Двигатель Стирлинга

Содержание

Введение                                                                                                     3 Биография создателя двигателя Стирлинга                                                          4

Краткая история  развития Стирлинг двигателей                                                 4

Второе рождение                                                                                                     5

Современное применение двигателей Стирлинга                                                6

Цикл Стирлинга                                                                                                       7

Плюсы Стирлингов                                                                                                 9

Минусы  Стирлингов                                                                                              9

Конструкции двигателей Стирлинга                                                                   10

Методы изготовления двигателей Стирлинга                                                    12

Методы расчета двигателей Стирлинга                                                              14

Выводы                                                                                                                   17

Библиографический список                                                                                  18

Введение

В современном  мире можно получить энергию для зарядки мобильного телефона от тепла человеческого тела или кружки кипятка, можно, используя разницу температур между колодезной водой и атмосферным воздухом, снабдить электричеством загородный дом. Это могут "Стирлинг-машины" или, как их еще называют - двигатели Стирлинга.

Данный тип  двигателей изобретен в девятнадцатом  веке не физиком и не механиком, а  священником! История Стирлинг-машин  невероятна. Они прошли стадию подъема, затем были забыты, однако пережили паровые двигатели, двигатели внутреннего  сгорания и снова возродились в двадцатом веке. Сегодня над их созданием трудятся многие инженеры и любители.

Стоит отметить, что универсальной методики расчета  Стирлинг-машин не существует до сих  пор, хотя с момента их изобретения  прошло почти два века! Львиная доля технических решений и методик расчета при создании опытных образцов двигателей Стирлинга автоматически становится "ноу-хау" компаний-разработчиков и тщательно скрывается. Двигатели Стирлинга не встретишь в свободной продаже, как газонокосилки или автономные генераторы. При этом "Стирлинги" используются в качестве энергоустановок на космических спутниках, применяются как маршевые двигатели на современных подводных лодках.

 Стирлинг-машины с одинаковым успехом можно "вмонтировать" и в триммер для стрижки газонов, и в марсоход. В конструкции двигателя нет клапанов, распределительных валов, отсутствует система зажигания в ее привычной форме, нет стартера! Некоторые конструкции обладают эффектом самозапуска. Для работы годится любой источник тепла: энергия солнца, сено, дрова, уголь, нефть, газ, ядерный реактор - подойдет все! И при данной "всеядности" коэффициент полезного действия "Стирлингов" не уступает показателям двигателей внутреннего сгорания. Но и это не все. Стирлинг-машины обратимы, т.е. подводя тепловую энергию, получаем механическую, раскручивая маховик двигателя, вырабатываем холод. В общем, чудес и загадок вокруг Стирлинг-машин полным-полно.

Цель: исследование двигателя Стирлинга.

Задачи:

             1. собрать и анализировать материал на тему двигатель Стирлинга;

                2. изготовить модель двигателя Стирлинга;

     3. апробировать работу двигателя  Стирлинга.

Перспективные задачи:

             1. провести опыты с двигателем Стирлинга;

                  2. произвести примерный расчет КПД двигателя Стирлинга.

Актуальность: в настоящее время двигатель Стирлинга-это редкость. Но постепенно они вновь входят в нашу жизнь. На сегодняшний день они используются: в автомобильной технике, даже на космических станциях; в будущем они могут устанавливаться на мини ТЭЦ или их энергией можно будет питать целый город, а когда запасы нефти будут заканчиваться, из-за своей практичности и высокого КПД они смогут конкурировать с дизельными двигателями.

Биография создателя  двигателя Стирлинга

Роберт Стирлинг родился в Шотландии, в 1790 году. Еще во время учебы в университете молодой пастор проявил немалую склонность к инженерным наукам, и свободное время посвящал разработке «безопасного» двигателя. В то время паровые машины уже активно эксплуатировались, но обладали одной неприятной особенностью – из-за низкой прочности стали у них часто взрывались котлы.

Стирлинг искал  решение данной проблемы. Поскольку  выбор материалов для котлов оказался невелик, преподобный Роберт просто отказался от пара и придумал новый тип двигателя на воздухе, но главное – ввел в цикл работы двигателя регенерацию тепла.

19 сентября 1816 года  Стирлинга назначают священником  церкви Лэй-Кири в Килмарноке, а уже 21 сентября того же  года в Эдинбурге (Шотландия)  он патентует устройство называемое «экономайзер» или устройство для экономии тепла (английский патент №4081). Сегодня это устройство называется регенератор или теплообменник. Регенератор - сердце всех современных Стирлинг-машин. Позднее еще дважды: в 1827 и в 1840 годах Стирлинг патентует усовершенствованные образцы своей машины. Он упорно движется к цели – созданию «безопасного двигателя». И в 1845 году, не без помощи младшего брата Джеймса и друга - Томаса Мортона, Стирлинг достигает результата. Машина в 50 индикаторных лошадиных сил изготавливается на литейном заводе в Дании. Аппарат использовали на шахте для откачки воды. Он успешно проработал три года, но был разобран по причине частого выхода из строя. Дело было не в конструкции – она идеальна, и перекочевала в современные типы Стирлинг-машин без особых изменений. Проблему создавали материалы, не имеющие достаточной прочности. Металл рабочего цилиндра не выдерживал постоянного перепада температур и давления.

На склоне лет, Роберт Стирлинг в одном из своих  писем 1876 года особо отмечал важность изобретения Генри Бессемера – получение высокопрочной стали. Стирлинг выражал надежду, что данная сталь откроет перспективы и его «машинам на воздухе». На протяжении всей жизни, в своей домашней мастерской Стирлинг конструировал и изготавливал модели тепловых машин. Позднее, одну из этих моделей использовал лорд Кельвин для университетских лекций.

Несмотря на бурную изобретательскую деятельность, Роберт Стирлинг оставался пастором и продолжал вести службы. Умер изобретатель-священник 6 июня 1878 года в шотландском городке Галстон, в Восточном Айршире.

Каким образом Стирлингу удалось изобрести двигатель с максимально возможной термодинамической эффективностью – остается загадкой. Но, то, что этот неуемный шотландец за свои 88 лет сумел прожить две жизни – жизнь талантливого инженера-конструктора и священника - бесспорный факт. Стирлинг опередил свое время более чем на сто лет. Его выдающееся изобретение послужило толчком к значительному усовершенствованию паровых машин, пережило многие технические новинки двигателестроения и возрождается заново в наши дни.

Краткая история развития Стирлинг двигателей

Двигатели Стирлинга  и Эриксона имеют длинную историю, которая была детально изучена Финкельштейном {1959 г.). Машины конца XVIII в. можно считать первенцами тепловых воздушных двигателей, но их основное развитие относится к началу XIX в. Первым работающим двигателем такого типа был, вероятно, тепловой воздушный двигатель открытого цикла, построенный Георгом Кайлеем (George Cayley) в 1807 г. Приблизительно в 1816 г. Робертом Стирлингом (Robert Stirling), был изобретен тепловой двигатель с регенерацией, работавший по замкнутому циклу.

Позднее, шведский изобретатель Джон Эриксон (John Ericsson), работавший в Англии, сконструировал регенеративный тепловой двигатель открытого цикла. Впоследствии в течение всего XIX в. в Англии, Европе и США широко использовались тысячи подобных двигателей самых разнообразных форм и габаритов. Они были надежными, достаточно эффективными и, что самое важное, безопасными по сравнению с паровыми машинами. Мощность этих двигателей была небольшая - от 0,185 до 3,7 кВт (от 0,25 до 5 л. с), но строились также и более мощные.

Возможно, что  наиболее интересным был двигатель, построенный Эриксоном в 1853 г. для  морского судна. Двигатель имел четыре цилиндра и при диаметре поршней 4,27 м, ходе 1,52 м, частоте вращения 9 об/мин развивал мощность около 220 кВт (300 л. с). Двигатель был установлен на корабле «Эриксон», впоследствии опрокинутом штормом в нью-йоркском порту. Примечательно то, что расход топлива на единицу мощности этого двигателя был меньше, чем у судового "паровика" того времени, а рабочее давление в цилиндрах - ниже чем давление в банке с кока-колой! Т.е. двигатель физически не мог взорваться.

Приблизительно в середине XIX в. был изобретен двигатель внутреннего сгорания; его последующее развитие в виде бензиновых двигателей и дизелей наряду с изобретенным в это же время электродвигателем явилось причиной резкого уменьшения использования двигателей Стирлинга, и к 1914 г. они уже практически не применялись. Однако производство двигателей Стирлинга специального назначения, как, например, двигателей, работавших на керосине и служащих приводом для вентиляторов, которые использовались в тропических странах, продолжалось в Англии по крайней мере до 1946 г., а модели этих двигателей выпускаются до сих пор.

Второе  рождение

Начало исследовательских работ по двигателям Стирлинга было положено в лабораториях фирмы «Филипс» в Эйндховене в конце 30-х годов. С этого момента в их развитии наблюдается непрерывный прогресс. Вначале эти работы были направлены на разработку двигателей для небольших электрогенераторных установок, предназначенных для питания радиоаппаратуры и другого подобного оборудования используемого в отдаленных районах земного шара, где аккумуляторные электробатареи были малодоступны. Последующее развитие радиоламп и аккумуляторов и в особенности использование транзисторов уменьшили потребность в небольших электрогенераторных установках. Однако к этому времени были достигнуты уже значительные успехи, способствующие дальнейшим исследованиям, в которых особое значение придавалось развитию двигателей большой мощности. Эти исследования включали экспериментальные разработки двигателей различной мощности до 330 кВт (450 л. с.) с более интересными характеристиками, чем у существующих двигателей внутреннего сгорания. К основным преимуществам двигателя Стирлинга следует отнести малый уровень шума и малую степень загрязнения воздуха выхлопными газами при значениях эффективного КПД и удельной мощности сравнимых или лучших, чем у бензиновых двигателей или дизелей. Именно это сочетание характеристик, отвечающее все возрастающей заботе людей об окружающей среде, усилило внимание к использованию двигателей Стирлинга в транспорте.

Двигатели Стирлинга  хорошо работают и в режиме холодильных  машин. Эти возможности были впервые  выявлены еще в 1834 г. Джоном Хершелем (John Hersehel), а в 1876 г. Александр Кирк (Alexander Kirk) дал описание машины, которая  работала в течение 10 лет. Но, тем не менее, только в конце 1940-х годов была сделана серьезная попытка использовать холодильные машины, работающие по циклу Стирлинга, в коммерческих целях. И снова за решение этой задачи взялась фирма «Филипс» в Эйндховене. Первая холодильная машина для ожижения воздуха была изготовлена в 1955 г. С тех пор интенсивные работы в этой области привели к созданию целого ряда криогенных газовых машин с широким диапазоном по холодопроизводительности, и в настоящее время такие машины выпускаются как для проведения различных криогенных научных исследований, так и для промышленных целей.

Современное применение двигателей Стирлинга

Двигатель, предложенный самим Робертом Стирлингом, имел значительные массогабаритные характеристики и низкий КПД. Из-за сложности процессов в таком двигателе, связанных с непрерывным движением поршней, первый упрощенный математический аппарат разработан только в 1871 году пражским профессором Г. Шмидтом. Предложенный им метод расчета основывался на идеальной модели цикла Стирлинга и позволял создавать двигатели с КПД не превышающем 15%. Лишь к 1953 году голландской фирмой «Филипс» разработаны первые высокоэффективные двигатели Стирлинга, превосходящие по характеристикам двигатели внутреннего сгорания.

Мировой интерес к этому  типу двигателей с того времени продвинулся из области теоретических построений в плоскость практической реализации в самых разных сферах. За рубежом уже начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки. Так, двигатели Стирлинга фирм Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling мощностью от 5 до 1 200 кВт имеют эффективный КПД более 42 %, ресурс - более 40 тыс. ч, удельную массу - от 1,2 до 3,8 кг/кВт.

В США стартовал проект создания солнечной электростанции с использованием двигателя Стирлинга в качестве прямого преобразователя тепловой энергии в механическую. Теоретически КПД Стирлинга может совпадать с физическим пределом, определяемым разностью температур нагревателя и холодильника, да и на практике можно получить от Стирлингов КПД порядка 70%. По расчётам авторов проекта, в теории одна ферма солнечных Стирлингов,под которую отвели территорию 160 на 160 километров на юге США, полностью покрыла бы всю потребность страны в электроэнергии. На сегодняшний день прототипы успешно проходят испытания, но стоимость каждого еще слишком высока (более 150 тысяч долларов США), что тормозит массовое внедрение.

Подобными разработками интересуются и в Швеции. На сайте  компании "Clean energy" вниманию посетителей представлен новый концепт солнечной миниэлектростанции для получения электроэнергии. Создан как полномасштабный образец с гелиоконцентратором на подвижной с закрепленным в фокусе Стирлингом, так и отдельный когенерационный агрегат для получения электроэнергии и тепла общей мощностью 9 кВт (однако, стоит отметить, что из 9 кВт только 2кВт - электроэнергия, остальные 7кВт - тепло для обогрева помещений).

Наиболее бурное развитие двигателей Стирлинга происходит в сфере военных технологий. Быстрыми темпами создаются опытные и серийные образцы Стирлинг-установок для неатомных подводных лодок. При использовании двигателя Стирлинга лодки могут находиться под водой без подзарядки аккумуляторных батарей до 20 суток! Окончательный выбор по типу анаэробной установки сделали американцы. Их решение однозначное – двигатели Стирлинга. Для этого в 2005 году ВМС США взяли в лизинг шведскую подводную лодку типа «Gotland», оснащенную вспомогательной воздухонезависимой установкой Стирлинга...»

Как можно видеть все развитые страны ударными темпами разрабатывают и внедряют Стирлинги в серийное производство. И не удивительно, при сопоставимой с ДВС мощности Стирлинг-двигатели имеют высокий крутящий момент почти на всех режимах работы, малошумны, «всеядны» в плане топлива и могут работать в любых условиях.

Специалистами NASA (Национального  Аэрокосмического Агентства США) были проделаны предварительные проработки проекта создания обитаемой базы на Луне. В качестве основного источника  энергии для работы в условиях лунной поверхности был выбран атомный реактор SP-100 с тепловой мощностью 2500 кВт и 8 электрических генераторов, работающих от двигателей Стирлинга. В проекте приводится подробное техническое описание реакторной установки, конструкции и теплового подсоединения двигателей Стирлинга, систем отвода тепла и распределения мощности.

К Стирлингам интерес проявляли и в России. В 1996 году на ОАО “Машиностроительный завод “АРСЕНАЛ”, в рамках договора с ГП ГОКБ “Прожектор” были начаты работы по теме “Исследование и разработка электроагрегатов на базе многотопливных двигателей Стирлинга”. Но, к сожалению, работы в данном направлении были приостановлены из-за отсутствия дальнейшего финансирования проекта.

В настоящее  время в России накоплен достаточный  научный потенциал для создания высокоэффективных двигателей Стирлинга. Значительные результаты были достигнуты в ООО“Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии». Специалистами были проведены теоретико-экспериментальные исследования для разработки новых методов расчета высокоэффективных двигателей Стирлинга. Основные направления работ связаны с применением двигателей Стирлинга в когенерационных установках и системах использования теплоты отработанных газов, например в мини-ТЭЦ. В результате были созданы методики разработки и опытные образцы двигателей мощностью 3 кВт.

Не менее мощное развитие получили Стирлинг-машины в области  криогенной техники. Поскольку Стирлинги  обратимы, на их базе создано множество  холодильных машин без фреона – газа, используемого в обычных холодильных компрессорах. Данное преимущество позволило уменьшить габариты системы охлаждения и повысить ее производительность. Холодильные машины, работающие по обратному циклу Стирлинга, наиболее эффективны в диапазоне криогенных температур (очень низкие температуры), в более высоком диапазоне температур (низкие температуры, используемые в промышленности и в быту) в настоящее время главным образом работают фреоновые парокомпрессионные холодильные машины.

Цикл  Стирлинга

В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) распыленное топливо соединяется с окислителем, как правило, воздухом, до фазы сжатия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесь отдает свою энергию во время кратковременной фазы горения. В двигателе Стирлинга энергия поступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменник. Еще одним существенным различием между двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга является отсутствие в последнем клапанов, поскольку рабочее тело (газ) постоянно находится в полостях двигателя.

Цикл Стирлинга  основан на последовательном нагревании и охлаждении газа (его называют рабочим телом) в замкнутом объеме. Рабочее тело нагревается в горячей  части двигателя, расширяется и  производит полезную работу, после  чего перегоняется в холодную часть двигателя, где охлаждается, сжимается и снова подается в горячую часть двигателя. Цикл повторяется. Количество рабочего тела остается неизменным, меняется его температура, давление и объем. Весь цикл условно разделен на четыре такта. Условность заключается в том, что четкое разделение на такты в цикле отсутствует, процессы переходят один в другой. Это обусловлено отсутствием в конструкции двигателей Стирлинга клапанного механизма (Стирлинг-двигатели с клапанным механизмом называются двигателями Эриксона). С одной стороны данный факт резко упрощает конструкцию, с другой стороны вносит сложность в теорию расчета.

Рассмотрим  принцип работы на примере гама-Стирлинга. Этот тип наиболее часто применяют в моделировании. Двигатель состоит из двух цилиндров. Большой цилиндр - теплообменный. Его задача поочередно разогревать и охлаждать рабочее тело. Для этого один торец цилиндра разогревают, другой торец - охлаждают. Большой поршень выполненный из теплоизоляционного материала, свободно перемещается в теплообменном цилиндре (зазор между стенками цилиндра и поршня составляет 1-2 мм) и выполняет роль теплового клапана, перегоняющего рабочее тело то к холодному, то к горячему торцу. Малый цилиндр является рабочим. Поршень плотно подогнан к цилиндру.         

Гамма Стирлинг. Первый такт

Первый такт - такт сжатия при постоянной температуре рабочего тела: поршень теплообменного цилиндра находится вблизи нижней мертвой точки (НМТ) и остается условно неподвижным. Газ сжимается рабочим поршнем малого цилиндра. Давление газа возрастает, а температура остается постоянной, так как теплота сжатия отводится через холодный торец теплообменного цилиндра в окружающую среду.Под условной неподвижностью подразумевают малую высоту перемещения поршня при прохождении коленвалом расстояния вблизи верхней или нижней мертвой точки.   

Гамма Стирлинг. Второй такт

Второй такт – такт нагревания при постоянном объеме: рабочий поршень рабочего цилиндра находится вблизи НМТ и  полностью перемещает холодный сжатый газ в теплообменный цилиндр, поршень которого движется к верхней мертвой точки (ВМТ) и вытесняет газ в горячую полость. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, рабочее тело разогревается давление повышается и достигает максимального значения. Это в теории. На практике прирост давления идет параллельно с выталкиванием рабочего поршня. В результате давление не достигает теоретически рассчитанного максимума. Данный факт также объясняет хороший к.п.д. на малых оборотах двигателя. Рабочее тело прогревается лучше, и прирост давления приближается к максимуму.

Гамма Стирлинг. Третий такт

Третий такт - такт расширения при постоянной температуре  газа: поршень теплообменного цилиндра находится вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) и остается условно неподвижным. Поршень рабочего цилиндра под действием давления газа движется к верхней мертвой точке. Происходит расширение горячего газа в полости рабочего цилиндра. Полезная работа, совершаемая поршнем рабочего цилиндра , через кривошипно-шатунный механизм передается на вал двигателя. Давление в цилиндрах двигателя при этом падает, а температура газа в горячей полости остается постоянной, так как к нему подводится тепло от источника тепла через горячую стенку цилиндра. В моделях двигателей Стирлинга, где теплообменный цилиндр не имеет качественного нагревателя рабочее тело разогревается не полностью, но поскольку давление в газах распространяется равномерно во все стороны его изменение оказывает действие и на рабочий поршень, заставляя его двигаться и совершать работу.

Гама Стирлинг. Четвертый такт

Четвертый такт - такт охлаждения при неизменном объеме: поршень рабочего цилиндра находится  вблизи ВМТ и остается условно  неподвижным. Поршень теплообменного цилиндра движется к НМТ и перемещает газ, оставшийся в горячей части в холодную часть цилиндра. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, давление газа в них продолжает  падать и достигает минимального значения. В моделях, содержащих рабочее тело при атмосферном давлении четвертый такт также является рабочим, поскольку давление падает резко и возникает кратковременное разряжение. В результате рабочий поршень с усилием втягивается в цилиндр, совершая дополнительную работу. Из четырех тактов два - рабочие!

Плюсы Стирлингов

- КПД двигателя  Стирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном  уровне проектирования и технологии  изготовления. Кроме того КПД  двигателя почти не зависит  от скорости вращения коленвала.  В двигателях внутреннего сгорания  напротив максимальный КПД достигается в узком диапазоне частот вращения.

- В конструкции  двигателя отсутствует система  высоковольтного зажигания, клапанная  система и, соответственно, распредвал. Грамотно спроектированный и  технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации.

- В ДВС сгорание топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек. Этот процесс дает чудовищные пиковые нагрузки на шатуны, коленчатый вал и подшипники. Стирлинги лишены этого недостатка.

- Двигатель  не будет "капризничать" из-за  потери искры, засорившегося карбюратора  или низкого заряда аккумулятора, поскольку не имеет этих агрегатов.  Понятие "двигатель заглох" не имеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузка превышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным проворотом маховика коленчатого вала.

-Простота конструкции  позволяет длительно эксплуатировать  Стирлинг в автономном режиме.

- Двигатель  Стирлинга может использовать  любой источник тепловой энергии,  начиная с дров и заканчивая  ядерным топливом!

- Сгорание топлива  происходит вне внутреннего объема  двигателя (в отличие от ДВС), что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание (т.е. отбор максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов).                                                                                           

Минусы Стирлингов

- Поскольку  сгорание топлива происходит  вне двигателя, а отвод тепла  осуществляется через стенки  радиатора (напомним, что Стирлинги  имеют замкнутый объем) габариты  двигателя увеличиваются. 

- Еще один минус - материалоемкость. Для производства компактных и мощных Стирлинг-машин требуются жаропрочные стали, выдерживающие высокое рабочее давление и в то же время, обладающие низкой теплопроводностью. Обычная смазка для Стирлингов не годится - коксуется при высокой температуре, по этому необходимы материалы с низким коэффициентом трения.

- Для получения высокой  удельной мощности в качестве  рабочего тела в Стирлингах  используют водород или гелий.  Водород взрывоопасен, при высоких  температурах растворяется в  металлах, образуя металлогидриды - т.е. разрушает цилиндры двигателя. К тому же водород, как и гелий, обладает высокой проникающей способностью и просачивается через уплотнения подвижных частей двигателя, снижая рабочее давление.

Конструкции двигателей Стирлинга

В процессе истории  развития стирлинг машин появилось множество конструкций и модификаций двигателей Стирлинга. Во всех машинах Стирлинга имеются две полости, находящиеся при разных температурных уровнях и соединяющиеся посредством регенератора. Эти узлы можно компоновать в множество различных систем. Единственный критерий, устанавливающий их характерную особенность - управление потоком рабочего тела. Все стирлинг-машины, имеющие для этой цели клапана называются Стирлинг-машинами Эриксона. Двигатели, не имеющие клапанов и управляющие рабочим телом посредством изменения его температуры и объема можно назвать истинными Стирлингами.

Альфа-тип  двигателя Стирлинга

Альфа-тип Стирлинга имеет два цилиндра, соединенные между собой через последовательно смонтированные нагреватель, регенератор и охладитель. Либо нагревают и охлаждают сами цилиндры, но это менее эффективный способ. Шатуны поршней закреплены на общем коленчатом вале. Осевой разнос цилиндров - 90 градусов - так обеспечивается смещение фаз.

Рабочее тело нагревается  в горячем цилиндре или нагревателе. Давление в системе увеличивается. Усилие передается на поршень холодного  цилиндра. Он смещается, проворачивая коленвал. Одновременно поршень горячего цилиндра начинает выталкивать рабочее  тело в холодный цилиндр через регенератор. Регенератор отбирает часть тепла рабочего тела и при перемещении рабочего тела обратно в горячую полость сообщает ему часть тепловой энергии перед последующим нагревом. За счет этого экономится часть подводимой к двигателю теплоты.

Поэтому регенератор является ключевым агрегатом, повышающим КПД двигателей Стирлинга. Это одна из главных заслуг Роберта Стирлинга. Его первый патент оформлен именно на регенератор, а не на двигатель!

Недостатком Стирлингов Альфа-тип считается "мертвый объем" образуемый нагревателем, регенератором и холодильником, а также магистралями, соединяющими их с цилиндрами. Определенные сложности вызывает смазка и обеспечение герметичности поршней. В основном данная проблема остро встает при увеличении рабочего давления в двигателе.

Бета-тип двигателя Стирлинга

Бета-тип Стирлингов решает проблему "мертвого объема" за счет иной конструкции. В данном двигателе используется один цилиндр, но с двумя поршнями - дисплейсером и рабочим поршнем, расположенными первый над вторым по оси цилиндра. Шток дисплейсера проходит через крышку рабочего поршня и внутри его штока. Для обеспечения герметичности используются сальники. С одного края к цилиндру подводят тепло, с другой - охлаждают. Стенки рабочего поршня плотно прилегают к цилиндру. Дисплейсер - напротив - свободно движется в рабочем цилиндре. Дисплейсер выполнен из материала, имеющего низкую теплоемкость и выполняет роль "теплового клапана". Он перемещает рабочее тело из горячей полости цилиндра в холодную и обратно, препятствуя наступлению термодинамического равновесия переноса тепла в системе. Рабочее тело либо нагревается (дисплейсер при этом находится в нижней мертвой точке), либо охлаждается (дисплейсер - в верхней мертвой точке). За счет этого обеспечивается циклический перепад давления в системе, преобразуемый затем рабочим поршнем в полезную работу. Мертвый объем в данной конструкции минимален, что позволяет выиграть в мощности на единицу объема двигателя. На практике, в более сложных конструкциях Стирлингов бета-типа используют трубчатые нагреватели, вваренные в торец горячей полости цилиндра. Это единственный конструктивный элемент, образующий незначительный "мертвый объем", но такие модификации относительно сложны в изготовлении. Сложность изготовления и обеспечения смазки и герметичности в сальниках бета-стирлингов - основной их недостаток. В остальном - идеальная компоновка при минимальных габаритах. Все разработанные прототипы Стирлингов для автотранспорта спроектированы, как бета-стирлинги.