熱氣機

一種外燃的閉式循環往複活塞式熱力發動機。因它是在1816年為蘇格蘭的R.斯特林所發明，故又稱斯特林發動機。熱氣機可用氫、氮、氦或空氣等作為工質，按斯特林循環工作。在熱氣機封閉的氣缸內充有一定容積的工質。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質在低溫冷腔中壓縮，然後流到高溫熱腔中迅速加熱，膨脹作功。燃料在氣缸外的燃燒室內連續燃燒，通過加熱器傳給工質，工質不直接參與燃燒，也不更換。

已設計製造的熱氣機有多種結構，可利用各種能源，已在航天、陸上、水上和水下等各個領域進行應用試驗。熱氣機的功率傳遞機構分為曲柄連桿傳動、菱形傳動、斜盤或擺盤傳動、液壓傳動和自由活塞傳動等。

按缸內循環的組成形式分，熱氣機主要有配氣活塞式和雙作用式兩類。

配氣活塞式熱氣機

在一個氣缸內有兩個活塞作規律的相對運動（圖1），冷腔與熱腔之間用冷卻器、回熱器和加熱器連接，配氣活塞推動工質在冷熱腔之間往返流動。熱力循環可以分為4個過程。①定溫壓縮過程：配氣活塞停留在上止點附近，動力活塞從它的下止點向上壓縮工質，工質流經冷卻器時將壓縮產生的熱量散掉，當動力活塞到達它的上止點時壓縮過程結束（圖1a-b）。②定容回熱過程：動力活塞仍停留在它的上止點附近，配氣活塞下行，迫使冷腔內的工質經回熱器流入配氣活塞上方的熱腔，低溫工質流經回熱器時吸收熱量，使溫度升高（圖1b-c）。③定溫膨脹過程：配氣活塞繼續下行，工質經加熱器加熱，在熱腔中膨脹，推動動力活塞向下並對外作功（圖1c-d）。④定容儲熱過程：動力活塞保持在下止點附近，配氣活塞上行，工質從熱腔經回熱器返回冷腔，回熱器吸收工質的熱量，工質溫度下降至冷腔溫度（圖1d-a）。在理論上，定容儲熱量等於回熱量，其循環效率等於卡諾循環效率。兩個活塞的運動規律是由菱形傳動機構來保證的。

雙作用式熱氣機每個氣缸內只有一個活塞，兼起配氣活塞和動力活塞的作用。各缸的上部為熱腔，下部為冷腔。各熱腔經加熱器、回熱器和冷卻器與鄰缸的下部冷腔連接，組成一個動力單元。圖2為四缸布置的雙作用熱氣機。各缸相位差為90°，能保證良好的熱力性能。雙作用式熱氣機的結構更為緊湊和輕巧。

熱氣機的主要優點是能用各種能源，無論是液態的、氣態的或固態的燃料，當採用載熱系統（如熱管）間接加熱時，幾乎可以使用任何高溫熱源（太陽能、放射性同位素和核反應等），而發動機本身（除加熱器外）不需要作任何更改。熱氣機實際循環效率較高，已接近柴油機，排氣中有害成分較少，雜訊較低。因燃料是在較多的過量空氣下連續燃燒的，熱氣機無需氣門機構，無爆炸燃燒，運行平穩振動小。熱氣機在很寬的速度範圍內具有良好的扭矩特性，適於車輛使用，曲軸每轉的扭矩不均勻度小，潤滑油消耗量也少。熱氣機尚存在的主要問題和缺點是製造成本較高，工質密封技術較難，密封件的可靠性和壽命還存在問題，功率調節控制系統較複雜，機器較為笨重。

熱氣機的發展趨勢是：應用新材料（如陶瓷）和新工藝，以降低造價；對實際循環進行理論研究，完善結構，提高性能指標；在應用方面研究汽車用的大功率燃煤熱氣機、太陽能熱氣機和特種用途熱氣機。