موتور استرلینگ

موتور استرلینگ (به انگلیسی: Stirling engine) یک موتورحرارتی است که اختلاف زیادی با موتورهای احتراق داخلی در اتومبیل دارد که در سال ۱۸۱۶ توسط رابرت استرلینگ اختراع شد. موتور استرلینگ قابلیت بازدهی بیشتری نسبت به موتورهای بنزینی و دیزلی دارد.

اما امروزه موتورهای استرلینگ فقط در برخی کاربردهای خاص مانند زیر دریاییها یا ژنراتورهای کمکی در قایق‌ها که عملکرد بی صدا مهم است استفاده می‌شود. اگر چه موتورهای استرلینگ به تولید انبوه نرسید اما برخی اختراعات پرقدرت با این موتور کار می‌کند.

موتورهای استرلینگ از چرخه استرلینگ استفاده می‌کند که مشابه چرخه‌های استفاده شده در موتورهای احتراق داخلی نیست.

گاز استفاده شده در داخل موتورهای استرلینگ هیچ وقت موتور را ترک نمی‌کند و مانند موتورهای دیزل و بنزینی سوپاپ دود که گازهای پر فشار را تخلیه می‌کند و محفظه احتراق وجود ندارد. به همین علت موتورهای استرلینگ بسیار بی صدا هستند.

چرخه استرلینگ از یک منبع حراتی خارجی که می‌تواند هر چیزی از بنزین و انرژی خورشیدی تا حرارت ناشی از پوسیدگی گیاهان باشد استفاده کند و هیچ احتراقی داخل سیلندرهای موتور رخ نمی‌دهد.

موتور استرلینگ موتور گرمایی است که بسیار متفاوت از موتور احتراق داخلی موجود در خودروی شماست. این موتور توسط رابرت استرلینگ در سال ۱۸۱۶ اختراع شده بود و پتانسیلی دارد که بسیار کارآتر نسبت به موتور گازوییلی یا دیزلی باشد. اما امروزه موتورهای استرلینگ فقط در کاربردهای بسیار تخصصی تر مانند زیردریایی ها یا ژنراتورهای کمکی برای قایق یا کرجی هایی استفاده می شوند که کار با صدای آرام اهمیت دارد. گرچه در زمینه کاربرد در بازار انبوه موفقیتی نداشته است اما بعضی مخترعان بسیار توانمند دارند روی آن کار می کنند.

موتور استرلینگ از سیکل استرلینگ استفاده می کند که برخلاف سیکلی است که در موتورهای احتراق داخلی استفاده می شوند.

• گازهایی که درون موتور استرلینگ استفاده می شوند هرگز از موتور خارج نمی شوند. هیچگونه دریچه اگزوزی ندارد که گازها را با فشار زیاد بیرون دهد و هیچ انفجاری رخ نمی دهد. به خاطر همین موتورهای استرلینگ فاقد صدا یا به بیان بهتر بسیار کم صدا هستند.
• سیکل استرلینگ از منبع گرمای خارجی استفاده می کند که می تواند هر چیزی از گازوییل تا انرژی خورشیدی  تا گرمای تولید شده توسط پوسیدگی گیاهان باشد. هیچ احتراقی درون سیلندرهای موتور رخ نمی دهد.

 

سیکل استرلینگ

مبنای کلیدی موتور استرلینگ مقدار ثابتی گاز درون موتور محفوظ است. سیکل استرلینگ مستلزم یک سری اتفاقات است که فشار گاز درون موتور را تغیر می دهد که باعث می شود کاری انجام شود.

گازها چندین ویژگی دارند که اساسی برای کار موتورهای استرلینگ است:

• اگر میزان ثابتی گاز را در فضایی به حجم ثابت داشته باشید و دمای گاز را افزایش دهید فشار زیاد خواهد شد.
• اگر میزان ثابتی گاز دارید و آن را فشرده کنید (حجم فضا را کاهش دهید) دمای گاز افزایش خواهد یافت.

اجازه دهید به یک موتور استرلینگ ساده نگاهی بیاندازیم و هر یک از مراحل سیکل استرلینگ را ببینیم. موتور ساده شده ما از دو سیلندر استفاده می کند. یک سیلندر توسط منبع گرمای خارجی مانند آتش گرم می شود و قسمت دیگر توسط منبع سرمایشی خارجی مانند یخ سرد می شود. اتاقک های گاز دو سیلندر به یکدیگر متصل اند و پیستون ها نیز ه یکدیگر به طریق مکانیکی متصل شده اند توسط اتصالی است که چگونه آنها در ارتباط با یکدیگر حرکت خواهند کرد.

 

سیکل استرلینگ چهار قسمت دارد.

1. گرما که به گاز درون سیلندر گرم شده افزوده می شود (چپ) باعث ایجاد فشار می شود. این نیروها پیستون را به پایین حرکت می دهند. این قسمتی از سیکل استرلینگ است که کار انجام می دهد.
2. پیستون چپ به سمت بالا حرکت می کند در حالی که پیستون سمت راست به سمت پایین حرکت می کند. این گاز داغ را در سیلندر سرد شده فشار می دهد که به سرعت گاز سرد می شود تا به دمای منبع سرمایشی برسد که فشار آن را کاهش می دهد. این باعث می شود تا آن ساده تر گاز را در قسمت بعدی سیکل را فشرده کند.
3. پیستون در سیلندر سرد شده (راست) شروع به فشرده کردن گاز می کند. گرمای تولید شده توسط این فشردگی توسط منبع سرمایشی حذف می شود.
4. پیستون راست به بالا حرکت می کند در حالی که پیستون چپ به سمت پایین حرکت می کند. این عمل گاز را به داخل سیلندر گرما می راند جایی که سریع گرم شده و باعث فشاری می شود و این نقطه ای است که سیکل دوباره تکرار می شود.

موتور استرلینگ فقط انرژی در طی اولین بخش سیکل ایجاد می کند. دو روش اصلی برای افزایش خروجی انرژی سیکل استرلینگ است:

• افزایش خروجی انرژی در مرحله یک - در قسمت اول سیکل فشار گاز گرم شده پیستون را در برابر انجام کار هل می دهد. با افزایش فشار در طی این بخش از سیکل خروجی انرژی موتور را افزایش خواهد داد. یک روش افزایش فشار افزایش دمای گاز است. هنگامی که به موتور دو پیستونی نگاهی کنیم می بینیم که چگونه وسیله ای به نام ری ژنراتور(regenerator) می تواند خروجی انرژی موتور را با ذخیره موقتی گرما بهبود دهد.
• کاهش کاربرد انرژی در مرحله سوم- در این قسمت از سیکل، پیستون ها روی گاز کار می کنند با استفاده از انرژی تولید شده در قسمت اول. با کاهش فشار در طی این بخش از سیکل انرژی استفاده شده را می تواند در طی این مرحله کاهش دهد (به طور کارآیی خروجی انرژی موتور را افزایش می دهد). یک روش برای کاهش فشار سرد کردن گاز به دمای پایین تر است.

در این بخش سیکل استرلینگ ایده آل توضیح داده شد. موتورهای کار واقعی کمی در سیکل متفاوت اند که به خاطر محدودیت های فیزیکی طرح آنهاست.

به جای داشتن دو پیستون، موتور نوع جابه جا شونده یک پیستون و یک جابه جا شونده دارد. جابه جا شونده برای کنترل عمل می کند موقعی که اتاقک گاز گرم می شود و هنگامی که سرد می شود.

 

برای حرکت، موتور بالایی نیاز به تفاوت دمایی بین بالا و پایین سیلندر بزرگ است که تفاوت بین دمای سمت شما و هوای اطراف برای حرکت موتور کافی است.

در موتور پایینی سیلندر گرم با شعله خارجی گرم می شود. سیلندر سرد با هوا سرد می شود. میله های پایه از هر پیستون به دیسک کوچکی متصل شده است که به چرخ لنگر بزرگتری متصل می شود. این پیستون ها را در حال حرکت نگه می دارد هنگامی که هیچ نیرویی توسط موتور تولید نمی شود.

 

چرا موتور استرلینگ متداول نشده است؟

دو ویژگی کلیدی است که موتور استرلینگ را برای استفاده در بسیاری از کاربردها مانند خودروها و تراکتورها غیرعملی می کند که می تواند به خاطر اینکه منبع گرما خارجی است باشد که این بدین معنی است که

• موتور نیاز به کمی وقت دارد تا گرم شود پیش از آنکه انرژی مفیدی تولید کند.
• موتور نمی تواند خروجی انرژی خود را به طور سریع تغییر دهد.

این کمبودها همگی تضمین کرده اند آن نمی تواند جایگزینی برای موتور احتراق داخلی در خودروها باشد. به هر حال، موتور استرلینگ برای انرژی خودروی هیبریدی ممکن است مفید باشد. (منبع ویکی پدیا و سایت صنعت)