Двигатель Стирлинга — тепловая машина, работающая не только от сжигания топлива, но от любого источника тепла. Относится к двигателям внешнего сгорания – классу двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела.

Двигатель Стирлинга может преобразовывать в работу любую разницу температур. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Из термодинамики известно, что давление, температура и объём газа взаимосвязаны и следуют закону идеальных газов: PV=RT. Это означает, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга. Газ в закрытом цилиндре использует термодинамический цикл, состоящий из четырёх фаз и разделённый двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. Разницу объёмов газа можно превратить в работу, чем и занимается двигатель Стирлинга.

У цикла двигателя Стирлинга имеется два кардинальных отличия от циклов двигателей внутреннего сгорания. Во-первых, используемые внутри двигателя Стирлинга газы никогда не покидают двигателя. В нем нет выхлопных клапанов, которые выпускали бы находящиеся под давлением газы, подобных применяемым в бензиновых или дизельных двигателях, а также отсутствуют взрывы. Благодаря этому машины Стирлинга работают очень тихо. Во-вторых, цикл Стирлинга использует внешний источник тепла, которым может быть что угодно - сгорающий бензин, солнечная энергия или даже тепло, производимое компостными бактериями. Внутри цилиндров горения топлива нет.

Основной недостаток двигателя Стирлинга и двигателей внешнего сгорания вообще обусловлены тем, что источник тепла расположен снаружи и, как следствие этого, медленное реагирование двигателя на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру. Следствием этого недостатка является то, что мощность двигателя невозможно менять быстро и для того чтобы двигатель начал производить работу требуется время на разогрев.

Схема работы двигателя Стирлинга состоит в следующем:

1) Фаза сжатия при постоянной температуре (t) рабочего тела (рис.1):
поршень-вытеснитель 1 находится вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) и остается условно неподвижным. Газ сжимается рабочим поршнем 2, движущимся слева направо, и поступает в холодную полость 3 под поршнем-вытеснителем. Давление газа возрастает, а температура остается постоянной, так как теплота сжатия отводится через стенки цилиндра 4 и холодильник 5 в окружающую среду при температуре- t".

2) Фаза нагревания при постоянном объеме (рис.2):

Рабочий поршень 2 находится вблизи ВМТ и перемещает холодный сжатый газ из полости 3 в горячую полость 6 над поршнем-вытеснителем. При прохождении газа через регенератор 7, заполненный пористой массой, нагретой в предыдущем цикле, его температура повышается от t" до t' . Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, давление газа в них повышается и достигает максимального значения.

Двигатель Стирлинга впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года. Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом». В современной научной литературе этот очиститель называется «регенератор» (теплообменник). Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы.

Двигатель Стирлинга - одна из самых известных альтернатив паровой машине. Но в то время стирлинги не нашли развития из-за низкой надежности и относительно невысоких показателей. И о них почти забыли. Но в 1938 году по инициативе известной голландской фирмы Philips работа над стирлингами возобновилась. Инженеры компании решили приспособить автономные двигатели для привода генераторов в «неэлектрифицированных» районах - чтобы продавать там свои радиотовары. Расчеты показали, что теоретически КПД двигателя Стирлинга значительно выше других моторов. Стирлинги отличались бесшумной работой, экономичностью и всеядностью: головка цилиндров могла обогреваться и дровами, и углем, и даже солнечными лучами. А стационарное «внешнее горение» определяло высокую экологичность. В 1945 году инженеры фирмы Philips нашли стирлингу обратное применение - раскрутив вал двигателя электромотором, они вызвали охлаждение головки цилиндров до минус 190°С! Эта особенность двигателя Стирлинга нашла применение в промышленных холодильных установках. А в 1972 году был построен экспериментальный автомобиль с четырехцилиндровым стирлингом, но дальше экспериментов дело не пошло. Однако американское аэрокосмическое агентство NASA нашло возможность использовать стирлинги в составе электростанций для работы в космосе

В 1988 году в Швеции субмарина типа «Наккен» была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10000 часов. Позже, субмарины типа «Готланд» стали первыми серийными лодками с двигателями Стирлинга, которые позволяют им находиться под водой 20 суток.
 

Пример поршневого двигателя внешнего сгорания, работающий по термодинамическому циклу с изотермическим сжатием и расширением.

Источник тепла нагревает газ в правой части теплообменного цилиндра (Рис.1). Газ разширяется и через трубку оказывает давление на рабочий поршень. Поршень опускается, толкает шатун и поворачиает маховик. При этом одновременно в право двигатется вытеснительный поршень. Он вытесняет газ из нагревающейся части теплообменного цилиндра в его холодную часть, которая имеет охлаждающееся оребрение. Теплообменный поршень заполнен теплоизолирующим материалом. Газ остывает, создавая обратное усилие на рабочий поршень, поршень поднимается вверх и цикл повторяется с начала.