極速引擎的魅力 –史特靈引擎（Stirling Engine）的
介紹、製作與教學活動設計
曾玉泉 國立台灣師範大學工業科技教育系研究生 壹、前言 生活科技的目標，主要是希望學生能夠在親自動手的活動過程中，探索科 技、理解科技，進而能夠對科技有所思考，培養其科技的素養。因此，教師在課 堂的教學上，除了運用講述與圖示的方式外，最好能夠讓學生能夠有親自體驗的 活動，強化知識內容及相關的學習傳授。 而談起運輸科技，總讓人不免想到各式各樣的運輸機器，如飛機、汽車、船艇 等。這些運輸機器的運作與原理，是生活科技藉以培育學生對運輸科技產物的認 識、瞭解的教學媒介。尤其引擎的運作更是教學內容上常見的重點。 但引擎的運作原理，礙於時間與技術的困難度，大部份生活科技教師在教授 時，總是僅以講述跟圖示方式來讓學生了解。因此，如果能夠提供一個實際的示 範模擬教材或製作活動，相信可以更加提升學生的學習動機，刺激學生對運輸科 技的學習興趣。 史特靈引擎（Stirling Engine）的構造並不複雜，材料其實可以很容易地自生活 週遭取得，對生活科技教師來說，是個很好的教學媒介。所以可以嘗試將其運用 在課堂中作為講解示範，說明引擎的運動情況、內外燃的運作、運用的科學原理 為何等相關知識，亦或在學生能力及設備可支援的情形下，設計成學生的進階生 活科技學習活動，讓運輸科技的教學更加豐富與多元。 國外在相關活動的製作發展上已行之有年（Web 科學工作館，1998、土浦工業 高 校 理 科 研 究 部 ， 1997 ）， 而 國 內 近 年 來 也 有 些 相 關 文 章 發 表 （ 周 鑑 恆 ， 2003-2006）。因此，本文將整理國內外文獻，對外燃式史特靈引擎（Stirling Engine） 作一介紹，也嘗試提供相關的製作訊息以及更簡單的製作示範，為生活科技課程 增添更多元的教學學習內容。貳、認識史特靈引擎（Stirling Engine） 史特林引擎是一種外燃式的熱循環引擎，或稱為熱機。它是基於史特林熱循 環的原理來產生運作，和一般汽車內燃式汽柴油引擎運作方式不同，目前已發展 出多種類型，以下從其歷史發展、原理，與特性問題，對其作一整理介紹： 一、史特靈引擎（Stirling Engine）的歷史與發展 蒸氣引擎的發明，加速了社會工業化發展的腳步，也促使人類科技進步的 加速。但是由於蒸氣引擎是透過高壓蒸氣來推動渦輪進行運作，因此會有鍋爐 因壓力過高而無承受的爆炸潛在風險。鑒於此，有人便開始想要去發展一種更 安全、更有效率的引擎機械。 早在 1699 年，氣體引擎（Air Engine）這個名詞就已經出現了。1816 年， Robert Stirling 改革了前人所發展出的氣體引擎，採用了將熱室氣體送往冷室 的循環方法，製作出名為“Economiser”的引擎，代表其比以往更加有效率之 意。此後這類型的引擎就被稱作為史特靈引擎（Stirling Engine）。 史 特 靈 引 擎 的 理 論 效 能 幾 乎 接 近 熱 機 的 最 大 理 論 效 能 － 卡 諾 循 環 （CARNOT）效能。卡諾循環是所有熱機運作期盼達到的理論，即由兩個等 溫過程和兩個絕熱過程所組成的循環，此時功可以完全轉變為熱，且熱能完全 轉變為功，這期間是可逆的。而當按照相反的順序實行操作，系統和外界都恢 復原狀。事實上，這樣完全理想的循環，在現實上目前是不存在的。但從史特 靈熱機的熱循環來看，是相當接近理論值的。 史特靈引擎發展到了 19 世紀，其在很多方面的應用隨處可見。像早期的 冷藏機器就是用它來驅動，直到電動機出現為止。而 1940 年，荷蘭飛利浦公 司就曾經研發多功能的發電機，在公共設備電力不完善的地區進行販售，並且 也利用相反的原理製出 the Stirling Cryocooler 的冷藏機器，提供需低溫保存的 物品。亦有瑞典的 Kockums 船艦製造公司，利用它來製造潛艇。 但由於史特靈引擎屬於外燃機，有幾項缺點：需外部熱源、啟動時間長， 高低溫差的持續保持、無法立即改變能量等級…等問題，使得史特靈引擎的利 用隨著內燃引擎與電動機的出現，而漸漸被取代。雖然如此，但是不得不承認 史特靈引擎的運作效率是很高的。 而近來由於環保意識的抬頭，史特靈引擎低污染、高效率的特點促使它再 度被注意。像是 2005 年 8 月 11 日，Southern California Edison 電力公司就宣
布購買太陽能 Stirling 發電系統作為電力提供的設施，為民眾提供乾淨、環保 的電力。（http://pesn.com/2005/08/11/9600147_Edison_Stirling_largest_solar/） 史特靈引擎雖然是發明已久的引擎，但是由於它的特性與潛力，使得它至 今仍不斷研究改進，尤其是溫度控制技術與製作材料的突破，使得史特靈引擎 的魅力依舊存在。目前主要用於靜音潛艇和低溫冷凍上。 二、史特靈引擎（Stirling Engine）工作原理 從熱力學理論來看，系統所做的功是可以 100%轉變為熱能，但是引擎的 運作是利用熱能來轉換成功，而實際上這樣的轉換是無法達到 100%。通常熱 機引擎的運作是利用高低溫差來吸收與釋放熱量，將其間的溫差轉變為所輸出 的功。利用輸出的功，我們便可以使用來推動運作其他機械，形成動力。 為了各詳細的介紹，我們將一步步從氣體的熱脹冷縮特性來介紹： （一）氣體的熱脹冷縮 根據熱學理論，具有質量的物質，會有熱脹冷縮的效應，因此，當氣 體遇熱會產生膨脹，遇冷則收縮。 1. 氣體遇熱時：膨脹 2. 氣體遇冷時：收縮 因此，若能使氣體反覆進行膨脹與收縮，那將可以得到一種機械式的 往復運動，並利用它來推動活塞。於是可設計出高、低溫室如下：
1. 當冷室氣體被擠往熱室後，氣體會膨脹，推動活塞 2. 當熱室氣體被擠往冷室後，氣體會收縮，活塞縮回 （二）曲軸機構與相位差 有了往復運動之後，活塞便可以連結曲軸，將移動的形式轉換成旋轉 形式，帶動飛輪進行轉動。 活塞推動曲軸（圖片來源：取自 Web 科學工作館，1998） 為了能夠讓熱室的氣體交換自動進行，因此我們亦將移氣活塞連結至 曲軸，讓旋轉的飛輪帶動其進行交換運作。 連結 Displacer 交換器（圖片來源：取自 Web 科學工作館，1998） 活塞 高溫熱室 低溫冷室 活塞 高溫熱室 低溫冷室 交換活塞 交換活塞
由於氣體在膨脹與收縮的過程中，與活塞間會出現一個 90 度的相位 時間差，因此，要使機構能沒有停滯地順利運作。連結活塞的兩曲軸柄必 須設置相差 90 度角。 （三）Stirling Cycle（史特靈循環） 根據上述的想法，Robert Stirling 於是設計出了這樣一種熱循環引擎 的機構，而這樣的循環模式則被稱為 Stirling Cycle（史特靈循環）。整個 Stirling Cycle（史特靈循環）基本上歸納為下列四個循環步驟： 1. 加熱：將氣體推往熱室，因而氣體膨脹，室內的壓力增加。 2. 膨脹：活塞被推動，帶動曲軸與飛輪。 3. 冷卻：連結 90 度曲軸的移氣活塞，被帶動旋轉，將氣體推回冷室。 4. 壓縮：活塞收縮，同樣帶動曲軸及飛輪慣性旋轉。如此進行循環。 而從循環當中我們可以發現，第一個步驟與第三個步驟是循環能量大 小的關鍵。要增加其循環能量的大小，即要提升熱室溫度與降低冷室溫 度，即冷熱溫差，使膨脹與收縮作用加劇，產生更大的壓力。 Stirling 熱循環圖 （圖片來源：取自 Koichi Hirata，2002） 三、史特靈引擎（Stirling Engine）的結構形式 雖然史特林引擎的類型眾多，但大致上不脫主要的兩大類型，茲介紹如下：
（一）雙活塞型（Two-Piston） 或稱為α型，是由兩組活塞室所構成，一組為熱室，一組為冷室，中 間以管將氣體相連。若兩組活塞氣室的溫差很大，其產生的能量與效率轉 換是相當可觀的。 （圖片來源：取自 Karim Nice，1995） （二）交換器型（Displacer） 或稱為γ型，將原本的活塞改用一移氣活塞代替，使冷熱氣體在同一 室內進行冷熱的交替。此形式的優點是，可以在溫差較低的情形下運作， 減少高與低溫度控制的困難度。 （圖片來源：取自 Karim Nice，1995） 另外史特林引擎還有其他各式各樣的形式，但多為以上型式的組合或製作材 料的轉變與更換：
（一）β型：將活塞汽缸與交換器是結合為一的型態。
（圖片來源：取自 Web 科學工作館，1998）
（二）Free Piston 式：利用重力與慣性來推動移氣活塞的運動。
四、史特靈引擎（Stirling Engine）的優勢特色與問題 從 Stirling Engine 的原理與結構來看，它有幾項頗具優勢的特點： 1. 其使用外部熱源，因此只要是能夠產生熱，皆可用來做為推動的能源， 所以並不僅限於可燃燒的燃料。而由於內燃機常令人詬病其排放的廢 氣，會產生環境汙染的問題，因此能夠使用地熱、太陽能等自然的能 源來運作的 Stirling Engine，顯然在此方面是具有優勢的。 2. 雖然 Stirling Engine 常被歸類於外燃機，但實際上，只要能夠產生溫差， 就能夠成為運作的能源，因此使用低溫流體，如乾冰、或冰水，同樣 可使 Stirling Engine 進行運作。（可參考：http://jlnlabs.imars.com/cfr/html/ cfrstir.htm）
3. 由於 Stirling Engine 外部熱源與工作氣體（Working gas）是分開的，因 此沒有燃燒廢棄物堆積於內部的問題，使用的潤滑油周期較持久。 4. 由於熱源位於外部，因此在調整控制上，比內燃機容易得多。 5. 熱源的提供是連續性的，較不會有燃料燃燒不全的情形。 6. 比起其他引擎，它的構造很簡單，不需要閥門，也沒有化油器等機構。 7. 運作的溫度與壓力比起蒸氣引擎或內燃式引擎要低且安全的多，因此 引擎強度與重量不需要很要求很高。 8. 沒有燃燒爆炸的作用，運作也很安靜，沒有劇烈的震動。
以上就是 Stirling Engine 的發展優勢。然而，既然 Stirling Engine 具有優 勢，但為何當初它並沒有成為普遍的動力系統？顯然它仍然有一些問題有待克 服或替代方案： 1. 無法避免熱源對熱室的侵蝕。畢竟高溫差使得其運作效率提高，但也 相對的會使活塞機構產生高溫或低溫侵蝕性的影響，引響運作壽命。 2. 雖然在低溫差可以運作，但要在低溫差下產生大量的動能時，引擎的 體積就會很巨大。 3. 高低溫差的控制很困難，尤其取決於引擎的隔熱包裝技術。如果無法 有效控制，會徒增能源的散逸，減低效率。 4. 剛開始 Stirling Engine 無法迅速運轉，它必須經過一段“暖機時間”。 5. 要改變它的能量輸出等級是很難的，它無法像內燃機一樣用燃油多寡 直接去控制動力的大小。
6. 最好的工作氣體是使用氫等分子量小的氣體，但這些氣體不易保存。 所以，以上的這些特性與問題，造成了 Stirling Engine 發展的興衰。以目 前來說，Stirling Engine 仍被利用在進行乾淨、環保的長時期穩定運作的電力 生產與低溫冷凍上。基於它的結構簡單，因此可以容易地將之用在課堂上的學 習上頭。 參、利用周遭材料製作史特靈引擎（Stirling Engine） 先前提到，Stirling Engine 的構造簡單，教師可以利用生活週遭的簡單材料 去製作一組 Stirling Engine 的模型教具，或設計成學生可以動手製作的學習活 動。國外有相當多相關的資源與研究，像是日本已經舉辦不少場相關的學習講座 （土浦工業高校理科研究部，1997），而國內也有一些類似的教學資源可供參考 （周鑑恆，2002-2006）。因此，對於各種類型的製作方法尋找，應該不甚困難。 以經驗來看，生活科技課堂動手實作最困難之處，在於教師對於製作材料的準 備與尋找，尤其有時候甚至需要自行備料。因此，本製作活動，參考了國內外幾 個網站與期刊雜誌對史特靈引擎的製作方式與材料介紹之後，整理出一個較容易 成功製作且節省經費的實際例子，並將之設計成生活科技的實際活動，以作為生 活科技教學的參考。 為了使製作更簡易，本教學乃採自 WEB 科學工作館之史特靈引擎主體。原因 在於，其活塞汽缸採用市面售的玻璃針筒，以及使用鋼絲絨來製作移氣活塞，降 低學生在製作上免除運用車床的難度。此外，由於其試管的密封也直接以橡皮塞 來封住。因此，整個主體機制所使用黏膠的部份甚少，只有在曲軸部分，因此製 作速度上較快，等待膠合的時間可以縮短。 本次要製作的引擎，乃是採交換器（Displacer）形式，先針對其製作過程介紹 如下：
一、材料與機具準備：首先要準備的材料與機具如表 1、表 2 所示。 表 1 材料表 名稱 規格 數量 備註 試管 18 x 150mm 1 支 附橡皮塞 玻璃針筒 10 ml 1 支 作為活塞 銅管 內徑約φ2mm 2 段 銅棒 φ2mm 1 根 光碟片 1 片 鉛線 約φ1.5mm 1 包 曲軸 鐵絲 細 固定鋼絲絨用 鋼絲絨 1 包 移氣活塞 塑膠軟管 φ3 mm 1 段 木條 180 x 10 x 8 mm 1 支 木條 木板 若干 基座 熱熔膠 若干 橡皮筋 2 條 固定試管及針筒 小螺帽 內徑約φ1.5mm 若干 小鐵釘 約φ1.5mm 若干 軸用 冰棒棍 若干 表 2 機具表 名稱 數量 備註 剪刀 1 美工刀 1 剪嘴鉗 1 製作曲軸 虎鉗 1 製作曲軸 線鋸 1 切割木板 電鑽 1 直尺 1 奇異筆 1 做記號 實驗室酒精燈 3~5 組 亦可用蠟燭代替 工業酒精 2 瓶 鐵鎚 1 釘製基架
二、材料圖 三、製作步驟 （一）利用手搖鑽（或小電鑽）將橡皮塞鑽出兩個孔，一為連通氣室用，一 為交換器用 玻璃試管 塑膠軟管 玻璃針筒 冰棒棍 光碟片 鉛線 銅棒 橡皮塞 鋼絲絨 銅管
（二）將鋼絲絨以小鐵絲綁繞在銅棒上，製成移氣活塞。活塞長度約為試管 長度的一半。 （三）將做好的移氣活塞組合上試管。並裝上塑膠軟管與鑽孔的小木塊（連 結軸用）。 （四）將玻璃針筒以熱熔膠固定在木條上，並用橡皮筋加強固定。針筒後方 黏上鑽孔的小木塊，以備之後連結軸用。 Ｌ 1 / 2Ｌ 塑膠軟管
（五）同樣將試管固定在木條上。然後以塑膠軟管連接。 （六）此時可以稍作測試。加熱試管前端，拉動移氣活塞，看看針筒是否會 前後伸縮移動。如沒有，則應該檢查是否出現漏氣現象。 （七）在木條前 10mm 鑽一φ1.5mm 的孔，接著依下列尺寸，將鉛線彎曲 製作曲軸，並黏合光碟片。要注意針筒與移氣活塞必須有相差 90 度 的相位角。 小木塊 熱熔膠 小鐵釘 熱熔膠 鋁片，亦可用橡皮筋
（八）計算移氣活塞的活動長度，在冰棒棍上適當鑽孔以符合， 將木條與 冰棒棍切割鑽孔。 15mm 1/4 L 90 度 10mm 木條 R=1/4 L R=15mm L
（九）最後將鑽孔完畢的冰棒棍以小鐵釘組合上去，即完成本次活動製作。 四、測試與完成 要使自製的 Stirling Engine 運作，首先在試管下至一酒精燈，待燒熱約 1 分鐘，試著轉動光碟片即可。如果旋轉不夠順利，試著微調相位角度；又或者 旋轉的連續性（貫性）不夠，可在光碟片上夾上小夾子，以增加其慣性轉動力 量。 五、注意事項 雖然，本次製作的 Stirling Engine 教具結構簡單，但整個史特靈引擎製作 的關鍵，就在曲軸與活塞，因此有幾點影響製作成功與否的關鍵要點要注意： 1. 氣體交換室（試管）的密閉性要高，盡量不要有漏氣現象。 2. 曲軸角度要呈 90 度，移氣活塞的相位角要比活塞提前 90 度。 3. 移氣活塞的銅棒管接合處，要盡量能滑順，但又不能有大量漏氣現象， 挑選銅管與銅棒時，公差要配合好。 4. 曲軸旋轉的流暢度是關鍵，這個部份需要的精密度較高，盡量能以模 具或電動工具製作。 5. 連結曲軸的冰棒棍要盡量平行推動，不要有分向力量減低推動。 6. 光碟片的目的是要增加其旋轉慣性，如慣性不足，可用小夾子夾住光 碟片來調整。
雖說本活動僅為基本引擎的製作，但實際活動上，如果學生能力與時間設備許 可下，還可以將之進行升級利用。例如史特靈引擎車（Web 科學工作館，1998、 周鑑恆，2003、2005）、史特靈飛行船（Web 科學工作館，1998）、史特靈發電機 （Web 科學工作館，1998、周鑑恆，2005）、史特靈船艇、史特靈冷凍機等（Web 科學工作館，1998）。 肆、學習目標與評量角度 本製作活動以 MST 的學習策略來看，會涉及到的知識概念有： 表 3 MST 概念 數學(M) 科技(T) 科學(S) M1 長度、寬度、高度 T1 問題解決 S1 壓力 M2 幾何圖形 T2 創意思考 S2 氣體動力論 M3 角度 T3 造型設計 S3 溫度 M4 距離 T4 製圖與識圖 S4 熱傳導 M5 半徑、直徑與圓周長 T5 材料認識與選擇 S5 酒精燈使用 M6 一元一次方程式 T6 材料切割、鑽孔與黏合 M7 體積與容積 T7 內外燃引擎的結構 M8 槓桿與力矩 T8 引擎的基本運作 T9 能源保存與轉換 T10 手工機具使用 T11 模具使用 T12 調整、測試、修正 教師可以根據上表所列的知識概念，選擇去評量學生是否有達到預定的目標。 亦可結合其他學科教師，進行領域協同教學或共同合作教學的活動。
伍、教學活動設計 經過以上對史特靈引擎的介紹，接下來針對以上內容，將之設計成為高中二年 級運輸科技的教學活動 一、 單元名稱：極速引擎的魅力–史特靈引擎 二、 適用對象：高中二年級 三、 教學節數：8 節 四、 活動簡介： 本活動主要是根據運輸科技單元，藉由引擎介紹、引擎模型的製作以及對 引擎發展的探討，來了解引擎的基本構造與運作，以及引擎對社會的發展影響 等概念。由於本活動在製作技術與運作理解上會比較艱深。因此，對一般國中 生來說，可能會有些許難度，因此本活動以高中生活科技為設計的主軸。 本活動希望學生透過引擎結構的設計製作，讓學生了解運輸單元有關動力 的內涵之外，更希望學生能夠從中發揮問題解決、創意思考的態度，並且親自 體會打造科技的感動。 五、教學目標： 透過本課程學生可以學習下列目標： （一）認知 1. 認識引擎的發展與科技背景。 2. 瞭解引擎的種類。 3. 瞭解內外燃引擎的特色與運作原理 4. 瞭解引擎動力對社會的影響。 5. 瞭解引擎動力的未來趨勢。 （二） 技能 1. 能夠蒐集和彙整資料。 2. 能夠正確使用手工具。 3. 能夠設計出取軸機構，製作出自己的引擎作品。 （三） 情意 1. 培養創造思考的能力。 2. 培養解決問題的能力。 4. 培養節約能源與珍惜資源的習慣。
六、教學器材： （一）教學輔助器材 器 材 名 稱 數 量 規 格 說 明 電 腦 乙台 播放說明與簡報用 投影機 乙台 教學用 投影幕 乙組 教學用 教學簡報 乙份 教學用 活動單 1 份 人 製作說明 （二）工具材料：如上表 1、表 2 七、教學進度： 節次 教 學 重 點 教 學 活 動 1 認識運輸動力的發展與科技背景、瞭 解引擎的種類 教師講述教學內容、並搭配討 論 2 瞭解內外燃引擎的特色與運作原理 教師講述教學內容、以引擎模 型示範解說 3 史特靈引擎的製作，機構設計 分發活動單，進行製作說明， 然後學生進行活動 4 實作活動 2 5 實作活動 3 6 實作活動 4 學生進行製作，教師注意安全 並協助學生解決問題 7 實作活動 5，分享觀摩 學生進行觀摩展示 時 間 8 引擎動力對社會的影響、探討引擎動 力的未來趨勢 講述與討論，同學發表意見
八、教學評量 1. 本單元需兼重形成性與總結性評量 2. 總評參酌要點如表： 參酌要點 佔分比率（%） 認知 學習歷程檔案： 內容充實程度 平時上課的設計進度 30 技能 作品呈現： 功能 結構 外型 精緻性 平時上課的製作進度 50 情意 學習態度與精神 互動討論表現 20 九、教學建議事項 1. 教師可嘗試實際自行先製作一組教具，待課堂起始，利用來引起學生 動機，並且輔以教學說明。 2. 盡量讓學生多討論思考與實作，由於本活動牽涉到的知識性內容龐 大，因此可以考慮製成講義讓學生自行參考閱讀。 3. 原則上，因為引擎主體已經確定，製作簡單，所以結構部份可讓學生 根據基本形式自行討論設計，但完全依照活動單的指示製作亦可。 4. 先讓學生製作基本型式，確定完成後，可再刺激學生討論其可應用於 哪些方面，並可舉例。 5. 由於加熱過程稍屬危險，教師要注意，若不放心，可將酒精燈改為蠟 燭加熱。 6. 基本上引擎的主體材料，像是試管、玻璃針筒等，由於不用切割，所 以如果狀況良好，可以在活動結束後，回收重複再利用。
陸、結語 生活科技在教學上很強調學生實作與問題解決的能力，因此，一個簡單且可以 刺激學生思考的活動是必要的。生活科技不只強調動手做，更強調學生在活動過 程中的問題思考。不只是製作原理的理解，當中加工方式的選擇、材料的選擇， 都可以是刺激學生思考的關鍵點。而且，讓學生能夠運用許多書本上學習的知 識，不僅能夠加強提升他的學習興趣之外，相信亦是生活科技教學的重要核心價 值之一。 以上介紹之史特靈引擎內容，除了將其製作加以描述介紹，使教師跟學生沒有 進入難度外，另外也藉此提出此項教具製作發展與活動設計，讓更多人了解這項 教學活動。除了對生活科技運輸與能源教學內容的呈現貢獻一些心力之外，另外 也希望刺激生活科技能夠繼續有更多元、有趣的學習內容出現。
附錄 教學參考資料 壹、引擎簡史 引擎動力的出現，使得人類社會的發展加快腳步，也讓人得到了更多的時間與 便利。在運輸科技的領域中，引擎是推動運輸載具的必要組成單元，為了使運輸 工具能夠在通路上移動，因此就必須要有動力的來源。 廣義來說，人力、獸力、風力等，只要具備能夠推動機械運轉的設計，都可稱 做是引擎。像是風車磨坊，水車等。但第一顆具有影響力的引擎，是蒸汽引擎。 因為它的輸出功率相當龐大，在當時幾乎許多機械，包括運輸工具，都以它作為 主要動力，也帶動人類社會進入自動化的工業時代。然而，蒸氣引擎雖然能夠產 生大的動力，但是它的幾項缺點，卻使得它為人詬病，如鍋爐容易爆炸不安全、 體積龐大等等。因此，便開始有人改良蒸氣引擎，以及設計更新式、更安全的引 擎。除了蒸氣機之外，這個時期也有其他引擎發展，像是史特靈引擎，但大多是 屬於外燃式引擎。 當德國成功出現第一顆內燃式引擎後，外燃式引擎的地位開始被取代。內燃式 引擎將活塞與反應汽缸合成一體，使得體積變的更小，更可以裝置在強調攜帶能 力的運輸載具上，加上其輸出動力大小不輸外燃機，甚至於超越，加上可快速調 整動力輸出大小，因此很快的，內燃機在運輸機具上風行了起來。像是使用奧圖 原理的四行程汽油引擎（Gasoline engine）、狄賽爾理論的柴油引擎（Diesel engine）、使用瓦斯等氣體燃料的燃氣輪機，都是常見的內燃機。此時車輛、船 艦的發展也開蓬勃了起來。當然當中還有其它類型的引擎持續研究發展，像是外 燃引擎、以及轉子引擎、噴射引擎等等。 內燃機的確徹底改革了外燃機的缺點，使得攜帶性的動力得以實現。不過，它 的出現卻也造成社會的一些現象改變。首先，石油的身價因此大漲；廢氣的排放 開始污染天空；引擎發動的噪音開始影響周圍的人。於是乎，另一項革命性的產 品成熟了－電動機。 電動機約在 19 世紀中期出現，是內燃機開始蓬勃發展的年代。但當時電力設 備跟技術發展都還不甚成熟之下，所以並沒有引起太大的注意。電動機可說是一 個乾淨的動力，因為它使用電力，運作不產生污染，而同樣也具有體積小，攜帶 方便，可快速調整輸出動力等。加上它運作較安靜，因此，許多更需要小巧且安 靜的機械設備，開始改用電動機。電動機的種類發展很多，可依需求選擇。然而，
使用電動機的動力亦不是毫無缺點，它的最大缺點，就是在於輸出的最大功仍舊 無法與內燃式引擎相匹敵，並且電池攜帶與儲存，亦是其發展的影響重點。不過， 從燃料電池的出現，無刷式強力馬達的發明，可見得，電動機的發展規模會愈來 愈大。慢慢會在運輸載具的動力裝置上取得一席地位。 貳、內燃機與外燃機 一般認為的引擎，被稱為熱機，是利用氣體或燃料，在鍋爐汽缸內加熱膨脹或 爆炸膨脹，使其推動機械作功，將熱能轉換為功。而依燃燒膨脹位置，引擎熱機 可分為外燃機跟內燃機兩種。 一、外燃機 外燃機是指機械設備的熱源反應是在活塞外部的鍋爐汽缸中，然後經由管 道通至活塞。最具代表性的是蒸汽引擎。另外，史特靈引擎亦是一種外燃式引 擎。 蒸汽機（圖片來源：取自教育部學習加油站，2003） 二、內燃機 內燃機不需要鍋爐，它直接將燃料與空氣混合的氣體，在汽缸內燃燒，利 用燃燒產生的氣體膨脹推動機械運動。較知名的有：奧圖汽油引擎、與狄賽爾 柴油引擎。 內燃機可以根據其設計行使與使用燃料不同，分別有下列幾種： （一）汽油與柴油引擎 一般家用車輛常為四行程的汽油引擎。另外貨車等載重運輸車輛，因 為需要更大的扭力輸出，因此多採用輸出低速啟動時扭力強的柴油引擎。
但柴油引擎為人詬病的是其廢氣的汙染相當大。不過近年來，由於柴油引 擎技術的改進，加上油價上升，對環保經濟的需求，因此在柴油引擎，又 漸漸的改用在一般汽車上。 柴油引擎跟汽油引擎最大的不同特點，在其燃料價格便宜、熱效率 高、不需電器點火裝置或化油器、低速時扭力強，缺點則為引擎的重量及 振動噪音較大、較難啟動、製造成本較高。 （二）二行程、四行程與噴射引擎 若根據引擎的設計，可以分為二行程、四行程與噴射引擎。一般車輛 的引擎運作是採用四行程的循環，即進氣、壓縮、爆炸、排氣。然後藉由 往復運動推動曲軸柄進行旋轉。 四行程引擎（圖片來源：取自教育部學習加油站，2003） 二行程引擎設計更為簡單，其將進氣壓縮合為一個行程，爆炸排氣合 為另一個行程。因此，常常用在輕便的機械上，如鋤草機。但是由於其設 計上，汽油要混合潤滑油進行燃燒，因此燃燒效率差，排放的廢氣較多。 故現在幾乎很少在運輸載具上採用。
而噴射引擎是使燃料燃燒產生高溫、高壓的氣體向後方強力噴出，因 此得到反作用力而前進，噴射引擎燃燒燃料時需用到空氣中的氧，故只能 在大氣層中飛行。如果要在太空中飛行，就需要用到將燃料與氧氣都裝載 在身上的火箭引擎。 （圖片來源：取自教育部學習加油站，2003） 另外，還有一種較為特殊的引擎，是馬自達公司所發展的轉子式引 擎。它並沒有像活塞式的汽車引擎般，利用活塞在汽缸內上下移動產生動 力，而是將活塞、汽缸等設計移除，利用一個或以上的三角形轉子，在引 擎內腔轉動而發出動力；但嚴格來說，轉子引擎運轉的原理，則和其他的 活塞式引擎一樣，利用火花塞點燃在燃燒室內的混合氣體，從而產生動力。
參考文獻
Karim Nice（1995）。How Stirling Engines Work。2006 年 5 月 8 日， HowStuffworks，http://science.howstuffworks.com/stirling-engine.htm。 Koichi Hirata（1995）。史特靈引擎（Stirling Engine）。2006 年 5 月 8 日，
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