Как работают двигатели Стирлинга

Фото любезно предоставлено компанией American Stirling Company. Этот двигатель может работать, используя только тепло вашей руки. Смотрите фото двигателей.

Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель, который сильно отличается от двигателя внутреннего сгорания в вашем автомобиле. Изобретенный Робертом Стирлингом в 1816 году двигатель Стирлинга потенциально может быть намного более эффективным, чем бензиновый или дизельный двигатель. Но сегодня двигатели Стирлинга используются только в некоторых очень специализированных приложениях, таких как подводные лодки или вспомогательные генераторы энергии для яхт, где важна бесшумная работа. Хотя двигатель Стирлинга не получил успешного массового применения, над ним работают несколько очень мощных изобретателей.

В двигателе Стирлинга используется цикл Стирлинга. , что отличается от циклов, используемых в двигателях внутреннего сгорания.

Газы, используемые внутри двигателя Стирлинга, никогда не покидают двигатель. Нет выпускных клапанов, выпускающих газы под высоким давлением, как в бензиновом или дизельном двигателе, и не происходит взрывов. Из-за этого двигатели Стирлинга очень тихие.
В цикле Стирлинга используется внешний источник тепла, которым может быть что угодно:бензин, солнечная энергия и тепло, выделяемое разлагающимися растениями. Внутри цилиндров двигателя не происходит сгорания.

Существуют сотни способов собрать двигатель Стирлинга. В этой статье мы узнаем о цикле Стирлинга и посмотрим, как работают две разные конфигурации этого двигателя.

Содержание

Цикл Стирлинга
Двигатель Стирлинга вытеснительного типа
Двухпоршневой двигатель Стирлинга
Почему двигатели Стирлинга менее распространены?

>Цикл Стирлинга

Ключевой принцип двигателя Стирлинга заключается в том, что внутри двигателя находится фиксированное количество газа. . Цикл Стирлинга включает ряд событий, которые изменяют давление газа внутри двигателя, заставляя его совершать работу.

Есть несколько свойств газов, которые имеют решающее значение для работы двигателей Стирлинга:

Если у вас есть фиксированное количество газа в фиксированном объеме пространства, и вы повышаете температуру этого газа, давление увеличивается.
Если у вас есть фиксированное количество газа и вы его сжимаете (уменьшаете объем пространства), температура этого газа повысится.

Давайте рассмотрим каждую часть цикла Стирлинга, рассматривая упрощенный двигатель Стирлинга. Наш упрощенный двигатель использует два цилиндра. Один цилиндр нагревается внешним источником тепла (например, огнем), а другой охлаждается внешним источником охлаждения (например, льдом). Газовые камеры двух цилиндров соединены, а поршни соединены друг с другом механически рычажным механизмом, который определяет, как они будут двигаться относительно друг друга.

Цикл Стирлинга состоит из четырех частей. Два поршня на анимации выше выполняют все части цикла:

К газу внутри нагретого цилиндра (слева) добавляется тепло, вызывая повышение давления. Это заставляет поршень двигаться вниз. Это часть цикла Стирлинга, которая выполняет свою работу.
Левый поршень движется вверх, а правый поршень движется вниз. Это толкает горячий газ в охлаждаемый цилиндр, который быстро охлаждает газ до температуры источника охлаждения, снижая его давление. Это облегчает сжатие газа в следующей части цикла.
Поршень в охлаждаемом цилиндре (справа) начинает сжимать газ. Тепло, выделяемое при этом сжатии, отводится источником охлаждения.
Правый поршень движется вверх, а левый поршень движется вниз. Это нагнетает газ в нагретый цилиндр, где он быстро нагревается, создавая давление, после чего цикл повторяется.

Двигатель Стирлинга развивает мощность только в первой части цикла. Есть два основных способа увеличить выходную мощность цикла Стирлинга:

Увеличить выходную мощность на первом этапе - В первой части цикла давление нагретого газа, давит на поршень, совершает работу. Повышение давления во время этой части цикла увеличивает выходную мощность двигателя. Одним из способов повышения давления является повышение температуры газа. Когда далее в этой статье мы рассмотрим двухпоршневой двигатель Стирлинга, мы увидим, как устройство под названием регенератор может повысить выходную мощность двигателя за счет временного накопления тепла.
Уменьшить энергопотребление на третьем этапе - В третьей части цикла поршни совершают работу на газе, используя часть мощности, произведенной в первой части. Снижение давления во время этой части цикла может снизить мощность, используемую на этой стадии цикла (фактически увеличивая выходную мощность двигателя). Один из способов снизить давление — охладить газ до более низкой температуры.

В этом разделе описан идеальный цикл Стирлинга. Фактические работающие двигатели немного изменяют цикл из-за физических ограничений их конструкции. В следующих двух разделах мы рассмотрим несколько различных типов двигателей Стирлинга. Буйковый двигатель, вероятно, проще всего понять, поэтому мы начнем с него.

Особая благодарность

Особая благодарность Бренту Ван Арсделлу из American Stirling Company за помощь в написании этой статьи.

>Двигатель Стирлинга вытеснительного типа

Вместо двух поршней двигатель вытеснительного типа имеет один поршень и вытеснитель. вытеснитель служит для управления, когда газовая камера нагревается и когда она охлаждается. Этот тип двигателя Стирлинга иногда используется в демонстрациях в классе. Вы даже можете купить набор, чтобы собрать его самостоятельно!

Для работы указанному выше двигателю требуется перепад температур. между верхом и низом большого цилиндра. В этом случае разницы между температурой вашей руки и окружающего воздуха достаточно, чтобы двигатель заработал.

На рисунке на этой странице вы видите два поршня:

силовой поршень - Это меньший поршень в верхней части двигателя. Это плотно закрытый поршень, который движется вверх по мере расширения газа внутри двигателя.
вытеснитель - Это большой поршень на рисунке. Этот поршень очень свободно расположен в своем цилиндре, поэтому воздух может легко перемещаться между нагретыми и охлаждаемыми частями двигателя, когда поршень движется вверх и вниз.

Вытеснитель перемещается вверх и вниз, чтобы контролировать, нагревается или охлаждается газ в двигателе. Есть две позиции:

Когда вытеснитель находится в верхней части большого цилиндра, большая часть газа внутри двигателя нагревается источником тепла и расширяется. Внутри двигателя создается давление, заставляющее силовой поршень двигаться вверх.
Когда вытеснитель находится в нижней части большого цилиндра, большая часть газа внутри двигателя охлаждается и сжимается. Это приводит к падению давления, что облегчает движение силового поршня вниз и сжатие газа.

Двигатель многократно нагревает и охлаждает газ, извлекая энергию из расширения и сжатия газа.

Далее мы рассмотрим двухпоршневой двигатель Стирлинга.

>Двухпоршневой двигатель Стирлинга

В этом двигателе нагретый цилиндр нагревается внешним пламенем. Охлаждаемый цилиндр имеет воздушное охлаждение и имеет ребра для облегчения процесса охлаждения. Шток, выходящий из каждого поршня, соединен с небольшим диском, который, в свою очередь, соединен с большим маховиком. Это удерживает поршни в движении, когда двигатель не вырабатывает мощность.

Пламя постоянно нагревает нижний цилиндр.

В первой части цикла создается давление, заставляющее поршень двигаться влево, совершая работу. Охлажденный поршень остается примерно неподвижным, потому что он находится в точке своего вращения, где он меняет направление.
На следующем этапе двигаются оба поршня. Нагретый поршень движется вправо, а остывший поршень движется вверх. При этом большая часть газа проходит через регенератор. и в охлажденный поршень. Регенератор — это устройство, которое может временно накапливать тепло — это может быть сетка из проволоки, через которую проходят нагретые газы. Большая площадь поверхности проволочной сетки быстро поглощает большую часть тепла. Благодаря этому охлаждающие ребра отводят меньше тепла.
Далее поршень в охлаждаемом цилиндре начинает сжимать газ. Тепло, выделяемое при сжатии, отводится охлаждающими ребрами.
В последней фазе цикла оба поршня движутся:охлажденный поршень движется вниз, а нагретый поршень движется влево. Это направляет газ через регенератор (где он забирает тепло, накопленное там во время предыдущего цикла) и в нагретый цилиндр. В этот момент цикл начинается снова.

Вам может быть интересно, почему до сих пор нет массового применения двигателей Стирлинга. В следующем разделе мы рассмотрим некоторые причины этого.

>Почему двигатели Стирлинга менее распространены?

Есть несколько ключевых характеристик, которые делают двигатели Стирлинга непрактичными для использования во многих областях, в том числе в большинстве легковых и грузовых автомобилей.

Поскольку источник тепла является внешним , двигателю требуется некоторое время, чтобы отреагировать на изменения количества тепла, подводимого к цилиндру, — требуется время, чтобы тепло прошло через стенки цилиндра и попало в газ внутри двигателя. Это означает, что:

Двигателю требуется некоторое время для прогрева, прежде чем он сможет развивать полезную мощность.
Двигатель не может быстро изменить выходную мощность.

Эти недостатки почти гарантируют, что он не заменит двигатель внутреннего сгорания в автомобилях. Однако гибридный автомобиль с двигателем Стирлинга вполне возможен.

Для получения дополнительной информации о двигателях Стирлинга и смежных темах перейдите по ссылкам на следующей странице.

Первоначально опубликовано:4 мая 2001 г.

Часто задаваемые вопросы о двигателе Стирлинга

Для чего используется двигатель Стирлинга?

Существуют сотни способов использования двигателя Стирлинга. В настоящее время двигатели Стирлинга используются только в специализированных приложениях, таких как подводные лодки или вспомогательные электростанции для яхт.

Почему не используются двигатели Стирлинга?

Успешного массового применения двигателя Стирлинга еще не было.

Что можно привести в действие с помощью двигателя Стирлинга?

Двигатели Стирлинга можно использовать по-разному. Хотя они обычно используются на подводных лодках и яхтах, их также можно использовать для игрушек, дровяных печей, систем кондиционирования и отопления и многого другого.

Что такое двигатель Стирлинга?

В двигателе Стирлинга используется цикл Стирлинга, который отличается от циклов, используемых в двигателях внутреннего сгорания. В цикле Стирлинга используется внешний источник тепла, которым может быть что угодно, от бензина до солнечной энергии и тепла, выделяемого разлагающимися растениями. В цилиндрах двигателя не происходит сгорания.