【學渣的自我修養】斯特林發動機原理淺析

這兩天買了個小型的斯特林發動機模型來玩，一百多塊錢的東西，但是看著做工還是挺精緻的，也比較耐玩。

如下圖所示：右上角是酒精燈加熱的熱缸，右下角是冷缸，左邊是飛輪，下方是發電機，熱缸與冷缸之間有氣管連接。

手頭沒有工業酒精，翻了半天哥們的倉庫，找到一瓶 75% 的醫用酒精，試了一下還真能點著。加熱一分鐘左右後，用手撥動飛輪，然後就可以自動持續運轉了。轉速目測能有 2000 - 3000 RPM 吧，但是功率不高。

工作原理

斯特林發動機的結構和原理都不複雜，但很有趣，在此嘗試做個淺析。

理論基礎

斯特林發動機屬於一種熱機（heat engine）。眾所周知（並不是），一個理想斯特林發動機的熱力學循環如下圖所示，分為四個階段：

1. 等溫膨脹

2. 等容放熱

3. 等溫壓縮
4. 等容吸熱

上圖是一個經典的 P-V 圖，縱軸表示壓強，橫軸表示體積。

等效模型

斯特林發動機的簡化模型可以分為兩類：①冷熱缸分體式（Alpha-type） ②冷熱缸一體式（Beta-type）。題圖中的是一個雙缸一體式斯特林發動機，而筆者買到的這個是分體式的。兩種結構在原理上是大同小異的，為了便於理解，本文以第一類為模型進行分析。

工作流程

第一步：多數氣體位於熱缸，與高溫缸體大面積接觸。氣體被加熱後膨脹，由於熱缸已經到達最大體積，而冷缸處於最小體積，氣體沖入冷缸，帶動飛輪旋轉。近似於等溫膨脹過程。

第二步：加熱後的氣體沖入冷缸後，與低溫缸體大面積接觸，降低溫度。由於飛輪的轉動慣量，熱缸準備開始收縮。近似於等容放熱過程。

第三步：大部分氣體進入冷缸，充分冷卻後，壓強開始減小，結合飛輪的轉動慣量因素，氣體在冷缸被壓縮。近似於等溫壓縮過程。

第四步：氣體的體積此時最小，熱缸的氣體被加熱後膨脹，由於曲柄搖桿的位置，冷缸容量幾乎不變，熱缸容量變大，回到第一步的狀態。近似於等容吸熱過程。

以上四個階段為一個循環，組成了單缸斯特林發動機的完整工作流程。多缸斯特林發動機只是將不同相位的幾個斯特林發動機連接在同一組飛輪上，原理上並沒有太大的差異。

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