Den moderne bilindustri har nået et udviklingsniveau, hvor det uden grundlæggende videnskabelig forskning er næsten umuligt at opnå grundlæggende forbedringer i designet af traditionelle forbrændingsmotorer. Denne situation tvinger designere til at være opmærksomme på alternative kraftværksdesign. Nogle ingeniørcentre har fokuseret deres indsats på at skabe og tilpasse hybride og elektriske modeller til serieproduktion, mens andre bilproducenter investerer i udviklingen af motorer, der bruger brændstof fra vedvarende kilder (for eksempel biodiesel, der bruger rapsolie). Der er andre drivlinjeprojekter, der i sidste ende kan blive det nye standardfremdriftssystem til køretøjer.
Mulige kilder til mekanisk energi til fremtidige biler omfatter den eksterne forbrændingsmotor, som blev opfundet i midten af det 19. århundrede af skotten Robert Stirling som en termisk ekspansionsmotor.
Driftsskema
Stirling-motoren omdanner termisk energi leveret udefra til nyttigt mekanisk arbejde ved ændringer i arbejdsvæsketemperaturen(gas eller væske), der cirkulerer i et lukket volumen.
Generelt er enhedens driftsdiagram som følger: I den nederste del af motoren opvarmes arbejdsstoffet (for eksempel luft) og, stigende i volumen, skubber stemplet opad. Varm luft kommer ind i den øverste del af motoren, hvor den køles af en radiator. Arbejdsvæskens tryk falder, stemplet sænkes til næste cyklus. I dette tilfælde er systemet forseglet, og arbejdsstoffet forbruges ikke, men bevæger sig kun inde i cylinderen.
Der er flere designmuligheder for kraftenheder, der bruger Stirling-princippet.
Stirling modifikation "Alpha"
Motoren består af to separate kraftstempler (varme og kolde), som hver er placeret i hver sin cylinder. Varme tilføres cylinderen med det varme stempel, og den kolde cylinder er placeret i en kølende varmeveksler.
Stirling modifikation "Beta"
Cylinderen med stemplet opvarmes i den ene ende og afkøles i den modsatte ende. Et kraftstempel og en forskyder bevæger sig i cylinderen, designet til at ændre volumen af arbejdsgassen. Regeneratoren udfører returbevægelsen af det afkølede arbejdsstof ind i motorens varme hulrum.
Stirling modifikation "Gamma"
Designet består af to cylindre. Den første er helt kold, hvor kraftstemplet bevæger sig, og den anden, varm på den ene side og kold på den anden, tjener til at flytte forskyderen. En regenerator til cirkulation af kold gas kan være fælles for begge cylindre eller være en del af fortrængerdesignet.
Fordele ved Stirling-motoren
Som de fleste eksterne forbrændingsmotorer er Stirling karakteriseret multibrændstof: motoren kører på grund af temperaturændringer, uanset årsagerne, der forårsagede det.
Interessant fakta! En installation blev engang demonstreret, som fungerede på tyve brændstofmuligheder. Uden at stoppe motoren blev benzin, dieselbrændstof, metan, råolie og vegetabilsk olie leveret til det eksterne forbrændingskammer - kraftenheden fortsatte med at fungere stabilt.
Motoren har enkelhed i designet og kræver ikke yderligere systemer og tilbehør (tandrem, starter, gearkasse).
Enhedens funktioner garanterer en lang levetid: mere end hundrede tusinde timers kontinuerlig drift.
Stirling-motoren er lydløs, da detonation ikke forekommer i cylindrene, og der er ingen grund til at fjerne udstødningsgasser. Beta-modifikationen, udstyret med en rombisk krankmekanisme, er et perfekt afbalanceret system, der ikke har nogen vibrationer under drift.
Der sker ingen processer i motorcylindrene, som kan have en negativ indvirkning på miljøet. Ved at vælge en passende varmekilde (f.eks. solenergi) kan Stirling være absolut miljøvenlig kraftenhed.
Ulemper ved Stirling-designet
På trods af alle de positive egenskaber er umiddelbar massebrug af Stirling-motorer umulig af følgende årsager:
Hovedproblemet er strukturens materialeforbrug. Køling af arbejdsvæsken kræver radiatorer med stort volumen, hvilket markant øger installationens størrelse og metalforbrug.
Det nuværende teknologiske niveau vil give Stirling-motoren mulighed for at sammenligne ydeevne med moderne benzinmotorer kun ved brug af komplekse typer arbejdsvæske (helium eller brint) under tryk på mere end hundrede atmosfærer. Denne kendsgerning rejser alvorlige spørgsmål både inden for materialevidenskab og for at sikre brugersikkerhed.
Et vigtigt driftsproblem er relateret til spørgsmål om termisk ledningsevne og temperaturmodstand af metaller. Varme tilføres arbejdsvolumenet gennem varmevekslere, hvilket fører til uundgåelige tab. Derudover skal varmeveksleren være lavet af varmebestandige metaller, der kan modstå højt tryk. Egnede materialer er meget dyre og vanskelige at bearbejde.
Principperne for at ændre tilstandene for Stirling-motoren er også radikalt forskellige fra traditionelle, hvilket kræver udvikling af specielle kontrolenheder. For at ændre effekt er det således nødvendigt at ændre trykket i cylindrene, fasevinklen mellem forskyderen og kraftstemplet eller påvirke kapaciteten af hulrummet med arbejdsfluidet.
En måde at kontrollere akslens rotationshastighed på en Stirling-motormodel kan ses i følgende video:
Effektivitet
I teoretiske beregninger afhænger effektiviteten af Stirling-motoren af temperaturforskellen i arbejdsvæsken og kan nå op på 70 % eller mere i overensstemmelse med Carnot-cyklussen.
Imidlertid havde de første prøver realiseret i metal ekstremt lav effektivitet af følgende årsager:
- ineffektive kølevæske (arbejdsvæske) muligheder, der begrænser den maksimale opvarmningstemperatur;
- energitab på grund af friktion af dele og termisk ledningsevne af motorhuset;
- mangel på byggematerialer, der er modstandsdygtige over for højt tryk.
Tekniske løsninger forbedrede konstant designet af kraftenheden. Således, i anden halvdel af det 20. århundrede, en fire-cylindret automobil Stirling-motoren med et rombisk drev viste en effektivitet på 35 % i test på en vandkølingsvæske med en temperatur på 55 ° C. Omhyggelig designudvikling, brug af nye materialer og finjustering af arbejdsenheder sikrede, at effektiviteten af de eksperimentelle prøver var 39%.
Note! Moderne benzinmotorer med lignende effekt har en effektivitet på 28-30%, og turboladede dieselmotorer inden for 32-35%.
Moderne eksempler på Stirling-motoren, som den, der er skabt af det amerikanske firma Mechanical Technology Inc., viser effektivitet på op til 43,5%. Og med udviklingen af produktionen af varmebestandig keramik og lignende innovative materialer vil det være muligt at øge temperaturen i arbejdsmiljøet markant og opnå en effektivitet på 60 %.
Eksempler på vellykket implementering af bil Stirlings
På trods af alle vanskelighederne er der mange kendte effektive Stirling-motormodeller, der er anvendelige til bilindustrien.
Interessen for Stirling, egnet til installation i en bil, dukkede op i 50'erne af det 20. århundrede. Arbejdet i denne retning blev udført af virksomheder som Ford Motor Company, Volkswagen Group og andre.
Det UNITED STIRLING-firma (Sverige) udviklede Stirling, som gjorde maksimal brug af serielle komponenter og samlinger produceret af bilproducenter (krumtapaksel, plejlstænger). Den resulterende firecylindrede V-motor havde en specifik vægt på 2,4 kg/kW, hvilket kan sammenlignes med egenskaberne for en kompakt dieselmotor. Denne enhed blev med succes testet som et kraftværk til en 7-tons varevogn.
En af de vellykkede prøver er en firecylindret Stirling-motor fremstillet i Holland, model "Philips 4-125DA", beregnet til installation i en personbil. Motoren havde en arbejdseffekt på 173 hk. Med. i dimensioner svarende til en klassisk benzinenhed.
General Motors ingeniører opnåede betydelige resultater ved at bygge en otte-cylindret (4 arbejds- og 4 kompressionscylindre) V-formet Stirling-motor med en standard krankmekanisme i 70'erne.
Et lignende kraftværk i 1972 udstyret med en begrænset serie af Ford Torino biler, hvis brændstofforbrug er faldet med 25% sammenlignet med den klassiske benzin V-formede otte.
I øjeblikket arbejder mere end halvtreds udenlandske virksomheder på at forbedre designet af Stirling-motoren for at tilpasse den til masseproduktion til bilindustriens behov. Og hvis det er muligt at eliminere ulemperne ved denne type motor, samtidig med at dens fordele bevares, så vil det være Stirling, og ikke turbiner og elektriske motorer, der erstatter benzinforbrændingsmotorer.
En Stirling-motor er en motor, der kan drives af termisk energi. I dette tilfælde er varmekilden absolut ikke vigtig. Det vigtigste er, at der er en temperaturforskel, i hvilket tilfælde denne motor vil fungere. Forfatteren fandt ud af, hvordan man laver en model af en sådan motor fra en Coca-Cola-dåse.
Materialer og værktøjer
- en ballon;
- 3 cola dåser;
- elektriske terminaler, fem stykker (5A);
- nipler til fastgørelse af cykeleger (2 stk.);
- metaluld;
- et stykke ståltråd 30 cm langt og 1 mm i tværsnit;
- et stykke tyk stål- eller kobbertråd med en diameter på 1,6 til 2 mm;
- træstift med en diameter på 20 mm (længde 1 cm);
- flaskehætte (plastik);
- elektriske ledninger (30 cm);
- superlim;
- vulkaniseret gummi (ca. 2 kvadratcentimeter);
- fiskesnøre (længde ca. 30 cm);
- et par vægte til balancering (for eksempel nikkel);
- CD'er (3 stykker);
- trykstifter;
- en anden dåse til fremstilling af et brændkammer;
- varmebestandig silikone og en dåse for at skabe vandkøling.
Trin et. Forberedelse af krukker
Først og fremmest skal du tage to dåser og skære toppen af dem af. Hvis toppene klippes med en saks, skal de resulterende hakker files af med en fil.
Dernæst skal du skære bunden af krukken ud. Dette kan gøres med en kniv.
Trin to. Oprettelse af en blænde
Forfatteren brugte en ballon, som var forstærket med vulkaniseret gummi, som membran. Kuglen skal skæres og trækkes på krukken, som vist på billedet. Et stykke vulkaniseret gummi limes derefter til midten af membranen. Efter at limen er hærdet, udstanses der et hul i midten af membranen til montering af tråden. Det gøres nemmest ved at bruge en tryknål, som kan efterlades i hullet indtil montering.
Trin tre. Skæring og skabelse af huller i låget
Du skal bore to 2 mm huller i dækslets vægge, de er nødvendige for at installere håndtagenes roterende akse. Et andet hul skal bores i bunden af låget, der passerer en ledning gennem det, som vil blive forbundet med forskyderen.
I sidste fase skal låget skæres som vist på billedet. Dette gøres for at fortrængertråden ikke griber i lågets kanter. Husholdningssakse er velegnede til sådant arbejde.
Trin fire. Boring
Du skal bore to huller i dåsen til lejerne. I dette tilfælde blev det gjort med et 3,5 mm bor.
Trin fem. Oprettelse af et visningsvindue
Et inspektionsvindue skal skæres ud i motorhuset. Nu kan du se, hvordan alle komponenter i enheden fungerer.
Trin seks. Ændring af terminaler
Du skal tage terminalerne og fjerne plastikisoleringen fra dem. Tag derefter en boremaskine og lav gennemgående huller ved kanterne af terminalerne. I alt skal du bore 3 terminaler, så to efterlades uborede.
Trin syv. Skaber gearing
Materialet, der bruges til at skabe håndtagene, er kobbertråd, hvis diameter er 1,88 mm. Hvordan strikkepindene præcist bøjes er vist på billederne. Du kan også bruge ståltråd, det er bare mere behageligt at arbejde med kobber.
Trin otte. Fremstilling af lejer
For at lave lejerne skal du bruge to cykelnipler. Hullernes diameter skal kontrolleres. Forfatteren borede dem igennem ved hjælp af et 2 mm bor.
Trin ni. Montering af håndtag og lejer
Håndtagene kan installeres direkte gennem visningsvinduet. Den ene ende af ledningen skal være lang, der vil være et svinghjul på den. Lejerne skal passe tæt på plads. Hvis der er slør, kan de limes.
Trin ti. Oprettelse af en fortrænger
Forskyderen er lavet af ståluld til polering. For at skabe en forskyder tages en ståltråd, der laves en krog på den, og derefter vikles den nødvendige mængde bomuldsuld på tråden. Forskyderen skal være af en sådan størrelse, at den kan bevæge sig frit i krukken. Den samlede højde af forskyderen bør ikke være mere end 5 cm.
Som et resultat skal du på den ene side af vaten danne en spiral af tråd, så den ikke kommer ud af vattet, og på den anden side er en løkke lavet af tråd. Dernæst bindes en fiskeline til denne løkke, som efterfølgende trækkes gennem midten af mellemgulvet. Det vulkaniserede gummi skal være i midten af beholderen.
Trin 11: Opret en trykbeholder
Du skal skære bunden af krukken, så der er cirka 2,5 cm tilbage fra bunden. Forskyderen skal sammen med membranen placeres i tanken. Herefter er hele denne mekanisme installeret for enden af dåsen. Membranen skal strammes lidt, så den ikke synker.
Så skal du tage terminalen, der ikke blev boret, og strække fiskesnøret igennem den. Knuten skal limes, så den ikke bevæger sig. Tråden skal være godt smurt med olie og samtidig sørge for, at forskyderen nemt trækker linen med sig
Trin 12: Oprettelse af skubbestænger
Skubstænger forbinder membranen og håndtagene. Dette gøres med et stykke kobbertråd på 15 cm.
Trin 13. Opret og installer svinghjulet
For at lave et svinghjul bruges 3 gamle cd'er. En træstang bruges som den centrale del. Efter montering af svinghjulet bøjes krumtapakslen, så svinghjulet ikke falder af.
I sidste fase samles hele mekanismen sammen.
Forbrugsøkologi Videnskab og teknologi: Stirlingmotoren bruges oftest i situationer, hvor der kræves et apparat til omdannelse af termisk energi, karakteriseret ved enkelhed og effektivitet.
For mindre end hundrede år siden forsøgte forbrændingsmotorer at vinde deres retmæssige plads i konkurrencen blandt andre tilgængelige maskiner og bevægelige mekanismer. Desuden var benzinmotorens overlegenhed i disse dage ikke så indlysende. Eksisterende maskiner drevet af dampmaskiner var kendetegnet ved deres støjsvaghed, fremragende kraftegenskaber for den tid, lette vedligeholdelse og evnen til at bruge forskellige typer brændstof. I den videre kamp om markedet fik forbrændingsmotorer på grund af deres effektivitet, pålidelighed og enkelhed overhånd.
Det videre kapløb om at forbedre enheder og drivmekanismer, som gasturbiner og roterende motortyper gik ind i i midten af det 20. århundrede, førte til, at man på trods af benzinmotorens overlegenhed forsøgte at introducere en helt ny type motor ind på "legepladsen" - termisk, for første gang opfundet tilbage i 1861 af en skotsk præst ved navn Robert Stirling. Motoren fik navnet på sin skaber.
STIRLINGMOTOR: PROBLEMETS FYSISKE SIDE
For at forstå, hvordan et bordplade Stirling-kraftværk fungerer, skal du forstå en generel forståelse af driftsprincipperne for varmemotorer. Fysisk er operationsprincippet at bruge mekanisk energi, som opnås, når gas udvider sig, når den opvarmes, og dens efterfølgende kompression, når den afkøles. For at demonstrere funktionsprincippet kan vi give et eksempel baseret på en almindelig plastikflaske og to pander, hvoraf den ene indeholder koldt vand, den anden varm.
Når flasken sænkes ned i koldt vand, hvis temperatur er tæt på den temperatur, hvor der dannes is, og luften inde i plastikbeholderen er tilstrækkeligt afkølet, skal den lukkes med en prop. Yderligere, når flasken placeres i kogende vand, efter nogen tid "skyder" proppen med kraft, da den opvarmede luft i dette tilfælde udførte arbejde mange gange større end det, der blev udført under afkøling. Hvis forsøget gentages mange gange, ændres resultatet ikke.
De første maskiner, der blev bygget ved hjælp af Stirling-motoren, gengav nøjagtigt den proces, der blev demonstreret i eksperimentet. Mekanismen krævede naturligvis en forbedring, som bestod i at bruge en del af den varme, som gassen tabte under afkølingsprocessen, til yderligere opvarmning, hvilket gjorde det muligt for varmen at blive returneret til gassen for at accelerere opvarmningen.
Men selv brugen af denne innovation kunne ikke redde situationen, da de første Stirlings var store i størrelse og havde lav effekt. Efterfølgende blev der mere end én gang forsøgt at modernisere designet til at opnå en effekt på 250 hk. førte til, at i nærværelse af en cylinder med en diameter på 4,2 meter, var den faktiske effekt, der blev produceret af Stirling-kraftværket på 183 kW, faktisk kun 73 kW.
Alle Stirling-motorer fungerer efter princippet om Stirling-cyklussen, som omfatter fire hovedfaser og to mellemfaser. De vigtigste er opvarmning, ekspansion, køling og kompression. Overgangstrinnet anses for at være overgangen til koldgeneratoren og overgangen til varmeelementet. Det nyttige arbejde, som motoren udfører, er udelukkende baseret på temperaturforskellen mellem varme- og køledelene.
MODERNE STIRLING KONFIGURATIONER
Moderne teknik skelner mellem tre hovedtyper af sådanne motorer:
- alpha stirling, hvis forskel er to aktive stempler placeret i uafhængige cylindre. Af alle tre muligheder har denne model den højeste effekt, med den højeste varmestempeltemperatur;
- beta stirling, baseret på en cylinder, hvoraf den ene del er varm og den anden kold;
- Gamma Stirling, som udover stemplet også har en forskyder.
Produktionen af Stirling-kraftværket vil afhænge af valget af motormodel, som vil tage højde for alle de positive og negative aspekter af et sådant projekt.
FORDELE OG ULEMPER
På grund af deres designfunktioner har disse motorer en række fordele, men de er ikke uden ulemper.
Et stationært Stirling-kraftværk, som ikke kan købes i en butik, men kun fra hobbyister, der uafhængigt samler sådanne enheder, inkluderer:
- store størrelser, som er forårsaget af behovet for konstant afkøling af arbejdsstemplet;
- brugen af højt tryk, som er påkrævet for at forbedre motorens ydeevne og kraft;
- varmetab, som opstår på grund af det faktum, at den genererede varme ikke overføres til selve arbejdsvæsken, men gennem et system af varmevekslere, hvis opvarmning fører til et tab af effektivitet;
- en kraftig reduktion i kraften kræver brug af specielle principper, der adskiller sig fra dem, der er traditionelle for benzinmotorer.
Sammen med ulemperne har kraftværker, der opererer på Stirling-enheder, ubestridelige fordele:
- enhver type brændstof, da denne motor, ligesom alle motorer, der bruger termisk energi, er i stand til at fungere ved en temperaturforskel i ethvert miljø;
- effektivitet. Disse enheder kan være en fremragende erstatning for dampenheder i tilfælde, hvor det er nødvendigt at behandle solenergi, hvilket giver en effektivitet på 30% højere;
- miljøsikkerhed. Da bordpladen kW kraftværket ikke skaber et udstødningsmoment, producerer det ikke støj og udsender ikke skadelige stoffer til atmosfæren. Kraftkilden er almindelig varme, og brændslet brænder næsten helt ud;
- strukturel enkelhed. Til sit arbejde vil Stirling ikke kræve yderligere dele eller enheder. Den er i stand til at starte selvstændigt uden at bruge en starter;
- øget ydeevne ressource. På grund af sin enkelhed kan motoren yde hundredvis af timers kontinuerlig drift.
ANVENDELSESOMRÅDER FOR STIRLINGMOTORER
Stirling-motoren bruges oftest i situationer, hvor der kræves en enhed til konvertering af termisk energi, der er enkel, mens effektiviteten af andre typer termiske enheder er væsentligt lavere under lignende forhold. Meget ofte bruges sådanne enheder til at drive pumpeudstyr, køleskabe, ubåde og energilagringsbatterier.
Et af de lovende områder for brugen af Stirling-motorer er solenergianlæg, da denne enhed med succes kan bruges til at omdanne solstrålernes energi til elektrisk energi. For at udføre denne proces er motoren placeret i brændpunktet af et spejl, der akkumulerer solstråler, hvilket giver permanent belysning af det område, der kræver opvarmning. Dette gør det muligt at fokusere solenergi på et lille område. Brændstoffet til motoren er i dette tilfælde helium eller brint. offentliggjort
I hvilken arbejdsvæsken (gasformig eller flydende) bevæger sig i et lukket volumen, er det i det væsentlige en type ekstern forbrændingsmotor. Denne mekanisme er baseret på princippet om periodisk opvarmning og afkøling af arbejdsvæsken. Energi udvindes fra arbejdsvæskens udstrømmende volumen. Stirling-motoren fungerer ikke kun fra energien fra brændende brændstof, men også fra næsten enhver kilde. Denne mekanisme blev patenteret af skotten Robert Stirling i 1816.
Den beskrevne mekanisme har på trods af sin lave effektivitet en række fordele, først og fremmest er det enkelhed og uhøjtidelighed. Takket være dette forsøger mange amatørdesignere at samle en Stirling-motor med egne hænder. Nogle lykkes og nogle gør ikke.
I denne artikel vil vi se på DIY Stirling fra skrotmaterialer. Vi skal bruge følgende emner og værktøj: en blikdåse (kan være fra brisling), metalplade, papirclips, skumgummi, gummibånd, taske, trådskærer, tænger, saks, loddekolbe,
Lad os nu begynde at samle. Her er detaljerede instruktioner om, hvordan man laver en Stirling-motor med egne hænder. Først skal du vaske krukken og slibe kanterne. Vi skærer en cirkel ud af metalplade, så den passer på dåsens inderkanter. Vi bestemmer midten (til dette bruger vi en skydelære eller lineal), laver et hul med en saks. Tag derefter kobbertråd og en papirclips, ret papirclipsen ud og lav en ring til sidst. Vi snor ledningen rundt om papirclipsen - fire snævre drejninger. Brug derefter en loddekolbe til at fortinne den resulterende spiral med en lille mængde lodde. Derefter skal du forsigtigt lodde spiralen til hullet i låget, så stangen er vinkelret på låget. Papirclipsen skal bevæge sig frit.
Efter dette skal du lave et forbindelseshul i låget. Vi laver en forskyder af skumgummi. Dens diameter skal være lidt mindre end dåsens diameter, men der bør ikke være et stort mellemrum. Højden på forskyderen er lidt mere end halvdelen af dåsen. Vi skærer et hul i midten af skumgummiet til ærmet, sidstnævnte kan være lavet af gummi eller kork. Vi indsætter stangen i den resulterende bøsning og forsegler alt. Forskyderen skal placeres parallelt med låget, dette er en vigtig betingelse. Derefter er der kun tilbage at lukke krukken og forsegle kanterne. Sømmen skal forsegles. Lad os nu begynde at lave arbejdscylinderen. For at gøre dette skal du skære en strimmel af tin 60 mm lang og 25 mm bred, bøje kanten 2 mm med en tang. Vi danner en ærme, lod derefter kanten, så skal du lodde ærmet til låget (over hullet).
Nu kan du begynde at lave membranen. For at gøre dette skal du klippe et stykke film fra posen, trykke det lidt indad med fingeren og trykke på kanterne med en elastik. Dernæst skal du kontrollere den korrekte samling. Varm bunden af krukken op over ilden og træk i stilken. Som et resultat skal membranen bøje udad, og hvis stangen frigives, skal forskyderen sænkes under sin egen vægt, og følgelig vender membranen tilbage til sin plads. Hvis forskyderen ikke er lavet korrekt eller lodningen af dåsen ikke er lufttæt, vil stangen ikke vende tilbage på plads. Efter dette laver vi krumtapakslen og stivere (krumtapafstanden skal være 90 grader). Højden på krumtappene skal være 7 mm, og højden af forskydningerne 5 mm. Længden af plejlstængerne bestemmes af krumtapakslens position. Enden af håndsvinget sættes i stikket. Så vi så på, hvordan man samler en Stirling-motor med egne hænder.
En sådan mekanisme vil fungere fra et almindeligt stearinlys. Hvis du fastgør magneter til svinghjulet og tager spolen fra en akvariekompressor, kan en sådan enhed erstatte en simpel elektrisk motor. Som du kan se, er det slet ikke svært at lave en sådan enhed med dine egne hænder. Der ville være et ønske.