อุตสาหกรรมยานยนต์ยุคใหม่ได้มาถึงระดับของการพัฒนา ซึ่งหากไม่มีการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐาน แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะบรรลุการปรับปรุงขั้นพื้นฐานในการออกแบบเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบเดิม สถานการณ์นี้บังคับให้นักออกแบบต้องให้ความสนใจ การออกแบบโรงไฟฟ้าพลังงานทางเลือก- ศูนย์วิศวกรรมบางแห่งมุ่งเน้นไปที่ความพยายามในการสร้างและปรับใช้โมเดลไฮบริดและไฟฟ้าสำหรับการผลิตแบบอนุกรม ในขณะที่ผู้ผลิตรถยนต์รายอื่นๆ กำลังลงทุนในการพัฒนาเครื่องยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงจากแหล่งหมุนเวียน (เช่น ไบโอดีเซลที่ใช้น้ำมันเรพซีด) ยังมีโครงการระบบส่งกำลังอื่นๆ ที่อาจกลายเป็นระบบขับเคลื่อนมาตรฐานใหม่สำหรับยานพาหนะในที่สุด
แหล่งที่มาของพลังงานกลที่เป็นไปได้สำหรับรถยนต์ในอนาคต ได้แก่ เครื่องยนต์สันดาปภายนอก ซึ่งคิดค้นขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 โดยโรเบิร์ต สเตอร์ลิง ชาวสกอต เพื่อเป็นเครื่องยนต์ขยายความร้อน
รูปแบบการดำเนินงาน
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงแปลงพลังงานความร้อนที่ได้รับจากภายนอกให้เป็นงานเครื่องกลที่มีประโยชน์ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของของไหลทำงาน(ก๊าซหรือของเหลว) หมุนเวียนในปริมาตรปิด
โดยทั่วไปแผนภาพการทำงานของอุปกรณ์มีดังนี้: ในส่วนล่างของเครื่องยนต์สารทำงาน (เช่นอากาศ) จะร้อนขึ้นและเมื่อปริมาตรเพิ่มขึ้นดันลูกสูบขึ้น อากาศร้อนเข้าสู่ส่วนบนของเครื่องยนต์ ซึ่งจะถูกระบายความร้อนด้วยหม้อน้ำ ความดันของของไหลทำงานลดลง ลูกสูบจะลดลงในรอบถัดไป ในกรณีนี้ระบบจะถูกปิดผนึกและไม่ใช้สารทำงาน แต่จะเคลื่อนที่ภายในกระบอกสูบเท่านั้น
มีตัวเลือกการออกแบบหลายประการสำหรับหน่วยกำลังโดยใช้หลักการสเตอร์ลิง
การดัดแปลงสเตอร์ลิง "อัลฟ่า"
เครื่องยนต์ประกอบด้วยลูกสูบกำลังสองตัวแยกกัน (ร้อนและเย็น) ซึ่งแต่ละลูกสูบอยู่ในกระบอกสูบของตัวเอง ความร้อนจะถูกส่งไปยังกระบอกสูบด้วยลูกสูบร้อน และกระบอกสูบเย็นจะอยู่ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบทำความเย็น
การดัดแปลงสเตอร์ลิง "เบต้า"
กระบอกสูบที่บรรจุลูกสูบจะถูกให้ความร้อนที่ปลายด้านหนึ่งและระบายความร้อนที่ปลายอีกด้านหนึ่ง ลูกสูบกำลังและดิสเพลสเซอร์เคลื่อนที่ในกระบอกสูบ ออกแบบมาเพื่อเปลี่ยนปริมาตรของก๊าซที่ใช้งาน เครื่องกำเนิดใหม่จะดำเนินการเคลื่อนที่กลับของสารทำงานที่เย็นลงในช่องร้อนของเครื่องยนต์
การดัดแปลงสเตอร์ลิง "แกมมา"
การออกแบบประกอบด้วยสองกระบอกสูบ อันแรกเย็นสนิทโดยที่ลูกสูบกำลังเคลื่อนที่ และอันที่สองร้อนในด้านหนึ่งและเย็นอีกด้านหนึ่ง ทำหน้าที่ในการเคลื่อนย้ายดิสเพลสเซอร์ เครื่องกำเนิดใหม่สำหรับการหมุนเวียนก๊าซเย็นสามารถใช้ได้กับทั้งสองกระบอกสูบหรือเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบดิสเพลสเซอร์
ข้อดีของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง
เช่นเดียวกับเครื่องยนต์สันดาปภายนอกส่วนใหญ่ สเตอร์ลิงมีลักษณะเฉพาะ เชื้อเพลิงหลายชนิด: เครื่องยนต์ทำงานเนื่องจากอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไม่ว่าจะเกิดจากสาเหตุใดก็ตาม
ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ!ครั้งหนึ่งมีการติดตั้งแสดงให้เห็นว่าใช้เชื้อเพลิงได้ 20 แบบ โดยไม่มีการดับเครื่องยนต์ น้ำมันเบนซิน น้ำมันดีเซล มีเทน น้ำมันดิบ และน้ำมันพืชถูกส่งไปยังห้องเผาไหม้ภายนอก - หน่วยส่งกำลังยังคงทำงานได้อย่างเสถียร
เครื่องยนต์ก็มี ความเรียบง่ายของการออกแบบและไม่ต้องการระบบและอุปกรณ์ต่อพ่วงเพิ่มเติม (สายพานไทม์มิ่ง สตาร์ทเตอร์ กระปุกเกียร์)
คุณสมบัติของอุปกรณ์รับประกันอายุการใช้งานที่ยาวนาน: การทำงานต่อเนื่องมากกว่าหนึ่งแสนชั่วโมง
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงไม่มีเสียง เนื่องจากไม่มีการระเบิดในกระบอกสูบและไม่จำเป็นต้องกำจัดก๊าซไอเสีย การปรับเปลี่ยนเบต้าซึ่งมีกลไกข้อเหวี่ยงรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน เป็นระบบที่สมดุลอย่างสมบูรณ์แบบโดยไม่มีการสั่นสะเทือนระหว่างการทำงาน
ไม่มีกระบวนการใดเกิดขึ้นในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ที่อาจส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อม โดยการเลือกแหล่งความร้อนที่เหมาะสม (เช่น พลังงานแสงอาทิตย์) สเตอร์ลิงสามารถทำได้อย่างแน่นอน เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมหน่วยพลังงาน
ข้อเสียของการออกแบบสเตอร์ลิง
แม้จะมีคุณสมบัติเชิงบวกทั้งหมด แต่การใช้เครื่องยนต์สเตอร์ลิงจำนวนมากในทันทีนั้นเป็นไปไม่ได้ด้วยเหตุผลดังต่อไปนี้:
ปัญหาหลักคือการใช้วัสดุของโครงสร้าง การระบายความร้อนของของไหลทำงานต้องใช้หม้อน้ำปริมาณมาก ซึ่งจะเพิ่มขนาดและการใช้โลหะในการติดตั้งอย่างมาก
ระดับเทคโนโลยีในปัจจุบันจะช่วยให้เครื่องยนต์สเตอร์ลิงสามารถเปรียบเทียบประสิทธิภาพกับเครื่องยนต์เบนซินสมัยใหม่ได้โดยการใช้สารทำงานประเภทที่ซับซ้อน (ฮีเลียมหรือไฮโดรเจน) ภายใต้แรงกดดันมากกว่าหนึ่งร้อยบรรยากาศ ข้อเท็จจริงนี้ทำให้เกิดคำถามสำคัญทั้งในสาขาวัสดุศาสตร์และในการรับรองความปลอดภัยของผู้ใช้
ปัญหาการปฏิบัติงานที่สำคัญเกี่ยวข้องกับปัญหาการนำความร้อนและความต้านทานต่ออุณหภูมิของโลหะ ความร้อนจะถูกส่งไปยังปริมาตรการทำงานผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อนซึ่งนำไปสู่การสูญเสียที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ นอกจากนี้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนจะต้องทำจากโลหะทนความร้อนที่สามารถทนต่อแรงดันสูงได้ วัสดุที่เหมาะสมมีราคาแพงมากและยากต่อการแปรรูป
หลักการเปลี่ยนโหมดของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงก็แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากแบบเดิมซึ่งต้องมีการพัฒนาอุปกรณ์ควบคุมพิเศษ ดังนั้นในการเปลี่ยนกำลังจึงจำเป็นต้องเปลี่ยนความดันในกระบอกสูบ มุมเฟสระหว่างดิสเพลสเซอร์และลูกสูบกำลัง หรือส่งผลต่อความจุของโพรงด้วยของไหลทำงาน
วิธีหนึ่งในการควบคุมความเร็วการหมุนของเพลาในเครื่องยนต์สเตอร์ลิงสามารถดูได้ในวิดีโอต่อไปนี้:
ประสิทธิภาพ
ในการคำนวณทางทฤษฎี ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิของของไหลทำงานและสามารถเข้าถึง 70% หรือมากกว่านั้นตามวัฏจักรการ์โนต์
อย่างไรก็ตาม ตัวอย่างแรกที่เกิดขึ้นในโลหะมีประสิทธิภาพต่ำมากด้วยเหตุผลต่อไปนี้:
- ตัวเลือกสารหล่อเย็น (สารทำงาน) ที่ไม่มีประสิทธิภาพซึ่งจำกัดอุณหภูมิความร้อนสูงสุด
- การสูญเสียพลังงานเนื่องจากการเสียดสีของชิ้นส่วนและการนำความร้อนของตัวเรือนเครื่องยนต์
- ขาดวัสดุก่อสร้างที่ทนทานต่อแรงดันสูง
โซลูชันทางวิศวกรรมปรับปรุงการออกแบบหน่วยกำลังอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 รถยนต์สี่สูบ เครื่องยนต์สเตอร์ลิงพร้อมระบบขับเคลื่อนขนมเปียกปูนแสดงประสิทธิภาพ 35% ในการทดสอบบนน้ำหล่อเย็นที่มีอุณหภูมิ 55 ° C การพัฒนาการออกแบบอย่างรอบคอบ การใช้วัสดุใหม่ และการปรับแต่งหน่วยงานอย่างละเอียดทำให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพของตัวอย่างทดลองอยู่ที่ 39%
บันทึก! เครื่องยนต์เบนซินสมัยใหม่ที่มีกำลังใกล้เคียงกันมีประสิทธิภาพ 28-30% และเครื่องยนต์ดีเซลเทอร์โบชาร์จภายใน 32-35%
ตัวอย่างเครื่องยนต์สเตอร์ลิงสมัยใหม่ เช่น เครื่องยนต์ที่สร้างโดยบริษัท Mechanical Technology Inc. ในอเมริกา แสดงให้เห็นประสิทธิภาพสูงถึง 43.5% และด้วยการพัฒนาการผลิตเซรามิกทนความร้อนและวัสดุนวัตกรรมที่คล้ายกัน จะสามารถเพิ่มอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมการทำงานได้อย่างมากและบรรลุประสิทธิภาพถึง 60%
ตัวอย่างการใช้งานรถยนต์สเตอร์ลิงที่ประสบความสำเร็จ
แม้จะมีความยากลำบากทั้งหมด แต่ก็มีเครื่องยนต์สเตอร์ลิงที่มีประสิทธิภาพหลายรุ่นที่รู้จักกันดีซึ่งสามารถใช้ได้กับอุตสาหกรรมยานยนต์
ความสนใจในสเตอร์ลิงซึ่งเหมาะสำหรับติดตั้งในรถยนต์ปรากฏในยุค 50 ของศตวรรษที่ 20 งานในทิศทางนี้ดำเนินการโดยความกังวลเช่น Ford Motor Company, Volkswagen Group และอื่น ๆ
บริษัท UNITED STIRLING (สวีเดน) พัฒนา Stirling ซึ่งใช้ประโยชน์จากส่วนประกอบแบบอนุกรมและชุดประกอบที่ผลิตโดยผู้ผลิตรถยนต์ให้เกิดประโยชน์สูงสุด (เพลาข้อเหวี่ยง ก้านสูบ) เครื่องยนต์ V สี่สูบที่ได้นั้นมีน้ำหนักเฉพาะ 2.4 กก./กิโลวัตต์ ซึ่งเทียบได้กับคุณลักษณะของเครื่องยนต์ดีเซลขนาดกะทัดรัด หน่วยนี้ได้รับการทดสอบว่าเป็นโรงไฟฟ้าสำหรับรถตู้บรรทุกสินค้าขนาดเจ็ดตันได้สำเร็จ
หนึ่งในตัวอย่างที่ประสบความสำเร็จคือเครื่องยนต์สเตอร์ลิงสี่สูบที่ผลิตในประเทศเนเธอร์แลนด์ รุ่น "Philips 4-125DA" ซึ่งมีไว้สำหรับติดตั้งในรถยนต์นั่งส่วนบุคคล เครื่องยนต์มีกำลังการทำงาน 173 แรงม้า กับ. ในขนาดใกล้เคียงกับหน่วยน้ำมันเบนซินแบบคลาสสิก
วิศวกรของ General Motors บรรลุผลลัพธ์ที่สำคัญโดยการสร้างเครื่องยนต์สเตอร์ลิงรูปตัว V แปดสูบ (ทำงาน 4 สูบและสูบอัด 4 สูบ) พร้อมกลไกข้อเหวี่ยงมาตรฐานในยุค 70
โรงไฟฟ้าที่คล้ายกันในปี พ.ศ. 2515 มาพร้อมกับรถยนต์ Ford Torino รุ่นลิมิเต็ดซึ่งอัตราการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงลดลง 25% เมื่อเทียบกับน้ำมันเบนซินรูปตัว V แปดคลาสสิก
ปัจจุบัน บริษัทต่างชาติมากกว่าห้าสิบแห่งกำลังทำงานเพื่อปรับปรุงการออกแบบเครื่องยนต์สเตอร์ลิงเพื่อปรับให้เข้ากับการผลิตจำนวนมากตามความต้องการของอุตสาหกรรมยานยนต์ และหากเป็นไปได้ที่จะกำจัดข้อเสียของเครื่องยนต์ประเภทนี้ในขณะเดียวกันก็รักษาข้อดีไว้ได้ก็จะเป็นสเตอร์ลิงไม่ใช่กังหันและมอเตอร์ไฟฟ้าที่จะเข้ามาแทนที่เครื่องยนต์สันดาปภายในของน้ำมันเบนซิน
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงเป็นเครื่องยนต์ที่สามารถขับเคลื่อนด้วยพลังงานความร้อน ในกรณีนี้แหล่งความร้อนไม่สำคัญอย่างยิ่ง สิ่งสำคัญคือมีความแตกต่างของอุณหภูมิซึ่งในกรณีนี้เครื่องยนต์นี้จะทำงานได้ ผู้เขียนค้นพบวิธีสร้างแบบจำลองของเครื่องยนต์ดังกล่าวจากกระป๋อง Coca-Cola
วัสดุและเครื่องมือ
- บอลลูนหนึ่งลูก
- กระป๋องโคล่า 3 กระป๋อง
- ขั้วไฟฟ้า 5 ชิ้น (5A)
- จุกนมสำหรับติดซี่ล้อจักรยาน (2 ชิ้น)
- ขนโลหะ
- ลวดเหล็กเส้นยาว 30 ซม. และหน้าตัด 1 มม.
- ชิ้นส่วนของเหล็กหนาหรือลวดทองแดงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.6 ถึง 2 มม.
- หมุดไม้ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 มม. (ยาว 1 ซม.)
- ฝาขวด (พลาสติก)
- สายไฟ (30 ซม.)
- ซุปเปอร์กาว;
- ยางวัลคาไนซ์ (ประมาณ 2 ตารางเซนติเมตร)
- สายเบ็ด (ยาวประมาณ 30 ซม.)
- น้ำหนักสองสามตัวสำหรับการทรงตัว (เช่นนิกเกิล)
- ซีดี (3 ชิ้น)
- หมุดดัน;
- กระป๋องอีกกระป๋องสำหรับทำเตาไฟ
-ซิลิโคนทนความร้อนและกระป๋องเพื่อสร้างน้ำหล่อเย็น
ขั้นตอนที่หนึ่ง เตรียมขวด
ก่อนอื่นคุณต้องหยิบกระป๋องสองกระป๋องแล้วตัดยอดออก หากตัดยอดด้วยกรรไกร จะต้องตะไบเล็บที่ได้ออกมา
ต่อไปคุณจะต้องตัดก้นขวดออก สามารถทำได้ด้วยมีด
ขั้นตอนที่สอง การสร้างรูรับแสง
ผู้เขียนใช้บอลลูนซึ่งเสริมด้วยยางวัลคาไนซ์เป็นไดอะแฟรม ต้องตัดลูกบอลและดึงลงบนขวดดังที่แสดงในภาพ จากนั้นนำชิ้นส่วนยางวัลคาไนซ์มาติดกาวที่กึ่งกลางของไดอะแฟรม หลังจากที่กาวแข็งตัวแล้ว ให้เจาะรูตรงกลางไดอะแฟรมเพื่อติดตั้งสายไฟ วิธีที่ง่ายที่สุดในการทำเช่นนี้คือการใช้หมุดซึ่งสามารถทิ้งไว้ในรูจนกระทั่งประกอบได้
ขั้นตอนที่สาม การตัดและสร้างรูบนฝา
คุณต้องเจาะรูขนาด 2 มม. สองรูที่ผนังของฝาครอบซึ่งจำเป็นสำหรับการติดตั้งแกนหมุนของคันโยก ต้องเจาะรูอีกรูที่ด้านล่างของฝา ลวดจะทะลุผ่านซึ่งจะเชื่อมต่อกับดิสเพลสเซอร์
ในขั้นตอนสุดท้ายจะต้องตัดฝาตามภาพ ทำเช่นนี้เพื่อไม่ให้ลวดดิสเพลสเซอร์จับที่ขอบฝา กรรไกรในครัวเรือนเหมาะสำหรับงานดังกล่าว
ขั้นตอนที่สี่ การเจาะ
คุณต้องเจาะรูสองรูในกระป๋องสำหรับตลับลูกปืน ในกรณีนี้ใช้สว่านขนาด 3.5 มม.
ขั้นตอนที่ห้า การสร้างหน้าต่างการดู
จำเป็นต้องตัดช่องตรวจสอบออกจากห้องเครื่องยนต์ ตอนนี้คุณสามารถสังเกตได้ว่าส่วนประกอบทั้งหมดของอุปกรณ์ทำงานอย่างไร
ขั้นตอนที่หก การปรับเปลี่ยนเทอร์มินัล
คุณต้องนำขั้วและถอดฉนวนพลาสติกออกจากขั้วต่อ จากนั้นจึงเจาะและเจาะรูที่ขอบขั้ว โดยรวมแล้วคุณต้องเจาะ 3 ขั้ว โดยเหลือ 2 ขั้วที่ยังไม่ได้เจาะ
ขั้นตอนที่เจ็ด การสร้างการใช้ประโยชน์
วัสดุที่ใช้ทำคันโยกเป็นลวดทองแดง เส้นผ่านศูนย์กลาง 1.88 มม. วิธีการโค้งงอเข็มถักจะแสดงอยู่ในรูปภาพ คุณยังสามารถใช้ลวดเหล็กได้ แต่การใช้งานกับทองแดงก็น่าพอใจกว่า
ขั้นตอนที่แปด การทำตลับลูกปืน
ในการสร้างตลับลูกปืน คุณจะต้องมีจุกนมจักรยานสองตัว จำเป็นต้องตรวจสอบเส้นผ่านศูนย์กลางของรู ผู้เขียนเจาะโดยใช้สว่านขนาด 2 มม.
ขั้นตอนที่เก้า การติดตั้งคันโยกและแบริ่ง
สามารถติดตั้งคันโยกได้โดยตรงผ่านหน้าต่างดู ปลายด้านหนึ่งของลวดควรยาวโดยจะมีมู่เล่อยู่ ตลับลูกปืนควรเข้าที่แน่นหนา หากมีการเล่นก็สามารถติดกาวได้
ขั้นตอนที่สิบ การสร้าง Displacer
ดิสเพลสเซอร์ทำจากฝอยเหล็กสำหรับขัดเงา ในการสร้างดิสเพลสเซอร์นั้นจะใช้ลวดเหล็กทำตะขอจากนั้นจึงพันสำลีตามจำนวนที่ต้องการบนลวด ดิสเพลสเซอร์จะต้องมีขนาดที่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในโถ ความสูงรวมของ displacer ไม่ควรเกิน 5 ซม.
เป็นผลให้ด้านหนึ่งของสำลีคุณต้องสร้างเกลียวลวดเพื่อไม่ให้หลุดออกมาจากสำลีและอีกด้านหนึ่งทำจากลวด จากนั้นสายเบ็ดจะผูกเข้ากับห่วงนี้ซึ่งต่อมาจะถูกดึงผ่านกึ่งกลางของไดอะแฟรม ยางวัลคาไนซ์ควรอยู่ตรงกลางภาชนะ
ขั้นตอนที่ 11: สร้างถังแรงดัน
คุณต้องตัดก้นขวดให้เหลือจากฐานประมาณ 2.5 ซม. ต้องวางดิสเพลสเซอร์และไดอะแฟรมไว้ในถัง หลังจากนั้นกลไกทั้งหมดนี้จะถูกติดตั้งไว้ที่ส่วนท้ายของกระป๋อง ต้องขันไดอะแฟรมให้แน่นเล็กน้อยเพื่อไม่ให้หย่อนคล้อย
จากนั้นคุณจะต้องนำขั้วที่ไม่ได้เจาะมาและยืดสายเบ็ดผ่านเข้าไป ต้องติดปมเพื่อไม่ให้ขยับ ลวดจะต้องหล่อลื่นอย่างดีด้วยน้ำมันและในขณะเดียวกันก็ตรวจสอบให้แน่ใจว่าตัวแทนที่ดึงเส้นไปได้อย่างง่ายดาย
ขั้นตอนที่ 12: การสร้าง Push Rods
ก้านกระทุ้งเชื่อมต่อไดอะแฟรมและคันโยก ทำด้วยลวดทองแดงยาว 15 ซม.
ขั้นตอนที่ 13 สร้างและติดตั้งมู่เล่
ในการสร้างมู่เล่จะใช้ซีดีเก่า 3 แผ่น ใช้แท่งไม้เป็นส่วนตรงกลาง หลังจากติดตั้งมู่เล่แล้ว ก้านเพลาข้อเหวี่ยงจะงอเพื่อไม่ให้มู่เล่หลุดออก
ในขั้นตอนสุดท้าย กลไกทั้งหมดจะประกอบเข้าด้วยกัน
นิเวศวิทยาของการบริโภค วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี: มอเตอร์สเตอร์ลิงมักใช้ในสถานการณ์ที่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ในการแปลงพลังงานความร้อน โดยมีลักษณะเฉพาะคือความเรียบง่ายและมีประสิทธิภาพ
เมื่อไม่ถึงร้อยปีที่แล้ว เครื่องยนต์สันดาปภายในพยายามที่จะได้รับตำแหน่งที่ถูกต้องในการแข่งขัน ท่ามกลางเครื่องจักรและกลไกการเคลื่อนที่อื่นๆ ที่มีอยู่ นอกจากนี้ในสมัยนั้นความเหนือกว่าของเครื่องยนต์เบนซินยังไม่ชัดเจนนัก เครื่องจักรที่มีอยู่ซึ่งขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ไอน้ำมีความโดดเด่นด้วยความเงียบ ลักษณะกำลังที่ดีเยี่ยมในช่วงเวลานั้น ความสะดวกในการบำรุงรักษา และความสามารถในการใช้เชื้อเพลิงประเภทต่างๆ ในการต่อสู้เพื่อตลาดต่อไป เครื่องยนต์สันดาปภายในได้รับความเหนือกว่า เนื่องจากประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และความเรียบง่าย
การแข่งขันครั้งต่อไปเพื่อปรับปรุงหน่วยและกลไกการขับขี่ซึ่งกังหันก๊าซและเครื่องยนต์ประเภทโรตารีเข้ามาในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 นำไปสู่ความจริงที่ว่าแม้จะมีอำนาจสูงสุดของเครื่องยนต์เบนซิน แต่ก็ยังมีความพยายามที่จะแนะนำรูปแบบใหม่ที่สมบูรณ์ของ เครื่องยนต์เข้าสู่ "สนามเด็กเล่น" - ระบบระบายความร้อน เป็นครั้งแรกที่ประดิษฐ์ขึ้นเมื่อปี พ.ศ. 2404 โดยนักบวชชาวสก็อตชื่อโรเบิร์ต สเตอร์ลิง เครื่องยนต์ได้รับชื่อผู้สร้าง
เครื่องยนต์สเตอร์ลิง: ทางกายภาพของปัญหา
เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการทำงานของโรงไฟฟ้าสเตอร์ลิงแบบตั้งโต๊ะ คุณต้องเข้าใจความเข้าใจทั่วไปเกี่ยวกับหลักการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน หลักการทำงานทางกายภาพคือการใช้พลังงานกลซึ่งได้รับเมื่อก๊าซขยายตัวเมื่อถูกความร้อนและการบีบอัดตามมาเมื่อถูกทำให้เย็นลง เพื่อสาธิตหลักการทำงานเราสามารถยกตัวอย่างโดยใช้ขวดพลาสติกธรรมดาและกระทะสองใบ โดยอันหนึ่งบรรจุน้ำเย็นและอีกอันร้อน
เมื่อลดขวดลงในน้ำเย็นซึ่งมีอุณหภูมิใกล้เคียงกับอุณหภูมิที่น้ำแข็งก่อตัวและอากาศภายในภาชนะพลาสติกจะเย็นลงเพียงพอควรปิดด้วยจุก นอกจากนี้ เมื่อวางขวดลงในน้ำเดือด หลังจากนั้นครู่หนึ่งจุกไม้ก๊อกจะ "ยิง" ด้วยแรง เนื่องจากในกรณีนี้ ลมร้อนจะทำงานมากกว่าลมร้อนหลายเท่าระหว่างการทำความเย็น หากทำการทดลองซ้ำหลายครั้ง ผลลัพธ์จะไม่เปลี่ยนแปลง
เครื่องจักรเครื่องแรกที่สร้างขึ้นโดยใช้เครื่องยนต์สเตอร์ลิงสามารถจำลองกระบวนการที่แสดงในการทดลองได้อย่างแม่นยำ โดยธรรมชาติแล้ว กลไกจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุง ซึ่งประกอบด้วยการใช้ความร้อนส่วนหนึ่งที่ก๊าซสูญเสียไประหว่างกระบวนการทำความเย็นเพื่อให้ความร้อนเพิ่มเติม ปล่อยให้ความร้อนกลับคืนสู่ก๊าซเพื่อเร่งการให้ความร้อน
แต่แม้แต่การใช้นวัตกรรมนี้ก็ไม่สามารถกอบกู้สถานการณ์ได้เนื่องจากสเตอร์ลิงรุ่นแรกมีขนาดใหญ่และมีกำลังไฟฟ้าต่ำ ต่อจากนั้นมีความพยายามมากกว่าหนึ่งครั้งเพื่อปรับปรุงการออกแบบให้ทันสมัยเพื่อให้ได้กำลัง 250 แรงม้า นำไปสู่ความจริงที่ว่าเมื่อมีกระบอกสูบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 4.2 เมตร กำลังไฟฟ้าจริงที่ผลิตโดยโรงไฟฟ้าสเตอร์ลิงขนาด 183 กิโลวัตต์นั้นแท้จริงแล้วมีเพียง 73 กิโลวัตต์เท่านั้น
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงทั้งหมดทำงานบนหลักการของวัฏจักรสเตอร์ลิง ซึ่งประกอบด้วยเฟสหลักสี่เฟสและเฟสกลางสองเฟส สิ่งสำคัญคือการทำความร้อน การขยายตัว การทำความเย็น และการบีบอัด ขั้นตอนการเปลี่ยนแปลงถือเป็นการเปลี่ยนไปใช้เครื่องกำเนิดความเย็นและการเปลี่ยนไปใช้องค์ประกอบความร้อน งานที่มีประโยชน์ที่เครื่องยนต์ทำนั้นขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างชิ้นส่วนทำความร้อนและความเย็นเท่านั้น
การกำหนดค่า Stirling ที่ทันสมัย
วิศวกรรมสมัยใหม่แยกแยะเครื่องยนต์ดังกล่าวได้สามประเภทหลัก:
- อัลฟาสเตอร์ลิงความแตกต่างคือลูกสูบสองตัวที่ทำงานอยู่ในกระบอกสูบอิสระ จากทั้งสามตัวเลือก รุ่นนี้มีกำลังสูงสุด โดยมีอุณหภูมิลูกสูบทำความร้อนสูงสุด
- เบต้าสเตอร์ลิง ซึ่งใช้กระบอกสูบหนึ่งอัน ส่วนหนึ่งร้อนและอีกส่วนหนึ่งเย็น
- แกมม่า สเตอร์ลิง ซึ่งนอกจากลูกสูบแล้วยังมีดิสเพลสเซอร์อีกด้วย
การผลิตโรงไฟฟ้าสเตอร์ลิงจะขึ้นอยู่กับการเลือกรุ่นเครื่องยนต์ซึ่งจะคำนึงถึงด้านบวกและด้านลบทั้งหมดของโครงการดังกล่าว
ข้อดีและข้อเสีย
เนื่องจากคุณสมบัติการออกแบบ เครื่องยนต์เหล่านี้จึงมีข้อดีหลายประการ แต่ก็ไม่ได้ไร้ข้อเสีย
โรงไฟฟ้าสเตอร์ลิงแบบตั้งโต๊ะซึ่งไม่สามารถซื้อได้ในร้านค้า แต่เฉพาะจากมือสมัครเล่นที่ประกอบอุปกรณ์ดังกล่าวโดยอิสระเท่านั้นรวมถึง:
- ขนาดใหญ่ซึ่งเกิดจากความจำเป็นในการระบายความร้อนของลูกสูบทำงานอย่างต่อเนื่อง
- การใช้แรงดันสูงซึ่งจำเป็นต่อการปรับปรุงสมรรถนะและกำลังของเครื่องยนต์
- การสูญเสียความร้อนซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากการที่ความร้อนที่สร้างขึ้นไม่ได้ถูกถ่ายโอนไปยังของไหลทำงานเอง แต่ผ่านระบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนซึ่งความร้อนทำให้สูญเสียประสิทธิภาพ
- การลดกำลังลงอย่างรวดเร็วต้องใช้หลักการพิเศษที่แตกต่างจากหลักการทั่วไปสำหรับเครื่องยนต์เบนซิน
นอกจากข้อเสียแล้ว โรงไฟฟ้าที่ทำงานในหน่วยสเตอร์ลิง ยังมีข้อได้เปรียบที่ไม่อาจปฏิเสธได้:
- เชื้อเพลิงประเภทใดก็ได้ เนื่องจากเช่นเดียวกับเครื่องยนต์อื่นๆ ที่ใช้พลังงานความร้อน เครื่องยนต์นี้สามารถทำงานที่อุณหภูมิแตกต่างของสภาพแวดล้อมใดๆ
- ประสิทธิภาพ. อุปกรณ์เหล่านี้สามารถทดแทนหน่วยไอน้ำได้อย่างดีเยี่ยม ในกรณีที่จำเป็นต้องประมวลผลพลังงานแสงอาทิตย์ โดยให้ประสิทธิภาพสูงขึ้น 30%
- ความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม เนื่องจากโรงไฟฟ้ากิโลวัตต์แบบตั้งโต๊ะไม่ได้สร้างแรงบิดไอเสีย จึงไม่สร้างเสียงรบกวนและไม่ปล่อยสารที่เป็นอันตรายออกสู่ชั้นบรรยากาศ แหล่งที่มาของพลังงานคือความร้อนธรรมดาและเชื้อเพลิงก็ไหม้จนเกือบหมด
- ความเรียบง่ายของโครงสร้าง ในการทำงาน Stirling ไม่ต้องการชิ้นส่วนหรืออุปกรณ์เพิ่มเติม สามารถสตาร์ทได้อย่างอิสระโดยไม่ต้องใช้สตาร์ทเตอร์
- ทรัพยากรประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากความเรียบง่าย เครื่องยนต์จึงสามารถทำงานต่อเนื่องได้หลายร้อยชั่วโมง
พื้นที่ใช้งานของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง
มอเตอร์สเตอร์ลิงมักใช้ในสถานการณ์ที่ต้องใช้อุปกรณ์แปลงพลังงานความร้อนที่เรียบง่าย ในขณะที่ประสิทธิภาพของหน่วยความร้อนประเภทอื่นๆ จะลดลงอย่างมากภายใต้สภาวะที่คล้ายคลึงกัน บ่อยครั้งที่หน่วยดังกล่าวใช้ในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์สูบน้ำ ตู้เย็น เรือดำน้ำ และแบตเตอรี่เก็บพลังงาน
หนึ่งในพื้นที่ที่มีแนวโน้มสำหรับการใช้เครื่องยนต์สเตอร์ลิงคือโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์เนื่องจากหน่วยนี้สามารถใช้เพื่อแปลงพลังงานของรังสีแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าได้สำเร็จ ในการดำเนินการตามกระบวนการนี้ เครื่องยนต์จะถูกวางไว้ที่จุดโฟกัสของกระจกที่สะสมรังสีแสงอาทิตย์ ซึ่งให้แสงสว่างอย่างถาวรในบริเวณที่ต้องการความร้อน ช่วยให้พลังงานแสงอาทิตย์มุ่งเน้นไปที่พื้นที่ขนาดเล็กได้ เชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ในกรณีนี้คือฮีเลียมหรือไฮโดรเจน ที่ตีพิมพ์
โดยที่ของไหลทำงาน (ก๊าซหรือของเหลว) เคลื่อนที่ในปริมาตรปิด โดยพื้นฐานแล้วมันคือเครื่องยนต์สันดาปภายนอกประเภทหนึ่ง กลไกนี้ขึ้นอยู่กับหลักการของการทำความร้อนและความเย็นเป็นระยะของของไหลทำงาน พลังงานถูกสกัดจากปริมาตรที่เกิดขึ้นของของไหลทำงาน เครื่องยนต์สเตอร์ลิงทำงานไม่เพียงแต่จากพลังงานของการเผาไหม้เชื้อเพลิงเท่านั้น แต่ยังมาจากเกือบทุกแหล่งด้วย กลไกนี้ได้รับการจดสิทธิบัตรโดยชาวสกอต Robert Stirling ในปี 1816
กลไกที่อธิบายไว้แม้จะมีประสิทธิภาพต่ำ แต่ก็มีข้อดีหลายประการ ประการแรกคือความเรียบง่ายและไม่โอ้อวด ด้วยเหตุนี้นักออกแบบมือสมัครเล่นจำนวนมากจึงพยายามประกอบเครื่องยนต์สเตอร์ลิงด้วยมือของตนเอง บางคนประสบความสำเร็จและบางคนไม่ทำ
ในบทความนี้เราจะดู DIY Stirling จากเศษวัสดุ เราจะต้องมีช่องว่างและเครื่องมือดังต่อไปนี้: กระป๋อง (อาจมาจากปลาทะเลชนิดหนึ่ง), แผ่นโลหะ, คลิปหนีบกระดาษ, ยางโฟม, หนังยาง, กระเป๋า, เครื่องตัดลวด, คีม, กรรไกร, หัวแร้ง,
ตอนนี้เรามาเริ่มประกอบกัน ต่อไปนี้เป็นคำแนะนำโดยละเอียดเกี่ยวกับวิธีสร้างเครื่องยนต์สเตอร์ลิงด้วยมือของคุณเอง ก่อนอื่นคุณต้องล้างขวดและขัดขอบ เราตัดวงกลมออกจากแผ่นโลหะเพื่อให้พอดีกับขอบด้านในของกระป๋อง เรากำหนดจุดศูนย์กลาง (สำหรับสิ่งนี้เราใช้คาลิปเปอร์หรือไม้บรรทัด) ทำรูด้วยกรรไกร จากนั้นนำลวดทองแดงและคลิปหนีบกระดาษ ยืดคลิปหนีบกระดาษให้ตรง แล้วทำเป็นวงแหวนที่ปลาย เราพันลวดรอบคลิปหนีบกระดาษ - สี่รอบให้แน่น จากนั้นใช้หัวแร้งบัดกรีเกลียวที่ได้ด้วยการบัดกรีเล็กน้อย จากนั้นคุณจะต้องบัดกรีเกลียวเข้ากับรูในฝาอย่างระมัดระวังเพื่อให้แกนตั้งฉากกับฝา คลิปหนีบกระดาษควรเคลื่อนไหวได้อย่างอิสระ
หลังจากนั้นคุณจะต้องสร้างรูเชื่อมต่อที่ฝา เราทำดิสเพลสเซอร์จากยางโฟม เส้นผ่านศูนย์กลางควรเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของกระป๋องเล็กน้อย แต่ไม่ควรมีช่องว่างขนาดใหญ่ ความสูงของ displacer นั้นมากกว่าครึ่งกระป๋องเล็กน้อย เราตัดรูตรงกลางของยางโฟมสำหรับปลอกหุ้ม ส่วนหลังอาจทำจากยางหรือไม้ก๊อกก็ได้ เราใส่แกนเข้าไปในบูชที่เกิดขึ้นและปิดผนึกทุกอย่าง ต้องวาง displacer ขนานกับฝา นี่เป็นเงื่อนไขที่สำคัญ ต่อไปสิ่งที่เหลืออยู่คือปิดขวดและปิดขอบ ตะเข็บจะต้องปิดผนึก ตอนนี้เรามาเริ่มสร้างกระบอกสูบทำงานกันดีกว่า ในการทำเช่นนี้ให้ตัดแถบดีบุกยาว 60 มม. และกว้าง 25 มม. ออก งอขอบ 2 มม. ด้วยคีม เราสร้างปลอกหุ้มแล้วประสานขอบจากนั้นคุณจะต้องบัดกรีปลอกเข้ากับฝา (เหนือรู)
ตอนนี้คุณสามารถเริ่มสร้างเมมเบรนได้แล้ว ในการทำเช่นนี้ให้ตัดฟิล์มออกจากถุงแล้วใช้นิ้วกดเข้าด้านในเล็กน้อยแล้วกดขอบด้วยแถบยางยืด ถัดไปคุณต้องตรวจสอบชุดประกอบที่ถูกต้อง ตั้งก้นขวดให้ร้อนเหนือไฟแล้วดึงก้านออก เป็นผลให้เมมเบรนควรโค้งงอออกไปด้านนอกและหากปล่อยแกนออก displacer ควรลดลงตามน้ำหนักของมันเองและด้วยเหตุนี้เมมเบรนจึงกลับคืนสู่ตำแหน่งเดิม หากไม่ได้ทำ displacer อย่างถูกต้อง หรือการบัดกรีกระป๋องไม่แน่นหนา แท่งจะไม่กลับเข้าที่ หลังจากนั้นเราจะสร้างเพลาข้อเหวี่ยงและสตรัท (ระยะห่างข้อเหวี่ยงควรอยู่ที่ 90 องศา) ความสูงของข้อเหวี่ยงควรเป็น 7 มม. และความสูงของตัวแทนที่ 5 มม. ความยาวของก้านสูบจะพิจารณาจากตำแหน่งของเพลาข้อเหวี่ยง ปลายขาจานเสียบเข้ากับปลั๊ก ดังนั้นเราจึงดูวิธีการประกอบเครื่องยนต์สเตอร์ลิงด้วยมือของเราเอง
กลไกดังกล่าวจะทำงานจากเทียนธรรมดา หากคุณติดแม่เหล็กเข้ากับมู่เล่และนำคอยล์ของคอมเพรสเซอร์ของตู้ปลาอุปกรณ์ดังกล่าวจะสามารถเปลี่ยนมอเตอร์ไฟฟ้าธรรมดาได้ อย่างที่คุณเห็นการสร้างอุปกรณ์ด้วยมือของคุณเองนั้นไม่ใช่เรื่องยากเลย ก็จะมีความปรารถนา