Wie Stirlingmotoren funktionieren

Foto mit freundlicher Genehmigung der American Stirling Company Dieser Motor kann nur mit der Wärme Ihrer Hand betrieben werden. Siehe Bilder von Motoren.

Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die sich stark vom Verbrennungsmotor in Ihrem Auto unterscheidet. Der 1816 von Robert Stirling erfundene Stirling-Motor hat das Potenzial, viel effizienter zu sein als ein Benzin- oder Dieselmotor. Heute werden Stirlingmotoren jedoch nur in einigen sehr speziellen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in U-Booten oder Hilfsstromgeneratoren für Yachten, bei denen ein leiser Betrieb wichtig ist. Obwohl es keine erfolgreiche Massenmarktanwendung für den Stirlingmotor gab, arbeiten einige sehr leistungsstarke Erfinder daran.

Ein Stirlingmotor verwendet die Stirling-Zyklus,- Dies ist anders als bei Zyklen, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden.

• Die in einem Stirlingmotor verwendeten Gase verlassen den Motor niemals. Es gibt keine Auslassventile, die Hochdruckgase wie bei einem Benzin- oder Dieselmotor ablassen, und es finden keine Explosionen statt. Aus diesem Grund sind Stirlingmotoren sehr leise.
• Der Stirling-Zyklus verwendet eine externe Wärmequelle, die von Benzin über Sonnenenergie bis hin zu Wärme, die von verfallenden Pflanzen erzeugt wird, reichen kann. In den Zylindern des Motors findet keine Verbrennung statt.

Es gibt Hunderte von Möglichkeiten, einen Stirlingmotor zusammenzustellen. In diesem Artikel lernen wir den Stirling-Zyklus kennen und sehen, wie zwei verschiedene Konfigurationen dieses Motors funktionieren.

Inhalt

1. Der Stirling-Zyklus
2. Verdränger-Stirlingmotor
3. Zweikolben-Stirlingmotor
4. Warum sind Stirlingmotoren nicht häufiger??

Das Schlüsselprinzip eines Stirlingmotors ist das Eine feste Menge eines Gases ist im Motor eingeschlossen. Der Stirling-Zyklus umfasst eine Reihe von Ereignissen, die den Druck des Gases im Motor verändern und dazu führen, dass es funktioniert.

Es gibt verschiedene Eigenschaften von Gasen, die für den Betrieb von Stirlingmotoren entscheidend sind:

• Wenn Sie eine feste Gasmenge in einem festen Raumvolumen haben und die Temperatur dieses Gases erhöhen, steigt der Druck.
• Wenn Sie eine feste Gasmenge haben und diese komprimieren (das Raumvolumen verringern), steigt die Temperatur dieses Gases an.

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Lassen Sie uns jeden Teil des Stirling-Zyklus durchgehen, während wir uns einen vereinfachten Stirling-Motor ansehen. Unser vereinfachter Motor verwendet zwei Zylinder. Ein Zylinder wird von einer externen Wärmequelle (z. B. Feuer) erwärmt, der andere von einer externen Kühlquelle (z. B. Eis). Die Gaskammern der beiden Zylinder sind miteinander verbunden, und die Kolben sind mechanisch durch eine Verbindung miteinander verbunden, die bestimmt, wie sie sich relativ zueinander bewegen.

Der Stirling-Zyklus besteht aus vier Teilen. Die beiden Kolben in der obigen Animation führen alle Teile des Zyklus aus:

1. Dem Gas im beheizten Zylinder (links) wird Wärme zugeführt, wodurch sich Druck aufbaut. Dies zwingt den Kolben, sich nach unten zu bewegen. Dies ist der Teil des Stirling-Zyklus, der die Arbeit erledigt.
2. Der linke Kolben bewegt sich nach oben, während sich der rechte Kolben nach unten bewegt. Dadurch wird das heiße Gas in den gekühlten Zylinder gedrückt, wodurch das Gas schnell auf die Temperatur der Kühlquelle abgekühlt wird und der Druck gesenkt wird. Dies erleichtert das Komprimieren des Gases im nächsten Teil des Zyklus.
3. Der Kolben im gekühlten Zylinder (rechts) beginnt das Gas zu komprimieren. Durch diese Kompression erzeugte Wärme wird von der Kühlquelle abgeführt.
4. Der rechte Kolben bewegt sich nach oben, während sich der linke Kolben nach unten bewegt. Dies drückt das Gas in den beheizten Zylinder, wo es sich schnell erwärmt und Druck aufbaut. An diesem Punkt wiederholt sich der Zyklus.

Der Stirlingmotor macht nur im ersten Teil des Zyklus Strom. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Leistung eines Stirling-Zyklus zu erhöhen:

• Erhöhen Sie die Leistung in Stufe eins - In Teil eins des Zyklus führt der Druck des erhitzten Gases, das gegen den Kolben drückt, Arbeit aus. Durch Erhöhen des Drucks während dieses Teils des Zyklus wird die Leistung des Motors erhöht. Eine Möglichkeit, den Druck zu erhöhen, besteht darin, die Temperatur des Gases zu erhöhen. Wenn wir uns später in diesem Artikel einen Zweikolben-Stirlingmotor ansehen, werden wir sehen, wie ein Gerät namens a Regenerator kann die Leistung des Motors verbessern, indem Wärme vorübergehend gespeichert wird.
• Verringern Sie den Stromverbrauch in Stufe drei - Im dritten Teil des Zyklus arbeiten die Kolben mit einem Teil der im ersten Teil erzeugten Leistung am Gas. Durch Verringern des Drucks während dieses Teils des Zyklus kann die in dieser Phase des Zyklus verbrauchte Leistung verringert werden (wodurch die Leistungsabgabe des Motors effektiv erhöht wird). Eine Möglichkeit, den Druck zu verringern, besteht darin, das Gas auf eine niedrigere Temperatur abzukühlen.

In diesem Abschnitt wurde der ideale Stirlingzyklus beschrieben. Tatsächlich arbeitende Motoren variieren den Zyklus aufgrund der physikalischen Einschränkungen ihres Designs geringfügig. In den nächsten beiden Abschnitten werden wir uns einige verschiedene Arten von Stirlingmotoren ansehen. Der Verdrängermotor ist wahrscheinlich am einfachsten zu verstehen, also fangen wir dort an.

Besonderer Dank

Besonderer Dank geht an Brent Van Arsdell von der American Stirling Company für seine Hilfe bei diesem Artikel.

Anstelle von zwei Kolben hat ein Verdrängermotor einen Kolben und einen Verdränger. Das Verdränger dient zur Steuerung, wann die Gaskammer erwärmt und wann sie gekühlt wird. Diese Art von Stirlingmotor wird manchmal bei Demonstrationen im Klassenzimmer verwendet. Sie können sogar ein Kit kaufen, um eines selbst zu bauen!

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Um zu laufen, benötigt der Motor oben a Temperaturunterschied zwischen der Oberseite und der Unterseite des großen Zylinders. In diesem Fall reicht der Unterschied zwischen der Temperatur Ihrer Hand und der Luft um sie herum aus, um den Motor anzutreiben.

In der Abbildung auf dieser Seite sehen Sie zwei Kolben:

1. Das Kraftkolben - Dies ist der kleinere Kolben oben am Motor. Es ist ein dicht verschlossener Kolben, der sich nach oben bewegt, wenn sich das Gas im Motor ausdehnt.
2. Das Verdränger - Dies ist der große Kolben in der Zeichnung. Dieser Kolben ist in seinem Zylinder sehr locker, so dass sich Luft leicht zwischen den beheizten und gekühlten Abschnitten des Motors bewegen kann, wenn sich der Kolben auf und ab bewegt.

Der Verdränger bewegt sich auf und ab, um zu steuern, ob das Gas im Motor erwärmt oder gekühlt wird. Es gibt zwei Positionen:

• Wenn sich der Verdränger in der Nähe der Oberseite des großen Zylinders befindet, wird der größte Teil des Gases im Motor von der Wärmequelle erwärmt und dehnt sich aus. Im Motor baut sich Druck auf, der den Kraftkolben nach oben drückt.
• Wenn sich der Verdränger in der Nähe des Bodens des großen Zylinders befindet, kühlt sich das meiste Gas im Motor ab und zieht sich zusammen. Dadurch sinkt der Druck und der Kraftkolben kann sich leichter nach unten bewegen und das Gas komprimieren.

Der Motor erwärmt und kühlt das Gas wiederholt und entzieht der Expansion und Kontraktion des Gases Energie.

Als nächstes schauen wir uns einen Zweikolben-Stirlingmotor an.

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Bei diesem Motor wird der beheizte Zylinder durch eine externe Flamme erwärmt. Der gekühlte Zylinder ist luftgekühlt und verfügt über Rippen, um den Kühlprozess zu unterstützen. Eine von jedem Kolben stammende Stange ist mit einer kleinen Scheibe verbunden, die wiederum mit einem größeren Schwungrad verbunden ist. Dies hält die Kolben in Bewegung, wenn vom Motor kein Strom erzeugt wird.

Die Flamme erwärmt kontinuierlich den unteren Zylinder.

1. Im ersten Teil des Zyklus baut sich Druck auf, wodurch der Kolben gezwungen wird, sich nach links zu bewegen und Arbeit zu leisten. Der gekühlte Kolben bleibt ungefähr stationär, da er sich an dem Punkt seiner Umdrehung befindet, an dem er die Richtung ändert.
2. In der nächsten Stufe bewegen sich beide Kolben. Der beheizte Kolben bewegt sich nach rechts und der gekühlte Kolben bewegt sich nach oben. Dies bewegt den größten Teil des Gases durch die Regenerator und in den gekühlten Kolben. Der Regenerator ist ein Gerät, das vorübergehend Wärme speichern kann - es kann sich um ein Drahtgeflecht handeln, durch das die erhitzten Gase strömen. Die große Oberfläche des Drahtgeflechts nimmt den größten Teil der Wärme schnell auf. Dadurch bleibt weniger Wärme von den Kühlrippen abgeführt.
3. Als nächstes beginnt der Kolben im gekühlten Zylinder, das Gas zu komprimieren. Durch diese Kompression erzeugte Wärme wird von den Kühlrippen abgeführt.
4. In der letzten Phase des Zyklus bewegen sich beide Kolben - der gekühlte Kolben bewegt sich nach unten, während sich der beheizte Kolben nach links bewegt. Dadurch wird das Gas über den Regenerator (wo es die im vorherigen Zyklus dort gespeicherte Wärme aufnimmt) und in den beheizten Zylinder gedrückt. An diesem Punkt beginnt der Zyklus erneut.

Sie fragen sich vielleicht, warum es noch keine Massenmarktanwendungen für Stirlingmotoren gibt. Im nächsten Abschnitt werden wir uns einige Gründe dafür ansehen.

Es gibt einige Schlüsselmerkmale, die Stirlingmotoren für den Einsatz in vielen Anwendungen, einschließlich in den meisten Autos und Lastwagen, unpraktisch machen.

weil Die Wärmequelle ist extern, Es dauert eine Weile, bis der Motor auf Änderungen der Wärmemenge reagiert, die auf den Zylinder ausgeübt wird. Es dauert einige Zeit, bis die Wärme durch die Zylinderwände in das Gas im Motor geleitet wird. Dies bedeutet, dass:

• Der Motor benötigt einige Zeit zum Aufwärmen, bevor er Nutzleistung erzeugen kann.
• Der Motor kann seine Leistung nicht schnell ändern.

Diese Mängel garantieren fast, dass der Verbrennungsmotor in Autos nicht ersetzt wird. Ein Hybridauto mit Stirling-Motor könnte jedoch machbar sein.

Weitere Informationen zu Stirlingmotoren und verwandten Themen finden Sie unter den Links auf der nächsten Seite.

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Weitere großartige Links

• American Stirling Company
• Stirling Engine Society USA
• Blechdose Stirling Motor Pläne
• Stirling Engine Homepage
• AirSport: Stirling Engine: Das Flugzeugtriebwerk der Zukunft
• Der Idaho Stirling Motor