vi
MỤC LỤC
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân i
Lời cam đoan ii
Cm t iii
Tóm tắt luận văn iv
Mục lục v
Danh sách các hình viii
Chng 1 - TỔNG QUAN 1
1.1 Tng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết qu nghiên cứu trong và
ngoài nước đã công bố 1
1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của động cơ Stirling 1
1.1.2 Nguyên lý hot động của động cơ Stirling 4
1.1.3 Các loi động cơ Stirling 5
1.1.4 Cấu to của một số loi động cơ Stirling 6
1.1.5 So sánh động cơ Stirling với động cơ đốt trong 8
1.1.6 Những ứng dụng của động cơ Stirling 10
1.2 Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu 13
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 13
1.2.2 Khách thể và đối tượng nghiên cứu 14
1.3 Nhiệm vụ của đề tài và phm vi nghiên cứu 14
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 14
1.3.2 Phm vi nghiên cứu 14
1.4 Phương pháp nghiên cứu 14
Chng 2 - C SỞ LÝ THUYẾT 15
2.1 Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling 15
vii
2.1.1 Các gi định của chu trình Stirling 15
2.1.2 Các quá trình nhiệt động trong chu trình Stirling 16
2.2 Chu trình Schmidt 21

5.1 Tính toán thông số cho biên dng gương parabol 54
5.2 Tính toán thông số chế to gương parabol 56
5.3 Kết qu tính toán trên MATLAB 57
5.4 Kích thước chế to gương parabol 57
Chng 6 - THIẾT KẾ HỆ KHUNG VÀ GIÁ ĐỠ 59
6.1 Khung đỡ gương cầu parabol 59
6.2 Giá đỡ động cơ 60
6.3 Chân và đế gương 61
6.4 Sơ đ lắp ráp mô hình hệ thống 63
Chng 7 - KẾT LUẬN 65
7.1 Kết qu đt được của đề tài 65
7.2 Những tn ti và kiến nghị để hoàn thiện đề tài 65
TÀI LIỆU THAM KHO 67
PHỤ LỤC 1 69
Chương trình MATLAB tính toán thông số bộ truyền hình thoi 69
Chương trình MATLAB tính toán công suất động cơ Stirling và thông số gương
cầu parabol 70
Chương trình MATLAB tính toán kích thước chế to gương parabol 74
PHỤ LỤC 2 76 ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG
Hình 1.1 :Mô hình động cơ Stirling do Robert Stirling sáng chế năm 1816 1
Hình 1.2 : T hợp động cơ Stirling – máy phát điện của Philips 2
Hình 1.3 :Bơm nước dùng năng lượng mặt trời theo nguyên lý Stirling 3
Hình 1.4 : Khi chưa cấp nhiệt 4
Hình 1.5 : Cấp nhiệt cho một đầu xylanh 5

Hình 3.5 : Đ thị P – V của chu trình Stirling lý tưởng 39
Hình 3.6 : Đ thị biểu diễn áp suất tức thời của động cơ 39
Hình 3.7 : Đ thị biểu diễn thể tích môi chất công tác 40
Hình 3.8 : Đ thị biểu diễn thể tích tức thời của bung nén và bung gin nỡ 40
Hình 4.1 : Hộp truyền động 43
Hình 4.2 : Nắp trước hộp truyền động 44
Hình 4.3 : Nắp sau hộp truyền động 44
Hình 4.4 : Nắp dưới hộp truyền động 45
Hình 4.5 : Xylanh lực 46
Hình 4.6 : Cụm piston lực và thanh truyền 47
Hình 4.7 : Cụm piston dịch chuyển và thanh truyền 48
Hình 4.8 : Xylanh giãn nở 49
Hình 4.9 : Gối đỡ trục 50
Hình 4.10 : Trục bánh răng 50
Hình 4.11 :  lăn 51
Hình 4.12 : Bánh răng truyền động 51
Hình 4.13 : Thanh nối 51
Hình 4.14 : Thanh ngang 52
Hình 4.15 : Sơ đ lắp ráp động cơ Stirling 53
Hình 5.1 : Biên dng gần đúng của gương parabol 55
Hình 5.2 : Một phần biên dng cung parabol 56
xi
Hình 5.3 : Biên dng khai triển cung parabol 56
Hình 5.4 : Kích thước chế to gương parabol 58
Hình 6.1 : Khung đỡ gương parabol 59
Hình 6.2 : Giá đỡ động cơ Stirling 60
Hình 6.3 : Đế gương 61
Hình 6.4 : Đế xoay 61
Hình 6.5 : Chân đế 62
Hình 6.6 : Sơ đ lắp ráp hệ thống 63

hiện khá ph biến dưới dạng t hợp máy phát điện xách tay do công ty
PhilipsElectronics của Hà Lan chế tạo. Cũng trong khoảng thời gian này, động cơ
Stirlingcòn được nghiên cứu thử nghiệm như một loại máy lạnh.

Hình 1.2 – T hợp động cơ Stirling – máỔ phát điện của Philips.
Trong hai lĩnh vực này động cơ Stirling đã đạt được những thành quả
nhấtđịnh. Tuy nhiên, chỉ một thời gian ngắn sau đó, khi có sự xuất hiện của ăcqui
thìmột lần nữa động cơ Stirling dưới dạng máy phát điện cỡ nhỏ lại bị loại bỏ
dầnnhường chỗ cho ăcqui, ngun cung cấp điện năng tiện dụng hơn nhiều.
Mặc dù vậy, động cơ Stirling vẫn được nghiên cứu cải tiến bởi tính chất nibật
của loại động cơ này là: nếu chu trình nhiệt động học được thực tiễn hoá thì
hiệusuất nhiệt của động cơ Stirling sẽ tương đương với hiệu suất nhiệt của chu
trìnhCarnot, tức là hiệu suất nhiệt sẽ cao hơn hiệu suất của bất kỳ động cơ nhiệt nào
đãđược sáng chế.
3
Năm 1938 công ty N. V. Philips Glaxilampen Fabrieken của Hà Lan đã bắtđầu
nghiên cứu chế tạo và sản xuất động cơ Stirling cung cấp cho thị trường. Vàcùng
với công ty Philips, rất nhiều nhà khoa học đã trở lại nghiên cứu động cơStirling.
Đối với động cơ Stirling, hiệu suất 40% và công suất 82 kW trên 1 lít thểtích quét là
hoàn toàn có thể đạt được. Và với những công trình nghiên cứu đangđược tiến hành
thì những con số ý nghĩa này còn có thể nâng cao hơn nữa.
Những nghiên cứu phát triển ứng dụng động cơ Stirling trên phương diệnvận
chuyển cũng đã được các nhà sản xuất ô tô quan tâm từ giữa thế kỷ XX. Mặtkhác,
do có thể biến đi trực tiếp năng lượng mặt trời thành cơ năng nên động cơStirling
được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trên các con tàu không gian từ năm199η. Ngày
nay, nghiên cứu động cơ Stirling để sử dụng các ngun năng lượng táisinh cũng
đang được đẩy mạnh. Những năm gần đây, ở các nước Mỹ, Nhật, châuÂu, động cơ
Stirling đang được nghiên cứu để trang bị cho tàu vũ trụ, phi thuyền sửdụng năng
lượng mặt trời, tàu ngầm, các thiết bị làm lạnh.
Tại Việt Nam, Trường Đại học Bách khoa (Đại học Đà Nẵng) đã chếtạo thành

Hình 1.4 – Khi chưa cấp nhiệt.
Nếu ta đốt nóng một đầu xylanh (đầu nóng), ngun nhiệt được sử dụng cóthể
là chùm tia bức xạ mặt trời hội tụ tại đầu xylanh hoặc một cách đơn giản là
dùngmột ngọn nến. Khi đó áp suất và nhiệt độ của không khí bên trong sẽ tăng lên,
không khí sẽ giãnnở đẩy piston chuyển động và sinh công hữu ích (hình 1.5). Bất kỳ
ngun nhiệt nàocũng có khả năng sinh công, nhưng nhiệt độ càng cao thì sinh ra
công càng lớn.
5

Hình 1.5 – Cấp nhiệt cho một đầu xylanh.
Khi piston chuyển động đến đầu bên phải của xylanh ta ngừng quátrình cấp
nhiệt và tăng quá trình thải nhiệt bằng cách tăng cường làm mát cho xylanh thì áp
suất và nhiệt độ không khí bên trong xylanh giảm xuống. Đến một lúcnào đó ápsuất
không khí bên trong thấp hơn áp suất khí quyển thì piston sẽ chuyểnđộng trở lại vị
trí ban đầu (hình 1.6).

Hình 1.6 – Ngừng cấp nhiệt và tăng cường làm mát.
1.1.3 Các loi đng c Stirling
Động cơ Stirling có thể được phân loại theo những tiêu chí khác nhau:
Tiêu chí phân loại
Các loại động cơ Stirling
Môi chất công tác
- Động cơ Stirling với môi chất công tác là không khí.
- Động cơ Stirling với môi chất công tác là hydro.
- Động cơ Stirling với môi chất công tác là heli.
Ngun nhiệt
- Động cơ Stirling sử dụng nhiên liệu làm ngun nhiệt.
- Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời.
- Động cơ Stirling sử dụng ngun địa nhiệt.
Đặc điểm cấu tạo

khíhoặc nước.
- Piston giãn nở và piston nén: piston giãn nở là bộ phận tiếp nhận áp lực của
môi chất công tác khi giãn nở để sinh công cơ học. Piston nén là bộ phận có chức
năng nén và đẩy môi chất công tác từ không gian nén qua bộ trao đi nhiệt về
không gian giãn nở. Hai piston giãn nở và nén được đặt lệch pha nhau một góc
nàođó thường là 90
o
.
- Xylanh giãn nở: là bộ phận dẫn hướng piston giãn nở và cùng với piston
giãn nở tạo thành không gian giãn nở.Tại không gian giãn nở, môi chất công tác có
7
nhiệt độ và áp suất cao sẽ giãnnở đng thời đẩy piston giãn nở từ điểm chết trên đến
điểm chết dưới để sinh công.
- Xylanh nén: là bộ phận dẫn hướng piston nén và cùng với piston nén tạo
thành không gian nén.Không gian nén là nơi môi chất công tác được làm mát sau
khi được đẩy từkhông gian giãn nở qua, sau đó được nén và đẩy trở lại không gian
giãn nở.
- Cơ cấu truyền lực: bao gm các bộ phận có chức năng tiếp nhận lực đẩy
của môi chất công tác và truyền lực đó đến các bộ phận tiêu thụ đng thời phối hợp
chuyển động của các piston. Cơ cấu truyền lực của động cơ Stirling có thể cấu tạo
kiểu thanh truyền trục khuỷu tương tự như ở động cơ đốt trong thông dụng hoặc
cóthể có các cấu trúc đặc biệt khác.
1.1.4.1 Đng c Stirling kiểu alpha
Các động cơ Stirling kiểu alpha có hai piston đặt trong hai xylanh riêng biệtvà
được nối kết với nhau bằng một chuỗi các bộ phận trao đi nhiệt gm bộ phậncấp
nhiệt, bộ phận hi nhiệt và bộ phận làm mát. Haipiston này được bố trí lệch nhau
một góc 90 độ.Nhưvậy hai piston làm cho môi chất công tác di chuyển qua lại giữa
hai không gian nàyvà cùng sinh công như nhau.

Hình 1.7 – Sơ đ kết cấu động cơ Stirling kiểu alpha.

Stirling có thể hoạt động ở bất cứ nơi đâu nếu có sự chênh lệch nhiệt độ.
- Khi hoạt động, độ n và rung động của động cơ Stirling thấp hơn do không
có sự biến đi áp suất của môi chất công tác một cách đột ngột như ở động cơ đốt
trong.
- Đối với động cơ Stirling, sản phẩm cháy không tiếp xúc trực tiếp với các bộ
phận chuyển động nên cường độ ăn mòn thấp hơn, tui thọ động cơ lớn hơn.
- Về cấu tạo thì động cơ Stirling đơn giản hơn nhiều so với động cơ đốt
trong. Nó có ít chi tiết, ít bộ phận hơn, không có các hệ thống phức tạp như ở động
cơ đốt trong.
Tuy nhiên động cơ Stirling cũng có những hạn chế không nhỏ:
- Vấn đề làm kín: đây là vấn đề phức tạp đối với động cơ Stirling công suất
cao bởi lẽ chỉ cần một sự rò rỉ môi chất công tác dù là rất nhỏ cũng ảnh hưởng rất
xấu đến hiệu suất và công suất của động cơ. Đối với môi chất công tác khôngphải là
không khí thì cần phải có sự cung cấp thêm từ bên ngoài.
- Vấn đề vật liệu chế tạo: các bộ phận trao đi nhiệt như bung đốt, bộ phận
cấp nhiệt, bộ phận hi nhiệt luôn tiếp xúc với nhiệt độ cao mà lại không được làm
mát nên dễ bị oxy hoá. Do đó phải được chế tạo bằng các vật liệu chịu nhiệt tốt, đắt
tiền. Hơn thế nữa, động cơ Stirling chỉ đạt được công suất và hiệu suất cao nhất khi
thể tích không gian chết của động cơ phải được giảm nhỏ tối thiểu và môi chất sử
dụng phải là hydro hoặc heli. Nhưng như thế thì diện tích cho sự truyền nhiệt lại
10
càng nhỏ và nhiều vật liệu sẽ trở nên giòn xốp khi tiếp xúc với hai loại môi chất trên
khi ở nhiệt độ cao. Những điều này làmcho công nghệ chế tạo, công nghệ vật liệu
và nhiệt luyện rất khó khăn.
- Vấn đề làm mát: trong tng số nhiệt lượng cung cấp cho động cơ, một phần
lập tức mất đi theo sự thoát khí, đây là nhiệt lượng mất mát vô ích. Nhiệt lượng còn
lại, một phần chuyển thành công, một phần truyền cho bộ phận làm mát (cũng xem
như là vô ích). Trong trường hợp động cơ diesel hoặc động cơ xăng thì phần nhiệt
bỏ đi bao gm nhiệt lượng truyền cho hệ thống làm mát và nhiệt lượng theo khí xả
ra ngoài. Đối với động cơ đốt trong, sự gia tăng nhiệt độ nước làm mát sẽ làm tăng

xe chạy, động cơ Stirling sẽ đng thời nạp điện vào ăcquy sử dụng cho động cơ điện.

Hình 1.12 – Mô hình xe
hỔbrid dùng động cơ
Stirling do GM nghiên cứu.
12
Kockums, một nhà thầu các trang thiết bị quốc phòng của Thụy Điển đã cung
cấp một loại thiết bị cho hải quân để phục vụ cho việc chế tạo các tàu ngầm yên tĩnh
nhất thế giới. Thiết bị này được đặt tên là “air-independent propulsion” (AIP) trang
bị động cơ Stirling 7η kW.Mẫu tàu ngầm đầu tiên được gắn thiết bị AIP có tên là
HMS Näcken.

Hình 1.13 – Động cơ Stirling 7η kW của Kockums (a) và hệ thống AIP
trên tàu ngầm HMS Näcken (b)
1.1.6.3 H thống nhit và đin
Whisper Tech Limited (New Zealand) đã đưa ra thị trường một thiết bị thay
thế hệ thống sưởi truyền thống, sử dụng khí gas, công suất từ 7,5 – 12 kW. Thiết bị
có tên AC Whisper Gen được tích hợp các chức năng sưởi ấm, máy nước nóng, và
cả máy phát điện nhờ được trang bị một động cơ Stirling 4 xylanh.
13

1.1.6.4 H thống làm lnh
Một ưu điểm khác biệt của động cơ Stirling so với động cơ đốt trong đó là
động cơ Stirling có thể hoạt động theo chu trình ngược. Khi đó, cơ năng hoặc điện
năng được sử dụng để dịch chuyển piston và động cơ Stirling sẽ trở thành một thiết
bị làm lạnh. Thiết bị làm lạnh theo chu trình Stirling đầu tiên được công ty Philips
chế tạo vào những năm 19η0. Về mặt lý thuyết, nếu được chế tạo đạt yêu cầu kỹ
thuật cao, những thiết bị làm lạnh theo nguyên lý Stirling có thể đạt tới nhiệt độ
10
o

1.4 Phng pháp nghiên cứu
Người thực hiện đề tài đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu chính như sau:
- Tng hợp, tham khảo tài liệu.
- Tính toán, thiết kế mô phỏng trên máy tính.
- Quan sát thực nghiệm. 15
Chng 2
C SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Chu trình lý thuyt của đng c Stirling
Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling là chu trình nhiệt động của động
cơStirling được xâydựng trên cơ sở những giả định nhằm đơn giản hoá các quá trình
nhiệt động.
2.1.1 Các gi định của chu trình Stirling [6]

Hình 2.1 – Sơ đ kết cấu động cơ Stirling kiểu beta.
Để xây dựng chu trình lý thuyết của động cơ Stirling, ta có thể chọn mô hình
động cơ Stirling kiểu betađơn giản (hình 2.1) với những giả định như sau:
- Môi chất công tác là khí lý tưởng (có nhiệt dung riêng không đi và tuân theo
phương trình trạng thái pV=m RT).
- Nhiệt độ trong bung giãn nở luôn được duy trì ở trị số T
max
, nhiệt độ trong
bung nén luôn được duy trì ở trị số T
min
.
- Bộ hi nhiệt nhận nhiệt và nhả nhiệt theo chu kỳ và luôn có một gradient nhiệt
độ T

T
min
do được làm mát. Nhiệt lượng truyền từ bung nén ra môi trường xung quanh là
Q
c
.Quá trình nén lý thuyết được biểu diễn bằng đoạn 1 – 2 trên đ thị.

Hình 2.4 – Quá trình nén đẳng nhiệt
Phương trình trạng thái biểu diễn quá trình:
T
2
= T
1
= T
min
= const (2.1)
pV = const (2.2)
Quan hệ giữa các thông số:
p
1
p
2
=
V
2
V
1
p
2
=p

= 0(2.5)
Điều này chứng tỏ rằng, trong quá trình đẳng nhiệt, nhiệt lượng của môi chất
công tác trao đi với môi trường chỉ dùng để sinh công. Do đó nhiệt lượng truyền Q
bằng công thực hiện W:
18
Q
12
= W = -

dW
2
1
= -

pdV
V
2
V
1
= -

RT
min
V
dV
V
2
V
1
(2.6)

=
1
T
min

dQ
2
1
(2.8)
∆S =

S
2
- S
1

=
Q
12
T
min
= Rlnv , [J/kg.K] (2.9)
2.1.2.2 Quá trình cấp nhit đẳng tích 2 ậ 3
Trong quá trình tiếp theo, cả hai piston đều di chuyển đng thời: piston
néntiếp tục di chuyển về phía điểm chết trên, còn piston giãn nởthì di chuyển về
phía điểm chết dưới. Môi chất công tác di chuyển từ bung nénsang bung giãn nở
với thể tích không đi. Trong khi đi qua bộ hi nhiệt, môi chấtcông tác được sấy
nóng từ nhiệt độ T
min
lên đến nhiệt độ T

3
p
3
=p
2
T
3
T
2
=p
2
T
max
T
min
=p
2
t , [N/m
2
](2.13)

Với t là tỉ số nhiệt độ:
t =
T
max
T
min
(2.14)
Nhiệt lượng bộ cấp nhiệt truyền cho môi chất công tác:
Q

max
do môi chất công tác tiếp tục được cấp nhiệt lượng Q
E
từ
bộ cấp nhiệt.Giai đoạn này được biểu diễn bằng đoạn 3 – 4. Quá trình kết thúc
khipiston giãn nở tới điểm chết dưới (hình 2.6).

Hình 2.6 – Quá trình giãn nở đẳng nhiệt

Trích đoạn Xylanh lực

---