β 型斯特林发动机的工作原理 在β型斯特林发动机中，配气活塞和动力活塞在同一个汽缸里。配气活塞驱动工质在加热器、回热器和冷却器之间流通;位于汽缸冷区的动力活塞，当工质在冷区时压缩工质，当工质在热区时完成工质的膨胀工作[3,5,10]。

　　γ 型斯特林发动机的工作原理 动力活塞和配气活塞处于不同的汽缸内，它们把配气汽缸和动力汽缸连在一起。配气活塞驱动工质在加热器、回热器和冷却器之间流通。在这种类型的斯特林发动机中，动力活塞单独完成工质的压缩和膨胀工作。理论上，γ型双作用的斯特林发动机具有最高的机械效率，并且有很好的自增压效果[3,5,10]。

　　3 斯特林循环及其分析方法

　　3.1 斯特林循环

　　斯特林发动机是按照斯特林循环进行工作的。斯特林循环的工作过程是，工质被密封在一个闭合回路中，依靠活塞的协调运动实现在回路中流动。其理想循环依次经历等温压缩、等容吸热、等温膨胀和等容冷却四个过程。图2、3分别是理想斯特林循环四个过程的P—V图和T—S图。

　　图2 理想斯特林循环P-V图 图3 理想斯特林循环T-S图

　　3.2 斯特林循环的分析方法

　　根据马提尼的命名规则，斯特林循环的分析方法有五大类[20,21]。

　　零级分析法 零级分析法并没有对斯特林循环进行分析，而是根据斯特林发动机的实验结果，归纳总结出描述斯特林发动机性能的经验关系式。一般可用于定性分析，不适合做斯特林发动机的优化设计。Carlquist和Beale对零级分析法的应用与发展做出了重要贡献[20,21,22]。

　　一级分析法 一级分析法是最基本的斯特林循环分析方法。该方法主要假设热腔和冷腔工质的循环温度恒定，因此又称为等温分析法。Schmidt[23]首先应用一级分析法，以α型斯特林发动机为模型，进行了理论分析，最后得到解析解。由于一级分析法的等温假设过于理想，不符合实际情况，因而存在较大的理论误差，一般只用于定性分析[20,23-26]。

　　二级分析法 二级分析法假设热腔和冷腔内的工质温度在循环的过程中是变化的。因此基于二级分析法所建的数学模型一般为常微分方程组，结合理想气体状态方程以及边界条件可进行数值求解。相对一级分析法而言，二级分析法更接近实际，具有重要的应用价值[27-30]。

　　三级分析法 三级分析法又称为节点分析法，由Finkelstein[31]首先完成，Urieli，Gedeon，Martini等对其进行了深入补充与发展。三级分析法是对工质作了一维流动假设，在每个节点处对工质的传热和气体动力学过程用质量、动量和能量守恒方程进行描述。基于三级分析法的斯特林模型精度更高，应用更为广泛[9,11,31-35]。

　　四级分析法 四级分析法又称为多维CFD分析法，已成功应用于内燃机和燃气轮机的设计，但在斯特林发动机上的应用还很少，因为到目前为止，多维CFD法在两相流上的应用还不完善。尽管如此，由于四级分析法的精度很高，作为研发的重点，终将成为斯特林循环的主要分析法[20,36]。

　　4 斯特林发动机的特点及主要应用

　　4.1 斯特林发动机的特点

　　斯特林发动机是外燃机，与传统的内燃机相比主要有以下几个方面的优点[1,3,15,20,23]。

　　(1) 燃料来源广 斯特林发动机对燃料的适应性很强，可用能源除了煤、石油、天然气外，还可以利用太阳能、原子能、化学能、以及木材、秸秆等农林废弃物燃烧所放出来的能量。

　　(2) 效率高 理想斯特林循环有两个等温过程，两个等容过程组成。其理论循环效率等于相同状态下的卡诺效率。实验表明，斯特林发动机的实际有效效率能达到32~40%，最高可达47%。

　　(3) 污染小 由于斯特林发动机是外燃机，其燃料可以在足够的空气下燃烧，并且燃烧过程是连续的，燃料的燃烧比较充分，相对于内燃机，大大降低了废气中CO、HC等有害气体的含量。

　　(4) 噪音低 斯特林发动机没有气阀机构且工质在汽缸内的压力变化类似于正弦，并且没有燃烧产生的爆震和排气波，因而斯特林发动机运转比较平稳，噪音比较小。如STM生产的50KW的斯特林发动机，其裸机工作时在一米处的噪音低于75dB。

　　(5) 运转特性好 斯特林发动机中最大压力与最小压力之比一般小于2，因此，其扭矩比较均匀、运转比较平稳。此外，斯特林发动机的超负荷能力强，在超负荷50%的情况下仍然能正常运转，相对于内燃机5~15%的超负荷能力具有更好的运转特性。

　　(6) 结构简单，维修方便 斯特林发动机的结构简单，比内燃机少40%的零部件。例如，自由活塞式斯特林发动机只有三大部件：密封的汽缸、两个活塞，没有容易出故障的气阀机构、高压喷油系统和需要良好润滑的活塞环，便于维修保养。

　　4.2 斯特林发动机的主要应用

　　斯特林发动机在太阳能热发电领域有着重要的应用。用斯特林发动机作为动力机械的太阳能热发电技术，在美国和澳大利等国家已经取得了实质性的突破，很多实验电站已经运行多年，大规模的商业运行电站也正在建立。2005年8月11日SCE公司(Southern California Edison)和SES公司(Stirling Energy Systems，Inc.)宣布签订20年采购协议，由SES公司在美国洛杉矶东北莫哈韦沙漠地区采用碟式斯特林发电系统建造一座500MW并逐步扩大到850MW的太阳能热发电站。2005年10月12日SES公司宣布与SDG&E公司(San Diego Gas & Electric)签订提供300~900MW太阳能电力合同。这大约是圣地亚哥地区现在太阳能发电能力的30倍。目前SAIC(The Science Applications International Corporation)又和美国Sandia国家实验室联合开发商用25KW太阳能热电系统，计划在5年时间内分三个阶段将56座蝶式斯特林发电系统安装和示范于全美各州电能利用基地[37,38,39]。

　　斯特林发动机在民用，特别是偏远地区的农村有着巨大的应用潜力[40];在低品味能源中的回收利用中也有着光明的应用前景[41]，其理论意义和实用价值都值得我们做进一步的研究。

　　5 展望

　　近年来，斯特林发动机的研究在世界领域取得了突破性进展，能源危机更增加了世界各个国家对斯特林发动机的重视程度，进一步加快了斯特林发动机的发展进程。由于斯特林发动机得天独厚的优势，以及各种新材料新技术的出现，斯特林发动机必将代替内燃机为21世纪提供主要动力。尽管我国斯特林发动机的研究起步比较晚，但近年来我国的研制力量和水平的进展速度仍受到了国际斯特林发动机界的注目，权威人士预言，中国在这一领域将会发挥巨大的作用。

　　斯特林发动机用于太阳能热发电，将会大大促进太阳能作为一种符合可持续发展的理想绿色能源更有效的利用。斯特林发动机的广泛应用，必将使我国的能源利用效率得到大幅度提高,无论是对环境保护还是经济发展，都将有着非常重要的积极意义。

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