Hvordan virvlende motorer fungerer

Foto med tillatelse fra American Stirling Company Denne motoren kan bare brukes av varmen fra hånden. Se bilder av motorer.

Stirling-motoren er en varmemotor som er veldig forskjellig fra forbrenningsmotoren i bilen din. Stirling-motoren ble oppfunnet av Robert Stirling i 1816, og har potensialet til å være mye mer effektiv enn en bensin- eller dieselmotor. Men i dag brukes Stirling-motorer bare i noen veldig spesialiserte applikasjoner, som i ubåter eller hjelpekraftgeneratorer for yachter, hvor rolig drift er viktig. Selv om det ikke har vært en vellykket applikasjon i massemarkedet for Stirling-motoren, jobber noen svært høykraftige oppfinnere med den.

En Stirling-motor bruker Stirling syklus,- som er i motsetning til syklusene som brukes i forbrenningsmotorer.

• Gassene som brukes i en Stirling-motor forlater aldri motoren. Det er ingen eksosventiler som lufter høyt trykkgasser, som i en bensin- eller dieselmotor, og det er ingen eksplosjoner. På grunn av dette er Stirling-motorene veldig stille.
• Stirling-syklusen bruker en ekstern varmekilde, som kan være alt fra bensin til solenergi til varmen som produseres av råtnende anlegg. Ingen forbrenning finner sted inne i sylindrene på motoren.

Det er hundrevis av måter å sette sammen en Stirling-motor. I denne artikkelen skal vi lære om Stirling-syklusen og se hvordan to forskjellige konfigurasjoner av denne motoren fungerer.

innhold

1. The Stirling Cycle
2. Stirling-motor av fortrenger
3. To-stempel Stirling Engine
4. Hvorfor er ikke omrøringsmotorer mer vanlig?

Det viktigste prinsippet for en Stirling-motor er det en fast mengde gass blir forseglet inne i motoren. Stirling-syklusen innebærer en serie hendelser som endrer trykket på gassen inne i motoren, og får den til å utføre arbeid.

Det er flere egenskaper ved gasser som er avgjørende for driften av Stirling-motorer:

• Hvis du har en fast mengde gass i et fast romvolum og hever temperaturen på den gassen, vil trykket øke.
• Hvis du har en fast mengde gass og du komprimerer den (reduser volumet på plassen), vil temperaturen på den gassen øke.

Dette innholdet er ikke kompatibelt på denne enheten.

La oss gå gjennom hver del av Stirling-syklusen mens vi ser på en forenklet Stirling-motor. Den forenklede motoren vår bruker to sylindere. Den ene sylinderen varmes opp av en ekstern varmekilde (for eksempel brann), og den andre avkjøles av en ekstern kjølekilde (for eksempel is). Gasskamrene til de to sylindrene er koblet sammen, og stemplene er mekanisk forbundet med hverandre ved hjelp av en kobling som bestemmer hvordan de vil bevege seg i forhold til hverandre.

Det er fire deler til Stirling-syklusen. De to stemplene i animasjonen over oppnår alle delene av syklusen:

1. Varme tilføres gassen inne i den oppvarmede sylinderen (til venstre), noe som får trykk til å bygge seg opp. Dette tvinger stemplet til å bevege seg nedover. Dette er den delen av Stirling-syklusen som gjør arbeidet.
2. Det venstre stempelet beveger seg opp mens det høyre stempelet beveger seg nedover. Dette skyver den varme gassen inn i den avkjølte sylinderen, som raskt kjøler gassen til temperaturen på kjølekilden, og senker trykket. Dette gjør det lettere å komprimere gassen i neste del av syklusen.
3. Stempelet i den avkjølte sylinderen (til høyre) begynner å komprimere gassen. Varme som genereres av denne kompresjonen fjernes av kjølekilden.
4. Det høyre stempelet beveger seg opp mens det venstre stempelet beveger seg nedover. Dette tvinger gassen inn i den oppvarmede sylinderen, hvor den raskt varmes opp, bygningstrykket, på hvilket tidspunkt syklusen gjentas.

Stirling-motoren lager bare kraft i løpet av den første delen av syklusen. Det er to hovedmåter å øke effekten fra en Stirling-syklus:

• Øk effekten i trinn 1 - I del en av syklusen utfører trykket fra den oppvarmede gassen som skyver mot stempelet arbeid. Å øke trykket i løpet av denne delen av syklusen vil øke motoreffekten. En måte å øke trykket på er ved å øke temperaturen på gassen. Når vi ser på en to-stemplet Stirling-motor senere i denne artikkelen, får vi se hvordan en enhet som heter a regenerator kan forbedre motoreffekten ved midlertidig lagring av varme.
• Reduser strømbruken i trinn tre - I del tre av syklusen utfører stemplene arbeid på gassen ved å bruke noe av kraften som produseres i del en. Å senke trykket under denne delen av syklusen kan redusere effekten som brukes i dette stadiet av syklusen (effektivt øke motoreffekten). En måte å redusere trykket på er å avkjøle gassen til en lavere temperatur.

Denne delen beskrev den ideelle Stirling-syklusen. Faktiske arbeidsmotorer varierer syklusen litt på grunn av de fysiske begrensningene i designen. I de neste to seksjonene skal vi se på et par forskjellige typer Stirling-motorer. Fortrenger-typen er sannsynligvis den enkleste å forstå, så vi starter der.

Spesiell takk

Spesiell takk til Brent Van Arsdell fra American Stirling Company for hans hjelp med denne artikkelen.

I stedet for å ha to stempler, har en motor av fortrenger et stempel og en forskyver. De fortrenger tjener til å kontrollere når gasskammeret blir oppvarmet og når det er avkjølt. Denne typen Stirling-motorer blir noen ganger brukt i demonstrasjoner i klasserommet. Du kan til og med kjøpe et sett for å bygge et selv!

Dette innholdet er ikke kompatibelt på denne enheten.

For å kunne kjøre, krever motoren over a temperaturforskjell mellom toppen og bunnen av den store sylinderen. I dette tilfellet er forskjellen mellom temperaturen på hånden din og luften rundt den nok til å kjøre motoren.

På figuren på denne siden kan du se to stempler:

1. De kraftstempel - Dette er det mindre stempelet øverst på motoren. Det er et tett forseglet stempel som beveger seg opp når gassen inne i motoren ekspanderer.
2. De fortrenger - Dette er det store stempelet på tegningen. Dette stempelet er veldig løst i sylinderen, slik at luft lett kan bevege seg mellom de oppvarmede og avkjølte delene av motoren når stempelet beveger seg opp og ned.

Forskyveren beveger seg opp og ned for å kontrollere om gassen i motoren blir oppvarmet eller avkjølt. Det er to stillinger:

• Når fortrengningsapparatet er nær toppen av den store sylinderen, varmes det meste av gassen inne i motoren av varmekilden, og den ekspanderer. Trykket bygges inne i motoren, og tvinger kraftstempelet opp.
• Når forskyveren er nær bunnen av den store sylinderen, kjøles og trekker det meste av gassen inne i motoren seg sammen. Dette får trykket til å falle, noe som gjør det lettere for kraftstempelet å bevege seg ned og komprimere gassen.

Motoren varmer og kjøler gassen gjentatte ganger og utvinner energi fra gassens ekspansjon og sammentrekning.

Deretter skal vi se på en Stirling-motor med to stempel.

Dette innholdet er ikke kompatibelt på denne enheten.

I denne motoren varmes den oppvarmede sylinderen av en ekstern flamme. Den avkjølte sylinderen er luftkjølt og har finner på den for å hjelpe til med kjøleprosessen. En stang som stammer fra hvert stempel er koblet til en liten skive, som igjen er koblet til et større svinghjul. Dette holder stemplene i bevegelse når det ikke genereres strøm fra motoren.

Flammen varmer kontinuerlig bunnsylinderen.

1. I den første delen av syklusen bygger det trykk, som tvinger stemplet til å bevege seg til venstre og utføre arbeid. Det avkjølte stempelet forblir omtrent stasjonært fordi det er på det punktet i revolusjonen der det endrer retning.
2. I neste trinn beveger begge stemplene seg. Det oppvarmede stempelet beveger seg til høyre og det avkjølte stempelet beveger seg opp. Dette flytter mesteparten av gassen gjennom regenerator og inn i det avkjølte stempelet. Regeneratoren er en enhet som midlertidig kan lagre varme - det kan være et netting nett som de oppvarmede gassene passerer gjennom. Det store overflatearealet på trådnettet absorberer raskt det meste av varmen. Dette etterlater mindre varme som skal fjernes av kjøleribber.
3. Deretter begynner stemplet i den avkjølte sylinderen å komprimere gassen. Varme som genereres av denne kompresjonen fjernes av kjøleribber.
4. I den siste fasen av syklusen beveger begge stemplene seg - det avkjølte stempelet beveger seg ned mens det oppvarmede stempelet beveger seg til venstre. Dette tvinger gassen over regeneratoren (der den henter varmen som ble lagret der under forrige syklus) og inn i den oppvarmede sylinderen. På dette tidspunktet begynner syklusen igjen.

Du lurer kanskje på hvorfor det ikke er noen massemarkedsapplikasjoner av Stirling-motorer ennå. I neste avsnitt tar vi en titt på noen av grunnene til dette.

Det er et par sentrale egenskaper som gjør Stirling-motorer upraktiske for bruk i mange bruksområder, inkludert i de fleste biler og lastebiler.

Fordi varmekilden er ekstern, det tar litt tid for motoren å svare på endringer i mengden varme som tilføres sylinderen - det tar tid før varmen blir ført gjennom sylinderveggene og inn i gassen inne i motoren. Dette betyr at:

• Motoren krever litt tid å varme opp før den kan produsere nyttig kraft.
• Motoren kan ikke endre krafteffekten raskt.

Disse manglene garanterer at den ikke erstatter forbrenningsmotoren i biler. Imidlertid kan en Stirling-motordrevet hybridbil være gjennomførbar.

For mer informasjon om Stirling-motorer og relaterte emner, sjekk ut lenkene på neste side.

Relaterte artikler

• Hvordan bilmotorer fungerer
• Hvordan hybridbiler fungerer
• Hvordan gassturbinmotorer fungerer
• Hvordan to-taktsmotorer fungerer
• Slik fungerer dieselmotorer
• Hvordan diesel-totaktsmotorer fungerer
• Hvordan roterende motorer fungerer
• Hvordan gir fungerer
• Slik fungerer Aptera Hybrid 
• Hva er en tankmotor, som i "Thomas tankmotoren"?

Flere gode lenker

• American Stirling Company
• Stirling Engine Society USA
• Tin Can Stirling-motorplaner
• Stirling Engine Startside
• AirSport: Stirling Engine: Fremtidens flykraftverk
• The Idaho Stirling Engine