Ưu nhược điểm và cách thức phân loại của động cơ Stirling

Phân loại động cơ Stirling

Loại alpha

Động cơ Stirling loại alpha có hai piston chịu lực nằm tại xy lanh nóng (tiếp xúc với nguồn nhiệt độ cao) và xy lanh lạnh (tiếp xúc với nơi làm mát). Loại thiết kế này cho ra công suất cao với một kích thước động cơ nhỏ gọn. Tuy nhiên, xy lanh và piston làm việc tại nhiệt độ cao sẽ chịu các hạn chế kỹ thuật, như tuổi thọ của chúng.

Loại beta

Chu trình Stirling cho một động cơ Stirling theo thiết kế beta.

Động cơ Stirling loại beta có duy nhất một piston chịu lực nằm đồng trục với con chạy. Chỉ có piston chịu lực khớp khít với xy lanh, còn con chạy không khít với xy lanh và không thực hiện công cơ học lên khối khí mà chỉ có tác dụng di chuyển khối khí từ bên nóng sang bên lạnh và ngược lại. Khi khối khí bị đẩy sang bên phần nóng, nó sẽ giãn nở và thực hiện công lên piston chịu lực. Trong thiết kế này, piston chịu lực luôn nằm bên phần lạnh và do đó không chịu hạn chế kỹ thuật do nhiệt độ cao gây ra.

Loại gamma

Động cơ Stirling loại gamma thực chất là động cơ loại beta nhưng piston chịu lực nằm trong xy lanh riêng cạnh xy lanh chứa con chạy. Khối khí có thể di chuyển giữa hai xy lanh nhưng vẫn nằm trong một thể tích kín chung. Thiết kế này có tỷ số nén thấp nhưng đơn giản.

Động cơ Stirling piston tự do, liên kết với máy phát điện tịnh tiến, thiết kế bởi NASA.

Có nhiều thiết kế trong đó piston (và con chạy) được tự do di chuyển không cần liên kết với nhau hay với các hệ thống cơ học bên ngoài. Sự dao động qua lại của piston chịu lực có thể vận hành máy phát điện tịnh tiến; đồng thời các máy phát điện tịnh tiến có thể hoạt động ở chế độ ngược, trong đó dòng điện được cung cấp để điều hòa sự di chuyển của piston và con chạy. Các piston có thể làm bằng chất lỏng hay bằng màng ngăn là chất dẻo đàn hồi để đơn giản hóa vấn đề bôi trơn.

Các loại khác

Một số nhà sáng chế cũng theo đuổi việc thiết kế động cơ stirling quay, trong đó khối khí trực tiếp tạo ra mômen lực để quay máy móc

Cũng có thiết kế để động cơ Stirling hoạt động như máy bơm nước, trong đó nước đóng vai trò tản nhiệt luôn cho phần lạnh.

Ưu nhược điểm của động cơ Stirling

Ưu điểm động cơ Stirling

Buồng đốt đặt ngoài, việc đốt diễn ra liên tục, có thể kiểm soát không để dư thừa nhiên liệu nên hạn chế phát thải độc hại so với việc đốt theo chu trình trong buồng bên trong.

Tận dụng bất cứ nguồn nhiệt nào.

Nhiều thiết kế có piston nằm bên phần lạnh nên giảm vấn đề bôi trơn, tăng tuổi thọ, độ tin cậy. Không cần van, hệ thống cơ học đơn giản, hệ thống cung cấp chất đốt đơn giản và tùy chọn cũng là những yếu tố tăng độ tin cậy cho động cơ.

An toàn, nhỏ gọn hơn động cơ hơi nước.

Hoạt động ở áp suất thấp, do đó an toàn và nhỏ gọn hơn động cơ hơi nước

Không cần nguồn cung cấp không khí (nếu nguồn nhiệt không lấy từ việc đốt nhiên liệu) nên có thể hoạt động dưới tàu ngầm hay trong vũ trụ

Có thể hoạt động dễ dàng hơn trong thời tiết giá lạnh so với các động cơ đốt trong

Nhược điểm động cơ Stirling

Cần có bộ phận trao đổi nhiệt ở phần nóng và phần lạnh có hiệu suất cao.

Bộ phận làm mát (tản nhiệt) ở buồng lạnh có thể phức tạp và choán nhiều không gian

Công suất và tốc độ khó thay đổi nhanh.

Động cơ Stirling chứa không khí không cho hiệu suất cao bằng các động cơ Stirling chứa hydro hay heli Tuy nhiên, hydro gây ra nhiều khó khăn kỹ thuật như độ thất thoát cao.