BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

TIỂU LUẬN
Đề tài: “ ĐỘNG CƠ STIRLING CHẠY BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI”

Giảng viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

ThS. NGUYỄN HỒNG TRÍ
PHẠM NGỌC PHI

MSSV:

10103108

Lớp:

1111431A

Khố:

2011-2015

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2014


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................1

NỘI DUNG............................................................................................2
1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ STIRLING.........2
1.1.

GIỚI THIỆU..........................................................................3

1.2.

MỘT VÀI MƠ HÌNH ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING.5

1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐỘNG CƠ NHIỆT VÀ ĐỘNG CƠ
STIRLING.......................................................................................6
1.3.

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU..................................................7

2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG HỌC STIRLING...........................8
2.1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CHU TRÌNH NHIỆT
ĐỘNG HỌC....................................................................................8
2.2 HIỆU SUẤT NHIỆT LÝ THUYẾT.........................................10
3. PHÂN LOẠI ĐỘNG có STIRLING...........................................11
3.1

GIỚI THIỆU........................................................................11

3.2 CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ STIRLING.........................................12
3.2.

SO SÁNH CÁC LOẠI ĐỘNG có STIRLING.....................16


4. MƠI CHẤT CƠNG TÁC...........................................................18
5. BỘ HỒN NHIỆT.....................................................................20
6. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING.....................20
6.1.

ƯU ĐIỂM............................................................................20

6.2.

NHƯỢC ĐIẾM....................................................................21

KẾT LUẬN..........................................................................................23
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................24


LỜI NÓI ĐẦU
Từ lâu nay, vấn đề năng lượng là một vấn đề quan tâm hàng đầu
của mọi người. Nguồn dầu mỏ trên thế giới dù rất phong phú, nhưng sự
khai khác dầu mỏ một cách ồ ạt như hiện nay đã làm cho nguồn dầu mỏ
ngày càng cạn kiệt dần, do đó giá dầu sẽ tăng cao. Hơn nữa, trong thời
đại ngày nay, khi mà vấn đề môi trường đang là vấn đề tồn cầu, mơi
trường đang bị ơ nhiễm nặng, mà một trong những ngun nhân chính
đó là do khí thải của động cơ. Nồng độ của những chất gây ơ nhiễm
trong khí xả động cơ như NOx, CO, HC, bồ hống ... có xu hướng gia
tăng mạnh mẽ cùng với sự gia tăng nởng độ C0 2, chất khí gây hiệu ứng
nhà kính làm tăng nhiệt độ bầu khí quyển, đã là đề tài bàn cãi ở nhiều
diễn đàn quốc tế và khu vực.
Tất cả những vấn đề đó, địi hỏi ngành động cơ phải có những
giải pháp thích họp. Động cơ đốt trong ngày nay dần dần sẽ được thay
thế bằng các loại động cơ khác, trong đó động cơ Stirling đang được sự

quan tâm của nhiều người. Đây là loại động cơ đốt ngoài sử dụng mơi
chất cơng tác thể khí. Động cơ có kết cấu đơn giản, khơng có các hệ
thống phức tạp như hệ thống điện, hệ thống phun nhiên liệu... Động cơ
Stirling cung cấp cơng theo một chu trình trong đó piston nén khí ở


nhiệt độ thấp và cho khí giãn nở ở nhiệt độ cao. Động cơ này có thể
dùng bất kỳ nguồn nhiệt nào, q trình cấp nhiệt có thể thực hiện bên
trong hay bên ngoài xylanh...
Ở bài tiểu luận này, em giới thiệu tổng quát về động cơ nhiệt và
động cơ Stirling, nêu mục đích nghiên cứu, tìm hiểu các loại kết cáu
khác nhau của động cơ, nêu ưu nhược điểm của nó, tìm hiểu ngun lý
hoạt động của động cơ Stirling bằng hình ảnh, nghiên cứu lý thuyết và
thiết kế một động cơ Stirling chạy bằng nguồn điện làm cơ sở để nghiên
cứu phát triển các loại động cơ Stirling khác.
Trong q trình hồn thành bài tiểu luận, mặc dù bản thân em đã
cố gắng, nhưng chắc không tránh khỏi sai sót. Vì vậy em mong được sự
chỉ bảo của thầy và các bạn để việc bài thuyết trình có được hồn thiện
hơn.
Em xin bày tỏ lịng biết ơn đến thầy Hồn Minh Trí và các bạn đã
giúp đở để em hồn thành bài tiểu luận này.

Thành phố HỒ CHÍ MINH, ngày 22 tháng 11 năm 2014


NỘI DUNG

1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ STIRLING
1.1. GIỚI THIỆU
Động có Stirling là loại động cơ nhiệt kiểu piston, được đặt tên

theo người sáng chế ra nó, ơng Robert Stirling. Năm 1816 , khi động cơ
hơi nước vận hành ở mọi nơi, Robert Stirling đã sáng chế ra một loại
động cơ mới- động cơ Stirling (hình 1.1). Đây là loại động có sử dụng
buồng đốt ngồi, cơng được tạo ra do sự giãn nở khí ở nhiệt độ cao.
Cũng nhu các loại động cơ đốt trong, động cơ Stirling cung cấp cơng
theo một chu trình, trong đó piston nén khí ở nhiệt độ thấp và cho khí
giãn nở ở nhiệt độ cao.


Hình 1.1. Động có Stirling ngun thủy năm 1816, loại động có
này đã được sử dụng vào năm 1818 để bơm nước từ mỏ đá.


Tuy động có Stirling xuất hiện sớm như vậy những nó chưa được phát triển để ứng
dụng trong cuộc sống vì giá thành chế tạo cao và lợi nhuận thấp nên không thế cạnh tranh
được với động cơ nhiệt hiện tại.
Trong thế kỷ này, khi con người bắt đầu nghĩ về mơi trường thì động cơ Stirling
đang được quan tâm đặc biệt bồi quá trình hoạt động của động cơ rất êm, hiệu suất cao và
thải sạch nhờ sử dụng các nguồn nhiệt sạch hoặc ít gây ơ nhiễm hơn. Động cơ có thế sử
dụng bất kỳ nguồn nhiệt nào, điều này cho phép sử dụng những nguồn nhiệt thơng
thưịng như nguồn nhiệt do đốt cháy than củi, rác..., và nhất là có thể sử dụng nguồn nhiệt
từ năng lượng mặt trời.
về cơng 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 ở nước ta.
Một trong những hưống phát triển động cơ Stirling là chế tạo nhừng động cơ cở
nhỏ đế 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 động cơ Stirling trên phương tiện vận
chuyến cũng đã được các nhà sản xuất ơtơ quan tâm. Mặt khác do nó có thể biến đổi
nhiệt trực tiếp từ năng lượng mặt trời thành cơng nên nó đá được nghiên cứu ứng dụng

trên các con tàu khơng gian từ năm 1995.
1.2. MỘT VÀI MƠ HÌNH ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING
Đế hiểu hơn về động cơ Stirling ta hãy xem xét một số hình ảnh động của động
có Stirling sau đây.
1.2.1 .Động cơ Stirling kiểu hai piston:
Động có hoạt động theo 4 q trình ( hình 1.2):


Hình 1.2. Động có Stirling kiểu hai piston.
 Q trình cấp nhiệt (heat): Piston nóng di chuyển lên phía trên, piston
lạnh di chuyến xuống phí dưới trong một phần tư vịng quay của trục
khuỷu.
 Q trình giãn nó (expansion): Hai piston đều di chuyển về phía dưới.
Năng lượng được sử dụng để sinh cơng.
 Q trình làm lạnh (cool): Trục khuỷu quay nhờ năng lượng của bánh đà.
Piston nóng tiếp tục di chuyển về phía dưới và piston lạnh di chuyển về
phía trên. Khơng khí chuyển từ buồng nóng tởi buồng lạnh, áp suất trong động có
giảm.


Q trình nén (compression): Hai piston đều di chuyến về phía trên.

Năng lượng được tích trừ trong giai đoạn này..

1.

Động có Stirling kiểu con trượt:
2.

Mơ hình của động có được thể hiện như hình 1.3:



Hình 1.3. Động cơ Stirling kiểu con trượt.


Mơi chất cơng tác: giãn nó khi được cấp nhiệt và co lại khi được làm

lạnh.
 Con trượt: làm chuyển đổi khơng khí và thay đổi áp suất động cơ. Ấp suất
tăng lên khi con trượt ở vị trí trên của xylanh, áp suất giảm khi con trượt
ở vị trí dưới của xylanh.
 Piston lực: khi động có được nén đến áp suất lớn nhất nhờ sự vận hành của
con trượt, piston lực giãn nó làm vận hành động cơ.
1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐỘNG CƠ NHIỆT VÀ ĐỘNG CƠ STIRLING
Động có nhiệt là một thiết bị động lực, dùng đế biến đổi nhiệt năng thành có năng.
Nhiệt năng có được là do đốt cháy nhiên liệu. Ngày nay, động có nhiệt được gắn trên ôtô,
máy kéo, máy bay, xe gắn máy hai bánh, máy bơm nước... Người ta ước tính hơn 80%


cơng có năng trên thể giới hiện nay do động cơ nhiệt cung cấp.
Động cơ nhiệt có bề dày lịch sử hơn 200 năm, năm 1769, James Watt đã được cấp
bằng sáng chế về động cơ hơi nước. Động cơ hơi nước có thể xem là một phát minh tiên
phong, mở ra một thời kỳ phát triển thịnh vượng của các loại động có nhiệt.
Trong tất cả các loại động cơ nhiệt, nhiệt lượng do nhiên liệu đốt tạo ra được
chuyển thành cơng có ích thì động cơ đốt trong được dùng rộng rãi nhất vởi số lượng lớn
nhất. Tổng công suất do động cơ đốt trong tạo ra chiếm khoảng 90% công suất thiết bị
động lực do mọi nguồn năng lượng tạo ra (nhiệt năng, thủy năng, năng lượng nguyên tử,
năng lượng mặt trời...). Động cơ đốt trong bao gồm: động cơ đốt trong piston, tua bin khí
và động cơ phản lực (hình 1.2).
Năm 1876, Nicolas Otto, người Đức, sau một thời gian dài nghiên cứu đã chế tạo

thành cơng động cơ hoạt động theo ngun tắc 4 thì, vừa có thể chạy ga vừa có thể chạy
xăng. Đây Là động cơ nguyên thủy của động có Diesel và động cơ Xăng ngày nay.
Động cơ Stirling xuất hiện khá sớm, với tên gọi trước đây là động cơ khí nóng,
được đưa ra lần đầu tiên bởi một mục sĩ người Scotland, có tên là Robert Stirling vào
năm 1816. Sau một thời gian phát triển, tính năng ưu việt về công suất riêng của động cơ
hơi nước đã làm lu mờ động cơ Stirling. Tuy nhiên, động cơ Stirling vẫn được quan tâm
trong suốt thế kỷ 19 bởi tính chất đặc biệt của động cơ này là: nếu chu trình nhiệt động
học được thực tiễn hóa thì hiệu suất của động cơ Stirling sẽ giống như hiệu suất của chu
trình Carnot, tức là hiệu suất lý thuyết cực đại có được của bất kỳ động cơ nhiệt nào.
Ngày nay, vởi sự cạn kiệt dần của nguồn năng lượng truyền thống nhu dầu mỏ, than
đá và dưới sức ép của vấn đề mơi trường ngày càng bị ơ nhiễm nặng thì động cơ Stirling
đang được sự quan tâm hàng đầu bởi các nhà nghiên cứu và sản xuất.
Năm 1938, công ty N.V.Philips Glaxilampen Fabrieken của Hà Lan bắt đầu nghiên
cứu và chế tạo động cơ Stirling cung cấp cho thị trường.
1.3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Từ khi ra đời cho đến nay, động cơ Stirling đã được sự quan tâm đặc biệt của nhiều


nhà khoa học và các nhà sản xuất bởi các đặc điểm nói bật sau: hoạt động rất êm, sử dụng
được nhiều nguồn nhiệt khác nhau, giảm đáng kế ô nhiễm mơi trường, động cơ có kết cấu
đơn giản, dễ chế tạo và đặc biệt là động cơ có thể đạt được hiệu suất cực đại của bất kỳ
động cơ nhiệt nào. Vì thể động cơ Stirling đã được thí nghiệm và sử dụng trong các lĩnh
vực sau: máy làm lạnh, động cơ phát điện, động có tàu thủy, động cơ ơtơ, động có máy
bay, sử dụng trên các vệ tinh trong không gian...
Hơn nữa nguồn nhiên liệu dầu mỏ trên thế giới hiện nay đang cạn kiệt dần và vấn
đề mơi trường đang địi hỏi phải giảm bớt mức độ ơ nhiễm, vì vậy ta phải tìm ra nhừng
hướng giải quyết, đó chính là nghiên cứu sử dụng động cơ Stirling. Một động cơ có thể
dùng nhiều nguồn năng lượng khác nhau, đặc biệt là có thể sử dụng nguồn năng lượng
mặt trời vô tận – là những nguồn năng lượng ít hoặc khơng ơ nhiểm.
2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG HỌC STIRLING

2.1.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG

HỌC
Chu trình Stirling có thể xem là tương đương với chu trình Carnot. Chu trình này được
minh họa ở hình 2.1.
Ta hãy tưởng tượng một xylanh chứa hai piston đối đỉnh nhau, vởi bộ hoàn nhiệt
(Regenerator) ở giữa. Bộ hoàn nhiệt là bộ phận lần lượt nhả và hấp thụ nhiệt. Một trong
hai buồng giữa piston và bộ hoàn nhiệt là buồng giãn nó (Expansion space), buồng này
ln được duy trì ở nhiệt độ cao ( T max). Buồng cịn lại là buồng nén (Compression
space), ln được duy trì ở nhiệt độ thấp ( Tmin). Do đó ln có một gradient nhiệt độ
( Tmax- Tmin ) qua bề mặt cắt ngang của bộ hồn nhiệt.
Cũng như trong chu trình Carnot, ngưịi ta giả định là các piston di chuyển khơng
có ma sát và khơng có sự rị rỉ mơi chất cơng tác.
Đế bắt đầu chu trình, chủng ta giả định rằng piston nén đang ở điểm chết ngoài, và
piston giãn nở đang ở điểm chết trong, nằm sát vởi bộ hồn nhiệt. Tất cả mơi chất cơng
tác lúc đó đang ở trong buồng nén, thế tích cực đại, cho nên áp suất và nhiệt độ có giá trị


nhỏ nhất, đặc trưng bởi điểm 1 trên đồ thị p- V và T- s.
Trong quá trình nén (quá trình 1- 2), piston nén di chuyến về phía điếm chết trong
và piston buồng giãn nó được xem như đứng yên. Môi chất công tác bị nén lại trong buồn
nén, duy trì khơng đổi bởi nhiệt lượng Q c bị hút ra từ xylanh buồng nén ra mơi trường
khơng khí xung quanh.
Trong quá trình chuyến tiếp 2- 3, cả hai piston đều di chuyến đồng thời. Piston nén
đi về phía bộ hồn nhiệt, cịn piston giãn nó thì di chuyến ngược lại. Thể tích ở giữa
chúng vẫn duy trì ở nhiệt độ khơng đổi. Vì vậy mơi chất cơng tác sẽ dịch chuyển từ
buồng nén qua lớp kim loại xốp của bộ hồn nhiệt đến buồng giãn nó. Trong khi đi ngang
qua bộ hồn nhiệt, mơi chất cơng tác được nung nóng từ nhiệt độ Tmin bởi lượng nhiệt

truyền từ bộ hồn nhiệt và thốt khỏi nó đế đi vào buồng giãn nó ở nhiệt độ T max. Sự gia
tăng dần nhiệt độ trong khi đi qua bộ hoàn nhiệt ở thể tích khơng đổi làm gia tăng áp suất
trong xylanh.
Trong q trình giãn nó 3- 4, piston giãn nó tiếp tục đi xa khỏi bộ hồn nhiệt về
phía điểm chết ngoài. Piston nén vẫn đứng yên một chở tại điểm chết trong sát vối bộ
hoàn nhiệt. Khi giãn nở, áp suất trong xylanh giảm xuống và thể tích tăng lên. Nhiệt độ
vẫn giữ nguyên nhờ nhiệt lượng Qị bở sung vào hệ thống từ nguồn nhiệt bên ngồi.

Hình 2.1. Chu trình nhiệt động học Stirling:
Đồ thị p- V và T- s.


 Khoảng dịch chuyển của piston ở các điểm giởi hạn của chu trình.
 Đồ thị Thời gian - Khoảng dịch chuyển.
Quá trình cuối của chu trình là quá trình dịch chuyển 4- 1. Trong đó cả hai piston
đều đồng thồi dịch chuyển, đế đưa môi chất công tác ở thể tích khơng đối trở lại qua bộ
hồn nhiệt và buồng giãn nở đến buồng nén. Trong khi đi qua bộ hồn nhiệt, nhiệt được
truyền từ mơi chất cơng tác sang bộ hồn nhiệt. Vì vậy mơi chất cơng tác sẽ giảm nhiệt
độ xuống Tmin trong buồng nén. Nhiệt độ của q trình được chứa trong bộ hồn nhiệt
dùng để truyền cho mơi chất cơng tác trong q trình 2- 3 của chu trình tiếp theo.
Tóm lại, chu trình nhiệt động Stirling bao gồm 4 quá trình sau:
a.

Quá trình 1-2: Nén đẳng nhiệt

Truyền nhiệt từ môi chất công tác ở nhiệt độ Tmin ra mơi trường bên
ngồi.
b.

Q trình 2 - 3 : Nung nóng đẳng tích


Truyền nhiệt từ bộ hồn nhiệt đến mơi chất cơng tác.
c.

Q trình 3 - 4 : Giãn nó đẳng nhiệt

Truyền nhiệt cho mơi chất cơng tác nhiệt độ Tmax từ nguồn nhiệt bên
ngồi.
d.

Q trình 4-1: Làm lạnh đẳng tích

Truyền nhiệt từ mơi chất cơng tác đến bộ hồn nhiệt Nếu lượng nhiệt truyền trong q
trình 2- 3, có cùng giá trị với lượng nhiệt truyền trong quá trình 4- 1, thì sự truyền nhiệt
giữa động cơ và mơi trường bên ngồi chỉ bao gồm lượng nhiệt cung cấp ở nhiệt độ
Tmax và lượng nhiệt thoát ra ở nhiệt độ Tmin.
2.2 HIỆU SUẤT NHIỆT LÝ THUYẾT
Sự cấp nhiệt và thốt nhiệt ở nhiệt độ khơng đổi này của động cơ Stirling thỏa mãn
yêu cầu của định luật nhiệt động học thứ hai đối đối với hiệu suất nhiệt tối đa [1]. Vì vậy
hiệu suất nhiệt của chu trình Stirling cũng giống như chu trình carnot, nghĩa là hiệu suất
nhiệt của động cơ Stirling


TỊ =

Ưu điểm chính của chu trình Stirling so với chu trình Carnot là ở chở thay thế hai quá
trình đoạn nhiệt bằng hai q trình đẳng tích, vì thế mà gia tăng diện tích của biểu đồ pV. Vì vậy, để có được lượng cơng lớn từ chu trình Stirling không cần thiết phải cần đến
áp suất và thế tích qt lớn như chu trình Camot (ở chu trình Carnot muốn có được lượng
cơng lớn ta phải dùng biện pháp tăng áp).


Hình 2.2. Chu trình Stirling và chu trình carnot.

Hai chu trình được vẽ chồng lên nhau, vởi cùng giá trị nhiệt độ T max và Tmin, áp suất, thể
tích. Phần diện tích gạch chếo trên đồ thị p- V tượng trùng cho cơng gia tăng đối vơi chu
trình Stirling. Phần diện tích gạch chếo trên đồ thị T- s đặc trưng lượng nhiệt truyền gia
tăng của chu trình Stirling.
So sánh biếu đồ p- V của chu trình Stirling và chu trình Carnot, giữa các giới hạn


đã cho về áp suất, thế tích và nhiệt độ, được chỉ rõ ở hình 2.2. Diện tích gạch chéo 5- 2- 3
và 1 - 6 - 4 tượng trưng cho cơng bổ sung có được bằng cách thay thế các q trình đoạn
nhiệt bằng các q trình đẳng tích. Các quá trình đẳng nhiệt (1- 5 và 3- 6) của chu trình
Carnot được nở rộng đến quá trình 1- 2 và 3-4 tương ứng cho chu trình Stirling. Vì vậy,
lượng nhiệt cung cấp và thốt ra của chu trình Stirling đều tăng cùng một tỷ lệ với cơng
suất có được. Hiệu suất nhiệt của hai chu trình đều giống nhau.
3. PHÂN LOẠI ĐỘNG có STIRLING
3.1 GIỚI THIỆU
Kết cấu một động có Stirling bao gồm hai buồng có nhiệt độ khác nhau, hai buồng
đó được nối với nhau qua bộ hồn nhiệt, và có các nguồn nhiệt nóng lạnh khác nhau cung
cấp cho động cơ.
Động cơ mang tên Stirlig được gọi cho các động cơ hồn nhiệt mà dịng mơi chất
công tác được điều khiến bởi sự thay đối thế tích, cịn động cơ mang tên Ericson là các
động cơ mà dịng mơi chất cơng tác được điều khiển bởi các van. Những tên gọi này
được chọn nhằm thống nhất về tên gọi các loại động có con trượt hồn nhiệt, bởi vì
khơng có sự phân biệt đặc trưng rõ rệt nào được xác định giữa các loại động cơ này.
Ta biết rằng, tất cả các loại động cơ do Robert Stirling chế tạo là loại động cơ có
chu trình kín, trong đó dịng mơi chất cơng tác được điều khiển bởi sự thay đối thế tích.
Trong khi đó thì Jonh Ericson lại sản suất cả hai loại động cơ: động có điều khiển dịng
mơi chất cơng tác bằng cách thay đổi thể tích và động cơ điều khiển dịng môi chất công
tác bằng cách thay đổi các van.

3.2 CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ STIRLING.
Động cơ Stirling được phân thành hai nhóm chính: động cơ piston- con trượt và
loại động cơ piston.
Loại động có piston là loại động cơ có hai hoặc nhiều piston.
Loại động cơ piston- con trượt còn được phân ra: loại động cơ có piston và con
trượt hoạt động trong cùng một xylanh gọi là động cơ piston con trượt xy lanh đơn (hay


là xy lanh chung), loại động cơ có piston và con trượt hoạt động trong các xy lanh riêng

biệt gọi là động cơ piston con
trượt xy lanh riêng (hình 3.1).

Hình 3.1. Các loại kết cẩu có bản của các loại động cơ stirling:
A- piston, B- con trượt, C- buồng giãn nó, D- buồng nén, E- bộ hồn nhiệt, F- bộ
làm nóng,
G- bộ làm nguội.
Sự khác biệt có bản giữa piston và con trượt là ở chổ: piston trượt lắp với phớt chắn
khí đế ngăn khơng cho khí đi từ phía này sang phía khác, cịn con trượt thì khơng. Vì vậy,
áp suất của môi chất công tác trên và dưới con trượt đều khơng gây ra tổn thất dịng khí
động lực học và môi chất chuyển động qua lại. Con trượt thì khơng sinh cơng trên mơi


chất công tác, nhưng làm dịch chuyển môi chất công tác từ phía này sang phía khác của
con trượt.

Trong trường hợp của piston, áp suất của môi chất công tác trên và dưới piston là
không giống nhau. Công được tạo ra bởi mơi chất cơng tác giãn nó ở nhiệt độ cao tạo ra
áp suất tác dụng lên piston, đấy piston dịch chuyến trong xy lanh.
Trong một số động cơ, con trượt được làm một phần hoặc toàn bộ bằng khung kim

loại xốp, và bản thân nó đóng vai trị của một bộ hoàn nhiệt. Con trượt này gọi là con
trượt hoàn nhiệt và động cơ này gọi là động cơ con trượt hồn nhiệt.
3.1.1. Động có piston con trượt
3.1.1.1.

Động cơ piston con trượt xy lanh đơn (loại β):

Loại động cơ dẫn động bằng trục khuỷu đã được Robert Stirling chế tạo với con
trượt hoàn nhiệt gọi là loại Stirling, và loại động cơ dẫn động bằng trục khuỷu được bố trí
bộ hồn nhiệt riêng biệt ở bên ngồi gọi là loại Rankine- Napier.
Loại động cơ piston tự do gần đây đã được đưa vào áp dụng bởi giáo sư Beale của
đại học Ohio gọi là loại Beale.
Trong loại động cơ piston con trượt xylanh đơn cịn có loại động cơ mà xylanh dao
động gọi là loại xylanh dao động.

3.1.1.2 Động cơ piston con trượt xylanh riêng (loại γ):


Loại động cơ có con trượt

hồn nhiệt song song vởi

xylanh lực là loại động có Lanbereaw Schwarzkopff, và loại động có có bộ hồn nhiệt
riêng nằm ở bên ngồi là loại động cơ Heinrici. Một loại động cơ piston- con trượt hai
xylanh riêng khác có tên gọi Robinson là loại kết cấu mà trục xylanh nghiêng một góc
90°, có con trượt hoàn nhiệt. Một kết cấu khác khá đặc biệt do H.Raibow của công ty
Bristol thiết kế với hai piston và một con trượt đơn có hai xylanh giãn nó chung.


Hình 3.3. Cấc kết cấu khấc nhau của loại động cơ piston con trượt xylanh riêng.

3.1.2. Động cơ 2 piston:
Các kết cấu khác nhau của động cơ hai piston tác dụng đơn được chỉ rõ
trên hình 3.4. Loại kết cấu này bao gồm một số động cơ hai piston, ba loại
với các xylanh có định (hai xylanh song song, hai xylanh hình chừ V và hai
xylanh đối đỉnh nhau) và một loại có xylanh quay (có bốn piston).
Trong số này loại có kết cấu các xylanh song song gọi là loại Rider, nó được sản xuất với
số lượng nhỏ trong thế kỷ 19.

Hình 3.4. Cấc kết cấu khắc nhau của động cơ hai piston tác dụng đơn.
Hai dạng của động cơ nhiều piston tác dụng kếp được chỉ rõ ở hình 3.5. Loại kết cấu do
Finkelstein thiết kế, bao gồm hai xylanh (nỏi xylanh gồm một piston tác dụng kếp), được
kết hợp đế hoạt động như là một động có hai xylanh chu trình đơi gọi là loại Finkelstein.
Một xylanh có hai buồng nén, và xylanh cịn lại có hai buồng giãn nở, vì vậy có khả năng
của sự phân chia hồn tồn vật lý của các vùng nóng và vùng lạnh của động cơ.


Kết cấu còn lại gọi là loại Rinia, được áp dụng cho loại động có nhiều xylanh,
được bố trí sao cho khoảng khơng gian phía trên piston của một xylanh được nối qua
một đường dẫn chứa bộ hoàn nhiệt, đến khoảng khơng gian phía dưới piston của
xylanh kế tiếp. Kết cấu này đặc biệt thích hợp cho loại ba đến sáu xylanh, với các
xylanh được sắp xếp vòng tròn, và với một có cấu dần động trục khuỷu.

Kết cấu của loại nhiều xylanh thẳng hàng khơng được thích hợp lắm, bởi vì các
buồng xa nhau được nói vởi nhau bằng một đường ống rất dài.
Động có Rinia đựơc phát minh vào thời kỳ đầu tiên của công ty Phillips. Sau này nó
bị bở đi vì sự phức tạp của việc bơi trơn và làm kín. Những mà nó đã được phát triển như
là một loại động có cơng suất cao dùng cho ơtơ.

3.2. SO SÁNH CÁC LOẠI ĐỘNG có STIRLING
3.2.1. Động có piston- con trượt vdi động có piston:

Ta đã biết, có rất nhiều loại kết cấu khác nhau của động có piston-con trượt và động
cơ nhiều piston. Một trong số đó đã được phát triển trong lĩnh vực thương mại. Trong tất


cả các loại đó khơng có loại nào có kết cấu tối ưu nhất, những có một số yếu tố chính dẫn
đén sự lựa chọn thích hợp. Đối với loại động cơ piston- con trượt xylanh đơn, được lựa
chọn cho phần lớn các loại động cơ kích thưởc nhỏ. Trong các loại động cơ lớn hơn, việc
lựa chọn nằm giữa động cơ piston-con trượt nhiều xylanh đơn trên một trục khuỷu chung
hoặc là động cơ nhiều xylanh loại Rinia hay Finkelstein.
Một lý do quan trọng cho việc lựa chọn động cơ piston- con trượt hơn là động cơ
nhiều piston là ở chổ động cơ đa piston thường gặp phải trở ngại trong việc bao kín.
Trong trường ba loại động cơ ở hình 3.1, roăng bao kín mơi chất cơng tác phải có ở tất cả
các piston, hai trong trường hợp cho động có hai piston, và một trường hợp cho động cơ
piston- con trượt, một roăng bao kín bở sung cần thiết cho thanh truyền con trượt. Roăng
bao kín cho thanh truyền con trượt nhỏ hơn nhiều so với roăng bao kín piston, sự rị rỉ
mơi chất cơng tác và ma sát ít hơn. Điều này có lẽ là ữu điểm thuận lợi nhất của động cơ
piston- con trượt, bởi vì vấn đề bao kín là rất khó, đặc biệt là khi mơi chất cơng tác khơng
phải là khơng khí. Một ưu điếm nữa của động cơ piston-con trượt là khối lượng chuyến
động tịnh tiến tồn bộ có thế nhỏ hơn ở động cơ nhiều piston, chính điều này làm động
cơ dễ cân bằng và giảm bởt rung động. Mặt khác con trượt không tạo ra công mà chỉ chịu
lực khí thể xuất hiện do tổn thất dịng khí động lực học và chịu lực qn tính của bản thân
nó. Do đó con trượt có kết cấu nhẹ. Vì thế chỉ cần thanh truyền, ở đồ tương ứng có khối
lượng nhỏ. Điều này làm giảm đáng kế 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 mơi chất cơng tác. Vì vậy, để có thể nâng cao được công suất riêng của động cơ
Stirling ta có thể dùng biện pháp tăng áp cho động cơ.
ở những động cơ nhở, việc tăng áp hợp trục khuỷu rất thuận tiện. Điều này không
chỉ giảm nhẹ nhiệm vụ bao kín của roăng, mà cịn giảm bớt u cầu về độ bền của cụm
piston thanh truyền và cả ổ đỡ. Thực tế cho thấy là với hợp trục khuỷu có áp suất cao, sự

chênh lệch áp suất ngang qua piston được giảm xuống cịn (Pxylanh- Plrụckhuỷu ), thay vì
( Pxylanh- Pkhơngkhí ) đối với một hợp trục khuỷu thơng thưịng. Do đó có thể giảm trọng
lượng, giảm ma sát có khí các ở đồ và ma sát các roăng bao kín.


3.2.2. Động có piston- con trượt xylanh đơn với động cơ piston- con trượt
xylanh riêng:
Có hai ưu điểm của động cơ piston- con trượt xylanh đơn so với động cơ pistoncon trượt xylanh riêng.
Ưu điếm thứ nhất đó là trong động cơ hai xylanh (hình 3.1b), buồng nén được phân
chia giữa xylanh con trượt và xylanh piston bao gồm cả đường nói hai xylanh, khơng
gian này khơng thể giảm xuống bằng khơng. Vì vậy, buồng nén có thể tích khe hở lớn,
dẫn đến sự giảm công suất động cơ.
Ưu điếm thứ hai của động cơ piston con trượt xylanh đó là nơi vòng quay, con trượt
và piston cùng quét một phần của xylanh ở các thời điểm khác nhau, và nó thể hiện cho
sự sử dụng hiệu quả nhất thể tích xylanh động cơ.

4. MƠI CHẤT CƠNG TÁC
Theo lý thuyết Schmidt, khơng có tính tốn cụ thể nào có được từ đặc trưng vật lý
của môi chất công tác trong thực tế, ngoại trừ tính chất nó là khí lý tưởng (nghĩa là tn
theo phương trình trạng thái khí lý tưởng PV = RT). Tuy nhiên, các giả thiết được xây
dựng theo lý thuyết Schmidt, đó là việc sử dụng mơi chất cơng tác là khí lý tưởng có các
tính chất khơng có trong thực tế.
Giả thiết khơng có sự tốn thất do ma sát khí động học chỉ có thể đạt được nếu mơi
chất cơng tác có độ nhớt bằng 0. Tương tự các giả thiết về một bộ hoàn nhiệt lý tưởng và
sự nén, sự giãn nở đẳng nhiệt chỉ có thể có được nếu mơi chất cơng tác có được giá trị vơ
hạn về hệ số truyền nhiệt.
Vơi các đặc trũng lý nhiệt yêu cầu, trong thực tế chỉ có 3 mơi chất cơng tác được
quan tâm nghiên cứu, đó là: khơng khí, khí Helium và khí Hydrozen.
Khơng khí được quan tâm chú ý vì nó có sẵn trong tự nhiên, khí Helium và khí
Hydrozen được dùng do bồi các đặc trúng lý nhiệt của chúng có thế cho phép một hệ số

truyền nhiệt và dòng chảy cao, vối sự tổn thất dịng khí động lực học tương đối bé.


Nếu xét về mặt hiệu suất động cơ, môi chất công tác dùng Hydrozen tốt hơn Helium.

Nếu xét về mặt kinh tế dùng Hydrozen cùng rẻ hơn Helium. Nhưng nhược điểm
chính của Hydrozen là rất dễ cháy khi có khơng khí hoặc oxyzen.
Đối với động cơ có cơng suất cao và hiệu suất nhiệt cao, hoạt động ở áp suất và tốc
độ cao (lớpn hơn 2000 vòng/phút) cần phải dùng Hydrozen hoặc Helium làm mơi chất
cơng tác để có được hệ số truyền nhiệt và khối lượng môi chất cần thiết, với tổn thất
dòng chấp nhận được. Tuy nhiên, vấn đề bao kín là rất khó. Mặt khác, hệ thống điều
chỉnh cần thiết để thay đổi công suất động cơ là rất phức tạp; bởi vì chúng phải lắp thêm
bể chứa, van, và cả một máy nén đế thay đối mức áp suất của động cơ trong khi vẫn duy
trì lượng môi chất công tác không đối. Giá thành của các loại động cơ này rất cao, và khó
có thể áp dụng đối vởi động cơ tương đối lớn, mặc dù loại động cơ này có các ưu điểm là
độ ồn nhỏ và ô nhiễm thấp.
Động cơ sử dụng không khí làm mơi chất cơng tác, khơng thế đạt được hệ số truyền
nhiệt cao và khối lượng môi chất công tác lớn như ở động cơ sử dụng Hydrozen và
Helium. Những động cơ như vậy về cơ bản là các động cơ cở lớn và nặng, có cơng suất
đặc trưng và hiệu suất nhiệt thấp; tuy nhiên môi chất công tác có thể sẵn sàng được cấp
bở sung từ mơi trường xung quanh. Vì vậy, sự bao kín và vấn đề vật liệu có bản bị loại
bở; các động cơ có thể chế tạo đơn giản, rẻ tiền và đáng tin cậy. Động cơ sử dụng môi
chất công tác là khơng khí có hiệu suất thấp, nên chúng khơng thế cạnh tranh vối động cơ
đốt trong khi áp dụng trong lĩnh vực ơtơ và áp dụng vào các mục đích thông thường.
Tuy nhiên, một nhu cầu cần thiết và ngày càng tăng đối với loại động cơ có cơng
suất thấp (nhỏ hơn một mã lực), có độ tin cậy cao và hiệu suất trung bình, có khả năng
hoạt động khơng cần bảo dưởng trong một thời gian dài. Ví dụ như các động cơ được yêu
cầu để dẫn động các máy phát điện dùng cho các mục đích hàng hải, khí tượng và thơng



tin thì việc sử dụng động cơ Stirling dùng mơi chất cơng tác bằng khơng khí là hồn tồn
thích hợp.
Hiệu suất so sánh của động cơ Stirling sử dụng các mơi chất cơng tác khác nhau là:
khơng khí, Hydrozen, và Helium được minh họa như ở hình 4.7. Đây là đồ thị do ông
Meijer đứa ra vào năm 1970. Ở động cơ Stirling có cơng st cao và tơc độ cao, động cơ
Stirling CO môi chất công tác sử dụng là Hydrozen thì tốt hơn Helium, và tốt hơn nhiều
so vởi động cơ dùng môi chất công tác là không khí. Tuy nhiên , một điều rất quan trọng
là ở tốc độ thấp và cơng suất riêng thấp, khơng có sự khác biệt lớn giữa việc sử dụng môi
chất công tác bằng khơng khí so với sử dụng Hydrozen và Helium. Do đó việc chọn lựa
mơi chất cơng tác là một quyết định quan trọng cần phải thực hiện ở giai đoạn đầu của
công việc thiết kế. Nếu dự định chế tạo một động có tốc độ cao, có hiệu suất cao thì phải
dùng Hydrozen hoặc Helium, nhưng nếu cần loại động cơ tốc độ vừa và hiệu suất vừa
phải thì nên sử dụng khơng khí làm mơi chất cơng tác vì kết cấu đơn giản và giá thành
chế tạo thấp.
5.

BỘ HỒN NHIỆT
Thiết kế bộ hồn nhiệt và các bộ trao đổi nhiệt khác của động cơ Stirling là một

công việc phức tạp.
Sự hoàn nhiệt lý tưởng đã được giả định trong các khảo sát ở chu trình Stirling và
chu trình hoạt động Schmidt. Sự hồn nhiệt lý tưởng có được khi môi chất công tác đi
vào và đi ra khỏi bộ hoàn nhiệt ở một trong hai nhiệt độ khơng đổi. Điều này có thể đạt
được nểu sự hoạt động được tiến hành vô cùng chậm, hoặc hệ số truyền nhiệt hoặc diện
tích truyền nhiệt là vơ hạn.
Trong cả chu trình Stirling và chu trình Schmidt, khơng có sự khác biệt ở áp suất
tức thời ngang qua khuông bộ hồn nhiệt vì bộ hồn nhiệt lý tưởng khơng tính đến ma sát
của môi chất công tác. Hơn nữa, trong trường hợp của chu trình Stirling thể tích lớp trống
của bộ hồn nhiệt xem như bằng khơng Trong khi đó, bộ hoàn nhiệt trong một động cơ
thực tế hoạt động dưới điều kiện khác xa vởi điều kiện giả định ở trường hợp lý tưởng.

Nhiệt độ của môi chất công tác ở đầu vào và đầu ra của bộ hoàn nhiệt không phải là
không thay đổi theo chu kỳ của chu trình. Bởi vì các quá trình nén và giãn nó là khơng
đắng nhiệt, áp suất và mật độ mơi chất công tác cũng thay đổi cùng với sự thay đối.
6. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING
Bây giò ta hày tìm hiểu các ưu và nhược điểm của các loại động có Stirling đế so


sánh với các loại động có hiện tại, từ đó ta thấy được sự cần thiết của loại động có này.

6.1. ƯU ĐIỂM
Các ưu điểm của động có Stirling bao gồm:
- Động có Stirling chạy khơng có tiếng nố và ít rung động, khả năng gây ơ nhiễm
mơi trữịng thấp.
- Có thể tận dụng sự cung cấp nhiệt từ bất kỳ nguồn nhiệt nào, bao gồm năng lượng
nhiệt từ việc đốt cháy rác rưởi, than củi, đến năng lượng mặt trời, hoặc từ đồng vị phóng
xạ của các lị phản ứng hạt nhân.
- Động có Stirling có hiệu suất nhiệt lý thuyết tối đa, là thiết bị chuyển đổi nhiệt
năng tốt nhất.
- Các sản phấm cháy cấp nhiệt cho động cơ khơng tiếp xúc với các chi tiết chuyển
động, vì vậy sự mài mòn nhỏ, kết quả là động cơ có tuổi thọ lớn và việc bảo dường dễ
dàng.
- Kết cấu của động cơ cho phép giảm lượng dầu bôi trơn, vì vậy sự tiêu thụ dầu bơi
trơn có thế xem như khơng đáng kế.
Động cơ Stirling có kết cấu rất đa dạng. Một số loại rất đơn giản, có thể làm theo
kích thưởc nhỏ như đồ chơi đến kích thước rất lớn. Cơng suất động cơ có thế thiết
kế rất nhỏ từ 1 Watt đến hàng nghìn mã lực. Động cơ Stirling có thể sữ dụng làm
động lực máy, máy làm lạnh.
6.2. NHƯỢC ĐIẾM
Nhược điểm chính là động cơ Stirling cao cấp là vừa đắt tiền và vừa phức tạp. Các
loại động cơ đơn giản hơn thì rẻ tiền, nhưng lại có hiệu suất riêng và cơng suất riêng

thấp.
Hiện tại, giá thành trên một sức ngựa (735 W) của động cơ Stirling cao cấp vẫn lớn
hơn rất nhiều so với giá thành động cơ Diesel, ngay đến khi không tính đến sự chênh lệch
giá do số lượng động cơ sản xuất còn hạn chế.