斯特林發動機及其循環
1816年倫敦牧師Robert Stirling提出了一種活塞式熱氣發動機一斯特林發動機的構想，這是一種外部加熱的閉式循環發動機。該循環由兩個等溫過程和兩個定容回熱過程組成，屬于概括性卡諾循環的一種。實現斯特林循環的關鍵在于實現回熱。斯特林構想的熱機由兩個氣缸-活塞夾一個蓄熱式回熱器組成。其制冷工作過程工作原理如下：
兩個氣缸-活塞系統為膨脹氣缸-活塞系統和壓縮氣缸-活塞系統，分别對應于高溫吸熱和低溫放熱過程。兩個氣缸内工質氣體通過蓄熱式回熱器連通，假定兩個氣缸缸套保持良好等溫傳熱能力，以保證缸内氣體溫度各自始終不變（等溫），穩态工作狀況下，蓄熱式回熱器已經建立了從高溫（膨脹氣缸）到低溫（壓縮氣缸）的穩定溫度梯度。定義兩個氣缸-活塞系統中活塞靠近蓄熱式回熱器的行程止點為近止點，遠離回熱器的行程止點為遠止點。選取循環開始時壓縮活塞位于遠止點，膨脹活塞位于近止點。此時工質氣體完全處于壓縮氣缸中（假定理想情況下回熱器内不存儲氣體），狀态點編号為2。
循環開始後，壓縮活塞向近止點運動，膨脹活塞不動，氣體壓力升高，比體積縮小（密度增大），是為等溫壓縮放熱過程。當缸内氣體壓力達到額定壓力，狀态達到3點，膨脹活塞開始離開近止點向遠止點運動，工質氣體經蓄熱式回熱器流人膨脹氣缸，蓄熱器蓄熱能力無限大且傳熱良好，從壓縮缸到膨脹缸沿程各點溫度保持穩定，工質經過蓄熱器時沿程各點均為等容吸熱，于是工質密度不變，通過蓄熱器後變化到狀态點4。壓縮活塞到達近止點，全部工質通過蓄熱器到達膨脹氣缸，也全部到達狀态點4。而後壓縮活塞保持不動，膨脹活塞繼續向遠止點運動，氣體進人定溫膨脹吸熱過程。該過程中，工質從膨脹氣缸缸套等溫吸熱，壓力降低，密度減小（比體積增大）。膨脹活塞到達遠止點，過程完成，終于狀态點1。然後膨脹活塞從遠止點出發，壓縮活塞從近止點出發，分别在同一時刻到達近止點和遠止點，期間工質氣體全部通過蓄熱器進入壓縮氣缸，同時在蓄熱器内沿程各點等溫散發之前吸收的熱能，實現一級冷卻，并回到狀态點2。
制約斯特林循環實際應用的因素有：高低溫熱源的等溫吸熱和等溫放熱難以實現、回熱器回熱難以實現、蓄熱式回熱器内部工質氣體殘留、蓄熱式回熱器阻力損失、活塞行程控制。玩具級的斯特林循環發動機和斯特林制冷機有很多産品出現，但是對實用級的斯特林機器上述制約因素的影響迅速變大，導緻其競争力快速下降。
斯特林發動機優點
與内燃機比較熱氣機所具備的優點：
1、适用于各種能源。無論是液态的、氣态的或固态的燃料，當采用載熱系統（如熱管）間接加熱時，幾乎可以使用任何高溫熱源，如：生物質能（柴火等），而發動機本身（除加熱器外）不需要作任何更改同時熱氣機無需壓縮機增壓，使用一般風機即可滿足要求，并允許燃料具有較高的雜質含量；太陽能，這是斯特林發動機較為常見的用途之一；放射性同位素，常見于用于潛艇、深空的AIP系統。
2、噪音小。熱氣機在運行時，由于燃料的燃燒是連續的，因此避免了類似内燃機的爆震做功和間歇燃燒過程，從而實現了低噪音的優勢。這使得它可以用在潛艇上以得到較好的隐蔽性。熱氣機單機容量小，機組容量從20-50kw，可以因地制宜的增減系統容量。結構簡單，零件數比内燃機少40%，降價空間大，同時維護成本也較低。
3、不受氣壓影響。這是由于斯特林閉循環中工質與大氣隔絕産生的。這使得它非常适合于高海拔地區使用。
斯特林發動機缺點
1、對材料要求高。内燃機的燃氣最高溫度要比斯特林高得多，但内燃機依靠散熱把氣缸的溫度控制在90度左右，而斯特林發動機的加熱器和膨脹腔需要長時間保持在較高的溫度，這對材料提出了較高的要求。
2、熱量損失大。同樣是因為長時間保持高溫，這使得很多熱量通過直接傳遞和熱輻射的形式損失了。所以需要采取一系列措施來減少熱損失，比如把活塞做成中空結構，并且在裡面設置多道“熱障”。
3、體積大。這是由減少熱損失的一系列措施導緻的，要隔熱，比功率就小。
4、反應慢。這些是針對常規結構的斯特林發動機而言。由于熱源來自外部，傳熱需要時間，因此發動機需要經過一段時間才能使氣缸的溫度變化。這意味着：在提供有效動力之前需要時間暖機；不能快速改變其動力輸出；密封和潤滑的問題。密封和潤滑在一定程度上相互矛盾。由于工作介質是有限的，因此對密封的要求較高，這也是斯特林發動機發明比内燃機早卻沒能得到很快發展的原因之一。為了降低摩擦損失，潤滑的要求同樣較高。由于潤滑油汽化會凝結在回熱器上造成堵塞，因此不能使用潤滑油，隻能幹摩擦。對策：一般使用聚四氟乙烯（PTFE）和聚醚醚酮（PEEK）以及各種填料（青銅、石墨等）制成的活塞環，具有自動形成潤滑層（自潤滑）、耐高溫（250℃Max）的特性。
斯特林發動機研發改良
已設計制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杆傳動、菱形傳動、斜盤或擺盤傳動、液壓傳動和自由活塞傳動等。成功實例有美國STM公司的民用25KW外燃機以及日本親潮級潛艇使用的斯特林發動機，中國潛艇也有自研成熟的斯特林發動機。熱氣機的未來發展将更多的應用新材料（如陶瓷），可将加熱器溫度進一步提高，理論有效效率可提升至42%。斯特林發動機有報道，已經開始研究在計算機主闆的散熱風扇上使用，通過北橋芯片的發熱來帶動斯特林發動機，以此來給硬件降溫，該研究還處于研究階段。
斯特林發動機的應用
随着全球能源與環保的形勢日趨嚴峻，斯特林發動機由于其具有多種能源的廣泛适應性和優良的環境特性已越來越受到重視，在水下動力、太陽能動力、空間站動力、熱泵空調動力，車用混合推進動力等方面得到了廣泛的研究與重視，并且已得到了一些成功的應用。斯特林機推廣中的3個方向包括：
（1）小型分布式熱電聯産系統：斯特林發動機基于其特點可應用于熱電聯産系統。熱電聯産系統從規模上分為小型分布式熱電聯産系統和大型的以熱電廠為基礎的熱電聯産系統。其中小型分布式熱電聯産系統具有設備小型化和燃料多元化等特征。小型分布式熱電聯産系統主要由動力裝置、供熱裝置和其他輔助裝置組成，其中動力裝置是整個系統的核心部件。天然氣首先進人燃燒器進行燃燒，産生的高溫煙氣先用來加熱發動機的高溫熱腔（區），然後與換熱器進行換熱，得到熱水流入儲槽作為生活熱水，低溫廢氣則從尾氣管排出。同時，冷水冷卻發動機的低溫冷腔（區）也被加熱得到熱水。工質則在高溫熱腔與低溫冷腔之間循環流動，推動活塞往複運動對外做功，帶動發動機發電。
（2）低能級的餘熱回收：斯特林機也特别适合用來回收利用低能級的餘熱，如工廠餘熱、地熱、太陽能等，以取得良好的節能效益。
（3）移動式動力源：對斯特林發動機進行小型化和輕量化改造，并改善其控制性能後，亦可作為推士機、壓路機，甚至是潛水艇的動力來源。
發展
俄借“絕氣”發動機研發常規潛艇
按“絕氣”模式工作的斯特林發動機有望使常規潛艇煥發生機。按照這一方案，俄潛艇研發人員正在研制新一代常規動力潛艇。
位于俄聖彼得堡的著名潛艇研制單位——“紅寶石”設計局日前對媒體披露，其試驗的“絕氣”斯特林發動機表現良好，今年該動力裝置将安裝到俄最新的“拉達”677式柴電潛艇上。到2017年，俄将批量生産裝有“絕氣”輔助發動機的新一代非核動力潛艇。
這是一種不依賴空氣的動力裝置，即發動機的内燃做功不使用空氣中的氧氣，而是改用預先儲備的低溫液化甲烷和液氧。其優勢是，能夠長時間在無空氣條件下工作，因此尤其适合作為潛水艇的動力裝置。
海軍軍事專家：中國常規潛艇AIP技術不輸其他國家
斯特林發動機AIP的優點在于結構緊湊，技術簡單，運行可靠性高，靈活性較好，造價和運行費用相對較低。但它受限于其自身工作原理，存在單機功率較低、設計制造和使用要求較高的缺點。另外，其瞬間提速或減速能力較弱，不利于潛艇的機動性。在潛深較大時，需要用壓縮機将廢氣加壓後才能排出艙外，提高了振動噪音等級和能耗。該技術最先達到實用化水平，典型代表是瑞典海軍的“哥特蘭”級潛艇與日本海上自衛隊的“蒼龍”級潛艇。
對于兩種技術哪種更為先進時，李傑說，“各有千秋”，主要取決于對技術的掌握情況和操控維護水平。他告訴記者，燃料電池AIP潛艇水下續航時間相對比較長，可達15—20多天，但是管理和控制相對比較難，爆炸等危險性大些；而斯特林發動機AIP，續航時間稍微短些，例如日本“蒼龍”級發動機續航時間一般為15天，但是操控起來相對簡單。從目前來看，差别并不是特别大，隻要技術掌握得好，安全性和運作效果都不錯。“就像核技術一樣，隻要各個環節都嚴格管控，就不會出現問題或将危險降至最低。”
