Hur Stirling Motorer fungerar

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

Stirling-motorn är en värmemotor som skiljer sig mycket från förbränningsmotorn i din bil. Uppfinningen av Robert Stirling 1816 har Stirling-motorn potentialen att vara mycket effektivare än en bensin- eller dieselmotor. Men idag används Stirling-motorer endast i vissa mycket specialiserade applikationer, som i ubåtar eller hjälpkraftsgeneratorer för båtar, där tyst drift är viktigt. Även om det inte har funnits en framgångsrik massmarknadsapplikation för Stirling-motorn, arbetar några mycket kraftfulla uppfinnare med den.

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

• De gaser som används i en Stirling-motor lämnar aldrig motorn. Det finns inga avgasventiler som lufter högtrycksgaser, som i en bensin- eller dieselmotor, och det finns inga explosioner. På grund av detta är Stirling-motorerna väldigt tyst.
• Stirling-cykeln använder en extern värmekälla, som kan vara allt från bensin till solenergi till värmen som produceras av ruttande anläggningar. Ingen förbränning äger rum i motorcylindrarna.

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

Innehåll

1. The Stirling Cycle
2. Förskjutnings-typ Stirling Engine
3. Två kolv Stirling Engine
4. Varför är inte omrörningsmotorer vanligare??

Den viktigaste principen för en Stirling-motor är det en fast mängd gas tätas inuti motorn. Stirling-cykeln involverar en serie händelser som ändrar trycket på gasen inuti motorn, vilket får den att arbeta.

Det finns flera egenskaper hos gaser som är avgörande för driften av Stirling-motorer:

• Om du har en fast mängd gas i en fast rymdvolym och höjer temperaturen på gasen kommer trycket att öka.
• Om du har en fast mängd gas och komprimerar den (minska volymen på dess utrymme) kommer temperaturen på gasen att öka.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

Låt oss gå igenom varje del av Stirling-cykeln medan vi tittar på en förenklad Stirling-motor. Vår förenklade motor använder två cylindrar. Den ena cylindern värms upp av en extern värmekälla (t.ex. eld), och den andra kyls av en extern kylkälla (t.ex. is). De två cylindrarnas gaskammare är anslutna, 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 till Stirling-cykeln. De två kolvarna i animationen ovan utför alla delar av cykeln:

1. Värme tillförs gasen inuti den uppvärmda cylindern (till vänster), vilket gör att trycket byggs upp. Detta tvingar kolven att röra sig ner. Detta är den del av Stirling-cykeln som gör arbetet.
2. Den vänstra kolven rör sig upp medan den högra kolven rör sig nedåt. Detta pressar den heta gasen in i den kylda cylindern, som snabbt kyler gasen till temperaturen på kylkällan och sänker dess tryck. Detta gör det lättare att komprimera gasen i nästa del av cykeln.
3. Kolven i den kylda cylindern (höger) börjar komprimera gasen. Värme som genereras av denna komprimering avlägsnas av kylkällan.
4. Den högra kolven rör sig upp medan den vänstra kolven rör sig nedåt. Detta tvingar gasen in i den uppvärmda cylindern, där den snabbt värms upp, byggnadstryck, vid vilken punkt cykeln upprepas.

Stirling-motorn gör endast kraft under den första delen av cykeln. Det finns två huvudsakliga sätt att öka effekt från en Stirling-cykel:

• Öka kraftuttaget i steg ett - I en del av cykeln utför trycket på den uppvärmda gasen som skjuter mot kolven arbete. Genom att öka trycket under denna del av cykeln ökar motoreffekten. Ett sätt att öka trycket är att öka gasens temperatur. När vi tittar på en tvåkolvig Stirling-motor senare i den här artikeln, ser vi hur en enhet som heter a regenerator kan förbättra motoreffekten genom att tillfälligt lagra värme.
• Minska strömförbrukningen i steg tre - I del tre av cykeln utför kolvarna arbete med gasen och använder en del av kraften som produceras i del ett. Att sänka trycket under denna del av cykeln kan minska kraften som används under detta steg av cykeln (effektivt öka motoreffekten). Ett sätt att minska trycket är att kyla gasen till en lägre temperatur.

Det här avsnittet beskrev den ideala Stirling-cykeln. Faktiska arbetsmotorer varierar cykeln något på grund av deras fysiska begränsningar. I de kommande två avsnitten tittar vi på ett par olika typer av Stirling-motorer. Förskjutningsmotorn är förmodligen den enklaste att förstå, så vi börjar där.

Speciellt tack

Ett särskilt tack till Brent Van Arsdell från American Stirling Company för hans hjälp med denna artikel.

I stället för att ha två kolvar har en motor av förskjutning en kolv och en förskjutare. De förskjutnings fungerar för att styra när gasskammaren värms upp och när den kyls. Denna typ av Stirling-motor används ibland i klassrumsdemonstrationer. Du kan till och med köpa ett kit för att bygga ett själv!

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

För att köra kräver motorn ovan a temperaturskillnad mellan toppen och botten av den stora cylindern. I detta fall räcker skillnaden mellan temperaturen på din hand och luften runt den för att köra motorn.

I figuren på denna sida kan du se två kolvar:

1. De kraft kolv - Detta är den mindre kolven överst på motorn. Det är en tätt förseglad kolv som rör sig upp när gasen inuti motorn expanderar.
2. De förskjutnings - Detta är den stora kolven på ritningen. Den här kolven är mycket lös i sin cylinder, så att luft lätt kan 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 upp 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 in i motorn, vilket tvingar kraftkolven upp.
• När förskjutaren är nära botten av den stora cylindern, kyler och tränger mest av gasen inuti motorn ihop. Detta får trycket att sjunka, 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 titta på en Stirling-motor med två kolvar.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

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

Flammen värmer kontinuerligt bottencylindern.

1. Under den första delen av cykeln bygger trycket upp, vilket tvingar kolven att röra sig åt vänster och gör arbete. Den kylda kolven förblir ungefär stillastående eftersom den är vid sin punkt i sin revolution där den ändrar riktning.
2. I nästa steg rör sig båda kolvarna. Den uppvärmda kolven rör sig till höger och den kylda kolven rör sig upp. Detta förflyttar det mesta av gasen genom regenerator och in i den kylda kolven. Regenereraren är en enhet som tillfälligt kan lagra värme - det kan vara ett trådnät som de uppvärmda gaserna passerar genom. Trådnätets stora ytarea absorberar snabbt det mesta av värmen. Detta ger mindre värme att avlägsnas av kylflänsarna.
3. Därefter börjar kolven i den kylda cylindern att komprimera gasen. Värme som genereras av denna kompression avlägsnas av kylflänsarna.
4. I den sista fasen av cykeln rör sig båda kolvarna - den kylda kolven rör sig ner medan den uppvärmda kolven rör sig till vänster. Detta tvingar gasen över regenereraren (där den tar upp värmen som lagrades där under föregående cykel) och in i den uppvärmda cylindern. Vid denna punkt börjar cykeln igen.

Du undrar kanske varför det inte finns några massmarknadsapplikationer för Stirling-motorer än. I nästa avsnitt tar vi en titt på några av orsakerna till detta.

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

Därför att värmekällan är extern, det tar lite tid för motorn att svara på förändringar i mängden värme som appliceras på cylindern - det tar tid innan värmen leds genom cylinderväggarna och in i gasen inuti motorn. Detta innebär att:

• Motorn tar lite tid att värma upp innan den kan producera användbar kraft.
• Motorn kan inte byta kraftuttag snabbt.

Dessa brister garanterar alla att den inte kommer att ersätta förbränningsmotorn i bilar. En Stirling-motordriven hybridbil kan dock vara genomförbar.

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

Relaterade artiklar

• Hur bilmotorer fungerar
• Hur hybridbilar fungerar
• Hur gasturbinmotorer fungerar
• Hur tvåtaktsmotorer fungerar
• Hur dieselmotorer fungerar
• Så fungerar diesel med tvåtaktsmotorer
• Hur rotationsmotorer fungerar
• Hur Gears fungerar
• Hur fungerar Aptera-hybriden 
• Vad är en tankmotor, som i "Thomas the Tank Engine"?

Fler bra länkar

• American Stirling Company
• Stirling Engine Society USA
• Tin Can Stirling-motorplaner
• Stirling Engine Startsida
• AirSport: Stirling Engine: Framtidens flygplan
• Idaho Stirling Engine