스털링 엔진은 자동차의 내연 기관 과 크게 다른 열 엔진입니다 . 1816년 로버트 스털링이 발명한 스털링 엔진은 가솔린이나 디젤 엔진 보다 훨씬 더 효율적일 가능성이 있습니다 . 그러나 오늘날 스털링 엔진은 잠수함 이나 요트용 보조 발전기와 같이 조용한 작동이 중요한 일부 매우 특수한 응용 분야에서만 사용됩니다 . 스털링 엔진에 대한 성공적인 대중 시장 응용 프로그램은 없었지만 일부 초고출력 발명가가 작업하고 있습니다.
스털링 엔진은 내연 기관에서 사용되는 사이클과 달리 스털링 사이클을 사용합니다 .
- 스털링 엔진 내부에서 사용되는 가스는 엔진을 떠나지 않습니다. 가솔린이나 디젤 엔진과 같이 고압 가스를 배출하는 배기 밸브가 없으며 폭발이 일어나지 않습니다. 이 때문에 스털링 엔진은 매우 조용합니다.
- 스털링 사이클은 외부 열원을 사용합니다. 외부 열원은 휘발유에서 태양 에너지, 부패하는 식물에서 생성되는 열에 이르기까지 무엇이든 될 수 있습니다 . 엔진의 실린더 내부에서는 연소가 일어나지 않습니다.
스털링 엔진을 구성하는 수백 가지 방법이 있습니다. 이 기사에서 우리는 스털링 사이클에 대해 배우고 이 엔진의 두 가지 다른 구성이 어떻게 작동하는지 볼 것입니다.
- 스털링 사이클
- 디스플레이서 형 스털링 엔진
- 2피스톤 스털링 엔진
- 스털링 엔진이 더 일반적이지 않은 이유는 무엇입니까?
스털링 사이클
스털링 엔진의 핵심 원리는 일정량의 가스가 엔진 내부에 밀봉되어 있다는 것 입니다. 스털링 사이클에는 엔진 내부의 가스 압력을 변경하여 작동하도록 하는 일련의 이벤트가 포함됩니다.
스털링 엔진의 작동에 중요한 가스의 몇 가지 속성이 있습니다.
- 일정한 부피의 공간에 일정한 양의 기체가 있고 그 기체의 온도를 높이면 압력이 증가합니다.
- 고정된 양의 가스가 있고 이를 압축하면(공간의 부피 감소) 해당 가스의 온도가 증가합니다.
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단순화된 스털링 엔진을 보면서 스털링 주기의 각 부분을 살펴보겠습니다. 단순화된 엔진은 2개의 실린더를 사용합니다. 하나의 실린더는 외부 열원(예: 불 )에 의해 가열되고 다른 실린더는 외부 냉각 소스(예: 얼음)에 의해 냉각됩니다. 두 실린더의 가스 챔버는 연결되고 피스톤은 서로에 대해 어떻게 움직일 것인지를 결정하는 연결 장치에 의해 서로 기계적으로 연결됩니다.
스털링 사이클에는 네 부분이 있습니다. 위의 애니메이션에서 두 개의 피스톤은 사이클의 모든 부분을 수행합니다.
- 가열된 실린더(왼쪽) 내부의 가스에 열이 추가되어 압력이 생성됩니다. 이렇게 하면 피스톤이 아래로 이동합니다. 이것은 작업을 수행하는 스털링 사이클의 일부입니다.
- 왼쪽 피스톤은 위로 움직이고 오른쪽 피스톤은 아래로 움직입니다. 이것은 뜨거운 가스를 냉각된 실린더로 밀어넣고 가스를 냉각 소스의 온도로 빠르게 냉각시켜 압력을 낮춥니다. 이렇게 하면 사이클의 다음 부분에서 가스를 더 쉽게 압축할 수 있습니다.
- 냉각된 실린더(오른쪽)의 피스톤이 가스를 압축하기 시작합니다. 이 압축에 의해 생성된 열은 냉각원에 의해 제거됩니다.
- 오른쪽 피스톤은 위로 이동하고 왼쪽 피스톤은 아래로 이동합니다. 이렇게 하면 가스가 가열된 실린더로 들어가게 되어 빠르게 가열되어 압력이 형성되고 이 지점에서 사이클이 반복됩니다.
스털링 엔진 은 사이클의 첫 번째 부분 에서만 동력 을 생성합니다. 스털링 사이클의 출력을 높이는 두 가지 주요 방법이 있습니다.
- 1단계에서 출력 증가 - 사이클의 1부에서는 피스톤을 밀어내는 가열된 가스의 압력이 작동합니다. 사이클의 이 부분에서 압력을 높이면 엔진의 출력이 증가합니다. 압력을 높이는 한 가지 방법은 기체의 온도를 높이는 것입니다. 이 기사 뒷부분에서 2피스톤 스털링 엔진을 살펴볼 때 재생기 라는 장치가 열을 일시적으로 저장하여 엔진의 출력을 향상시킬 수 있는 방법을 살펴보겠습니다 .
- 3단계에서 전력 사용량 감소 - 사이클의 3부에서 피스톤은 1부에서 생성된 전력의 일부를 사용하여 가스에 대한 작업을 수행합니다. 사이클의 이 부분에서 압력을 낮추면 사이클의 이 단계에서 사용되는 전력이 감소할 수 있습니다(엔진의 출력을 효과적으로 증가시킴). 압력을 낮추는 한 가지 방법은 가스를 더 낮은 온도로 냉각하는 것입니다.
이 섹션에서는 이상적인 스털링 사이클에 대해 설명했습니다. 실제 작동하는 엔진은 설계의 물리적 제한으로 인해 주기가 약간 다릅니다. 다음 두 섹션에서는 몇 가지 다른 종류의 스털링 엔진을 살펴보겠습니다. 디스플레이서 유형의 엔진은 아마도 가장 이해하기 쉬울 것이므로 여기에서 시작하겠습니다.
특별한 감사
이 기사에 도움을 준 American Stirling Company 의 Brent Van Arsell에게 특별한 감사를 전합니다 .
디스플레이서 형 스털링 엔진
2개의 피스톤을 갖는 대신 디스플레이서형 엔진은 1개의 피스톤과 디스플레이서를 갖는다. 변은 가스 챔버가 가열 될 때 그리고 냉각되는 때를 제어하는 역할을한다. 이러한 유형의 스털링 엔진은 때때로 교실 시연에서 사용됩니다. 키트 를 구입하여 직접 제작할 수도 있습니다 !
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위의 엔진이 작동하려면 큰 실린더의 상단과 하단의 온도차 가 필요합니다 . 이 경우 손의 온도와 주위 공기의 차이로 엔진을 가동할 수 있습니다.
이 페이지의 그림에서 두 개의 피스톤을 볼 수 있습니다.
- 파워 피스톤이 -이 엔진의 상단에있는 작은 피스톤입니다. 그것은 엔진 내부의 가스가 팽창함에 따라 위로 움직이는 단단히 밀봉 된 피스톤입니다.
- 디스플레이 서이 -이 도면에서 큰 피스톤입니다. 이 피스톤은 실린더에서 매우 느슨하기 때문에 피스톤이 위아래로 움직일 때 엔진의 가열된 부분과 냉각된 부분 사이에서 공기가 쉽게 이동할 수 있습니다.
디스플레이서는 엔진의 가스가 가열되거나 냉각되는지 여부를 제어하기 위해 위아래로 움직입니다. 두 가지 위치가 있습니다.
- 디스플레이서가 큰 실린더의 상단 근처에 있을 때 엔진 내부의 대부분의 가스는 열원에 의해 가열되어 팽창합니다. 엔진 내부에 압력이 형성되어 파워 피스톤이 위로 올라갑니다.
- 디스플레이서가 큰 실린더의 바닥 근처에 있으면 엔진 내부의 대부분의 가스가 냉각되어 수축합니다. 이로 인해 압력이 떨어지고 파워 피스톤이 아래로 내려가 가스를 압축하기가 더 쉬워집니다.
엔진은 가스를 반복적으로 가열하고 냉각 하여 가스의 팽창과 수축에서 에너지 를 추출 합니다.
다음으로 2피스톤 스털링 엔진을 살펴보겠습니다.
2피스톤 스털링 엔진
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이 엔진에서 가열된 실린더는 외부 화염에 의해 가열됩니다. 냉각된 실린더는 공랭식이며 냉각 과정을 돕기 위해 핀이 있습니다. 각 피스톤에서 나온 막대는 작은 디스크에 연결되고, 이 디스크는 차례로 더 큰 플라이휠에 연결됩니다. 이렇게 하면 엔진에서 동력이 생성되지 않을 때 피스톤이 계속 움직이게 됩니다.
화염은 계속해서 바닥 실린더를 가열합니다.
- 사이클의 첫 번째 부분에서 압력이 형성되어 피스톤이 왼쪽으로 움직여 작업을 수행합니다. 냉각된 피스톤은 방향을 바꾸는 회전 지점에 있기 때문에 거의 정지 상태를 유지합니다.
- 다음 단계에서는 두 피스톤이 모두 움직입니다. 가열된 피스톤은 오른쪽으로 이동하고 냉각된 피스톤은 위로 이동합니다. 이것은 대부분의 가스를 재생기 를 통해 냉각된 피스톤으로 이동시킵니다. 재생기는 일시적으로 열을 저장할 수 있는 장치입니다. 가열된 가스가 통과하는 철망일 수 있습니다. 와이어 메쉬의 넓은 표면적은 대부분의 열을 빠르게 흡수합니다. 이렇게 하면 냉각 핀에서 제거할 열이 줄어듭니다.
- 다음으로 냉각된 실린더의 피스톤이 가스를 압축하기 시작합니다. 이 압축에 의해 생성된 열은 냉각 핀에 의해 제거됩니다.
- 사이클의 마지막 단계에서 두 피스톤이 모두 움직입니다. 냉각된 피스톤은 아래로 이동하고 가열된 피스톤은 왼쪽으로 이동합니다. 이것은 가스를 재생기(이전 주기 동안 거기에 저장된 열을 흡수하는 곳)를 가로질러 가열된 실린더로 밀어 넣습니다. 이 시점에서 사이클이 다시 시작됩니다.
왜 아직까지 스털링 엔진의 대중 시장 응용 프로그램이 없는지 궁금할 것입니다. 다음 섹션에서는 이에 대한 몇 가지 이유를 살펴보겠습니다.
스털링 엔진이 더 일반적이지 않은 이유는 무엇입니까?
스털링 엔진을 대부분의 자동차 와 트럭을 포함하여 많은 응용 분야에서 사용할 수 없게 만드는 몇 가지 주요 특성이 있습니다.
열원이 외부에 있기 때문에 실린더에 가해지는 열량의 변화에 엔진이 반응하는 데 약간의 시간이 걸립니다. 열이 실린더 벽을 통해 내부 가스로 전도되는 데 시간이 걸립니다. 엔진. 이는 다음을 의미합니다.
- 엔진은 유용한 출력을 생성하기 전에 워밍업 시간이 필요합니다.
- 엔진은 출력을 빠르게 변경할 수 없습니다.
이러한 단점은 자동차의 내연 기관을 대체하지 않는다는 것을 보장합니다. 그러나 스털링 엔진으로 구동되는 하이브리드 자동차 는 실현 가능합니다.
스털링 엔진 및 관련 주제에 대한 자세한 내용은 다음 페이지의 링크를 확인하십시오.
최초 발행일: 2001년 5월 4일
