Auto >> Fordonsteknik > >> Motor

Hur Stirling-motorer fungerar

Foto med tillstånd från American Stirling Company Denna motor kan köras med hjälp av värmen från din hand. Se bilder på motorer.

Stirlingmotorn är en värmemotor som skiljer sig mycket från förbränningsmotorn i din bil. Stirlingmotorn uppfanns av Robert Stirling 1816 och har potential att vara mycket effektivare än en bensin- eller dieselmotor. Men idag används Stirlingmotorer endast i vissa mycket specialiserade applikationer, som i ubåtar eller hjälpkraftgeneratorer för yachter, där tyst drift är viktigt. Även om det inte har funnits en framgångsrik massmarknadsansökan för Stirling-motorn, arbetar några mycket kraftfulla uppfinnare på det.

En Stirling-motor använder Stirling-cykeln , vilket är till skillnad från de cykler som används i förbränningsmotorer.

Gaserna som används inuti en Stirling-motor lämnar aldrig motorn. Det finns inga avgasventiler som ventilerar högtrycksgaser, som i en bensin- eller dieselmotor, och det sker inga explosioner. På grund av detta är Stirling-motorer väldigt tysta.
Stirlingcykeln använder en extern värmekälla, som kan vara allt från bensin till solenergi till värmen som produceras av ruttnande växter. Ingen förbränning sker inuti motorns cylindrar.

Det finns hundratals sätt att sätta ihop en Stirling-motor. I den här artikeln kommer vi att lära oss om Stirling-cykeln och se hur två olika konfigurationer av denna motor fungerar.

Innehåll

Stirlingcykeln
Stirlingmotor av förskjutningstyp
Stirlingmotor med två kolvar
Varför är det inte vanligare med Stirling-motorer?

>Stirlingcykeln

Huvudprincipen för en Stirling-motor är att en fast mängd gas är förseglad inuti motorn . Stirlingcykeln involverar en serie händelser som ändrar trycket på gasen inuti motorn, vilket får den att fungera.

Det finns flera egenskaper hos gaser som är avgörande för driften av Stirlingmotorer:

Om du har en fast mängd gas i en fast volym av rymden och du höjer temperaturen på den gasen kommer trycket att öka.
Om du har en fast mängd gas och du komprimerar den (minskar volymen av dess utrymme), kommer temperaturen på den gasen att öka.

Låt oss gå igenom varje del av Stirling-cykeln medan vi tittar på en förenklad Stirling-motor. Vår förenklade motor använder två cylindrar. En cylinder värms upp av en extern värmekälla (som eld), och den andra kyls av en extern kylkälla (som is). Gaskamrarna i de två cylindrarna är sammankopplade och kolvarna är mekaniskt anslutna till varandra genom en länk som bestämmer hur de kommer att röra sig i förhållande till varandra.

Det finns fyra delar i Stirlingcykeln. De två kolvarna i animationen ovan utför alla delar av cykeln:

Värme tillförs gasen inuti den uppvärmda cylindern (vänster), vilket gör att trycket byggs upp. Detta tvingar kolven att röra sig nedåt. Det här är den del av Stirling-cykeln som gör jobbet.
Den vänstra kolven rör sig uppåt medan den högra kolven rör sig nedåt. Detta trycker in den heta gasen i den kylda cylindern, som snabbt kyler gasen till kylkällans temperatur, vilket sänker dess tryck. Detta gör det lättare att komprimera gasen i nästa del av cykeln.
Kolven i den kylda cylindern (höger) börjar komprimera gasen. Värme som genereras av denna kompression avlägsnas av kylkällan.
Den högra kolven rör sig uppåt medan den vänstra kolven rör sig nedåt. Detta tvingar in gasen i den uppvärmda cylindern, där den snabbt värms upp, vilket skapar tryck, varvid cykeln upprepas.

Stirlingmotorn ger bara kraft under den första delen av cykeln. Det finns två huvudsakliga sätt att öka uteffekten för en Stirling-cykel:

Öka uteffekten i steg ett - I del ett av cykeln utför trycket från den uppvärmda gasen som trycker mot kolven arbete. Öka trycket under denna del av cykeln kommer att öka motorns uteffekt. Ett sätt att öka trycket är att höja temperaturen på gasen. När vi tar en titt på en tvåkolvs Stirlingmotor senare i den här artikeln kommer vi att se hur en enhet som kallas en regenerator kan förbättra motorns effekt genom att tillfälligt lagra värme.
Minska strömförbrukningen i steg tre – I del tre av cykeln utför kolvarna arbeten på gasen och använder en del av den kraft som produceras i del ett. Att sänka trycket under denna del av cykeln kan minska den effekt som används under detta skede av cykeln (effektivt öka motorns uteffekt). Ett sätt att minska trycket är att kyla gasen till en lägre temperatur.

Detta avsnitt beskrev den ideala Stirling-cykeln. Faktiska fungerande motorer varierar cykeln något på grund av de fysiska begränsningarna i deras design. I de följande två avsnitten ska vi ta en titt på ett par olika typer av Stirling-motorer. Motorn av förskjutningstyp är förmodligen den lättaste att förstå, så vi börjar där.

Speciellt tack

Särskilt tack till Brent Van Arsdell från American Stirling Company för hans hjälp med den här artikeln.

>Stirlingmotor av typen deplacer

Istället för att ha två kolvar har en motor av typen deplacer-typ en kolv och en deplacerare. förskjutaren tjänar till att styra när gaskammaren värms upp och när den kyls. Den här typen av Stirlingmotorer används ibland i klassrumsdemonstrationer. Du kan till och med köpa ett kit för att bygga ett själv!

För att kunna köras kräver motorn ovan en temperaturskillnad mellan toppen och botten av den stora cylindern. I det här fallet räcker skillnaden mellan temperaturen på din hand och luften runt den för att driva motorn.

I figuren på denna sida kan du se två kolvar:

kraftkolven – Det här är den mindre kolven i toppen av motorn. Det är en tättsluten kolv som rör sig uppåt när gasen inuti motorn expanderar.
förskjutaren – Det här är den stora kolven på ritningen. Denna kolv är mycket lös i sin cylinder, så luft kan lätt röra sig mellan de uppvärmda och kylda delarna av motorn när kolven rör sig upp och ner.

Förskjutaren rör sig upp och ner för att kontrollera om gasen i motorn värms eller kyls. Det finns två positioner:

När förskjutaren är nära toppen av den stora cylindern värms det mesta av gasen inuti motorn av värmekällan och den expanderar. Trycket byggs upp inuti motorn, vilket tvingar upp kraftkolven.
När förskjutaren är nära botten av den stora cylindern, kyls det mesta av gasen inuti motorn och drar ihop sig. Detta gör att trycket sjunker, vilket gör det lättare för kraftkolven att röra sig ner och komprimera gasen.

Motorn värmer och kyler gasen upprepade gånger och utvinner energi från gasens expansion och sammandragning.

Därefter ska vi ta en titt på en tvåkolvs Stirlingmotor.

>Stirlingmotor med två kolvar

I denna motor värms den uppvärmda cylindern av en extern låga. Den kylda cylindern är luftkyld och har fenor på sig för att underlätta kylningsprocessen. En stång som härrör från varje kolv är kopplad till en liten skiva, som i sin tur är kopplad till ett större svänghjul. Detta håller kolvarna i rörelse när ingen kraft genereras av motorn.

Lågan värmer kontinuerligt bottencylindern.

I den första delen av cykeln byggs trycket upp, vilket tvingar kolven att röra sig åt vänster och gör arbete. Den kylda kolven förblir ungefär stationär eftersom den är vid den punkt i sitt varv där den ändrar riktning.
I nästa steg rör sig båda kolvarna. Den uppvärmda kolven rör sig åt höger och den kylda kolven rör sig uppåt. Detta för det mesta av gasen genom regeneratorn och in i den kylda kolven. Regeneratorn är en enhet som tillfälligt kan lagra värme - det kan vara ett nät av tråd som de uppvärmda gaserna passerar genom. Trådnätets stora yta tar snabbt upp det mesta av värmen. Detta lämnar mindre värme som kan avlägsnas av kylflänsarna.
Närnäst börjar kolven i den kylda cylindern att komprimera gasen. Värme som genereras av denna kompression avlägsnas av kylflänsarna.
I den sista fasen av cykeln rör sig båda kolvarna -- den kylda kolven rör sig nedåt medan den uppvärmda kolven rör sig till vänster. Detta tvingar gasen över regeneratorn (där den tar upp värmen som lagrades där under föregående cykel) och in i den uppvärmda cylindern. Vid denna tidpunkt börjar cykeln igen.

Du kanske undrar varför det inte finns några massmarknadstillämpningar av Stirling-motorer ännu. I nästa avsnitt ska vi ta en titt på några av orsakerna till detta.

>Varför är inte Stirling-motorer vanligare?

Det finns ett par nyckelegenskaper som gör Stirling-motorer opraktiska för användning i många applikationer, inklusive i de flesta bilar och lastbilar.

Eftersom värmekällan är extern , det tar en liten stund för motorn att reagera på förändringar i mängden värme som appliceras på cylindern -- det tar tid för värmen att ledas genom cylinderväggarna och in i gasen inuti motorn. Det betyder att:

Motorn tar lite tid att värmas upp innan den kan producera användbar kraft.
Motorn kan inte ändra sin effekt snabbt.

Dessa brister garanterar nästan att den inte kommer att ersätta förbränningsmotorn i bilar. En hybridbil med Stirlingmotor kan dock vara möjlig.

För mer information om Stirling-motorer och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.

Ursprungligen publicerad:4 maj 2001

Vanliga frågor om Stirling Engine

Vad används en Stirling-motor till?

Det finns hundratals sätt att använda en Stirling-motor. För närvarande används Stirling-motorer endast i specialiserade applikationer, som i ubåtar eller hjälpkraftgeneratorer för yachter.

Varför används inte Stirling-motorer?

Det har ännu inte funnits en framgångsrik massmarknadsansökan för Stirling-motorn.

Vad kan du driva med en stirlingmotor?

Stirlingmotorer kan användas på ett antal sätt. Även om de vanligtvis finns i ubåtar och yachter, kan de också användas för leksaker, vedspisar, luftkonditionering och värmesystem och mer.

Vilken typ av motor är en Stirling-motor?

En Stirling-motor använder Stirling-cykeln, vilket är till skillnad från de cykler som används i förbränningsmotorer. Stirlingcykeln använder en extern värmekälla, som kan vara allt från bensin till solenergi till värmen som produceras av ruttnande växter. Ingen förbränning sker inuti motorns cylindrar.