Кпд двигателя внешнего сгорания стирлинга. Двигатель внешнего сгорания- принцип работы и достоинства

03.11.2019

- тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Хронологию событий, связанную с разработкой двигателей времен 18 века, вы можете наблюдать в интересной статье - "История изобретения паровых машин" . А эта статья посвящена великому изобретателю Роберту Стирлингу и его детищу.

История создания...

Патент на изобретение двигателя Стирлинга как ни странно принадлежит шотландскому священнику Роберту Стирлингу. Его он получил 27 сентября 1816 года. Первые «двигатели горячего воздуха» стали известны миру ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Одним из важных достижений Стирлинга является добавление очистителя, прозванный им же самим "экономом".

В современной же научной литературе этот очиститель имеет совсем другое название - «рекуператор». Благодаря ему производительность двигателя растет, поскольку очиститель удерживает тепло в тёплой части двигателя, а рабочее тело в то же время охлаждается. Благодаря этому процессу эффективность системы значительно возрастает. Рекуператор представляет из себя камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходит через наполнитель рекуператора в одну сторону, отдаёт (или приобретает) тепло, а при движении в другую сторону отбирает (отдаёт) его. Рекуператор может быть и внешним по отношению к цилиндрам и может быть размещён на поршне-вытеснителе в бета- и гамма-конфигурациях. Габариты и вес машины в этом случае меньше. В коей мере роль рекуператора выполняется зазором между вытеснителем и стенками цилиндра (если цилиндр длинный, то надобности в таком устройстве нет вообще, однако появляются значительные потери из-за вязкости газа). В альфа-стирлинге рекуператор может быть только внешним. Он монтируется последовательно с теплообменником, в котором со стороны холодного поршня, происходит нагрев рабочего тела.

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 % инвестировала фирма "Филипс". Поскольку двигатель Стирлинга имеет много преимуществ, то в эпоху паровых машин он был широко распространён.

Недостатки.

Материалоёмкость - основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.

Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела - водород, гелий.

Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплообменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Преимущества.

Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.

«Всеядность» двигателя - как все двигатели внешнего сгорания (вернее - внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.

Простота конструкции - конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.

Увеличенный ресурс - простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.

Экономичность - в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.

Бесшумность двигателя - стирлинг не имеет выхлопа, а значит - не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).

Экологичность - сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

Альтернатива паровым двигателям.

В 19 веке инженеры пытались создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, из-за того что котлы уже изобретенных двигателей часто взрывались, не выдерживая высокого давления пара и материалов, которые совсем не подходили для их изготовления и постройки. Двигатель Стирлинга стал хорошей альтернативой, поскольку он мог преобразовывать в работу любую разницу температур. В этом и заключается основной принцип работы двигателя Стирлинга. Постоянное чередование нагревания и охлаждения рабочего тела в закрытом цилиндре приводит поршень в движение. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Но так же проводились опыты и с водой. Главная особенность двигателя Стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры,большие рабочие давления и высокая удельная мощность. Также существует Стирлинг с двухфазным рабочим телом. Удельная мощность и рабочее давление в нем тоже достаточно высоки.

Возможно, из курса физики вы помните, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении - уменьшается. Именно это свойство газов и заложено в основе работы двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который не уступает циклу Карно по термодинамической эффективности, и в некотором роде даже обладает преимуществом. Цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация такого цикла сложна и малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Всего в цикле Стирлинга четыре фазы, разделённые двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. При переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, который находится в цилиндре. В ходе этого процесса изменяется давление из чего и можно получить полезную работу. Полезная работа производится только за счет процессов, проходящих с постоянной температурой, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

Конфигурации.

Инженерами подразделяются двигатели Стирлинга на три различных типа:

Превью - увеличение по клику.

Содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень - горячий, другой - холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, а цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. Отношение мощности к объёму достаточно велико, однако высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

Бета-Стирлинг - цилиндр один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

Есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра - один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Вытеснил остальные виды силовых установок, однако, работы, направленные на отказ от использования этих агрегатов, наводят на мысль о скорой смене лидирующих позиций.

С начала технического прогресса, когда использование моторов, сжигающих горючее внутри, только начиналось, не было очевидным их превосходство. Паровая машина, как конкурент, содержит в себе массу преимуществ: наряду с тяговыми параметрами, бесшумная, всеядная, легко управляется и настраивается. Но лёгкость, надёжность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания взять вверх над паром.

Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счёт возобновляемых источников топлива. В 16 году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает экономичность, надёжность, работает тихо, на любом топливе, это делает изделие игроком на автомобильном рынке.

Роберт Стирлинг (1790-1878 года жизни):

История двигателя Стирлинга

Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.

Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.

Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:

PV=nR*T

P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
n – молярное количество газа в двигателе;
R – постоянная газа;
T – степень нагрева газа в двигателе К,

Модель двигателя Стирлинга:

За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.

Цикл

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, использует одноимённую совокупность явлений. Эффект от протекающего действия в механизме высок. Благодаря этому есть возможность сконструировать двигатель с неплохими характеристиками в рамках нормальных габаритов.

Необходимо учитывать, что в конструкции механизма предусмотрен нагреватель, холодильник и регенератор, устройство, отвода тепла от вещества и возвращения тепла, в нужный момент.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «температура-объём»):

Идеальные круговые явления:

1-2 Изменение линейных размеров вещества с постоянной температурой;
2-3 Отвод теплоты от вещества к теплообменнику, пространство, занимаемое веществом постоянно;
3-4 Принудительное сокращение пространства, занимаемого веществом, температура постоянна, тепло отводится охладителю;
4-1 Принудительное увеличение температуры вещества, занимаемое пространство постоянно, тепло подводится от теплообменника.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «давление-объём»):

Из расчёта (моль) вещества:

Подводимое тепло:

Получаемое охладителем тепло:

Теплообменник получает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдаёт тепло (процесс 4-1):

R – Универсальная постоянная газа;

СV – способность идеального газа удерживать тепло при неизменной величине занимаемого пространства.

За счёт применения регенератора, часть теплоты остается, в качестве энергии механизма, не меняющейся за проходящие круговые явления. Холодильник получает меньше тепла, таким образом, теплообменник экономит тепло нагревателя. Это увеличивает эффективность установки.

КПД кругового явления:

ɳ =

Примечательно, что без теплообменника совокупность процессов Стирлинга осуществима, но его эффективность будет значительно ниже. Прохождение совокупности процессов задом наперёд ведёт к описанию охлаждающего механизма. В этом случае наличие регенератора, обязательное условие, поскольку при прохождении (3-2) невозможно нагреть вещество от охладителя, температура которого значительно ниже. Так же невозможно отдать тепло нагревателю (1-4), температура которого выше.

Принцип работы двигателя

Что бы понять, как работает двигатель Стирлинга, разберёмся в устройстве и периодичности явлений агрегата. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия в действие силы на тело. Весь процесс происходит благодаря температурному перепаду, в рабочем веществе, находящемся в закрытом контуре.

Принцип действия механизма базируется на расширении за счёт тепла. Непосредственно до расширения, вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед тем, как сжаться, вещество охлаждают. Сам цилиндр (1) окутан водяной рубашкой (3), ко дну подается тепло. Поршень, совершающий работу (4) помещен в гильзу и уплотнён кольцами. Между поршнем и дном находится механизм вытеснения (2), имеющий значительные зазоры и свободно перемещающийся. Вещество, находящееся в замкнутом контуре, двигается по объёму камеры за счёт вытеснителя. Перемещение вещества ограничено двумя направлениями: дно поршня, дно цилиндра. Движение вытеснителя обеспечивает шток (5), который проходит через поршень и функционирует за счет эксцентрика с запаздыванием на 90° в сравнении с приводом поршня.

Позиция «A»:

Поршень расположен в крайнем нижнем положении, вещество охлаждается за счет стенок.

Позиция «B»:

Вытеснитель занимает верхнее положение, перемещаясь, пропускает вещество через торцевые щели ко дну, сам охлаждается. Поршень стоит неподвижно.

Позиция «C»:

Вещество получает тепло, под действием тепла увеличивается в объёме и поднимает расширитель с поршнем вверх. Совершается работа, после чего вытеснитель опускается на дно, выталкивая вещество и охлаждаясь.

Позиция «D»:

Поршень опускается вниз, сжимает охлаждённое вещество, выполняется полезная работа. Маховик служит в конструкции аккумулятором энергии.

Рассмотренная модель без регенератора, поэтому КПД механизма не велико. Тепло вещества после совершения работы отводится в охлаждающую жидкость, используя стенки. Температура не успевает снижаться на нужную величину, поэтому время охлаждения продлевается, скорость мотора маленькая.

Виды двигателей

Конструктивно, есть несколько вариантов, использующих принцип Стирлинга, основными видами считаются:

Конструкция применяет два разных поршня, помещенных в различные контуры. Первый контур используется для нагрева, второй контур применяется для охлаждения. Соответственно, каждому поршню принадлежит свой регенератор (горячий и холодный). Устройство обладает хорошим соотношением мощности к объёму. Недостаток в том, что температура горячего регенератора создает конструктивные сложности.

Двигатель «β – Стирлинг»:

Конструкция использует один замкнутый контур, с разными температурами на концах (холодный, горячий). В полости расположен поршень с вытеснителем. Вытеснитель делит пространство на холодную и горячую зону. Обмен холодом и теплом происходит путём перекачивания вещества через теплообменник. Конструктивно, теплообменник выполняется в двух вариантах: внешний, совмещённый с вытеснителем.

Двигатель «γ – Стирлинг»:

Поршневой механизм предусматривает применение двух замкнутых контуров: холодного и с вытеснителем. Мощность снимается с холодного поршня. Поршень с вытеснителем с одной стороны горячий, с другой стороны холодный. Теплообменник располагается как внутри, так и снаружи конструкции.

Некоторые силовые установки не похожи на основные виды двигателей:

Роторный двигатель Стирлинга.

Конструктивно изобретение с двумя роторами на валу. Деталь совершает вращательные движения в замкнутом пространстве цилиндрической формы. Заложен синергетический подход реализации цикла. Корпус содержит радиальные прорези. В углубления вставлены лопасти с определённым профилем. Пластины надеты на ротор и могут двигаться вдоль оси при вращении механизма. Все детали создают меняющиеся объёмы с выполняющимися в них явлениями. Объёмы различных роторов связаны при помощи каналов. Расположение каналов имеют сдвиг в 90° друг к другу. Сдвиг роторов относительно друг друга составляет 180°.

Термоакустический двигатель Стирлинга.

Двигатель использует акустический резонанс для проведения процессов. Принцип основан на перемещении вещества между горячей и холодной полостью. Схема уменьшает количество движущихся деталей, сложность в снятии полученной мощности и поддержании резонанса. Конструкция относится к свободнопоршневому виду мотора.

Двигатель Стирлинга своими руками

Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга:

Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;

Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

После того, как удалось сделать двигатель Стирлинга дома, мотор запускают. Для этого под банку помещают зажженную свечку, а после того, как банка прогрелась, дают толчок маховику.

Рассмотренный вариант установки можно быстро собрать у себя дома, как наглядное пособие. Если задаться целью и желанием сделать двигатель Стирлинга максимально приближённый к заводским аналогам, в свободном доступе есть чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла позволит создать работающий макет ни чем не хуже коммерческих версий.

Преимущества

Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

Недостатки

К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.

Использование

Двигатель Стирлинга нашел свою нишу и активно применяется там, где габариты и всеядность важный критерий:

Двигатель Стирлинг-электрогенератор.

Механизм преобразования тепла в электрическую энергию. Часто встречаются изделия, используемые в качестве портативных туристических генераторов, установки по использованию солнечной энергии.

Двигатель, как насос (электрика).

Двигатель применяют для установки в контур отопительных систем, экономя на электрической энергии.

Двигатель, как насос (обогреватель).

В странах с тёплым климатом двигатель используют как обогреватель для помещений.

Двигатель Стирлинга на подводной лодке:

Двигатель, как насос (охладитель).

Практически все холодильники в своей конструкции применяют тепловые насосы, устанавливая двигатель Стирлинга, экономятся ресурсы.

Двигатель, как насос, создающий сверхнизкие степени нагрева.

Устройство применяют в качестве холодильника. Для этого процесс запускают в обратную сторону. Агрегаты сжижают газ, охлаждают измерительные элементы в точных механизмах.

Двигатель для подводной техники.

Подводные корабли Швеции и Японии работают благодаря двигателю.

Двигатель Стирлинга в качестве солнечной установки:

Двигатель, как аккумулятор энергии.

Топливо в таких агрегатах, расплавы соли, двигатель применяют, как источник энергии. Мотор по запасу энергии опережает химические элементы.

Солнечный двигатель.

Преобразуют энергию солнца в электричество. Вещество в данном случае, водород или гелий. Двигатель ставится в фокусе максимальной концентрации энергии солнца, созданного при помощи параболической антенны.

Несмотря на свои высокие показатели, современный двигатель внутреннего сгорания начинает устаревать. Его к. п. д. достиг, пожалуй, своего предела. Шум, вибрация, отравляющие воздух газы и другие присущие ему недостатки заставляют ученых искать новые решения, пересматривать возможности давно «забытых» циклов. Одним из «возрожденных» двигателей является стирлинг.

Еще в 1816 г. шотландский священник и ученый Роберт Стирлинг запатентовал двигатель, в котором топливо и воздух, поступающие в зону горения, никогда не попадают внутрь цилиндра. Они, сгорая, лишь нагревают находящийся в нем рабочий газ. Это и дало основание назвать изобретение Стирлинга двигателем внешнего сгорания.

Роберт Стирлинг построил несколько двигателей; последний из них имел мощность 45 л. с. и проработал на шахте в Англии более трех лет (до 1847 г.). Эти двигатели были очень тяжелыми, занимали много места и внешне напоминали паровые машины.

Для мореплавания двигатели внешнего сгорания впервые были применены в 1851 г. шведом Джоном Эриксоном. Построенное им судно «Эриксон» благополучно пересекло Атлантический океан из Америки в Англию с силовой установкой, состоявшей из четырех двигателей внешнего сгорания. В век паровых машин это было сенсацией. Однако силовая установка Эриксона развивала всего 300 л. с., а не 1000, как ожидалось. Двигатели имели огромные размеры (диаметр цилиндра 4,2 м, ход поршня 1,8 м). Расход угля получился не меньше, чем у паровых машин. Когда судно пришло в Англию, оказалось, что двигатели не пригодны для дальнейшей эксплуатации, так как у них прогорели днища цилиндров. Чтобы вернуться в Америку, пришлось заменить двигатели обычной паровой машиной. На обратном пути судно попало в аварию и затонуло со всем экипажем.

Маломощные двигатели внешнего сгорания в конце прошлого века применялись в домах для перекачивания воды, в типографиях, на промышленных предприятиях, в том числе на петербургском заводе Нобеля (ныне «Русский дизель»), Устанавливались они и на мелких судах. Стирлинги выпускались во многих странах, в том числе в России, где они назывались «тепло и сила». Ценили их за бесшумность и безопасность работы, чем они выгодно отличались от паровых машин.

С развитием двигателей внутреннего сгорания о стирлингах забыли. В энциклопедическом словаре Брокгауэа и Эфрона о них написано следующее: «Безопасность от взрывов составляет главную выгодную сторону калорических машин, благодаря которой они могут опять войти в употребление, если найдут для их построения и смазки новые материалы, лучше выдерживающие высокую температуру».

Дело заключалось, однако, не только в отсутствии соответствующих материалов. Еще оставались неизвестными современные принципы термодинамики, в частности эквивалентность тепла и работы, без чего невозможно было определить наивыгоднейшие соотношения основных элементов двигателя. Теплообменники делали с малой поверхностью, из-за чего двигатели работали при непомерно высоких температурах и быстро выходили из строя.

Попытки усовершенствовать Стирлинг были предприняты после второй мировой войны. Наиболее существенные из них заключались в том, что рабочий газ стали применять сжатым до 100 атм и использовать не воздух, а водород, имеющий более высокий коэффициент теплопроводности, низкую вязкость и, кроме того, не окисляющий смазки.

Устройство двигателя внешнего сгорания в его современном виде схематически показано на рис. 1. В закрытом с одной стороны цилиндре находятся два поршня. Верхний - поршень-в ы тесните ль служит для ускорения процесса периодического нагрева и охлаждения рабочего газа. Он представляет собой полый закрытый цилиндр из нержавеющей стали, плохо проводящий тепло, и перемещается под действием штока, связанного с кривошипно-шатунным механизмом.

Нижний поршень - рабочий (на рисунке показан в сечении). Он передает усилие на кривошипно-шатунный механизм через полый шток, внутри которого проходит шток вытеснителя. Рабочий поршень снабжен уплотняющими кольцами.

Под рабочим поршнем имеется буферная емкость, образующая подушку, выполняющую функцию маховика - сглаживать неравномерность крутящего момента благодаря отбору части энергии во время рабочего хода и отдаче ее на вал двигателя во время хода сжатия. Для изоляции объема цилиндра от окружающего пространства служат уплотнения типа «заворачивающийся чулок». Это резиновые трубки, прикрепленные одним концом к штоку, а другим к корпусу.

Верхняя часть цилиндра соприкасается с подогревателем, а нижняя - с холодильником. Соответственно в нем выделяются «горячий» и «холодный» объемы, свободно сообщающиеся между собой посредством трубопровода, в котором находится регенератор (теплообменник). Регенератор заполнен путанкой из проволоки малого диаметра (0,2 мм) и обладает высокой теплоемкостью (например, к. п. д. регенераторов фирмы Филипе превышает 95%).

Рабочий процесс двигателя Стирлинга может быть осуществлен и без вытеснителя, на основе применения золотникового распределителя рабочего заряда.

В нижней части двигателя расположен кривошипно-шатунный механизм, служащий для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала. Особенностью этого механизма является наличие двух коленчатых валов, соединенных двумя шестернями со спиральными зубьями, вращающимися навстречу друг другу. Шток вытеснителя связан с коленчатыми валами посредством нижнего коромысла и прицепных шатунов. Шток рабочего поршня соединяется с коленчатыми валами через верхнее коромысло и прицепные шатуны. Система одинаковых шатунов образует подвижный деформируемый ромб, откуда и название этой передачи - ромбическая. Ромбическая передача обеспечивает необходимый сдвиг фаз при движении поршней. Она полностью уравновешена, в ней не возникают боковые усилия на штоки поршней.

В пространстве, ограниченном, рабочим поршнем, находится рабочий газ - водород или гелий. Полный объем газа в цилиндре не зависит от положения вытеснителя. Изменения объема, связанные со сжатием и расширением рабочего газа, происходят за счет перемещения рабочего поршня.

При работе двигателя верхняя часть цилиндра постоянно нагревается, например, от камеры сгорания, в которую впрыскивается жидкое топливо. Нижняя часть цилиндра постоянно охлаждается, например, холодной водой, прокачиваемой через водяную рубашку, окружающую цилиндр. Замкнутый цикл Стирлинга состоит из четырех тактов, изображенных на рис. 2.

Такт I - охлаждение . Рабочий поршень находится в крайнем нижнем положении, вытеснитель движется вверх. При этом рабочий газ перетекает из «горячего» объема над вытеснителем в «холодный» объем под ним. Проходя по пути через регенератор, рабочий газ отдает ему часть своего тепла, а затем охлаждается в «холодном» объеме.

Такт II - сжатие . Вытеснитель остается в верхнем положении, рабочий поршень движется вверх, сжимая рабочий газ при низкой температуре.

Такт III - нагревание . Рабочий поршень находится в верхнем положении, вытеснитель движется вниз. При этом сжатый холодный рабочий газ устремляется из-под вытеснителя в освобождающееся пространство над ним. По дороге рабочий газ проходит через регенератор, где предварительно подогревается, попадает в «горячую» полость цилиндра и нагревается еще сильнее.

Такт IV - расширение (рабочий ход) . Нагреваясь, рабочий газ расширяется, передвигая при этом вытеснитель и вместе с ним рабочий поршень вниз. Совершается полезная работа.

Стирлинг имеет замкнутый цилиндр. На рис. 3, а показана диаграмма теоретического цикла (диаграмма V - Р). По оси абсцисс отложены объемы цилиндра, по оси ординат - давления в цилиндре. Первый такт является изотермическим I-II, второй происходит при постоянном объеме II-III, третий - изотермический III-IV, четвертый - при постоянном объеме IV-I. Так как давление во время расширения горячего газа (III-IV) больше давления во время сжатия холодного газа (I-II), то работа расширения больше работы сжатия. Полезную работу цикла можно графически изобразить в виде криволинейного четырехугольника I-II-III-IV.

В действительном процессе поршень и вытеснитель движутся непрерывно, так как они связаны с кривошипно-шатунным механизмом, поэтому диаграмма действительного цикла скруглена (рис. 3, б).

Теоретический к. п. д. двигателя стирлинга составляет 70%. Исследования показали, что на практике можно получить к. п. д., равный 50%. Это значительно больше, чем у самых лучших газовых турбин (28%), бензиновых двигателей (30%) и дизелей (40%).

Стирлинг может работать на бензине, керосине, дизельном, газообразном и даже твердом топливе. По сравнению с другими двигателями, он имеет более мягкий и почти бесшумный ход. Объясняется это низкой степенью сжатия (1,3÷1,5), к тому же давление в цилиндре повышается плавно, а не взрывом. Продукты сгорания также выпускаются без Шума, так как сгорание происходит постоянно. В них сравнительно немного токсичных составляющих, потому что горение топлива происходит непрерывно и при постоянном избытке кислорода (α=1,3).

Стирлинг с ромбической передачей полностью уравновешен, в нем не возникает вибраций. Это качество, в частности, было учтено американскими инженерами, установившими одноцилиндровый стирлинг на искусственном спутнике Земли, где даже небольшая вибрация и неуравновешенность могут привести к потере ориентации.

Одним из проблемных вопросов остается охлаждение. В стирлинге с выпускными газами отводится только 9% тепла, получаемого от топлива, поэтому, например, при установке его на автомобиле пришлось бы делать радиатор примерно в 2,5 раза больше, чем при использовании бензинового двигателя той же мощности. Задача решается проще на судовых установках, где эффективное охлаждение обеспечивается неограниченным количеством забортной воды.

На рис. 4 показан разрез двухцилиндрового катерного двигателя Филипс мощностью 115 л. с. при 3000 об/мин с горизонтальным расположением цилиндров. Общий рабочий объем каждого цилиндра 263 см 3 . Поршни, расположенные оппозитно, соединены с двумя траверсами, что позволило полностью уравновесить газовые силы и обойтись без буферных объемов. Подогреватель выполнен из трубок, окружающих камеру сгорания, по которым проходит рабочий газ. Охладителем служит трубчатый холодильник, через который прокачивается забортная вода. Двигатель имеет два коленчатых вала, соединенных с гребным валом посредством червячных передач. Высота двигателя всего 500 мм, что позволяет установить его под настилом и таким образом уменьшить размеры машинного отсека.

Мощность стирлинга регулируется в основном изменением давления рабочего газа. Одновременно, чтобы поддерживать температуру подогревателя постоянной, регулируется и подача топлива. Для двигателя внешнего сгорания пригодны практически любые источники тепла. Важно, что он может превращать в полезную работу низкотемпературную энергию, на что не способны двигатели внутреннего сгорания. Из кривой на рис. 5 видно, что при температуре подогревателя всего 350° С к. п. д. стирлинга еще равен ≈ 20%.

Стирлинг экономичен - удельный расход топлива у него составляет всего 150 г/л. с. час. В энергетической установке «двигатель стирлинг- аккумулятор тепла», использующейся на американских спутниках Земли, тепловым аккумулятором служит гидрит лития, который поглощает тепло в период «освещения» и Отдает его стирлингу, когда спутник находится на теневой стороне Земли. На спутнике двигатель служит для привода генератора мощностью 3 квт при 2400 об/мин.

Создан опытный мотороллер со Стирлингом и аккумулятором тепла. Использование аккумулятора тепла и стирлинга на подводной лодке позволяет ей в несколько раз дольше идти в погруженном положении.

Литература

1. Смирнов Г. В. Двигатели внешнего сгорания. «Знание», М., 1967.
2. Dr. Ir. R. I. Meijer. Der Philips - Stirlingmotor, MTZ, N 7, 1968.
3. Curtis Anthony. Hot air and the wind of change. The Stirling engine and its revival. Motor (Engl.), 1969, (135), N 3488.

Всего около ста лет назад двигателям внутреннего сгорания пришлось в жестокой конкурентной борьбе завоевывать то место, которое они занимают в современном автомобилестроении. Тогда их превосходство отнюдь не представлялось столь очевидным, как в наши дни. Действительно, паровая машина - главный соперник бензинового мотора - обладала по сравнению с ним огромными достоинствами: бесшумностью, простотой регулирования мощности, прекрасными тяговыми характеристиками и поразительной «всеядностью», позволяющей работать на любом виде топлива от дров до бензина. Но в конечном итоге экономичность, легкость и надежность двигателей внутреннего сгорания взяли верх и заставили примириться с их недостатками, как с неизбежностью.
В 1950-х годах с появлением газовых турбин и роторных двигателей начался штурм монопольного положения, занимаемого двигателями внутреннего сгорания в автомобилестроении, штурм, до сих пор не увенчавшийся успехом. Примерно в те же годы делались попытки вывести на сцену новый двигатель, в котором поразительно сочетается экономичность и надежность бензинового мотора с бесшумностью и "всеядностью" паровой установки. Это - знаменитый двигатель внешнего сгорания, который шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081).

Физика процесса

Принцип действия всех без исключения тепловых двигателей основан на том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем требуется на сжатие холодного. Чтобы продемонстрировать это, достаточно бутылки и двух кастрюль с горячей и холодной водой. Сначала бутылку опускают в ледяную воду, а когда воздух в ней охладится, горлышко затыкают пробкой и быстро переносят в горячую воду. Через несколько секунд раздается хлопок и нагреваемый в бутылке газ выталкивает пробку, совершая механическую работу. Бутылку можно снова возвратить в ледяную воду - цикл повторится.
в цилиндрах, поршнях и замысловатых рычагах первой машины Стирлинга почти в точности воспроизводился этот процесс, пока изобретатель не сообразил, что часть тепла, отнимаемого у газа при охлаждении, можно использовать для частичного подогрева. Нужна лишь какая-то емкость, в которой можно было бы запасать тепло, отнятое у газа при охлаждении, и снова отдавать ему при нагревании.
Но, увы, даже это очень важное усовершенствование не спасло двигатель Стирлинга. К 1885 году достигнутые здесь результаты были весьма посредственны: 5-7 процентов к.п.д., 2 л. с. мощности, 4 тонны веса и 21 кубометр занимаемого пространства.
Двигатели внешнего сгорания не были спасены даже успехом другой конструкции, разработанной шведским инженером Эриксоном. В отличие от Стирлинга, он предложил нагревать и охлаждать газ не при постоянном объеме, а при постоянном давлении. 8 1887 году несколько тысяч небольших эриксоновских двигателей отлично работало в типографиях, в домах, на шахтах, на судах. Они наполняли водонапорные баки, приводили а действие лифты. Эриксон пытался даже приспособить их для привода экипажей, но они оказались чересчур тяжелыми. В России до революции большое количество таких двигателей выпускалось под названием «Тепло и сила».

Экология потребления.Наука и техника:Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой и эффективностью.

Менее ста лет назад двигатели внутреннего сгорания пытались завоевать свое законное место в конкурентной борьбе среди прочих имеющихся машин и движущихся механизмов. При этом в те времена превосходство бензинового двигателя не являлось столь очевидным. Существующие машины на паровых двигателях отличались бесшумностью, великолепными для того времени характеристиками мощности, простотой обслуживания, возможностью использования различного вида топлива. В дальнейшей борьбе за рынок двигатели внутреннего сгорания благодаря своей экономичности, надежности и простоте взяли верх.

Дальнейшая гонка за совершенствования агрегатов и движущих механизмов, в которую в середине 20 века вступили газовые турбины и роторные разновидности двигателей, привела к тому, что несмотря на верховенство бензинового двигателя были предприняты попытки ввести на «игровое поле» совершенно новый вид двигателей - тепловой, впервые изобретенный в далеком 1861 году шотландским священником по имени Роберт Стирлинг. Двигатель получил название своего создателя.

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА: ФИЗИЧЕСКАЯ СТОРОНА ВОПРОСА

Для понимания, как работает настольная электростанция на Стирлинге, следует понимать общие сведения о принципах работы тепловых двигателей. Физически принцип действия заключается в использовании механической энергии, которая получается при расширении газа при нагревании и его последующем сжатии при охлаждении. Для демонстрации принципа работы можно привести пример на основе обычной пластиковой бутыли и двух кастрюль, в одной из которых находится холодная вода, в другой горячая.

При опускании бутылки в холодную воду, температура которой близка к температуре образования льда при достаточном охлаждении воздуха внутри пластиковой емкости ее следует закрыть пробкой. Далее, при помещении бутыли в кипяток, спустя некоторое время пробка с силой «выстреливает», поскольку в данном случае нагретым воздухом была совершена работа во много раз большая, чем совершается при охлаждении. При многократном повторении опыта результат не меняется.

Первые машины, которые были построены с использованием двигателя Стирлинга, с точностью воспроизводили процесс, демонстрирующийся в опыте. Естественно механизм требовал усовершенствования, заключающееся в применении части тепла, которое терял газ в процессе охлаждения для дальнейшего подогрева, позволяя возвращать тепло газу для ускорения нагревания.

Но даже применение этого новшества не могло спасти положение дел, поскольку первые «Стирлинги» отличались большими размерами при малой вырабатываемой мощности. В дальнейшем не раз предпринимались попытки модернизировать конструкцию для достижения мощности в 250 л.с. приводили к тому, что при наличии цилиндра диаметром 4,2 метра, реальная выходная мощность, которую выдавала электростанция на Стирлинге (Stirling) в 183 кВт на деле составляла всего 73 кВт.

Все двигатели Стирлинга работают по принципу цикла Стирлинга, включающего в себя четыре основные фазы и две промежуточные. Основными являются нагрев, расширение, охлаждение и сжатие. В качестве стадии перехода рассматриваются переход к генератору холода и переход к нагревательному элементу. Полезная работа, совершаемая двигателем, строится исключительно на разнице температур нагревающей и охлаждающей частей.

СОВРЕМЕННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ СТИРЛИНГА

Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:

альфа-стирлинг, отличие которого в двух активных поршнях, расположенных в самостоятельных цилиндрах. Из всех трех вариантов данная модель отличается самой высокой мощностью, обладая самой высокой температурой нагревающегося поршня;
бета-стирлинг, базирующийся на одном цилиндре, одна часть которого горячая, а вторая холодная;
гамма-стирлинг, имеющий кроме поршня еще и вытеснитель.

Производство электростанции на Стирлинге будет зависеть от выбора модели двигателя, что позволит учесть всю положительные и отрицательные стороны подобного проекта.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Благодаря своим конструктивным особенностям данные двигатели обладают рядом преимуществ, но при этом не лишены недостатков.

Настольная электростанция Стирлинга, купить которую невозможно в магазине, а только у любителей, самостоятельно осуществляющих сбор подобных устройств, относятся:

большие размеры, которые вызваны потребностью к постоянному охлаждению работающего поршня;
использование высокого давления, что требуется для улучшения характеристик и мощности двигателя;
потеря тепла, которая происходит за счет того, что выделяемое тепло передается не на само рабочее тело, а через систему теплообменников, чей нагрев приводит к потере КПД;
резкое снижение мощности требует применения особых принципов, отличающихся от традиционных для бензиновых двигателей.

Наряду с недостатками, у электростанций, функционирующих на агрегатах Стирлинга, имеются неоспоримые плюсы:

любой вид топлива, поскольку как любые двигатели, использующие энергию тепла, данный двигатель способен функционировать при разнице температур любой среды;
экономичность. Данные аппараты могут стать прекрасной заменой паровым агрегатам в случаях необходимости переработки энергии солнца, выдавая КПДна 30% выше;
экологическая безопасность. Поскольку настольная электростанция кВт не создает выхлопного момента, то она не производит шума и не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. В виде источника получения мощности выступает обычное тепло, а топливо выгорает практически полностью;
конструктивная простота. Для своей работы Стирлинг не потребует дополнительных деталей или приспособлений. Он способен самостоятельно запускаться без использования стартера;
повышенный ресурс работоспособности. Благодаря своей простоте, двигатель может обеспечить не одну сотню часов беспрерывной эксплуатации.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА

Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой, при этом эффективность прочих видов тепловых агрегатов существенно ниже при аналогичных условиях. Очень часто подобные агрегаты применяются в питании насосного оборудования, холодильных камер, подводных лодок, батарей, аккумулирующих энергию.

Одним из перспективных направлений области использования двигателей Стирлинга являются солнечные электростанции, поскольку данный агрегат может удачно применяться для того, чтобы преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую. Для осуществления этого процесса двигатель помещается в фокус зеркала, аккумулирующего солнечные лучи, что обеспечивает перманентное освещение области, требующей нагрева. Это позволяет сфокусировать солнечную энергию на малой площади. Топливом для двигателя в данном случае служит гелии или водород. опубликовано