انواع مختلفی از موتورهای احتراق خارجی با توجه به نیاز و کاربرد وجود دارد. موتورهای احتراق خارجی (EC) در سراسر جهان بیشتر از سایر موتورها در وسایل نقلیه مختلف استفاده می شوند. موتور استرلینگ معروف ترین نوع موتور احتراق خارجی و پرکاربردترین موتور است. در ادامه، جنبه های مختلف موتور استرلینگ و انواع موتور استرلینگ را مورد بحث قرار می دهیم.

موتور استرلینگ یک موتور رفت و برگشتی است که با گرم و سرد کردن سیال عامل محبوس شده درون سیلندر، انرژی حرارتی سوخت را به توان مکانیکی تبدیل می کند. از آنجا که موتور رفت و برگشتی است، از موتور پیستونی به جای روتور دوار مانند موتور وانکل استفاده می کند.

موتور استرلینگ چیست؟

در سال 1816، روبرت استرلینگ موتور استرلینگ را اختراع کرد. چرخه استرلینگ دارای بازده حرارتی تقریباً برابر با چرخه کارنو است. این موتور احتراق خارجی کارایی بیشتری نسبت به موتور IC (مانند موتور دیزلی یا بنزینی) دارد. امروزه موتورهای استرلینگ تنها در کاربردهای بسیار ویژه مانند کاربردهای زیردریایی مورد استفاده قرار می گیرند.

موتور استرلینگ چگونه کار می کند؟

موتور استرلینگ بر اساس چرخه استرلینگ کار می کند. وقتی اپراتور استارت موتور را می زند، منبع گرمای خارجی نیز روشن می‌شود. اپراتور نیرو را از طریق مکانیسم ارائه شده کنترل می کند.

هنگامی که منبع گرمای خارجی فعال می شود، گرما شروع به انتقال از منبع گرما به انتهای گرم سیلندر می کند. این فرایند انتقال حرارت باعث افزایش دمای مولکول های گاز محبوس در انتهای داغ سیلندر می شود. با افزایش دمای مولکول های گاز، اختلالی بین آن ها ایجاد می شود و مولکول های گاز در داخل سیلندر منبسط می شوند. انبساط گاز باعث افزایش فشار روی سطح پیستون می شود، پیستون را دور می کند و به کار مفید می انجامد.

یک پیستون جابه جایی با میل لنگ همراه است. حرکت میل لنگ باعث می شود که پیستون جابه جایی بین سر سرد و داغ سیلندر حرکت کند. حرکت پیستون جابه جایی باعث تبادل گاز از انتهای سرد به انتهای گرم و انتهای گرم به انتهای سرد سیلندر می شود.

گاز داغ توان را برای پیستون جابه جایی فراهم می کند، که منجر به انتقال گاز به انتهای سرد سیلندر می شود. با ورود گاز گرم به قسمت سرد، دستگاه خنک کننده گرمای گاز داغ را خارج کرده و آن را خنک می کند. پیستون پس از سرد شدن گاز، آن را در انتهای سرد سیلندر فشرده می کند. یک دستگاه خنک کننده گرمای اضافه را از گاز خارج می کند.

پس از فرایند فشرده سازی، پیستون جابه جایی گاز فشرده را به انتهای داغ سیلندر باز می گرداند و چرخه تکرار می شود.

این ها اصل کار موتور استرلینگ است. همان طور که در بالا مشاهده می کنید، در این چرخه هیچ موتور احتراق داخلی ضربه مانند خروجی وجود ندارد. بنابراین، یک موتور استرلینگ کارایی بیشتری نسبت به یک موتور احتراق داخلی (IC) دارد.

انواع موتور استرلینگ

موتور استرلینگ دارای انواع اصلی موتور آلفا، موتور بتا، موتور گاما، موتور دوطرفه و موتور چرخشی است.

موتور استرلینگ آلفا:

موتور آلفا استرلینگ دارای دو سیلندر است:

• سیلندر داغ یا انبساطی.
• سیلندر سرد یا انقباضی.

سیلندر گرم به یک منبع گرمای خارجی متصل می شود. این منبع گرما را به گاز سیلندر داغ منتقل می کند. در مقابل، سیلندر سرد دارای دستگاه خنک کننده است. این دستگاه خنک کننده برای استخراج گرمای گاز دریافت شده توسط سیلندر گرم استفاده می شود. این دو سیلندر با یک لوله از جایی که گاز گرم از سیلندر گرم به سیلندر سرد و بالعکس منتقل می شود، به اتصال می یابند.

این موتورها قدرت کمی دارند. بنابراین، برای اهدافی با بار سبک استفاده می شوند. موتور آلفا دارای دو پیستون قدرت است.

موتور استرلینگ بتا:
موتور بتا تنها یک سیلندر دارد. یک سر این سیلندر با یک دستگاه خنک کننده و انتهای دیگر آن به یک منبع گرما متصل است.

سیلندر موتور استرلینگ بتا دارای دو پیستون است:

• پیستون قدرت.
• پیستون جابه جایی.

پیستون قدرت به موتور کمک می کند تا سیال را کنترل کند و موتور را فعال می کند، در حالی که پیستون جابه جایی بین دو سر سرد و گرم سیلندر نصب شده است. پیستون جابه جایی برای انتقال گاز گرم از انتهای گرم به انتهای سرد و گاز سرد از انتهای سرد به انتهای گرم سیلندر استفاده می شود. میل لنگ حرکت جابه جایی داخل سیلندر را کنترل می کند.

پیستون قدرت به یک فلایویل (چرخ طیار) متصل می شود و بین دو طرف سرد و گرم در سیلندر قرار دارد. این پیستون وظیفه تحویل قدرت خروجی را دارد.

موتور استرلینگ بتا قدرت بالاتری دارد. بنابراین، برای کاربردهایی با بار زیاد استفاده می شود.

موتور استرلینگ گاما:
این نوع موتور احتراق خارجی دارای پیستون قدرت و جابه جایی است که با دو سیلندر جداگانه متصل می شوند.

گاز دو سیلندر آزادانه بین آن ها جریان می یابد و یکپارچه باقی می ماند. به دلیل حجم زیاد اتصال بین دو سیلندر، این سازه دارای نسبت تراکم کمتری است، اما از طراحی ساده ای برخوردار است و معمولاً در موتور چند سیلندر استرلینگ استفاده می شود.

علاوه بر این، در طول فرایند انبساط، انبساط خاصی در ناحیه فشرده سازی رخ می دهد، که منجر به کاهش قدرت مشخصی می شود.

موتور استرلینگ چرخشی:
این موتورها توان چرخه استرلینگ را به گشتاور تبدیل می کنند.

موتور استرلینگ دوطرفه:
پیستون این نوع موتور از هر دو انتهای آن (بالا و پایین) استفاده می کند.

بازده موتور استرلینگ چقدر است؟

بازده موتور استرلینگ بستگی به اختلاف دما بین سیلندر گرم و سیلندر سرد دارد. هرچه اختلاف دما بین سیلندر سرد و سیلندر گرم کمتر باشد، راندمان موتور کمتر است. یک موتور استرلینگ می تواند در کاربرد حرارتی خورشیدی تا 40 درصد بازده تبدیل انرژی را ارائه دهد.

نحوه افزایش بازده موتور استرلینگ:
بازده موتور استرلینگ را می توان با روش های زیر افزایش داد:

افزایش قدرت در مرحله اول:
در اولین مرحله از چرخه، فشار تولیدی توسط گاز داغ پیستون را به انجام کار وادار می کند. اگر فشار در این مرحله بیشتر باشد، قدرت خروجی موتور نیز بیشتر می شود. یکی از روش های افزایش این فشار، افزایش دمای گاز است.

کاهش مصرف برق در مرحله سوم:
در مرحله سوم چرخه استرلینگ، پیستون با استفاده از بخشی از انرژی تولیدشده در مرحله اول گاز را فشرده می کند. کاهش فشار در مرحله سوم چرخه می تواند توان مصرفی را کاهش دهد. این کار می تواند به طور مؤثری قدرت موتور را افزایش دهد. یکی دیگر از روش های کاهش فشار، کاهش دمای گاز با خنک کردن آن است.

ایجاد اختلاف دمای بالا:
دمای زیاد بین سیلندرهای گرم و سرد به افزایش کارایی موتور استرلینگ کمک می کند.

مزایا و معایب موتور استرلینگ:

موتور استرلینگ دارای مزایایی است که به شرح زیر هستند:

• این نوع موتورهای احتراق خارجی انعطاف پذیری بالایی دارند.
• موتورهای استرلینگ به سرعت شروع به کار می کنند و در هوای سرد کارآمدتر هستند.
• پیستون این موتور برای حرکت نیازی به انفجار ندارد.
• کار آن ها بی سر و صدا است.
• این موتورها می توانند از هر منبع گرمای موجود مانند منابع بیولوژیکی، زمین گرمایی و هسته ای استفاده کنند.
• تعمیر و نگهداری آن ها آسان است و تنوع سوخت بالایی دارند.

معایب موتورهای استرلینگ نیز به شرح زیر است:

• این موتورها طراحی پیچیده ای دارند.
• برای گرم کردن سیال کار (گاز) به یک منبع گرمای خارجی اضافی نیاز دارند.
• موتورهای گرانی هستند.
• موتورهای استرلینگ به دلیل منبع گرمای اضافه وزن بالایی دارند.
• نمی توانند سریع شروع به کار کنند و در هوای گرم کارآمد عمل کنند.