Sisteme Alternative de Propulsie

1

Curs 2 MOTORUL STIRLING

1. Aplicabilitatea motoarelor Stirling pe autovehicule

Principial, motorul stirling se bazeaz pe diferena de presiune care apare n momentul cnd un fluid se afl la temperaturi diferite. Din diferena de presiune se obine lucru mecanic. n vederea obinerii de lucru mecanic n mod continuu fluidul de lucru este nclzit i rcit succesiv.

Datorit principiului su de funcionare, motorul Stirling posed numeroase avantaje poteniale, care l recomand pentru autovehicule. Astfel, motorul Stirling are un nivel foarte sczut al zgomotelor i al vibraiilor i o toxicitate redus a gazelor de ardere evacuate deoarece arderea se face n exteriorul cilindrului. Un alt avantaj important este acela c motorul Stirling poate funciona cu orice fel de combustibil, fiind ntr-adevr un motor policarburant. Totodat, motorul Stirling are un randament ridicat, comparabil cu cel al motoarelor Diesel, sau mai bun.

n afara celor artate mai sus, motorul Stirling are o curb caracteristic cuplu motor - turaie favorabil folosirii lui pe autovehicule (n special la turaii mici).

Cercetrile complexe efectuate de firmele Ford i Philips au dus la realizarea de motoare Stirling cu dubl aciune cu mecanism motor cu plac nclinat, de puteri pn la 60 - 70 kW. Motorul Stirling a funcionat pe autoturismele: Ford Spirit, Ford Concorde, Ford Torino (model 1973), Ford Taunus (model 1976). Independent de Ford, General Motors a construit un motor Stirling care a fost montat pe un autoturism Opel Kadett, realizndu-se astfel autoturismul Stir-Lec. n propulsarea autoturismului motorul Stirling funciona la turaie constant i antrena un generator electric de curent alternativ trifazat. Curentul electric era redresat i alimenta o baterie de acumulatoare electrice, dup care trecea printr-un inversor i alimenta un motor electric asincron pentru traciune.

De asemenea, n cazul autocamioanelor i autobuzelor, putem meniona motorul Stirling fabricat de o firm suedez, care dezvolta o putere de 150 kW la 2400 rot/min i putea lucra cu turaii ntre 500 i 2400 rot/min.

2. Generaliti. Principiul de funcionare al motorului Stirling

Ciclul complet de funcionare poate fi descris cu considerentele de mai sus, urmrind fazele succesive n Figura 1, unde este notat cu: 1 - pistonul motor PM; 2 - pistonul distribuitor PD; 3 - zona rece; 4 - zona cald; 5 - rcitorul; 6 - regenatorul; 7 nclzitorul.

Sisteme Alternative de Propulsie

2

Fig.1 Principiul de funcionare al motorului Stirling

n poziia I pistonul motor se afl la punctul mort inferior, iar pistonul distribuitor la punctul superior. Gazul se afl destins ntre pistoane n zona rece. n timpul trecerii de la starea I la starea II, PM comprim aerul n zona rece. n acest timp PD este n p.m.s. De la II la III, PD n micare descendent, mpinge gazul prin regenerator (unde preia cldur) i nclzitor (unde ajunge la cea mai nalt temperatur a ciclului) pn n zona cald. Prin aceast deplasare, volumul rmne constant, deci procesul de nclzire are loc la volum constant. De la III la IV gazul se destinde. Ambele pistoane sunt mpinse n p.m.i., efectundu-se lucrul mecanic. De la IV la I, PD se deplaseaz spre p.m.s., mpingnd gazul prin regenerator (unde cedeaz cldura) i rcitor (unde ajunge la cea mai mic temperatur a ciclului) n zona rece dintre pistoane. Prin aceast deplasare nu se modific volumul. Ciclul funcional se reia.

3. Funcionarea i construcia motorului Stirling cu simpl aciune

Funcionarea motorului cuprinde urmtoarele faze: Faza 1.Compresie i transferul gazului n zona rece. Ambele pistoane se deplaseaz spre p.m.s. fluidul de lucru se deplaseaz din zona cald care se reduce, prin conductele nclzitorului expus gazelor de ardere, prin conductele regeneratorului unde cedeaz o parte din energia sa termic i prin conductele rcitorului unde cedeaz cea mai mare parte a energiei termice i ajunge n zona rece. Prin scderea de volum cauzat de deplasarea ascendent a pistonului motor, fluidul de lucru este comprimat. n timpul comprimrii temperatura rmne aproximativ constant.

Sisteme Alternative de Propulsie

3

Faza 2. Definitivarea compresei cu transferul fluidului de lucru din zona rece n cea cald. Pistonul motor PM se deplaseaz nc spre p.m.s., n timp ce pistonul distribuitor PD ncepe cursa descendent. Volumul zonei reci se diminueaz i prin micarea PD fluidul este forat s trec prin rcitor, regenerator, de unde preia o parte din cldura acumulat la ciclul anterior i prin nclzitor, de unde fluidul preia cldura rezultat n urma arderii combustibilului. Aceast cldur este furnizat n zona cald. Volumul fiind aproximativ constant, dei fluidul se deplaseaz, presiunea crete prin nclzire.

Faza 3. Destinderea cu obinerea de lucru mecanic i definitivarea transferului de fluid.

Ambele pistoane se deplaseaz spre punctul mort inferior, avnd ca efect scderea volumului zonei reci i creterea celui corespunztor zonei calde. n acest timp este furnizat cldur prin arderea combustibilului. Prin creterea presiunii ambele pistoane sunt mpinse spre p.m.i. rezultatul este c volumul crete, iar presiunea scade. n aceast faz temperatura se modific extrem de puin.

Faza 4 Evacuarea cldurii cu transferul fluidului de lucru n zona rece PD schimb sensul de deplasare mrind volumul dintre pistoane, adic volumul zonei reci. n micarea ascendent PD npinge gazul cald prin tuburile nclzitorului, ale regeneratorului unde cedeaz cldur i rcitorului. Gazul se destinde pentru a umple spaiul tot mai mare care se creeaz ntre pistoane. n consecin, presiunea scade. n timpul funcionrii, trecerea de la o faz la alta este continu, fr schimbri brute de proprietate, ceea ce asigur motorului o uniformitate i funcionare silenioas. Schema constructiv a MS cu simpl aciune i mecanism rombic este redat n Figura 2.

Sisteme Alternative de Propulsie

4

Elemente constructive:

Unitatea termic este dispozitivul n care are loc transferul de cldur de la gazele de ardere la fluidul de lucru, fiind compus din nclzitor 2, regenerator 5 i rcitor 6. nclzitorul este format dintr-un set de tuburi dispuse circular n partea superioar a cilindrului. Tuburile conduc gazul n nite cupole aparinnd regeneratorului, cupole cuplate n jurul cilindrilor. n cupole se gsete o reea de fire ondulate, de diametru redus care preiau cea mai mare parte a energiei termice a gazului ce trece din zona cald n cea rece. Fluidul, la parcurgerea traseului invers, se nclzete de la aceast reea. De la baza regeneratorului pornete o reea de condcte aparinnd rcitorului. Rcirea este cu ap. Fluidul colectat este dirijat n zona rece. Combustibilul este introdus printr-un injector n camera de ardere montat deasupra cilindrilor, unde se amestec cu aerul de ardere i arde continuu la o temperatur de 700 oC. Gazele parcurg reeua nclzitorului cednd aproximativ 90 % din energia pe care o conin.

Sisteme Alternative de Propulsie

5

Exist n camera de ardere o bujie, dar aceasta este destinat doar pentru pornire. Procesul de ardere fiind continuu i complet duce la emisii de noxe minime. Mecanismul motor. Pentru aplicaiile existente de motoare Stirling s-au generalizat trei mecanisme: rombic, cu plac turnat i biel manivel. Mecanismul rombic. Prezint doi arbori cotii deplasai simetric fa de axa motorului, care sunt legai ntre ei prin dou roi dinate. Micarea lor este n sensuri opuse. (Figura 2) Cei doi arbori sunt legai prin dou juguri, unul superior, de care este legat PM printr-o cupl mobil, i unul inferior de care este legat fix PD. Biela PD trece prin braul PM. Ambele juguri sunt legate de arbore prin perechi de brae cuplate la un fus comun, formnd astfel un romb. Prin aceast form este asigurat o simetrie perfect a mecanismului pe durata unui ciclu. Forele de inerie sunt echilibrate complet prin mase dispuse simetric de axa de rotaie compensnd masele pistoanelor i ale braelor. Mecanismul nu genereaz fore normale ceea ce duce la scderea frecrilor i a problemelor de etanare. Pentru a diminua suplimentar pierderile de etanare este prevzut spaiul tampon care este umplut cu gaz sub presiune. Problemele de etanare apar n lungul tijelor. Mecanismul cu plac turnat. A re ca element central un disc dispus oblic fa de axa cilindrilor de lucru. n timpul rotaiei placa efectueaz o micare spaial. Bielele pistoanelor se leag de placa oblic printr-o potcoav care se sprijin pe plac prin pastile semisferice.