موتور استرلینگ چگونه کار می کند؟

موتور استرلینگ چگونه کار می کند؟

موتور استرلينگ موتور گرمايي است که بسيار متفاوت از موتور احتراق داخلي موجود در خودروي شماست. اين موتور توسط رابرت استرلينگ در سال ۱۸۱۶ اختراع شده بود و پتانسيلي دارد که بسيار کارآتر نسبت به موتور گازوييلي يا ديزلي باشد. اما امروزه موتورهاي استرلينگ فقط در کاربردهاي بسيار تخصصي تر مانند زيردريايي ها يا ژنراتورهاي کمکي براي قايق يا کرجي هايي استفاده مي شوند که کار با صداي آرام اهميت دارد. گرچه در زمينه کاربرد در بازار انبوه موفقيتي نداشته است اما بعضي مخترعان بسيار توانمند دارند روي آن کار مي کنند.

موتور استرلينگ از سيکل استرلينگ استفاده مي کند که برخلاف سيکلي است که در موتورهاي احتراق داخلي استفاده مي شوند.

اين موتور فقط با استفاده از گرماي دست حرکت مي کند

§ گازهايي که درون موتور استرلينگ استفاده مي شوند هرگز از موتور خارج نمي شوند. هيچگونه دريچه اگزوزي ندارد که گازها را با فشار زياد بيرون دهد و هيچ انفجاري رخ نمي دهد. به خاطر همين موتورهاي استرلينگ فاقد صدا يا به بيان بهتر بسيار کم صدا هستند.

§ سيکل استرلينگ از منبع گرماي خارجي استفاده مي کند که مي تواند هر چيزي از گازوييل تا انرژي خورشيدي تا گرماي توليد شده توسط پوسيدگي گياهان باشد. هيچ احتراقي درون سيلندرهاي موتور رخ نمي دهد.

صدها روش براي يک موتور استرلينگ باهم وجود دارد که در اينجا دو مورد ذکر شده است.

سيکل استرلينگ

مبناي کليدي موتور استرلينگ مقدار ثابتي گاز درون موتور محفوظ است. سيکل استرلينگ مستلزم يک سري اتفاقات است که فشار گاز درون موتور را تغير مي دهد که باعث مي شود کاري انجام شود.

گازها چندين ويژگي دارند که اساسي براي کار موتورهاي استرلينگ است:

§ اگر ميزان ثابتي گاز را در فضايي به حجم ثابت داشته باشيد و دماي گاز را افزايش دهيد فشار زياد خواهد شد.

§ اگر ميزان ثابتي گاز داريد و آن را فشرده کنيد (حجم فضا را کاهش دهيد) دماي گاز افزايش خواهد يافت.

اجازه دهيد به يک موتور استرلينگ ساده نگاهي بياندازيم و هر يک از مراحل سيکل استرلينگ را ببينيم. موتور ساده شده ما از دو سيلندر استفاده مي کند. يک سيلندر توسط منبع گرماي خارجي مانند آتش گرم مي شود و قسمت ديگر توسط منبع سرمايشي خارجي مانند يخ سرد مي شود. اتاقک هاي گاز دو سيلندر به يکديگر متصل اند و پيستون ها نيز ه يکديگر به طريق مکانيکي متصل شده اند توسط اتصالي است که چگونه آنها در ارتباط با يکديگر حرکت خواهند کرد.

سيکل استرلينگ چهار قسمت دارد. دو پيستون در عکس بالا همه قطعات سيکل همراه باشد:

1. گرما که به گاز درون سيلندر گرم شده افزوده مي شود (چپ) باعث ايجاد فشار مي شود. اين نيروها پيستون را به پايين حرکت مي دهند. اين قسمتي از سيکل استرلينگ است که کار انجام مي دهد.

2. پيستون چپ به سمت بالا حرکت مي کند در حالي که پيستون سمت راست به سمت پايين حرکت مي کند. اين گاز داغ را در سيلندر سرد شده فشار مي دهد که به سرعت گاز سرد مي شود تا به دماي منبع سرمايشي برسد که فشار آن را کاهش مي دهد. اين باعث مي شود تا آن ساده تر گاز را در قسمت بعدي سيکل را فشرده کند.

3. پيستون در سيلندر سرد شده (راست) شروع به فشرده کردن گاز مي کند. گرماي توليد شده توسط اين فشردگي توسط منبع سرمايشي حذف مي شود.

4. پيستون راست به بالا حرکت مي کند در حالي که پيستون چپ به سمت پايين حرکت مي کند. اين عمل گاز را به داخل سيلندر گرما مي راند جايي که سريع گرم شده و باعث فشاري مي شود و اين نقطه اي است که سيکل دوباره تکرار مي شود.

موتور استرلينگ فقط انرژي در طي اولين بخش سيکل ايجاد مي کند. دو روش اصلي براي افزايش خروجي انرژي سيکل استرلينگ است:

§ افزايش خروجي انرژي در مرحله يک - در قسمت اول سيکل فشار گاز گرم شده پيستون را در برابر انجام کار هل مي دهد. با افزايش فشار در طي اين بخش از سيکل خروجي انرژي موتور را افزايش خواهد داد. يک روش افزايش فشار افزايش دماي گاز است. هنگامي که به موتور دو پيستوني نگاهي کنيم مي بينيم که چگونه وسيله اي به نام ري ژنراتور (regenerator) مي تواند خروجي انرژي موتور را با ذخيره موقتي گرما بهبود دهد.

§ کاهش کاربرد انرژي در مرحله سوم- در اين قسمت از سيکل، پيستون ها روي گاز کار مي کنند با استفاده از انرژي توليد شده در قسمت اول. با کاهش فشار در طي اين بخش از سيکل انرژي استفاده شده را مي تواند در طي اين مرحله کاهش دهد (به طور کارآيي خروجي انرژي موتور را افزايش مي دهد). يک روش براي کاهش فشار سرد کردن گاز به دماي پايين تر است.

در اين بخش سيکل استرلينگ ايده آل توضيح داده شد. موتورهاي کار واقعي کمي در سيکل متفاوت اند که به خاطر محدوديت هاي فيزيکي طرح آنهاست.

به جاي داشتن دو پيستون، موتور نوع جابه جا شونده يک پيستون و يک جابه جا شونده دارد. جابه جا شونده براي کنترل عمل مي کند موقعي که اتاقک گاز گرم مي شود و هنگامي که سرد مي شود.

براي حرکت، موتور بالايي نياز به تفاوت دمايي بين بالا و پايين سيلندر بزرگ است که تفاوت بين دماي سمت شما و هواي اطراف براي حرکت موتور کافي است.

در موتور پاييني سيلندر گرم با شعله خارجي گرم مي شود. سيلندر سرد با هوا سرد مي شود. ميله هاي پايه از هر پيستون به ديسک کوچکي متصل شده است که به چرخ لنگر بزرگتري متصل مي شود. اين پيستون ها را در حال حرکت نگه مي دارد هنگامي که هيچ نيرويي توسط موتور توليد نمي شود.

چرا موتور استرلينگ متداول نشده است؟

دو ويژگي کليدي است که موتور استرلينگ را براي استفاده در بسياري از کاربردها مانند خودروها و تراکتورها غيرعملي مي کند که مي تواند به خاطر اينکه منبع گرما خارجي است باشد که اين بدين معني است که

§ موتور نياز به کمي وقت دارد تا گرم شود پيش از آنکه انرژي مفيدي توليد کند.

§ موتور نمي تواند خروجي انرژي خود را به طور سريع تغيير دهد.

اين کمبودها همگي تضمين کرده اند آن نمي تواند جايگزيني براي موتور احتراق داخلي در خودروها باشد. به هر حال، موتور استرلينگ براي انرژي خودروي هيبريدي ممکن است مفيد باشد.