Jak działają silniki Stirlinga

Zdjęcie dzięki uprzejmości American Stirling Company Ten silnik może działać tylko przy użyciu ciepła z dłoni. Zobacz zdjęcia silników.

Silnik Stirlinga to silnik cieplny, który znacznie różni się od silnika spalinowego w Twoim samochodzie. Wynaleziony przez Roberta Stirlinga w 1816 roku silnik Stirlinga może być znacznie bardziej wydajny niż silnik benzynowy lub wysokoprężny. Ale dzisiaj silniki Stirlinga są używane tylko w bardzo wyspecjalizowanych zastosowaniach, takich jak okręty podwodne lub pomocnicze agregaty prądotwórcze do jachtów, gdzie ważna jest cicha praca. Chociaż nie było udanego zastosowania na rynku masowym silnika Stirlinga, pracują nad nim niektórzy wynalazcy o bardzo dużej mocy.

Silnik Stirlinga wykorzystuje rozszerzenie Cykl Stirlinga,- co różni się od cykli stosowanych w silnikach spalinowych.

• Gazy używane w silniku Stirlinga nigdy nie opuszczają silnika. Nie ma zaworów wydechowych, które odprowadzają gazy pod wysokim ciśnieniem, jak w silniku benzynowym lub wysokoprężnym, i nie ma wybuchów. Z tego powodu silniki Stirlinga są bardzo ciche.
• Cykl Stirlinga wykorzystuje zewnętrzne źródło ciepła, którym może być wszystko, od benzyny, przez energię słoneczną, po ciepło wytwarzane przez rozkładające się rośliny. W cylindrach silnika nie zachodzi spalanie.

Istnieją setki sposobów złożenia silnika Stirlinga. W tym artykule dowiemy się o cyklu Stirlinga i zobaczymy, jak działają dwie różne konfiguracje tego silnika.

Zawartość

1. Cykl Stirlinga
2. Silnik Stirlinga typu wyporowego
3. Dwu-tłokowy silnik Stirlinga
4. Dlaczego silniki Stirlinga nie są bardziej powszechne?

Podstawową zasadą silnika Stirlinga jest to W silniku zamknięta jest stała ilość gazu. Cykl Stirlinga obejmuje szereg zdarzeń, które zmieniają ciśnienie gazu wewnątrz silnika, powodując jego pracę.

Istnieje kilka właściwości gazów, które mają kluczowe znaczenie dla działania silników Stirlinga:

• Jeśli masz określoną ilość gazu w określonej objętości przestrzeni i podniesiesz temperaturę tego gazu, ciśnienie wzrośnie.
• Jeśli masz określoną ilość gazu i skompresujesz go (zmniejszysz objętość jego przestrzeni), temperatura tego gazu wzrośnie.

Ta treść nie jest kompatybilna na tym urządzeniu.

Przejdźmy przez każdą część cyklu Stirlinga, patrząc na uproszczony silnik Stirlinga. Nasz uproszczony silnik wykorzystuje dwa cylindry. Jeden cylinder jest ogrzewany przez zewnętrzne źródło ciepła (np. Ogień), a drugi jest chłodzony przez zewnętrzne źródło chłodzenia (np. Lód). Komory gazowe obu cylindrów są połączone, a tłoki są połączone ze sobą mechanicznie za pomocą połączenia, które określa, jak będą się poruszać względem siebie.

Cykl Stirlinga składa się z czterech części. Dwa tłoki na powyższej animacji wykonują wszystkie części cyklu:

1. Ciepło jest dodawane do gazu wewnątrz podgrzewanego cylindra (po lewej), powodując wzrost ciśnienia. Zmusza to tłok do opuszczania. To jest część cyklu Stirlinga, która wykonuje pracę.
2. Lewy tłok porusza się w górę, a prawy tłok w dół. Spycha to gorący gaz do chłodzonego cylindra, który szybko schładza go do temperatury źródła chłodzenia, obniżając jego ciśnienie. Ułatwia to sprężanie gazu w dalszej części cyklu.
3. Tłok w chłodzonym cylindrze (po prawej) zaczyna ściskać gaz. Ciepło wytwarzane przez to ściskanie jest usuwane przez źródło chłodzenia.
4. Prawy tłok porusza się w górę, a lewy w dół. To zmusza gaz do podgrzanego cylindra, gdzie szybko się nagrzewa, zwiększając ciśnienie, w którym to momencie cykl się powtarza.

Silnik Stirlinga wytwarza moc tylko podczas pierwszej części cyklu. Istnieją dwa główne sposoby na zwiększenie mocy wyjściowej cyklu Stirlinga:

• Zwiększyć moc wyjściową na pierwszym etapie - W pierwszej części cyklu działa ciśnienie rozgrzanego gazu dociskającego do tłoka. Zwiększenie ciśnienia w tej części cyklu spowoduje zwiększenie mocy wyjściowej silnika. Jednym ze sposobów zwiększenia ciśnienia jest podwyższenie temperatury gazu. Kiedy w dalszej części tego artykułu przyjrzymy się dwusilnikowemu silnikowi Stirlinga, zobaczymy, jak urządzenie zwane regenerator może poprawić moc wyjściową silnika poprzez tymczasowe magazynowanie ciepła.
• Zmniejsz zużycie energii na trzecim etapie - W trzeciej części cyklu tłoki pracują na gazie, wykorzystując część mocy wytworzonej w części pierwszej. Obniżenie ciśnienia w tej części cyklu może zmniejszyć moc wykorzystywaną na tym etapie cyklu (skutecznie zwiększając moc wyjściową silnika). Jednym ze sposobów obniżenia ciśnienia jest schłodzenie gazu do niższej temperatury.

W tej sekcji opisano idealny cykl Stirlinga. Faktycznie pracujące silniki nieznacznie zmieniają cykl ze względu na fizyczne ograniczenia ich konstrukcji. W następnych dwóch sekcjach przyjrzymy się kilku różnym rodzajom silników Stirlinga. Silnik typu wypornikowego jest prawdopodobnie najłatwiejszy do zrozumienia, więc zaczniemy od tego.

Specjalne podziękowania

Specjalne podziękowania dla Brenta Van Arsdella z American Stirling Company za pomoc przy tworzeniu tego artykułu.

Zamiast dwóch tłoków, silnik typu wypierającego ma jeden tłok i element wypierający. Plik wypieracz służy do kontroli nagrzewania komory gazowej i jej schładzania. Ten typ silnika Stirlinga jest czasami używany podczas demonstracji w klasie. Możesz nawet kupić zestaw do samodzielnego zbudowania!

Ta treść nie jest kompatybilna na tym urządzeniu.

Aby działać, powyższy silnik wymaga różnica temperatur między górą a dołem dużego cylindra. W takim przypadku różnica między temperaturą dłoni, a otaczającym ją powietrzem wystarczy do uruchomienia silnika.

Na rysunku na tej stronie widać dwa tłoki:

1. Plik tłok mocy - To jest mniejszy tłok w górnej części silnika. Jest to szczelnie zamknięty tłok, który porusza się w górę, gdy gaz w silniku rozszerza się.
2. Plik wypieracz - To jest duży tłok na rysunku. Ten tłok jest bardzo luźny w swoim cylindrze, więc powietrze może łatwo przemieszczać się między podgrzewanymi i chłodzonymi sekcjami silnika, gdy tłok porusza się w górę iw dół.

Element wypierający porusza się w górę iw dół, aby kontrolować, czy gaz w silniku jest podgrzewany, czy chłodzony. Istnieją dwie pozycje:

• Kiedy element wypierający znajduje się blisko szczytu dużego cylindra, większość gazu wewnątrz silnika jest podgrzewana przez źródło ciepła i rozszerza się. W silniku rośnie ciśnienie, zmuszając tłok mocy do góry.
• Kiedy element wypierający znajduje się w pobliżu dna dużego cylindra, większość gazu w silniku ochładza się i kurczy. Powoduje to spadek ciśnienia, ułatwiając ruch tłoka zasilającego w dół i sprężanie gazu.

Silnik wielokrotnie podgrzewa i chłodzi gaz, pobierając energię z rozszerzania i kurczenia się gazu.

Następnie przyjrzymy się dwusilnikowemu silnikowi Stirlinga.

Ta treść nie jest kompatybilna na tym urządzeniu.

W tym silniku podgrzewany cylinder jest podgrzewany zewnętrznym płomieniem. Chłodzony cylinder jest chłodzony powietrzem i ma na nim lamele, które pomagają w procesie chłodzenia. Trzpień wychodzący z każdego tłoka jest połączony z małą tarczą, która z kolei jest połączona z większym kołem zamachowym. Dzięki temu tłoki się poruszają, gdy silnik nie generuje mocy.

Płomień stale ogrzewa dolny cylinder.

1. W pierwszej części cyklu narasta ciśnienie, zmuszając tłok do ruchu w lewo, wykonując pracę. Ochłodzony tłok pozostaje w przybliżeniu nieruchomy, ponieważ znajduje się w punkcie swojego obrotu, w którym zmienia kierunek.
2. W kolejnym etapie poruszają się oba tłoki. Ogrzany tłok przesuwa się w prawo, a chłodzony tłok przesuwa się do góry. W ten sposób większość gazu przepływa przez regenerator i do schłodzonego tłoka. Regenerator to urządzenie, które może tymczasowo magazynować ciepło - może to być siatka z drutu, przez którą przechodzą podgrzane gazy. Duża powierzchnia siatki drucianej szybko pochłania większość ciepła. To pozostawia mniej ciepła do usunięcia przez żebra chłodzące.
3. Następnie tłok w chłodzonym cylindrze zaczyna ściskać gaz. Ciepło wytwarzane przez to ściskanie jest usuwane przez żebra chłodzące.
4. W ostatniej fazie cyklu oba tłoki poruszają się - tłok schłodzony przesuwa się w dół, tłok nagrzany przesuwa się w lewo. Przepycha to gaz przez regenerator (gdzie odbiera ciepło, które było tam zmagazynowane podczas poprzedniego cyklu) i do ogrzewanego cylindra. W tym momencie cykl zaczyna się od nowa.

Możesz się zastanawiać, dlaczego nie ma jeszcze masowych zastosowań silników Stirlinga. W następnej sekcji przyjrzymy się niektórym przyczynom takiego stanu rzeczy.

Istnieje kilka kluczowych cech, które sprawiają, że silniki Stirlinga są niepraktyczne w wielu zastosowaniach, w tym w większości samochodów osobowych i ciężarowych.

Ponieważ źródło ciepła jest zewnętrzne, potrzeba trochę czasu, zanim silnik zareaguje na zmiany ilości ciepła doprowadzanego do cylindra - potrzeba czasu, zanim ciepło przejdzie przez ściany cylindra do gazu wewnątrz silnika. To znaczy że:

• Silnik potrzebuje trochę czasu na rozgrzanie, zanim będzie mógł wytworzyć użyteczną moc.
• Silnik nie może szybko zmienić swojej mocy.

Wszystkie te niedociągnięcia gwarantują, że nie zastąpi on silnika spalinowego w samochodach. Jednak samochód hybrydowy napędzany silnikiem Stirlinga mógłby być możliwy.

Aby uzyskać więcej informacji na temat silników Stirlinga i powiązanych tematów, sprawdź linki na następnej stronie.

Powiązane artykuły

• Jak działają silniki samochodowe
• Jak działają samochody hybrydowe
• Jak działają silniki turbin gazowych
• Jak działają silniki dwusuwowe
• Jak działają silniki wysokoprężne
• Jak działają dwusuwowe silniki wysokoprężne
• Jak działają silniki obrotowe
• Jak działa Gears
• Jak działa hybryda Aptera 
• Co to jest silnik czołgowy, jak w „Thomas the Tank Engine”?

Więcej świetnych linków

• American Stirling Company
• Stirling Engine Society USA
• Plany silnika blaszanego Stirlinga
• Strona główna silnika Stirlinga
• AirSport: Silnik Stirlinga: Samolotowy zespół napędowy przyszłości
• Silnik Idaho Stirlinga