Ảnh do American Stirling Company cung cấp Động cơ này có thể chạy chỉ bằng sức nóng từ bàn tay của bạn. Xem hình ảnh của động cơ.
Động cơ Stirling là động cơ nhiệt khác hẳn với động cơ đốt trong trên ô tô của bạn. Được phát minh bởi Robert Stirling vào năm 1816, động cơ Stirling có khả năng hoạt động hiệu quả hơn nhiều so với động cơ xăng hoặc diesel. Nhưng ngày nay, động cơ Stirling chỉ được sử dụng trong một số ứng dụng rất chuyên biệt, như trong tàu ngầm hoặc máy phát điện phụ cho du thuyền, nơi hoạt động yên tĩnh là quan trọng. Mặc dù chưa có một ứng dụng đại chúng nào thành công trên thị trường cho động cơ Stirling, nhưng một số nhà phát minh công suất rất cao đang nghiên cứu về nó.
Động cơ Stirling sử dụng chu kỳ Stirling , không giống như các chu trình được sử dụng trong động cơ đốt trong.
- Các khí được sử dụng bên trong động cơ Stirling không bao giờ rời khỏi động cơ. Không có van xả nào để xả khí áp suất cao, như trong động cơ xăng hoặc diesel, và không có tiếng nổ xảy ra. Do đó, động cơ Stirling rất yên tĩnh.
- Chu trình Stirling sử dụng nguồn nhiệt bên ngoài, có thể là bất kỳ nguồn nhiệt nào từ xăng dầu, năng lượng mặt trời đến nhiệt lượng do thực vật phân hủy tạo ra. Không có quá trình đốt cháy diễn ra bên trong các xi lanh của động cơ.
Có hàng trăm cách để kết hợp một động cơ Stirling. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về chu trình Stirling và xem hai cấu hình khác nhau của công cụ này hoạt động như thế nào.
Nội dung - Chu kỳ Stirling
- Displacer-type Stirling Engine
- Động cơ Stirling hai piston
- Tại sao động cơ Stirling không phổ biến hơn?
> Chu kỳ Stirling
Nguyên tắc chính của động cơ Stirling là một lượng khí cố định được làm kín bên trong động cơ . Chu trình Stirling liên quan đến một loạt các sự kiện làm thay đổi áp suất của khí bên trong động cơ, khiến nó hoạt động.
Có một số đặc tính của khí rất quan trọng đối với hoạt động của động cơ Stirling:
- Nếu bạn có một lượng khí cố định trong một thể tích không gian cố định và bạn tăng nhiệt độ của khí đó, áp suất sẽ tăng.
- Nếu bạn có một lượng khí cố định và bạn nén nó (giảm thể tích không gian của nó), thì nhiệt độ của lượng khí đó sẽ tăng lên.
Chúng ta hãy xem xét từng phần của chu trình Stirling trong khi xem xét một động cơ Stirling đơn giản hóa. Động cơ đơn giản của chúng tôi sử dụng hai xi lanh. Một xi lanh được làm nóng bằng nguồn nhiệt bên ngoài (chẳng hạn như lửa), và xi lanh kia được làm mát bằng nguồn làm mát bên ngoài (chẳng hạn như nước đá). Các buồng khí của hai xi lanh được kết nối và các piston được kết nối với nhau về mặt cơ học bằng một liên kết xác định cách chúng sẽ chuyển động trong mối quan hệ với nhau.
Có bốn phần của chu trình Stirling. Hai piston trong hình ảnh động ở trên thực hiện tất cả các phần của chu trình:
- Nhiệt được bổ sung vào khí bên trong hình trụ bị nung nóng (bên trái), gây ra áp suất. Điều này buộc piston di chuyển xuống. Đây là một phần của chu trình Stirling hoạt động.
- Pít-tông bên trái chuyển động lên trong khi pít-tông bên phải chuyển động đi xuống. Điều này đẩy khí nóng vào xi lanh được làm mát, làm mát khí nhanh chóng đến nhiệt độ của nguồn làm mát, làm giảm áp suất của nó. Điều này giúp cho việc nén khí trong phần tiếp theo của chu trình trở nên dễ dàng hơn.
- Piston trong xi lanh được làm mát (bên phải) bắt đầu nén khí. Nhiệt tạo ra bởi quá trình nén này sẽ được loại bỏ bởi nguồn làm mát.
- Piston bên phải di chuyển lên trong khi piston bên trái di chuyển xuống. Điều này ép khí vào hình trụ được nung nóng, nơi nó nhanh chóng nóng lên, tạo ra áp suất, tại đó chu trình lặp lại.
Động cơ Stirling chỉ tạo ra công suất trong phần đầu tiên của chu trình. Có hai cách chính để tăng sản lượng điện của chu kỳ Stirling:
- Tăng sản lượng điện trong giai đoạn một - Ở phần một của chu trình, áp suất của khí bị nung nóng đẩy lên pittông thực hiện công. Tăng áp suất trong phần này của chu trình sẽ làm tăng công suất của động cơ. Một cách để tăng áp suất là tăng nhiệt độ của chất khí. Khi chúng ta xem xét động cơ Stirling hai pít-tông ở phần sau của bài viết này, chúng ta sẽ thấy cách một thiết bị được gọi là máy tái sinh có thể cải thiện sản lượng điện của động cơ bằng cách lưu trữ nhiệt tạm thời.
- Giảm mức sử dụng điện trong giai đoạn ba - Trong phần ba của chu trình, các piston thực hiện công trên chất khí, sử dụng một phần điện năng sinh ra ở phần một. Giảm áp suất trong phần này của chu trình có thể làm giảm công suất sử dụng trong giai đoạn này của chu trình (làm tăng hiệu quả công suất của động cơ). Một cách để giảm áp suất là làm lạnh khí ở nhiệt độ thấp hơn.
Phần này mô tả chu trình Stirling lý tưởng. Động cơ làm việc thực tế thay đổi chu kỳ một chút vì những hạn chế vật lý trong thiết kế của chúng. Trong hai phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét một số loại động cơ Stirling khác nhau. Công cụ loại chuyển động có lẽ là dễ hiểu nhất, vì vậy chúng ta sẽ bắt đầu ở đó.
Cảm ơn đặc biệt
Đặc biệt cảm ơn Brent Van Arsdell của American Stirling Company đã giúp đỡ cho bài viết này.
> Công cụ Stirling loại bộ tách sóng
Thay vì có hai pít-tông, động cơ kiểu chuyển động có một pít-tông và một bộ chuyển vị. Người di dời phục vụ cho việc điều khiển khi nào buồng khí được đốt nóng và khi nào nó được làm lạnh. Loại động cơ Stirling này đôi khi được sử dụng trong các buổi biểu diễn trong lớp học. Bạn thậm chí có thể mua một bộ để tự chế tạo!
Để chạy, động cơ ở trên yêu cầu chênh lệch nhiệt độ giữa đỉnh và đáy của hình trụ lớn. Trong trường hợp này, sự chênh lệch giữa nhiệt độ của tay bạn và không khí xung quanh là đủ để động cơ chạy.
Trong hình trên trang này, bạn có thể thấy hai piston:
- Pít-tông điện - Đây là pít-tông nhỏ hơn ở đầu động cơ. Nó là một pít-tông được bịt kín, chuyển động lên khi khí bên trong động cơ nở ra.
- Người dịch chuyển - Đây là piston lớn trong hình vẽ. Pít-tông này rất lỏng trong xi-lanh, vì vậy không khí có thể di chuyển dễ dàng giữa các phần được làm nóng và làm mát của động cơ khi pít-tông chuyển động lên và xuống.
Bộ chuyển hướng di chuyển lên và xuống để kiểm soát xem khí trong động cơ đang được làm nóng hay làm mát. Có hai vị trí:
- Khi bộ chuyển dịch ở gần đỉnh của xi lanh lớn, phần lớn khí bên trong động cơ được làm nóng bởi nguồn nhiệt và nó nở ra. Áp suất tích tụ bên trong động cơ, buộc piston tăng lực.
- Khi bộ chuyển nhiệt nằm gần đáy của xi lanh lớn, hầu hết khí bên trong động cơ sẽ nguội đi và co lại. Điều này làm giảm áp suất, giúp pít-tông điện di chuyển xuống và nén khí dễ dàng hơn.
Động cơ liên tục làm nóng và làm mát khí, trích xuất năng lượng từ sự giãn nở và co lại của khí.
Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét động cơ Stirling hai pít-tông.
> Động cơ Stirling hai piston
Trong động cơ này, xi lanh được đốt nóng được đốt nóng bởi ngọn lửa bên ngoài. Xi lanh làm mát được làm mát bằng không khí và có các cánh tản nhiệt trên đó để hỗ trợ quá trình làm mát. Một thanh xuất phát từ mỗi piston được nối với một đĩa nhỏ, đĩa này lần lượt được nối với một bánh đà lớn hơn. Điều này giữ cho các piston chuyển động khi động cơ không tạo ra năng lượng.
Ngọn lửa liên tục đốt nóng hình trụ dưới cùng.
- Trong phần đầu tiên của chu trình, áp suất tăng lên, buộc piston phải chuyển động sang trái để thực hiện công việc. Pít-tông được làm mát sẽ gần như đứng yên bởi vì nó đang ở điểm quay vòng mà nó đổi hướng.
- Trong giai đoạn tiếp theo, cả hai piston đều chuyển động. Piston được làm nóng sẽ chuyển động sang phải và piston được làm mát sẽ chuyển động lên trên. Điều này di chuyển hầu hết khí qua bộ tái sinh và vào piston đã được làm mát. Bộ tái sinh là một thiết bị có thể lưu trữ nhiệt tạm thời - nó có thể là một lưới thép mà các khí đốt nóng đi qua. Diện tích bề mặt lớn của lưới thép nhanh chóng hấp thụ hầu hết nhiệt. Điều này giúp tản nhiệt ít hơn nhờ các cánh tản nhiệt.
- Tiếp theo, piston trong xi lanh được làm mát bắt đầu nén khí. Nhiệt tạo ra bởi quá trình nén này sẽ được loại bỏ bởi các cánh tản nhiệt.
- Trong giai đoạn cuối của chu trình, cả hai pít-tông đều chuyển động - pít-tông được làm mát chuyển động xuống trong khi pít-tông được làm nóng chuyển động sang trái. Điều này buộc khí đi qua bộ tái sinh (nơi nó thu nhiệt đã được lưu trữ ở đó trong chu kỳ trước) và đi vào xi lanh được làm nóng. Tại thời điểm này, chu kỳ bắt đầu lại.
Bạn có thể tự hỏi tại sao vẫn chưa có ứng dụng đại trà nào của động cơ Stirling. Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét một số lý do cho điều này.
> Tại sao động cơ Stirling không phổ biến hơn?
Có một số đặc điểm chính khiến động cơ Stirling không được sử dụng thực tế trong nhiều ứng dụng, bao gồm cả trong hầu hết các xe ô tô và xe tải.
Bởi vì nguồn nhiệt là bên ngoài , động cơ sẽ mất một khoảng thời gian để phản ứng với những thay đổi về lượng nhiệt truyền vào xi lanh - cần thời gian để nhiệt truyền qua thành xi lanh và vào khí bên trong động cơ. Điều này có nghĩa là:
- Động cơ cần một thời gian để làm nóng trước khi có thể tạo ra công suất hữu ích.
- Động cơ không thể thay đổi công suất đầu ra một cách nhanh chóng.
Tất cả những thiếu sót này đều đảm bảo rằng nó sẽ không thể thay thế động cơ đốt trong trên ô tô. Tuy nhiên, một chiếc xe hybrid chạy bằng động cơ Stirling có thể khả thi.
Để biết thêm thông tin về công cụ Stirling và các chủ đề liên quan, hãy xem các liên kết trên trang tiếp theo.
Xuất bản lần đầu:ngày 4 tháng 5 năm 2001
Câu hỏi thường gặp về Stirling Engine
Công cụ Stirling được sử dụng để làm gì?
Có hàng trăm cách để sử dụng động cơ Stirling. Hiện nay, động cơ Stirling chỉ được sử dụng trong các ứng dụng chuyên biệt, như trong tàu ngầm hoặc máy phát điện phụ cho du thuyền.
Tại sao động cơ Stirling không được sử dụng?
Vẫn chưa có một ứng dụng đại chúng nào thành công cho công cụ Stirling.
Bạn có thể cung cấp năng lượng gì với động cơ Stirling?
Động cơ Stirling có thể được sử dụng theo một số cách. Mặc dù chúng thường được tìm thấy trong tàu ngầm và du thuyền, chúng cũng có thể được sử dụng làm đồ chơi, bếp củi, hệ thống điều hòa và sưởi ấm, v.v.
Động cơ Stirling là loại động cơ nào?
Động cơ Stirling sử dụng chu trình Stirling, không giống như chu trình được sử dụng trong động cơ đốt trong. Chu trình Stirling sử dụng một nguồn nhiệt bên ngoài, có thể là bất cứ thứ gì từ xăng dầu, năng lượng mặt trời đến nhiệt lượng do thực vật thối rữa tạo ra. Không có quá trình đốt cháy diễn ra bên trong các xi lanh của động cơ.
Động cơ Stirling có thể chạy trong bao lâu?
Động cơ Stirling có thể chạy trong nhiều năm.
> Nhiều thông tin hơn
Các bài viết liên quan về HowStuffWorks
- Cách động cơ ô tô hoạt động
- Cách xe ô tô lai hoạt động
- Cách động cơ tuabin khí hoạt động
- Cách động cơ hai hành trình hoạt động
- Cách động cơ Diesel hoạt động
- Cách hoạt động của động cơ hai thì Diesel
- Cách động cơ quay hoạt động
- Cách Gears hoạt động
- Cách Aptera Hybrid hoạt động
- Động cơ xe tăng, như trong "Thomas the Tank Engine" là gì?
Các liên kết tuyệt vời khác
- Công ty Stirling của Mỹ
- Stirling Engine Society Hoa Kỳ
- Các kế hoạch động cơ Tin Can Stirling
- Trang chủ Công cụ Stirling
- AirSport:Stirling Engine:Động cơ máy bay của tương lai
- Công cụ Idaho Stirling
