スターリングエンジンは、車の内燃エンジンとは大きく異なる熱機関です。1816年にロバートスターリングによって発明されたスターリングエンジンは、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンよりもはるかに効率的である可能性があります。しかし今日、スターリングエンジンは、潜水艦やヨットの補助発電機など、静かな操作が重要な非常に特殊な用途でのみ使用されています。スターリングエンジンのマスマーケットアプリケーションは成功していませんが、非常に強力な発明家が取り組んでいます。
スターリングエンジンは、内燃エンジンで使用されるサイクルとは異なり、スターリングサイクルを使用します。
- スターリングエンジン内で使用されるガスは、エンジンから出ることはありません。ガソリンエンジンやディーゼルエンジンのように高圧ガスを排出する排気バルブはなく、爆発も起こりません。このため、スターリングエンジンは非常に静かです。
- スターリングサイクルは外部熱源を使用します。これは、ガソリンから太陽エネルギー、腐敗した植物によって生成される熱まで、何でもかまいません。エンジンのシリンダー内では燃焼は起こりません。
スターリングエンジンを組み立てる方法は何百もあります。この記事では、スターリングサイクルについて学び、このエンジンの2つの異なる構成がどのように機能するかを確認します。
- スターリングサイクル
- ディスプレーサ式スターリングエンジン
- 2ピストンスターリングエンジン
- スターリングエンジンが一般的ではないのはなぜですか？
スターリングサイクル
スターリングエンジンの重要な原理は、一定量のガスがエンジン内に密封されることです。スターリングサイクルには、エンジン内のガスの圧力を変化させてエンジンを作動させる一連のイベントが含まれます。
スターリングエンジンの動作に重要なガスには、いくつかの特性があります。
- 一定の空間に一定量のガスがあり、そのガスの温度を上げると、圧力が上昇します。
- 一定量のガスがあり、それを圧縮する（その空間の体積を減らす）と、そのガスの温度は上昇します。
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簡略化されたスターリングエンジンを見ながら、スターリングサイクルの各部分を見ていきましょう。私たちの簡略化されたエンジンは2つのシリンダーを使用しています。一方のシリンダーは外部の熱源（火など）によって加熱され、もう一方のシリンダーは外部の冷却源（氷など）によって冷却されます。2つのシリンダーのガス室は接続されており、ピストンは、それらが相互にどのように動くかを決定するリンケージによって機械的に相互に接続されています。
スターリングサイクルには4つの部分があります。上のアニメーションの2つのピストンは、サイクルのすべての部分を実行します。
- 加熱されたシリンダー（左）内のガスに熱が加えられ、圧力が発生します。これにより、ピストンが強制的に下降します。これは、作業を行うスターリングサイクルの一部です。
- 左のピストンは上に移動し、右のピストンは下に移動します。これにより、高温のガスが冷却されたシリンダーに押し込まれ、冷却源の温度までガスが急速に冷却され、圧力が低下します。これにより、サイクルの次の部分でガスを圧縮しやすくなります。
- 冷却されたシリンダー（右）のピストンがガスの圧縮を開始します。この圧縮によって生成された熱は、冷却源によって除去されます。
- 右のピストンは上に移動し、左のピストンは下に移動します。これにより、ガスが加熱されたシリンダーに押し込まれ、そこで急速に加熱されて圧力が発生し、その時点でサイクルが繰り返されます。
スターリングエンジンは、サイクルの最初の部分でのみ動力を供給します。スターリングサイクルの出力を上げるには、主に2つの方法があります。
- ステージ1で出力を上げる-サイクルのパート1では、ピストンを押す加熱ガスの圧力が仕事を実行します。サイクルのこの部分で圧力を上げると、エンジンの出力が上がります。圧力を上げる1つの方法は、ガスの温度を上げることです。この記事の後半で2ピストンスターリングエンジンを見ると、再生器と呼ばれる装置が一時的に熱を蓄えることによってエンジンの出力をどのように改善できるかがわかります。
- ステージ3での電力使用量の削減-サイクルのパート3では、ピストンはパート1で生成された電力の一部を使用してガスの仕事を実行します。サイクルのこの部分で圧力を下げると、サイクルのこの段階で使用される出力を減らすことができます（エンジンの出力を効果的に上げることができます）。圧力を下げる1つの方法は、ガスをより低い温度に冷却することです。
このセクションでは、理想的なスターリングサイクルについて説明しました。実際に動作するエンジンは、設計の物理的な制限により、サイクルがわずかに異なります。次の2つのセクションでは、いくつかの異なる種類のスターリングエンジンを見ていきます。ディスプレーサタイプのエンジンがおそらく最も理解しやすいので、そこから始めましょう。
特別な感謝
この記事を手伝ってくれたAmericanStirlingCompanyのBrentVanArsdellに特に感謝します。
ディスプレーサ式スターリングエンジン
ディスプレーサタイプのエンジンは、ピストンが2つではなく、ピストンが1つとディスプレーサが1つあります。ディスプレーサはガス室が加熱されると、それが冷却されるときに制御するのに役立ちます。このタイプのスターリングエンジンは、教室でのデモンストレーションで使用されることがあります。キットを購入して自分で作成することもできます。
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上のエンジンを動かすには、大きなシリンダーの上部と下部の間に温度差が必要です。この場合、あなたの手の温度とその周りの空気の差はエンジンを動かすのに十分です。
このページの図では、2つのピストンを見ることができます。
- パワーピストン-これは、エンジンの上部の小さいピストンです。エンジン内部のガスが膨張すると上昇する、密閉されたピストンです。
- ディスプレーサ-これは、図中の大きなピストンです。このピストンはシリンダー内で非常に緩んでいるため、ピストンが上下に動くときに、エンジンの加熱された部分と冷却された部分の間を空気が簡単に移動できます。
ディスプレーサは上下に動き、エンジン内のガスが加熱されているか冷却されているかを制御します。2つの位置があります：
- ディスプレーサが大きなシリンダーの上部近くにある場合、エンジン内のガスの大部分は熱源によって加熱され、膨張します。エンジン内部に圧力がかかり、パワーピストンが押し上げられます。
- ディスプレーサが大きなシリンダーの底の近くにあるとき、エンジン内のガスのほとんどは冷えて収縮します。これにより圧力が低下し、パワーピストンが下降してガスを圧縮しやすくなります。
エンジンはガスの加熱と冷却を繰り返し、ガスの膨張と収縮からエネルギーを抽出します。
次に、2ピストンスターリングエンジンを見てみましょう。
2ピストンスターリングエンジン
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このエンジンでは、加熱されたシリンダーは外部の炎によって加熱されます。冷却されたシリンダーは空冷式であり、冷却プロセスを支援するためにフィンが付いています。各ピストンから生じるロッドは小さなディスクに接続され、ディスクは大きなフライホイールに接続されます。これにより、エンジンから電力が生成されていないときにピストンが動き続けます。
炎は継続的に下部シリンダーを加熱します。
- サイクルの最初の部分では、圧力が高まり、ピストンを左に動かして仕事をします。冷却されたピストンは、回転の方向が変わるポイントにあるため、ほぼ静止したままです。
- 次の段階では、両方のピストンが動きます。加熱されたピストンが右に移動し、冷却されたピストンが上に移動します。これにより、ほとんどのガスが再生器を通って冷却されたピストンに移動します。再生器は一時的に熱を蓄えることができる装置です-それは加熱されたガスが通過するワイヤーのメッシュであるかもしれません。金網の大きな表面積は、ほとんどの熱をすばやく吸収します。これにより、冷却フィンによって除去される熱が少なくなります。
- 次に、冷却されたシリンダーのピストンがガスの圧縮を開始します。この圧縮によって生成された熱は、冷却フィンによって除去されます。
- サイクルの最後のフェーズでは、両方のピストンが移動します。つまり、冷却されたピストンが下に移動し、加熱されたピストンが左に移動します。これにより、ガスは再生器（前のサイクルでそこに蓄えられた熱を吸収する場所）を横切って、加熱されたシリンダーに押し込まれます。この時点で、サイクルが再び始まります。
スターリングエンジンのマスマーケットアプリケーションがまだないのはなぜか疑問に思われるかもしれません。次のセクションでは、この理由のいくつかを見ていきます。
スターリングエンジンが一般的ではないのはなぜですか？
スターリングエンジンを、ほとんどの車やトラックを含む多くのアプリケーションでの使用に実用的でないものにするいくつかの重要な特性があります。
ため、熱源が外部にある熱の量の変化に対応するためにエンジンのシリンダに適用されるが、それは少しを取る-それはシリンダー壁を通って内部のガスに伝導される熱のために時間がかかりエンジン。この意味は：
- エンジンが有用な出力を生成する前に、エンジンがウォームアップするのに少し時間がかかります。
- エンジンは出力を素早く変えることができません。
これらの欠点は、自動車の内燃エンジンに取って代わるものではないことを保証するものです。ただし、スターリングエンジンを搭載したハイブリッド車は実現可能かもしれません。
スターリングエンジンと関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。
初版：2001年5月4日
