Auto >> Automobilová technika > >> Motor

Jak fungují Stirlingovy motory

Foto s laskavým svolením American Stirling Company Tento motor může běžet pouze za použití tepla z vaší ruky. Podívejte se na obrázky motorů.

Stirlingův motor je tepelný motor, který se výrazně liší od spalovacího motoru ve vašem autě. Stirlingův motor, který vynalezl Robert Stirling v roce 1816, má potenciál být mnohem účinnější než benzínový nebo naftový motor. Dnes se však Stirlingovy motory používají pouze v některých velmi specializovaných aplikacích, jako jsou ponorky nebo pomocné generátory energie pro jachty, kde je důležitý tichý provoz. Ačkoli pro Stirlingův motor dosud neexistuje úspěšná aplikace pro masový trh, někteří vynálezci s velmi vysokým výkonem na něm pracují.

Stirlingův motor používá Stirlingův cyklus , což je na rozdíl od cyklů používaných ve spalovacích motorech.

Plyny používané uvnitř Stirlingova motoru nikdy neopouštějí motor. Nejsou zde žádné výfukové ventily, které by odváděly vysokotlaké plyny jako u benzínového nebo naftového motoru, a nedochází k žádným výbuchům. Díky tomu jsou Stirlingovy motory velmi tiché.
Stirlingův cyklus využívá externí zdroj tepla, kterým může být cokoliv od benzínu přes sluneční energii až po teplo produkované rozkládajícími se rostlinami. Uvnitř válců motoru nedochází k žádnému spalování.

Existují stovky způsobů, jak sestavit Stirlingův motor. V tomto článku se dozvíme o Stirlingově cyklu a uvidíme, jak fungují dvě různé konfigurace tohoto motoru.

Obsah

Stirlingův cyklus
Stirlingův motor vytlačovacího typu
Dvoupístový Stirlingův motor
Proč nejsou Stirlingovy motory běžnější?

>Stirlingův cyklus

Klíčovým principem Stirlingova motoru je, že pevné množství plynu je utěsněno uvnitř motoru . Stirlingův cyklus zahrnuje řadu událostí, které mění tlak plynu uvnitř motoru a způsobují, že motor funguje.

Existuje několik vlastností plynů, které jsou kritické pro provoz Stirlingových motorů:

Pokud máte pevné množství plynu v pevném objemu prostoru a zvýšíte teplotu tohoto plynu, zvýší se tlak.
Pokud máte pevné množství plynu a stlačíte ho (snížíte objem jeho prostoru), teplota tohoto plynu se zvýší.

Pojďme si projít každou část Stirlingova cyklu a podívat se na zjednodušený Stirlingův motor. Náš zjednodušený motor používá dva válce. Jeden válec je ohříván externím zdrojem tepla (jako je oheň) a druhý je chlazen externím zdrojem chlazení (jako je led). Plynové komory dvou válců jsou propojeny a písty jsou vzájemně spojeny mechanicky pomocí propojení, které určuje, jak se budou vzájemně pohybovat.

Stirlingův cyklus má čtyři části. Dva písty v animaci výše provádějí všechny části cyklu:

Teplo se přidává do plynu uvnitř vyhřívaného válce (vlevo), což způsobuje nárůst tlaku. To nutí píst pohybovat se dolů. Toto je část Stirlingova cyklu, která dělá práci.
Levý píst se pohybuje nahoru, zatímco pravý píst se pohybuje dolů. Tím se horký plyn vytlačí do chlazeného válce, který rychle ochladí plyn na teplotu chladicího zdroje a sníží jeho tlak. To usnadňuje stlačování plynu v další části cyklu.
Pist v chlazeném válci (vpravo) začne stlačovat plyn. Teplo generované touto kompresí je odváděno zdrojem chlazení.
Pravý píst se pohybuje nahoru, zatímco levý píst se pohybuje dolů. To tlačí plyn do zahřátého válce, kde se rychle zahřeje, čímž se vytvoří tlak, v tomto okamžiku se cyklus opakuje.

Stirlingův motor dodává energii pouze během první části cyklu. Existují dva hlavní způsoby, jak zvýšit výstupní výkon Stirlingova cyklu:

Zvyšte výstupní výkon v první fázi - V první části cyklu vykonává práci tlak ohřátého plynu, který tlačí na píst. Zvýšení tlaku během této části cyklu zvýší výkon motoru. Jedním ze způsobů zvýšení tlaku je zvýšení teploty plynu. Když se dále v tomto článku podíváme na dvoupístový Stirlingův motor, uvidíme, jak funguje zařízení zvané regenerátor může zlepšit výkon motoru dočasným uložením tepla.
Snížení spotřeby energie ve třetí fázi - Ve třetí části cyklu vykonávají písty práci s plynem, přičemž využívají část energie vyrobené v první části. Snížení tlaku během této části cyklu může snížit výkon použitý během této fáze cyklu (účinně zvýšit výkon motoru). Jedním ze způsobů, jak snížit tlak, je ochlazení plynu na nižší teplotu.

Tato část popisuje ideální Stirlingův cyklus. Skutečně pracující motory mírně mění cyklus kvůli fyzikálním omezením jejich konstrukce. V následujících dvou částech se podíváme na několik různých druhů Stirlingových motorů. Motor typu displacer je pravděpodobně nejsnáze pochopitelný, takže začneme tam.

Zvláštní poděkování

Zvláštní poděkování patří Brentu Van Arsdellovi z American Stirling Company za jeho pomoc s tímto článkem.

>Stirlingův motor vytlačovacího typu

Místo toho, aby měl dva písty, motor typu displacer má jeden píst a displacer. Vytlačovač slouží k ovládání, kdy je plynová komora ohřívána a kdy ochlazována. Tento typ Stirlingova motoru se někdy používá při ukázkách ve třídě. Můžete si dokonce koupit sadu, kterou si sami postavíte!

Aby výše uvedený motor běžel, vyžaduje rozdíl teplot mezi horní a spodní částí velkého válce. V tomto případě stačí rozdíl mezi teplotou vaší ruky a vzduchu kolem, aby motor běžel.

Na obrázku na této stránce můžete vidět dva písty:

Pohonný píst - Toto je menší píst v horní části motoru. Je to těsně utěsněný píst, který se pohybuje nahoru, jak se plyn uvnitř motoru rozpíná.
vytlačovač - Toto je velký píst na obrázku. Tento píst je ve válci velmi volný, takže vzduch se může snadno pohybovat mezi vyhřívanými a chlazenými částmi motoru, když se píst pohybuje nahoru a dolů.

Vytlačovač se pohybuje nahoru a dolů a řídí, zda se plyn v motoru zahřívá nebo ochlazuje. Existují dvě polohy:

Když je vytlačovací válec blízko horní části velkého válce, většina plynu uvnitř motoru je ohřívána zdrojem tepla a dochází k jeho expanzi. Uvnitř motoru vzniká tlak, který tlačí hnací píst nahoru.
Když je vytlačovací válec blízko spodní části velkého válce, většina plynu uvnitř motoru se ochladí a smrští se. To způsobí pokles tlaku, což usnadňuje pohyb pístu pohonu dolů a stlačování plynu.

Motor opakovaně zahřívá a ochlazuje plyn, přičemž získává energii z expanze a kontrakce plynu.

Dále se podíváme na dvoupístový Stirlingův motor.

>Dvoupístový Stirlingův motor

U tohoto motoru je vyhřívaný válec ohříván vnějším plamenem. Chlazený válec je chlazen vzduchem a má na sobě žebra, která napomáhají procesu chlazení. Tyč vycházející z každého pístu je připojena k malému kotouči, který je zase připojen k většímu setrvačníku. To udržuje písty v pohybu, když motor nevytváří žádnou energii.

Plamen neustále zahřívá spodní válec.

V první části cyklu se zvyšuje tlak, který nutí píst pohybovat se doleva a vykonávat práci. Chlazený píst zůstává přibližně nehybný, protože je v bodě své otáčky, kde mění směr.
V další fázi se oba písty pohybují. Zahřátý píst se pohybuje doprava a chlazený píst se pohybuje nahoru. Tím se většina plynu přesune přes regenerátor a do chlazeného pístu. Regenerátor je zařízení, které může dočasně akumulovat teplo - může to být drátěná síť, kterou procházejí zahřáté plyny. Velká plocha drátěného pletiva rychle absorbuje většinu tepla. Tím zůstane méně tepla, které bude odváděno chladicími žebry.
Následně píst v chlazeném válci začne stlačovat plyn. Teplo generované tímto stlačením je odváděno chladicími žebry.
V poslední fázi cyklu se oba písty pohybují – chlazený píst se pohybuje dolů, zatímco zahřívaný píst se pohybuje doleva. To tlačí plyn přes regenerátor (kde sbírá teplo, které se tam nashromáždilo během předchozího cyklu) a do vyhřívaného válce. V tomto okamžiku cyklus začíná znovu.

Možná se divíte, proč zatím neexistují žádné hromadné aplikace Stirlingových motorů. V další části se podíváme na některé důvody.

>Proč nejsou Stirlingovy motory běžnější?

Existuje několik klíčových vlastností, kvůli kterým jsou Stirlingovy motory nepraktické pro použití v mnoha aplikacích, včetně většiny osobních a nákladních automobilů.

Protože zdroj tepla je externí Motoru chvíli trvá, než zareaguje na změny v množství tepla aplikovaného na válec – trvá to nějakou dobu, než se teplo odvede stěnami válce a do plynu uvnitř motoru. To znamená, že:

Motor potřebuje nějakou dobu, než se zahřeje, než začne vyrábět užitečný výkon.
Motor nemůže rychle změnit svůj výkon.

Tyto nedostatky zaručují, že nenahradí spalovací motor v autech. Hybridní vůz se Stirlingovým motorem by však mohl být proveditelný.

Pro více informací o Stirlingových motorech a souvisejících tématech se podívejte na odkazy na další stránce.

Původně zveřejněno:4. května 2001

Nejčastější dotazy ke Stirlingovu motoru

K čemu se Stirlingův motor používá?

Existují stovky způsobů, jak využít Stirlingův motor. V současné době se Stirlingovy motory používají pouze ve specializovaných aplikacích, jako jsou ponorky nebo pomocné generátory energie pro jachty.

Proč se Stirlingovy motory nepoužívají?

Pro Stirlingův motor dosud nebyla úspěšná aplikace pro masový trh.

Co můžete pohánět Stirlingovým motorem?

Stirlingovy motory lze použít mnoha způsoby. I když se obvykle nacházejí v ponorkách a jachtách, lze je použít také pro hračky, kamna na dřevo, klimatizační a topné systémy a další.

Jaký typ motoru je Stirlingův motor?

Stirlingův motor používá Stirlingův cyklus, který je na rozdíl od cyklů používaných ve spalovacích motorech. Stirlingův cyklus využívá externí zdroj tepla, kterým může být cokoliv od benzínu přes sluneční energii až po teplo produkované rozkládajícími se rostlinami. Uvnitř válců motoru nedochází k žádnému spalování.