Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình động cơ Stirling Motor Teilileste

LỜI NÓI ĐẦU
Từ lâu nay, vấn đề năng lượng là vấn đề quan tâm hàng đầu của mọi
người. Nguồn dầu mỏ trên thế giới mặc dù rất phong phú nhưng với cách khai
thác ồ ạt như hiện nay thì đã làm cho nguồn dầu mỏ ngày càng cạn kiệt, do đó
giá dầu mỏ tăng cao một cách chóng mặt. Hơn nữa trong thời đại ngày nay, khi
mà môi trường đang là vấn đề được quan tâm toàn cầu, môi trường đang bị ô
nhiễm nặng, mà một trong những nguyên nhân chính là do khí thải của động cơ.
Nồng độ của những chất gây ô nhiễm trong khí xả của động cơ như NO, CO,
HC, bồ hóng.. có xu hướng gia tăng mạnh mẽ cùng với sự gia tăng nồng độ
CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ khí quyển đã là đề tài
bàn cãi ở nhiều diễn đàn quốc tế và khuvực.
Tất cả những vấn đề đó đòi hỏi ngành động cơ phải tìm ra những giải
pháp thích hợp. Động cơ đốt trong đang dần dần được thay thế bằng những loại
động cơ khác, trong đó động cơ Stirling được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên
cứu. Đây là loại động cơ đốt ngoài sử dụng môi chất công tác thể khí. Đông cơ
có kết cấu đơn giản không có các hệ thống phụ phức tạp như: hệ thống điện, hệ
thống phun nhiên liệu…Động cơ Stirling cung cấp công theo một chu trình theo
đó piston nén khí ở nhiệt độ thấp và cho giãn nở khí ở nhiệt độ cao. Động cơ này
có thể dùng bất kỳ nguồn nhiệt nào, quá trình cấp nhiệt có thể thực hiện bên
trong hay ngoài xy lanh….
Ở đồ án tốt nghiệp này, em giới thiệu tổng quát về động cơ Stirling, nêu
mục đích nghiên cứu, tìm hiểu các loại kết cấu khác nhau của động cơ, nêu ưu
nhược điểm của nó, tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ và thiết kế một
động cơ Stirling chạy bằng nguồn nhiệt.Trong quá trình hoàn thành đồ án, mặc
dù bản thân em đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi những sai sót. Vì
vậy em mong được sự chỉ bảo của các thầy cô và các bạn để việc nghiên cứu và
thiết kế động cơ được hoàn thiện hơn.
1

1

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn đến thầy Nguyễn Quốc Tuấn và các thầy cô
giáo đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.

Hà Nội, ngày tháng năm 2017
Sinh viên thực hiện
Trịnh Trung Thành
Trần Công Quang
Đậu Đình Tùng

2

2


Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ STIRLING
1.1 GIỚI THIỆU

Hình 1-1 : Tiến sĩ Robert Stirling người phát minh ra động cơ Stirling
Động cơ Stirling được phát minh vào năm 1816 do Robert Stirling phát
minh ra. Phát minh này nhằm tạo ra một phương án an toàn hơn để thay thế cho
động cơ hơi nước đang phổ biến lúc bấy giờ. Nồi hơi của động cơ hơi nước
thường xảy ra hiện tượng nổ do áp suất cao của hơi nước và nguyên liệu không
thích hợp.
Thực ra những ý tưởng phát minh ra một loại động cơ mới thay thế cho
động cơ hơi nước đã xuất hiện từ những năm 1699 khi những điều luật đầu tiên
về khí thải ra đời. Năm 1807, nhà phát minh người Anh George Cayley đã phát
minh ra động cơ khí nóng. Nhưng mô hình của Stirling đưa ra được chú ý hơn
cả và được xem là đáng giá nhất. Nó cũng là một loại động cơ nhiệt thuộc nhóm
động cơ đốt ngoài nhưng nguyên lý sinh công của nó khác hẳn. Nó sử dụng một

nguồn nóng làm giãn nở môi chất bên trong xy lanh và sinh công, sau đó lại
3

3


dùng một nguồn lạnh để giải nhiệt cho môi chất công tác trước khi đẩy nó trở lại
phía đầu nóng.

Hình 1-2 : Mô hình động cơ Stirling sáng chế năm 1816, nó được sử dụng
vào năm 1818 để bơm nước từ mỏ đá.
Tuy động cơ Stirling xuất hiện sớm như vậy nhưng nó chưa được phát
triển để ứng dụng trong cuộc sống vì giá thành chế tạo cao và lợi nhuận thấp nên
không thể cạnh tranh với loại động cơ hiện tại.
Trong thế kỷ này, khi con người bắt đầu nghĩ về môi trường thì động cơ
Stirling đang được quan tâm đặc biệt bởi quá trình hoạt động của động cơ rất
êm, hiệu suất cao thải sạch nhờ sử dụng các nguồn nhiệt sạch hoặc ít gây ô
nhiễm hơn. Động cơ có thể sử dụng bất kỳ nguồn nhiệt nào điều này cho phép
sử dụng các nguồn nhiệt thông thường như nguồn nhiệt do đốt cháy than củi, rác
rưởi…. và nhất là có thể sử dụng những nguồn nhiệt sạch như từ năng lượng mặt
trời.

4

4


Hình 1-3 Một mô hình động cơ Stirling tại Viện nghiên cứu công nghệ FPT.
Ngoài FPT, việc nghiên cứu động cơ Stirling đã được triển khai tại ĐH
Bách Khoa Đà Nẵng với đề tài nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời cho

động cơ Stirling để bơm nước từ các ao hồ, sông vào các bể chứa hoặc đồng
ruộng.Tiến sĩ Hoàng Dương Hùng nhận định: Năng lượng mặt trời hoàn toàn có
thể ứng dụng để chạy động cơ Stirling. Động cơ này có thể sử dụng cho nhiều
mục đích khác nhau mà bơm nước là một trong các ứng dụng đó. Bơm nước sử
dụng năng lượng mặt trời có thể sử dụng hiệu quả trong các trường hợp như
bơm nước từ bể lên bồn chứa hoặc dùng bơm nước từ ao hồ, sông ngòi dùng cho
tưới tiêu cho các nông trường.Miền Trung và miền Nam Việt Nam có nắng và
nhiệt độ cao quanh năm. Đây là điều kiện thuận lợi để lắp đặt các động cơ
Stirling dùng để chạy máy phát điện mini công suất khoảng 1KW dành cho các
hộ gia đình hoặc xây dựng các nhà máy điện cỡ nhỏ sử dụng động cơ Stirling.
So với các động cơ đốt trong cùng công suất, động cơ Stirling có hiệu suất
cao hơn, không gây nhiều tiếng ồn, hoạt động ổn định và bền, không cần bảo
dưỡng nhiều, và có thể hoạt động với chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và
nguồn lạnh trong dải rộng từ cỡ chục độ C đến hàng nghìn độ C. Trước tình hình
giá thành năng lượng tăng cùng quan ngại về sự biến đổi khí hậu của Trái Đất,
5
5


động cơ Stirling đang được nhiều quốc gia quan tâm để đưa vào các nhà máy
phát điện với năng lượng tái tạo và lĩnh vực hàng không vũ trụ.
Một trong những hướng phát triển động cơ Stirling là chế tạo những động
cơ nhỏ để cung cấp công cơ học trên tàu thuyền rất được quan tâm do chúng ta
có nhiều phương án thiết kế gọn nhẹ để nâng cao công suất riêng của động cơ.
Những nghiên cứu phát triển ứng dụng của động cơ Stirling trên phương
tiện vận chuyển cũng được các nhà sản xuất ô tô quan tâm. Mặt khác do nó có
thể biến đổi nhiệt trực tiếp từ năng lượng mặt trời thành công nên nó đã được
nghiên cứu ứng dụng trên các con tàu không gian từ năm 1995.
Về công nghệ động cơ Stirling có kết cấu đơn giản, vì vậy loại động cơ này
có thể chế tạo tương đối dễ dàng tại các cơ sở cơ khí nước ta. Mới đây, trường

đại học Bách khoa Đà Nẵng đã chế tạo thành công bơm nước sử dụng năng
lượng mặt trời, hoạt động theo nguyên tắc động cơ Stirling với các thông số kỹ
thuật sau:
+Công suất : 5 m3/ ngày
+ Áp suất hút tối đa : 5m H2O
+ Áp suất đẩy tối đa : 10m H2O

Hình 1.4 Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời
Như vậy chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng rằng trong một tương lai
không xa nữa động cơ Stirling sẽ trở lại và trở thành nguồn động lực phổ biến
nhất.
6

6


Hình 1-5 Mô hình stirling của các sinh viên đại học công nghiệp Hà Nội
1.2 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI.
Các động cơ nhiệt phổ biến hiện nay không được cung cấp nhiệt năng từ
bên ngoài một cách trực tiếp mà được cung cấp nhiên liệu, sau đó nhiên liệu
được đốt cháy để tạo nhiệt năng. Căn cứ vào vị trí đốt nhiên liệu, người ta chia
động cơ nhiệt thành 2 nhóm : động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài.
Động cơ Stirling là một loại động cơ nhiệt thuộc nhóm đốt ngoài có piston.
Môi chất công tác của động cơ Stirling (thường là không khí, hydrogen hay
helium ) chỉ di chuyển trong một khoảng không gian đã được làm kín và có
thành phần không thay đổi trong tất cả những giai đoạn khác nhau của quá trình
công tác. Khi môi chất công tác được một nguồn nhiệt từ bên ngoài (có thể là
đốt cháy nhiên liệu, địa nhiệt, năng lượng mặt trời..) đốt nóng nó thì nó sẽ giãn
nở và đẩy piston đi xuống để sinh công cơ học. Sau đó nó được làm mát và được
một piston khác đẩy trở lại không gian nén để thực hiện chu trình làm việc tiếp

theo. Còn ở động cơ đốt trong, ở những gian đoạn khác nhau của chu trình công
tác, môi chất công tác có thành phần, trạng thái khác nhau và được gọi bằng
những tên khác nhau như khí mới, sản phẩm cháy, khí thải, khí sót, hỗn hợp
cháy, hỗn hợp khí công tác.
7

7


Động cơ Stirling được phân loại theo những tiêu chí khác nhau. Căn cứ vào
đặc điểm cấu tạo, có thể chia động cơ Stirling thành các loại : Động cơ Stirling
kiểu alpha, động cơ Stirling kiểu beta và động cơ Stirling kiểu gamma. Cụ thể
cấu tạo của từng loại chúng ta sẽ tìm hiểu sau.
1.3. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
1.3.1. NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING
Xét một xylanh được làm kín một đầu và đầu còn lại được bịt kín bằng một
piston (H. 1-6) và một ít không khí chứa bên trong không thoát được ra bên
ngoài. Giả sử, lúc ban đầu toàn bộ thiết bị có nhiệt độ bằng nhiệt độ đầu lạnh và
bằng nhiệt độ môi trường. Lúc này không khí bên trong sẽ có áp suất bằng áp
suất khí quyển. Với điều kiện đó piston sẽ đứng yên.

Nếu ta đốt một đầu xylanh (đầu nóng), nguồn nhiệt được sử dụng có thể là
chùm tia bức xạ mặt trời hội tụ tại đầu xylanh hoặc một cách đơn giản là dùng
một ngọn nến. Khi đó áp suất và nhiệt độ của không khí bên trong sẽ tăng lên,
giãn nở đầy piston chuyển động và sinh công hữu ích ( H. 1-7). Bất kỳ nguồn
nhiệt nào cũng có khả năng sinh công, nhưng nhiệt độ càng cao thì sinh ra công
càng lớn. Động cơ không thể chuyển nhiệt thành công một lần rồi ngừng như
trên mà phải có khả năng sinh công liên tục.

8

8


Quá trình sinh công vẫn tiếp diễn nếu còn quá trình giãn nở của không khí
bên trong xylanh. Tuy nhiên, piston chuyển động ra ngoài quá xa nó sẽ vượt ra
ngoài xylanh. Quá trình sinh công kết thúc. Do vậy quá trình sinh công phải kết
thúc trước khi điều đó xảy ra.
Nếu khi piston chuyển động đến đầu bên phải của xylanh ta ngừng quá
trình cấp nhiệt và tăng quá trình thải nhiệt bằng cách tăng cường làm mát cho
xylanh thì áp suất và nhiệt độ không khí bên trong xylanh giảm xuống. Đến một
lúc nào đó áp suất không khí bên trong thấp hơn áp suất khí quyển thì piston sẽ
chuyển động ngược lại và trở lại vị trí ban đầu, chuẩn bị cho chu trình tiếp theo.

9

9


Trên thực tế thì piston chuyển động quay lại là nhờ vào lực quán tính của
bánh đà làm cho trục khuỷu quay vòng tròn, từ đó thanh truyền sẽ đẩy piston
chuyển động trở lại. Vấn đề đặt ra với động cơ Stirling là làm thế nào để chúng
hoạt động một cách tự động, tức là xylanh nhận, thải nhiệt và liên kết chặt chẽ
10

10


với sự chuyển động của piston, hình dưới đây sẽ trình bày cụ thể hơn nguyên lý
hoạt động của động cơ Stirling.

1.3.2. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING
Tuy có hình dáng bên ngoài, kích thước và cách bố trí khác nhau, nhưng tất
cả động cơ Stirling đều được cấu thành từ các bộ phận cơ bản với chức năng
như sau:
Bộ cấp nhiệt- bộ phận có chức năng cấp nhiệt cho môi chất công tác. Môi
chất công tác thường dùng cho động cơ Stirling là không khí, hydrogen hoặc
helium. Nguồn nhiệt cho động cơ Stirling là xăng dầu, than củi, năng lượng mặt
trời,…
Bộ hồi nhiệt- bộ phận có chức năng thu nhận nhiệt của môi chất công tác
khi nó đi từ không gian giãn nở có nhiệt độ cao sang không gian nén có nhiệt độ
thấp hơn và truyền lại phần nhiệt đã thu nhận cho môi chất công tác khi môi chất
công tác đi ngược trở lại. Có thể xem bộ hồi nhiệt như một thiết bị tận dụng
11

11


năng lượng. Động cơ Stirling vẫn có thể họa động khi không có bộ hồi nhiệt
nhưng khi đó hiệu suất của động cơ sẽ thấp hơn.
Bộ làm mát- là nơi môi chất công tác thải nhiệt ra môi trường bên ngoài.
Đối với động cơ Stirling, môi chất công tác có thể được làm mát bằng không khí
hoặc nước.
Piston giãn nở và piston nén : piston giãn nở là bộ phận tiếp nhận áp lực
của môi chất công tác khi giãn nở để sinh công cơ học. Piston nén là bộ phận có
chức năng nén và đẩy môi chất công tác từ không gian nén qua các bộ phận trao
đổi nhiệt về không gian giãn nở. Hai piston giãn nở và nén được đặt lệch pha
nhau một góc nào đó thường là 900.
Xylanh giãn nở và xylanh nén : xy lanh giãn nở là bộ phận dẫn hướng
piston giãn nở và cùng với piston giãn nở tạo ra không gian giãn nở. Xylanh nén

là bộ phận dẫn hướng piston nén và cùng với piston nén tạo ra không gian nén.
Không gian giãn nở : không gian nằm giữa piston giãn nở và bộ cấp nhiệt.
Tại không gian giãn nở, môi chất công tác có nhiệt độ và áp suất cao sẽ giãn nở
đồng thời đẩy piston giãn nở từ điểm chết trên đến điểm chết dưới để sinh công.
Không gian nén : là nơi môi chất công tác được làm mát sau khi được đẩy
từ không gian giãn nở qua, sau đó được nén và đẩy trở lại không gian giãn nở.

12

12


Cơ cấu truyền lực bao gồm các bộ phận có chức năng tiếp nhận lực đẩy của
môi chất công tác và truyền lực đó đến các bộ phận tiêu thụ đồng thời phối hợp
chuyển động của các piston. Cơ cấu truyền lực của động cơ Stirling có thể cấu
tạo kiểu thanh truyền trục khuỷu tương tự như động cơ đốt trong thông dụng
hoặc có thể có cấu trúc đặc biệt khác như cơ cấu Ross- Yoke hay cơ cấu RossRocker
-Sau đây, chúng ta sẽ đi tìm hiểu kỹ hơn về từng loại động cơ Stirling :
i.

Động cơ Stirling kiểu hai piston (kiểu alpha)
Các động cơ Stirling kiểu alpha có 2 piston đặt trong 2 xylanh riêng biệt và
được nối kết với nhau bằng một chuỗi các bộ phận trao đổi nhiệt gồm bộ phận
cấp nhiệt (heater), bộ phận hồi nhiệt (regenerator), và bộ phận làm mát (cooler).
Có một không gian có nhiệt độ cao gọi là không gian giãn nở hay buồng giãn nở
(espension space) và một không gian có nhiệt độ thấp gọi là không gian nén hay
buồng nén (compression space). Như vậy hai piston làm cho môi chất công tác
di chuyển qua lại giữa hai không gian này và cùng sinh công như nhau.
13

13


Động cơ Stirling kiểu alpha được xem là cấu hình động cơ Stirling đơn
giản nhất, cho công suất cao với kích thước nhỏ gọn, tuy nhiên nó mắc phải
nhược điểm là cả hai piston đều phải được làm kín chất khí không bị rò rỉ ra bên
ngoài và phần xylanh và piston làm việc tại nhiệt độ cao sẽ chịu hạn chế kỹ
thuật cũng như tuổi thọ của chúng.
Động cơ Alpha cũng có thể kết hợp thành động cơ Stirling nhiều xylanh để
cho công suất lớn hơn, phù hợp với yêu cầu công suất của động cơ ô tô. Trong
trường hợp này, không gian giãn nở của một xylanh được nối với không gian
giãn nở của một xylanh kế tiếp theo của một chuỗi kết nối : xylanh bộ cấp nhiệt,
bộ hồi nhiệt và bộ làm mát như hình 1.16:

14

14


ii.

Động cơ Stirling kiểu piston phụ ( kiểu beta,gamma)
Với động cơ Stirling kiểu piston phụ, môi chất công tác chuyển động qua

lại giữa vùng có nhiệt độ cao và vùng có nhiệt độ thấp chỉ bởi một piston (piston
phụ). Piston lực đảm nhiệm việc chuyển áp lực của môi chất thành công cơ học
truyền ra bên ngoài. Động cơ Stirling kiểu beta và gamma đều thuộc động cơ
Stirling kiểu piston phụ.
 Động cơ Stirling kiểu beta :

15

15


Không giống với động cơ kiểu Alpha, động cơ Stirling kiểu beta có một
piston lực và một piston phụ mà nhiệm vụ của nó là đẩy môi chất công tác từ
không gian nén sang không gian giãn nở và ngược lại.
Do sự trùng lặp hành trình của 2 piston nên tỉ số nén của động cơ được tăng
lên và có thể đạt được công suất cao hơn động cơ Stirling kiểu gamma. Tuy
nhiên, trục của piston lực và trục của piston phụ cùng một đường tâm do đó cơ
cấu chuyển động trở lên phức tạp.

động cơ stirling kiểu beta
 Động cơ Stirling kiểu gamma :

Cũng giống như ở động cơ Stirling kiểu beta, các động cơ Stirling kiểu
gamma có một piston phụ và một piston lực. Tuy nhiên, chúng được đặt trong
các xylanh khác nhau. Điều này cho phép một sự cách biệt hoàn toàn giữa các
16

16


bộ phận trao đổi nhiệt, xylanh của piston phụ, không gian nén với piston lực.
Như thế, chúng có phần thể tích chết ( thể tích ma piston không quét tới) lớn
hơn so với cả hai loại beta và alpha. Vì vậy, việc điều chỉnh tỉ số nén và diện
tích trao đổi nhiệt tương đối dễ dàng.

1.3.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING

Tương tự như ở động cơ xăng và động cơ Diesel thông dụng, động cơ
Stirling hoạt động theo kiểu chu kỳ, tức là có các chu trình công tác nối tiếp
nhau. Mỗi chu trình công tác là một giai đoạn làm việc tương ứng với một lần
sinh công, nó bao gồm các quá trình : quá trình nén, quá trình cấp nhiệt, quá
trình giãn nở sinh công và quá trình làm mát. Để tìm hiểu kỹ hơn ta sẽ nghiên
cứu nguyên lý hoạt đọng của từng loại động cơ Stirling một :
1.3.3.1. Động cơ stirling kiểu alpha
1) Quá trình nén : trong quá trình nén, cả piston giãn nở và piston nén đều
đi lên, môi chất công tác được nén lại trong không gian ở giữa hai đỉnh của hai
piston (H. 1-20). Trong quá trình nén, môi chất công tác trong không gian nén
được làm mát để duy trì nhiệt độ không đổi Tmin, quá trình nén kết thúc khi
piston giãn nở ở điểm chết trên
17

17


Hình 1-20 . Quá trình nén
iii.

Quá trình cấp nhiệt
Trong mỗi chu trình công tác, môi chất công tác lưu thông một lần từ không
gian giãn nở sang không gian nén và một lần ngược trở lại. Trên đường lưu
thông từ không gian nén sang không gian giãn nở, môi chất công tác được sấy
nóng đến nhiệt độ TR trong bộ hồi nhiệt rồi sau đó được đốt nóng đến nhiệt độ
Tmax và áp suất Pmax trong bộ cấp nhiệt và đi vào không gian giãn nở. Quá
trình cấp nhiệt kết thúc khi piston nén tới điểm chết trên. Trong quá trình cấp
nhiệt, piston giãn nở đi xuống còn piston nén đi lên, thể tích của môi chất công
tác không đổi (cấp nhiệt đẳng tích).

H. 1-21. Quá trình giãn nở
iv.

Quá trình sinh công : với nhiệt độ Tmax và áp suất Pmax môi chất công tác
trong không gian giãn nở sẽ đẩy piston chuyển động về phía điểm chết dưới

18

18


và sinh công cơ học. Quá trình giãn nở kết thúc khi piston giãn nở tới điểm
chết dưới. (H. 1-22)

H. 1-22. Quá trình sinh công
v. Quá trình làm mát : sau khi giãn nở để sinh công, môi chất công tác được piston

giãn nở đẩy từ không gian giãn nở sang không gian nén. Trên đường đi qua
các bộ trao đổi nhiệt, một phần nhiệt của môi chất công tác được thu hồi.
Trong quá trình nhả nhiệt, piston giãn nở đi lên và piston nén đi xuống nên
thể tích của môi chất công tác là không đổi.

H. 1-23. Quá trình làm mát
1.3.3.2. Động cơ Stirling kiểu beta
Động cơ Stirling kiểu beta còn được gọi là động cơ kiểu piston phụ. Cả
piston lực và piston phụ cùng được đặt trong một xylanh, piston phụ chỉ có
19

19

nhiệm vụ đẩy môi chất công tác từ không gian nén sang không gian giãn nở. Các
bộ phận khác có chức năng tương tự như ở động cơ Stirling kiểu alpha. Nguyên
lý làm việc của động cơ Stirling kiểu beta như sau :
i.

Quá trình nén : quá trình bắt đầu từ khi piston phụ đi từ điểm chết trên về điểm
chết dưới, lúc này piston lực đi từ điểm giữa hành trình lên điểm chết trên (H. 124.a). Môi chất công tác được nén lại và tiếp tục được làm mát để duy trì nhiệt
độ không đổi. Quá trình nén kết thúc khi piston lực đi lên điểm chết trên .

H. 1-24. Quá trình nén (a) và quá trình cấp nhiệt (b)
ii.

Quá trình cấp nhiệt : môi chất công tác từ không gian nén được piston phụ đẩy
dang không gian giãn nở (H. 1-24 b) . Khi đi qua bộ hồi nhiệt, môi chất công tác
được sấy nóng đến nhiệt độ TR , rồi sau đó được đốt nóng đến nhiệt độ Tmax và
áp suất Pmax trong bộ cấp nhiệt rồi đi vào không gian giãn nở. Quá trình cấp
nhiệt kết thúc khi piston phụ rơi xuống điểm chết dưới. Do cả hai piston cùng đi
xuống nên thể tích của môi chất công tác trong quá trình cấp nhiệt là không đổi.
20
20


iii.

Quá trình giãn nở và sinh công- với nhiệt độ và áp suất cao trong không gian
giãn nở, môi chất công tác giãn nở đẩy piston lực đi xuống và sinh công cơ học.
Quá trình giãn nở kết thúc khi piston lực xuống tới điểm chết dưới

H. 1-25. Quá trình giãn nở sinh công và quá trình làm mát (b)

iv.

Quá trình làm mát- piston phụ đi lên và đẩy môi chất công tác từ không gian
giãn nở sang không gian nén. Trên đường đi qua các bộ phận trao đổi nhiệt, một
phần nhiệt của môi chất công tác được truyền cho bộ hồi nhiệt, một phần được
truyền cho môi chất làm mát trong bộ làm mát. Do ở trong giai đoạn này cả hai
piston cùng đi lên nên thể tích của môi chất công tác không thay đổi. Quá trình
làm mát kết thúc khi piston phụ lên đến điểm chết trên.
1.3.3.3. Động cơ stirling kiểu gamma
Động cơ Stirling kiểu gamma thuộc nhóm động cơ Stirling kiểu piston phụ
và có cấu tạo như động cơ Stirling kiểu beta nhưng piston lực và piston phụ đặt
ở 2 xylanh riêng biệt. Tương tự như động cơ stirling kiểu beta, piston phụ chỉ có
nhiệm vụ đẩy môi chất công tác từ không gian nén sang không gian giãn nở.
Piston lực có nhiệm vụ tiếp nhận lực giãn nở của môi chất công tác à truyền ra
21

21


dưới dạng công cơ học. Các quá trình làm việc của động cơ Stirling kiểu gamma
được thể hiện như sau :
i.

Quá trình nén – piston phụ đi xuống từ điểm chết trên và piston lực đi lên, môi
chất công tác được nén lại và tiếp tục được làm mát để duy trì nhiệt độ không
đổi T min( H. 1-26a). Quá trình nén kết thúc khi piston lực lên đến điểm chết
trên.

H. 1-26 . Quá trình nén(a) và quá trình cấp nhiệt (b)
ii.

Quá trình cấp nhiêt:
Piston phụ tiếp tục đi xuống và đẩy toàn bộ môi chất công tác trong không gian
nén sang không gian giãn nở đi qua các bộ phận trao đổi nhiệt ( H.1-26b). Tại bộ
hồi nhiệt, môi chất công tác được sấy nóng và tăng nhiệt độ lên đến T R và tiếp
tục được nung nóng đến nhiệt độ Tmax khi đi ngang qua bộ cấp nhiệt, ở giai
đoạn này cả hai piston cùng đi xuống do đó thể tích môi chất công tác không
đổi. giai đoạn cấp nhiệt đẳng tích kết thúc khi piston phụ đi xuống điểm chết
dưới.

iii.

Quá trình giãn nở và sinh công : Môi chất công tác sau khi được cấp nhiệt có
nhiệt đô và áp suất cao, giãn nở đẩy piston đi xuống (H. 1-27 a). Quá trình giãn
nở và sinh công kết thúc khi piston lực đi xuống điểm chết dưới.
22

22


H.1-27. Quá trình giãn nở sinh công và quá trình làm mát(b)
iv. Quá trình làm mát
Piston phụ đi lên và đẩy môi chất công tác từ không gian giãn nở sang
không gian nén (H. 1-27.b). Khi đi qua bộ hồi nhiệt thì một phần nhiệt của nó đã
bị giữ lại, sau đó nó tiếp tục được làm mát khi đi qua bộ làm mát. Quá trình làm
mát kết thúc khi piston phụ lên đến điểm chết trên.
1.4. SO SÁNH CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ STIRLING
 So sánh động cơ Stirling kiểu hai piston với kiểu piston phụ:
 Yêu cầu đối với việc làm kín không gian công tác ở động cơ Stirling là rất

cao,đặc biệt trong trường hợp mỗi chất công tác không phải là không khí mà là
các chất dễ cháy nổ hoặc có giá thành cao như hydrogen hay helium.Việc làm
kín không gian công tác ở động cơ Stirling kiểu piston phụ (động cơ kiểu beta
và gamma) thuận lợi hơn vì chỉ cần xecmang kín khí cho một piston (piston
lực). Một ưu điểm nữa của động cơ kiểu piston phụ là khối lượng chuyển động
tịnh tiến toàn bộ có thể nhỏ hơn ở động cơ kiểu hai piston (động cơ kiểu anpha).
23

23


Chính điều này làm cho động cơ kiểu piston phụ dễ cân bằng và ít rung động
hơn.Piston phụ không tạo ra cơ năng mà chỉ chịu lực khí thể xuất hiện do dòng
khí động lực học và lực quán tính của bản thân nó. Vì vậy làm giảm đáng kể
trọng lượng và tổn thất ma sát.
 Công suất của động cơ Stirling (theo cách tính gần đúng) là một hàm tuyến tính
của áp suất của môi chất công tác.Vì vậy,để có thể nâng cao công suất riêng ta
có thể tăng áp cho động cơ.Ở những động cơ nhỏ việc tăng áp piston hộp trục
khuỷu rất thuận tiện.Điều này không chỉ làm giảm nhẹ chức năng làm kín của
xecmang,mà còn giảm bớt yêu cầu về độ bền của cụm piston-thanh truyền-ổ đỡ.
 So sánh động cơ kiểu beta và kiểu gamma :
 Động cơ Stirling kiểu beta và kiểu gamma đều thuộc nhóm động cơ kiểu piston

phụ.
 Trong động cơ gamma,xylanh của piston phụ và xylanh của piston lực tách rời
nhau và được nối với nhau bằng ống nối,bởi vậy thể tích này không thể giảm
xuống bằng 0,do đó thể tích chết của xylanh (thể tích mà piston không quét tới)
tăng lên và làm giảm công suất của động cơ.
 Với động cơ kiểu beta,ứng với mỗi vòng quay của trục khuỷu,piston phụ và
piston lực cùng quét một phần của xylanh ở các thời điểm khác nhau nên hiệu

quả sử dụng không gian công tác của xylanh tốt hơn.
 So với động cơ kiểu beta,động cơ kiểu gamma có ưu điểm là dễ bố trí cơ cấu
dẫn động bằng thanh truyền trục khuỷu,vấn đề làm kín không gian công tác
cũng dễ dàng hơn.
1.5. SO SÁNH ĐỘNG CƠ STIRLNG VỚI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
So với động cơ đốt trong thông dụng (động cơ ở xăng và
diesd),động cơ Stirling có những ưu điểm sau đây:
+ Động cơ Stirling có thể chạy được bất kì loại nhiên liệu nào,từ nhiên liệu
hóa thạch (than đá,sản phẩm dầu mỏ) đến nhiên liệu tái tạo như gỗ,củi,…Ngoài
24

24


ra,động cơ Stirling cũng có thể hoạt động tốt với các nguồn nhiệt thiên nhiên
như địa nhiệt,năng lượng mặt trời.
+ Nếu chạy bằng năng lượng mặt trời hoặc địa nhiệt thì động cơ Stirling có
thể coi là động cơ sạch.Ngay cả trong trường hợp chạy bằng các loại nhiên liệu
truyền thống(xăng,dầu diesel,…) thì nguy cơ gây ô nhiễm môi trường bởi khí
thải cũng thấp hơn nhiều do quá trình cháy ở động cơ Stirling diễn ra liên tục ở
bên ngoài không gian công tác của động cơ nên việc đảm bảo cho quá trình chạy
diễn ra hoàn toàn dễ dàng hơn nhiều so với trường hợp động cơ đốt trong.
+ Chu kì công tác của động cơ Stirling thuộc loại chu trình kín,tức là không
có sự trao đổi môi chất công tác môi trường bên ngoài nên động cơ Stirling có
thể hoạt động bất kỳ nơi đâu nếu có sự chênh lệch nhiệt độ.
+ Độ ồn và rung động khi hoạt động của động cơ Stirling thấp hơn do
không khí có sự biến đổi áp suất của môi chất công tác một cách đột ngột như ở
động cơ đốt trong..Hơn nữa,động cơ Stirling lại không có cơ cấu nạp xà.
+ Đối với động cơ Stirling, sản phẩm cháy không tiếp xúc trực tiếp với các
bộ phận chuyển động nên cường độ mài mòn và ăn mòn thấp hơn,tuổi thọ động

cơ lớn hơn,lượng tiêu thụ dầu bôi trơn hầu như không đáng kể.
+ Về cấu tạo thì động cơ Stirling đơn giản hơn nhiều so với động cơ đốt
trong.Nó có ít chi tiết,ít bộ phận hơn,không có các hệ thống phức tạp như ở động
cơ đốt trong.
*Tuy nhiên,động cơ Stirling cũng có những hạn chế không nhỏ trong vấn
đề một số vấn đề :
Vấn đề vật liệu chế tạo:các bộ phận trao đổi nhiệt như buồng đốt,bộ phận
cấp nhiệt,bộ phận hồi nhiệt luôn tiếp xúc với nhiệt độ cao mà lại không làm mát
nên dễ bị oxy hóa.Do đó phải được chế tạo bằng các vật liệu chịu nhiệt tốt,đắt
tiền.Hơn thế nữa,động cơ Stirling chỉ đạt được công suất và hiệu suất cao nhất
khi lỗ trống bên trong cấu thành nên không gian chết của động cơ được giảm
nhỏ tối thiểu,môi chất công tác phải là hydrogen và helium.Nhưng như thế thì
25

25