Stirlingmoottorin hyödyntäminen ajoneuvokäytössä

Abstract

Tämän insinöörityön tavoitteena oli selvittää stirlingmoottorin mahdollista soveltuvuutta ajoneuvokäyttöön modernin sähköisen voimalinjan kanssa. Työn tilasi Neste Oyj:n tuotekehitysosasto. Työssä tarkastellaan strilingmoottoria jatkuvasti ajoneuvokäytön näkökulmasta.

Työ on kirjallisuustutkimus, jossa aluksi selvitetään kattavasti stirlingmoottorin historia, toimintaperiaate, erilaiset rakennemahdollisuudet, komponentit ja niiden merkitys moottorin toiminnan kannalta. Stirlingmoottorin yleisiä ominaisuuksia esitellään verraten näitä otto- ja dieselmoottorin ominaisuuksiin. Työ esittelee lyhyesti erilaiset hybridiautojen rakennevaihtoehdot ja toteaa stirlingmoottorin soveltuvan parhaiten sarjahybridi-ajoneuvon voimanlähteeksi. Lisäksi työssä tarkastellaan stirlingmoottorivaihtoehtoja, joista esitellään kehittynein ajoneuvostirlingmoottori vuodelta 1986 sekä moderneja stirlingmoottoreita.

Työn tavoitteeseen vastataan, kun verrataan esiteltyjä moderneja stirlingmoottoreita otto- ja dieselmoottoreihin ja vertailua peilataan olemassa olevaan sarjahybridiin, Opel Amperaan. Vertailu suoritetaan laskentaan tukeutuen energiankäytön, päästöjen, paino-tehosuhteen, suorituskyvyn ja muiden pienempien yksityiskohtien osalta. Vertailu osoittaa stirlingmoottorin olevan kilpailukykyinen vaihtoehto sarjahybridiajoneuvon voimanlähteeksi, mutta ajoneuvokäyttöön soveltuvaa moottoria ei ole markkinoilla tarjolla. Stirlinghybridiprototyypin rakentaminen vaatisi ensiksi moottorinkehitysprojektin potentiaalisen moottorinvalmistajan kanssa.

The objective of this Bachelor’s thesis was to study the possibility of using a stirling engine in a hybrid passenger car together with an electric powertrain. The thesis was commissioned by the Research and Development unit of Neste Oyj. The stirling engine was explored continuously from the point of view of vehicular usage in this thesis.

This thesis focuses on literature research. First the history of the stirling engine is introduced. After that the operational principle, different construction possibilities, components and their operational significance in the stirling engine are explained. Common features of the stirling engine are presented and compared with the otto engine and the diesel engine. The thesis presents briefly different constructional alternatives of the hybrid vehicles, and states that the striling engine works best in series hybrid configuration. The thesis presents also different stirling engine alternatives, the most developed automotive stirling engine from year 1986 and modern stirling engines.

The modern stirling engines are compared to otto engines and diesel engines, and the results are compared to the existing series hybrid passenger car, Opel Ampera. This comparison is carried out by calculating energy consumption, emissions, power to weight ratio, efficiency and other smaller aspects. This comparison shows that the stirling engine is a competitive alternative as a power source in a series hybrid vehicle but a suitable engine for vehicular use is not available in the market. Building of the stirling hybrid vehicle prototype would require an engine development project as a first step.