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스털링 엔진의 작동 원리

사진 제공 아메리칸 스털링 컴퍼니(American Stirling Company) 이 엔진은 손의 열만으로 작동할 수 있습니다. 엔진 사진을 참조하십시오.

스털링 엔진은 자동차의 내연 기관과 크게 다른 열 기관입니다. 1816년 로버트 스털링이 발명한 스털링 엔진은 가솔린이나 디젤 엔진보다 훨씬 더 효율적일 가능성이 있습니다. 그러나 오늘날 스털링 엔진은 잠수함이나 요트용 보조 발전기와 같이 조용한 작동이 중요한 일부 매우 특수한 응용 분야에서만 사용됩니다. 스털링 엔진에 대한 성공적인 대중 시장 응용 프로그램은 없었지만 일부 초고출력 발명가들이 작업하고 있습니다.

스털링 엔진은 스털링 주기를 사용합니다. , 이는 내연 기관에서 사용되는 사이클과 다릅니다.

스털링 엔진 내부에서 사용되는 가스는 절대로 엔진을 떠나지 않습니다. 가솔린이나 디젤 엔진과 같이 고압 가스를 배출하는 배기 밸브가 없으며 폭발이 일어나지 않습니다. 이 때문에 스털링 엔진은 매우 조용합니다.
스털링 사이클은 휘발유에서 태양 에너지, 부패하는 식물에서 생성되는 열에 이르기까지 모든 외부 열원을 사용합니다. 엔진 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.

콘텐츠

스털링 주기
디스플레이서형 스털링 엔진
2피스톤 스털링 엔진
스털링 엔진이 더 일반적이지 않은 이유는 무엇입니까?

>스털링 주기

스털링 엔진의 핵심 원리는 엔진 내부에 일정량의 가스가 밀봉되어 있다는 것입니다. . 스털링 사이클에는 엔진 내부의 가스 압력을 변경하여 작동하게 만드는 일련의 이벤트가 포함됩니다.

스털링 엔진의 작동에 중요한 가스의 몇 가지 속성이 있습니다.

고정된 부피의 공간에 고정된 양의 기체가 있고 그 기체의 온도를 높이면 압력이 증가합니다.
고정된 양의 가스가 있고 이를 압축하면(공간의 부피 감소) 해당 가스의 온도는 증가합니다.

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 가스실은 연결되어 있고 피스톤은 서로에 대해 어떻게 움직일 것인지를 결정하는 연결 장치에 의해 기계적으로 서로 연결되어 있습니다.

스털링 사이클에는 네 부분이 있습니다. 위의 애니메이션에서 두 개의 피스톤은 주기의 모든 부분을 수행합니다.

가열된 실린더(왼쪽) 내부의 가스에 열이 추가되어 압력이 증가합니다. 이것은 피스톤을 아래로 움직이게 합니다. 이것은 작업을 수행하는 스털링 사이클의 일부입니다.
왼쪽 피스톤이 위로 이동하고 오른쪽 피스톤이 아래로 이동합니다. 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 움직이고 왼쪽 피스톤은 아래로 움직입니다. 이렇게 하면 가스가 가열된 실린더로 들어가게 되어 빠르게 가열되어 압력이 증가하고 이 지점에서 사이클이 반복됩니다.

스털링 엔진은 사이클의 첫 번째 부분에서만 동력을 생성합니다. 스털링 사이클의 출력을 높이는 두 가지 주요 방법이 있습니다.

1단계에서 출력 증가 - 사이클의 1부에서는 피스톤을 밀어내는 가열된 가스의 압력이 작용합니다. 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 일시적으로 열을 저장하여 엔진의 출력을 향상시킬 수 있습니다.
3단계에서 전력 사용량 감소 - 주기의 3부에서 피스톤은 1부에서 생산된 동력의 일부를 사용하여 가스에 대한 작업을 수행합니다. 주기의 이 부분에서 압력을 낮추면 주기의 이 단계에서 사용되는 전력을 줄일 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 유형 엔진은 아마도 가장 이해하기 쉬울 것이므로 여기에서 시작하겠습니다.

특별한 감사

이 기사에 도움을 준 American Stirling Company의 Brent Van Arsell에게 특별한 감사를 전합니다.

>디스플레이서형 스털링 엔진

2개의 피스톤을 갖는 대신 디스플레이서형 엔진은 1개의 피스톤과 디스플레이서를 갖는다. 디스플레이서 가스실이 가열될 때와 냉각될 때를 제어하는 역할을 합니다. 이러한 유형의 스털링 엔진은 때때로 교실 시연에서 사용됩니다. 키트를 구입하여 직접 제작할 수도 있습니다!

위의 엔진이 작동하려면 온도차가 필요합니다. 큰 실린더의 상단과 하단 사이. 이 경우 손의 온도와 주위의 공기의 차이로 엔진을 가동할 수 있습니다.

이 페이지의 그림에서 두 개의 피스톤을 볼 수 있습니다.

파워 피스톤 - 엔진 상단에 있는 작은 피스톤입니다. 엔진 내부의 가스가 팽창하면서 위로 올라가는 단단히 밀봉된 피스톤입니다.
디스플레이서 - 도면의 큰 피스톤입니다. 이 피스톤은 실린더에서 매우 느슨하기 때문에 피스톤이 위아래로 움직일 때 엔진의 가열된 부분과 냉각된 부분 사이에서 공기가 쉽게 이동할 수 있습니다.

디스플레이서가 위아래로 움직여 엔진의 가스가 가열되거나 냉각되는지 여부를 제어합니다. 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 있을 때 엔진 내부의 대부분의 가스는 냉각되어 수축합니다. 이로 인해 압력이 떨어지고 파워 피스톤이 아래로 내려가 가스를 압축하기가 더 쉬워집니다.

엔진은 가스를 가열 및 냉각을 반복하여 가스의 팽창과 수축에서 에너지를 추출합니다.

다음으로 2피스톤 스털링 엔진을 살펴보겠습니다.

>2피스톤 스털링 엔진

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 일을 합니다. 냉각된 피스톤은 방향을 바꾸는 회전 지점에 있기 때문에 거의 고정된 상태를 유지합니다.
다음 단계에서는 두 피스톤이 모두 움직입니다. 가열된 피스톤은 오른쪽으로 이동하고 냉각된 피스톤은 위로 이동합니다. 이것은 재생기를 통해 대부분의 가스를 이동시킵니다. 냉각된 피스톤으로. 재생기는 열을 일시적으로 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 이동합니다. 즉, 냉각된 피스톤은 아래로 이동하고 가열된 피스톤은 왼쪽으로 이동합니다. 이것은 가스를 재생기(이전 주기 동안 거기에 저장되어 있던 열을 흡수하는 곳)를 가로질러 가열된 실린더로 밀어 넣습니다. 이 시점에서 주기가 다시 시작됩니다.

왜 아직까지 스털링 엔진의 대중 시장 응용 프로그램이 없는지 의아해 할 수 있습니다. 다음 섹션에서는 몇 가지 이유를 살펴보겠습니다.