一個合適的名稱，當時該空氣發動機已經用除空氣以外的其他工作流體進行了測試，并于1945年4月決定使用“斯特林發動機”。然而，近三十年后，格雷厄姆·沃克（Graham Walker）仍然有理由抱怨這樣一個事實，例如熱空氣發動機與斯特林發動機仍然可以互換，斯特林發動機本身得到了廣泛和不加選擇地使用，這種情況還在持續。

斯特林發動機與蒸汽發動機一樣，斯特林發動機傳統上也被歸類為外燃發動機，因為進出工作流體的所有熱量都通過固體邊界（熱交換器）進行傳遞，從而隔離了燃燒過程及其可能產生的污染物。發動機的工作部件。這與內燃機相反，在內燃機中，熱量輸入是通過工作流體體內的燃料燃燒來實現的。斯特林發動機的許多可能實施中的大多數都屬于往復活塞發動機。

甲斯特林發動機是一種熱機，通過循環壓縮和空氣或其他氣體在不同溫度下，使得存在的凈轉化熱能量到機械工作。更具體地，斯特林發動機是具有xxx氣態工作流體的閉環再生熱力發動機。在這種情況下，閉環意味著一種熱力學系統，其中工作流體xxx地包含在系統中，并且再生描述了特定類型的內部流體的使用。熱交換器和蓄熱器，稱為蓄熱器。嚴格來說，包含蓄熱器是斯特林發動機與其他閉環熱空氣發動機的區別所在。

根據定義，斯特林發動機無法達到內燃機的典型總效率，主要限制因素是熱效率。內燃期間，溫度在短時間內達到1500C-1600C左右，導致熱力學循環的平均供熱溫度比任何斯特林發動機都高。不可能像斯特林發動機那樣在傳導較高的溫度下提供熱量，因為沒有材料可以在該高溫下從燃燒中傳導熱量，而不會產生巨大的熱損失以及與材料的熱變形有關的問題。斯特林發動機能夠安靜運轉，幾乎可以使用任何熱源。熱能源在斯特林發動機外部產生，而不是像奧托循環或柴油循環那樣通過內燃產生引擎。由于斯特林發動機與替代能源和可再生能源兼容，因此隨著常規燃料價格的上漲以及考慮到諸如石油供應枯竭和氣候變化等問題，斯特林發動機可能變得越來越重要。目前，這種類型的發動機已成為人們關注的微型熱電聯產（CHP）單元的核心部件，與同類蒸汽發動機相比，這種發動機更高效，更安全。然而，它具有低的功率重量比，使之更適合于在靜態安裝空間和重量是不溢價使用。

發動機的設計使工作氣體通常在發動機的較冷部分被壓縮，而在較熱的部分膨脹，從而導致熱量凈轉化為功。與沒有此功能的簡單熱空氣發動機相比，內部蓄熱式熱交換器提高了斯特林發動機的熱效率。

作為封閉循環操作的結果，該熱驅動斯特林發動機必須被從熱源通過傳遞到工作流體的熱交換器，并最后達到散熱器。斯特林發動機系統具有至少一個熱源，一個散熱器和多達五個熱交換器。某些類型可以與其中某些組合或省去。

熱源可以通過燃料的燃燒來提供，并且由于燃燒產物不與工作流體混合并且因此不與發動機的內部部件接觸，因此斯特林發動機可以使用會損壞發動機的燃料運行。其他發動機類型的內部零件，例如垃圾填埋氣，其中可能包含硅氧烷，這些硅氧烷可能在常規發動機中沉積磨料二氧化硅。

其他合適的熱源包括聚光太陽能、地熱能、核能、廢熱和生物能。如果將太陽能用作熱源，則可以使用常規的日光鏡和日光碟。還提倡使用菲涅耳透鏡和鏡子，例如在行星表面探測中。太陽能斯特林發動機越來越受歡迎，因為它們提供了無害環境的發電選擇，同時某些設計在開發項目中具有經濟吸引力。

在小型，低功率發動機中，這可以簡單地由一個或多個熱空間的壁組成，但是在需要更大功率的情況下，需要更大的表面積來傳遞足夠的熱量。典型的實現是內部和外部散熱片或多個小口徑管。

斯特林發動機熱交換器的設計是在高熱量傳遞和低粘性?泵送損失與低死角空間之間取得平衡。在高功率和高壓下運行的發動機要求熱側的熱交換器由合金制成，這些合金在高溫下保持相當大的強度并且不會腐蝕或蠕變。

在斯特林發動機中，蓄熱器是一個內部熱交換器，位于熱空間和冷空間之間，是一個臨時蓄熱器，以便工作流體首先沿一個方向通過，然后再通過另一個方向，從流體中沿一個方向吸收熱量，然后返回它在另一個。它可以像金屬網或泡沫一樣簡單，并且受益于高表面積，高熱容量，低電導率和低流動摩擦。它的功能是將系統中保留的熱量保留在系統中，否則該熱量將在最大和最小循環溫度之間的溫度下與環境進行交換，因此可以實現循環的熱效率接近極限卡諾效率。

斯特林發動機中再生的主要作用是通過“回收”內部熱量來提高熱效率，否則這些熱量將不可逆轉地通過發動機。作為次要效果，提高的熱效率會從給定的一組熱端和冷端熱交換器產生更高的功率輸出。這些通常會限制發動機的熱量通過量。在實踐中，由于額外的“死區”（未清掃體積）和實際再生器中固有的泵浦損耗會降低再生帶來的潛在效率增益，因此可能無法完全實現此額外功率。

斯特林發動機蓄熱室的設計挑戰是提供足夠的傳熱能力，而又不會引入過多的內部體積或流阻。這些固有的設計沖突是限制實際斯特林發動機效率的眾多因素之一。的典型設計是細金屬的疊層線?的網格，具有低孔隙度，以減少死腔，并與導線的軸垂直于氣流以減少傳導在該方向上，并xxx限度地對流換熱。

蓄熱室是羅伯特·斯特林（Robert Stirling）發明的關鍵組件，它的存在使真正的斯特林發動機與任何其他閉環熱空氣發動機都脫穎而出。許多小型“玩具”斯特林發動機，尤其是低溫差（LTD）型，沒有明顯的再生器組件，因此可以被視為熱空氣發動機。然而，置換器本身的表面和附近的汽缸壁，或者類似地，連接alpha配置發動機的熱汽缸和冷汽缸的通道，都會提供少量的再生。

在小型低功率發動機中，它可能僅由一個或多個寒冷空間的壁組成，但是在需要更大功率的地方，需要使用類似液體的水的冷卻器來傳遞足夠的熱量。

斯特林發動機的熱區和冷區之間的溫差越大，發動機的效率越高。散熱器通常是發動機在環境溫度下運行的環境。對于中功率發動機到高功率發動機，需要散熱器才能將熱量從發動機傳遞到周圍的空氣中。船用發動機的優勢是使用涼爽的周圍海水，湖泊或河流水，通常比周圍空氣涼爽。對于熱電聯產系統，發動機的冷卻水直接或間接用于加熱目的，從而提高了效率。

可替代地，可以通過諸如低溫流體或冰水的方式在環境溫度下提供熱量并且將散熱器保持在較低的溫度下。

置換器是一種專用活塞，用于Beta和Gamma型斯特林發動機中，用于在冷，熱熱交換器之間來回移動工作氣體。取決于發動機設計的類型，置換器可能會或可能不會與汽缸密封；也就是說，它可能是松散地裝配在氣缸內，允許工作氣體在移動時占據其周圍，從而占據氣缸的一部分。

斯特林發動機的三種主要類型的區別在于它們在熱區和冷區之間移動空氣的方式：

1. 的阿爾法配置有兩個動力活塞，一個在熱氣缸，一個在一個冷汽缸，并且氣體在兩個由活塞之間被驅動;?它通常呈V形，活塞在曲軸上的同一點連接。
2. 所述測試配置具有與熱端和冷端的單缸，含有動力活塞和一個“置換”驅動熱端和冷端之間的氣體。它通常與菱形驅動器配合使用，以實現置換器和動力活塞之間的相位差，但是它們可以在曲軸上異相連接90度。
3. 所述伽馬配置具有兩個汽缸：含有置換，用熱和冷端，和一個用于動力活塞的一個;?它們連接在一起形成一個單一的空間，因此氣缸具有相等的壓力；活塞通常是平行的，并且在曲軸上異相連接90度。

與內燃機相比，斯特林發動機具有更容易使用可再生熱源的潛力，并且更安靜，更可靠且維護成本更低。它們是重視這些獨特優勢的應用的首選，特別是如果單位產生的能源成本比單位發電的資本成本更為重要的情況下。在此基礎上，斯特林發動機的成本競爭力高達100 kW。

與相同額定功率的內燃機相比，斯特林發動機目前具有較高的投資成本，并且通常更大且更重。但是，它們比大多數內燃機更有效。較低的維護要求使整體能源成本具有可比性。熱效率也可比（小型發動機），范圍從15％至30％。對于諸如微型CHP的應用，斯特林發動機通常比內燃機更可取。其他應用包括抽水、航天，以及與內燃機不兼容的大量能源（例如太陽能）以及生物質（例如農業垃圾和其他垃圾）進行發電。然而，斯特林發動機由于每單位功率的高成本，低功率密度和高材料成本而通常不具有與汽車發動機相比的價格競爭力。

基本分析基于封閉式Schmidt分析。

• 斯特林發動機可以直接在任何可用的熱源上運行，而不僅僅是燃燒產生的熱源，因此它們可以在太陽能、地熱、生物、核能或工業過程中產生的熱量下運行。
• 可以使用連續燃燒過程來提供熱量，因此可以減少與往復式內燃機的間歇燃燒過程相關的那些排放。
• 某些類型的斯特林發動機在發動機的冷側具有軸承和密封件，與其他往復式發動機的同類產品相比，它們所需的潤滑劑更少且使用壽命更長。
• 發動機機構在某種程度上比其他往復式發動機更簡單。不需要閥門，并且燃燒器系統可以相對簡單。粗斯特林發動機可以使用普通的家用材料制成。
• 斯特林發動機使用的單相工作流體可將內部壓力保持在接近設計壓力的水平，因此，對于設計合理的系統，爆炸的風險很低。相比之下，蒸汽機使用的是兩相氣/液工作流體，因此過壓溢流閥出現故障會引起爆炸。
• 在某些情況下，較低的工作壓力允許使用輕型氣缸。
• 它們可以制造成安靜運行而無需供氣，用于潛艇中與空氣無關的推進。
• 與內燃相比，它們在暖和的天氣下很快啟動（盡管預熱后很慢），并且在寒冷的天氣下更有效地運行，而內燃則在溫暖的天氣下迅速啟動，而在寒冷的天氣下則不然。
• 可以配置用于泵送水的斯特林發動機，以使水冷卻壓縮空間。這樣可以在抽冷水時提高效率。
• 它們非常靈活。它們可以被用來作為熱電聯產（熱電聯產在冬季）和夏季冷卻器。
• 廢熱易于收集（與內燃機廢熱相比），斯特林發動機可用于雙輸出熱電系統。
• 1986年，美國宇航局制造了斯特林汽車發動機，并將其安裝在雪佛蘭名人汽車上。燃油經濟性提高了45％，排放量xxx減少。加速（功率響應）等同于標準內燃機。該引擎被命名為Mod II，也消除了斯特林引擎笨重、昂貴、不可靠且性能不佳的說法。不需要催化轉換器，消音器和頻繁換油。

• 斯特林發動機的設計要求熱交換器用于熱量輸入和熱量輸出，并且這些熱交換器必須包含工作流體的壓力，其中壓力與發動機功率輸出成比例。另外，膨脹側熱交換器通常處于很高的溫度下，因此材料必須抵抗熱源的腐蝕作用，并且蠕變低。通常，這些材料要求xxx增加了發動機的成本。高溫熱交換器的材料和組裝成本通常占發動機總成本的40％。
• 所有熱力循環都需要較大的溫差才能有效運行。在外燃發動機中，加熱器溫度總是等于或超過膨脹溫度。這意味著對加熱器材料的冶金要求非常苛刻。這類似于燃氣輪機，但與奧托發動機或柴油發動機相反，膨脹溫度可能遠遠超過發動機材料的冶金極限，因為輸入熱源沒有通過發動機傳導，所以發動機材料的工作溫度接近于工作氣體的平均溫度。斯特林循環實際上是無法實現的，斯特林機器的實際循環效率比理論斯特林循環低，在環境溫度適中的情況下，斯特林循環的效率也較低，而在涼爽的環境下會達到最佳效果，例如北方國家的冬季。
• 廢熱的散發特別復雜，因為冷卻劑溫度保持盡可能低，以使熱效率最大化。這增加了散熱器的尺寸，這可能使包裝困難。除了材料成本，這已經成為限制斯特林發動機作為汽車原動機采用的因素之一。對于其它應用，如船舶推進和固定微型發電用系統的熱電聯產（CHP）的高功率密度是不需要的。

• 斯特林發動機，特別是那些運行在溫差較小的發動機上，其產生的功率很大（即，它們的比功率很低）。這主要是由于氣體對流的傳熱系數，它限制了典型的冷熱交換器中的熱通量約為500 W /（m?²?·K），而熱熱交換器中的熱通量約為500– 5000 W /（m?²?·K）。與內燃機相比，這對發動機設計者來說將熱量傳入和傳出工作氣體更具挑戰性。由于熱效率所需的傳熱隨著溫度差的降低而增長，并且輸出功率為1 kW的換熱器表面（和成本）以（1 /ΔT）²增長。因此，非常低的溫差發動機的特定成本非常高。假設熱交換器是為增加熱負荷而設計的，那么增加溫差和/或壓力可使斯特林發動機產生更大的動力，并可以傳遞所需的對流熱通量。
• 斯特林發動機無法立即啟動；它實際上需要“熱身”。對于所有外燃發動機都是如此，但是斯特林發動機的預熱時間可能比其他此類發動機（例如蒸汽發動機）的預熱時間更長。斯特林發動機最適合用作恒速發動機。
• 斯特林的功率輸出趨于恒定，對其進行調整有時可能需要仔細的設計和其他機制。通常，通過改變發動機的排量（通常通過使用斜盤?曲軸裝置），改變工作流體的量，改變活塞/活塞的相角或在某些情況下簡單地通過改變輸出功率來實現輸出變化。改變發動機負荷。該特性在混合動力推進或“基本負載”公用事業發電中幾乎沒有缺點，在這種情況下，實際上需要恒定的功率輸出。

所使用的氣體應具有較低的熱容量，因此，給定量的熱傳遞會導致壓力大幅增加。考慮到這個問題，由于氦的熱容量非常低，因此它將是xxx的氣體。空氣是一種可行的工作流體，但高壓航空發動機中的氧氣可能會因潤滑油爆炸而導致致命事故。發生此類事故后，飛利浦率先使用其他氣體來避免發生爆炸的危險。

• 氫的低粘度和高導熱性使其成為xxx大的工作氣體，這主要是因為發動機比其他氣體運行得更快。然而，由于氫的吸收，并且考慮到與該低分子量氣體相關的高擴散速率，特別是在高溫下，H?₂通過加熱器的固體金屬泄漏。碳鋼的擴散太高，無法實際應用，但對于金屬甚至不銹鋼來說可能較低。某些陶瓷還可以xxx減少擴散。密閉壓力容器密封件是維持發動機內部壓力而不更換損失的氣體所必需的。對于高溫差動（HTD）發動機，可能需要輔助系統來維持高壓工作流體。這些系統可以是儲氣瓶或氣體發生器。氫可以通過水的電解，蒸汽對熾熱的碳基燃料的作用，碳氫化合物燃料的氣化或酸在金屬上的反應而產生。氫也會導致金屬脆化。氫氣是易燃氣體，如果從發動機中釋放出來，這是一個安全隱患。
• 大多數技術先進的斯特林發動機，例如為美國政府實驗室開發的發動機，都使用氦氣作為工作氣體，因為它的功能接近于氫氣的效率和功率密度，而且幾乎沒有材料限制問題。氦是惰性氣體，因此不易燃。氦氣相對昂貴，必須以瓶裝氣形式提供。一項測試顯示，在GPU-3斯特林引擎中，氫的效率比氦（相對的24％）高出5％（xxx）。研究人員艾倫·歐根（Allan Organ）證明，精心設計的空氣發動機在理論上與氦或氫發動機一樣高效，但是氦和氫發動機的單位體積功率要高出好幾倍。
• 一些發動機使用空氣或氮氣作為工作流體。這些氣體具有低得多的功率密度（這會增加發動機成本），但它們使用起來更方便，并且將氣體封閉和供應的問題降到最低（從而降低了成本）。將壓縮空氣與易燃材料或諸如潤滑油之類的物質接觸會引起爆炸危險，因為壓縮空氣包含較高的氧氣分壓。但是，可以通過氧化反應從空氣中除去氧氣，也可以使用瓶裝氮氣，這幾乎是惰性的并且非常安全。
• 其他可能比空氣輕的氣體包括：甲烷和氨。

斯特林發動機的應用范圍從加熱和冷卻到水下動力系統。斯特林發動機可以反向用作加熱或冷卻的熱泵。其他用途包括熱電聯產、太陽能發電、斯特林低溫冷卻器、熱泵、船用發動機、低功率飛機模型發動機和低溫差發動機。