Двигун стирлінгу. Двигун зовнішнього згоряння стирлінгу Турбінний двигун зовнішнього згоряння

З минулого – у майбутнє! У 1817 році шотландський священик Роберт Стірлінг отримав патент на новий тип двигуна, названий згодом, подібно до моторів Дизеля, ім'ям винахідника - стірлінг. Парафіяни маленького шотландського містечка вже давно і з явною підозрою косилися свого духовного пастиря. Ще б! Шипіння і гуркіт, що проникали через стіни сараю, де частенько пропадав отець Стірлінг, могли збентежити не тільки їхні богобоязливі уми. Ходили затяті чутки, що в сараї міститься страшний дракон, якого святий отець приручив і вигодовує кажанами і гасом.

Але Роберта Стірлінга, одного з найосвіченіших людей Шотландії, не бентежила ворожість пастви. Мирські справи та турботи все більше й більше займали його, на шкоду служінню Господу: захоплювали пастора... машини.

Британські острови у період переживають промислову революцію: стрімко розвиваються мануфактури. І служителі культу не залишаються байдужими до величезних доходів, які обіцяє новий спосіб виробництва.

З благословення церкви і не без допомоги фабрикантів кілька машин Стірлінга були побудовані, і найкраща з них, 45 л. с., три роки пропрацювала на шахті в Дунді.

Подальший розвиток Стірлінгів затримався: у 60-х роках минулого століття на арену вийшов новий двигун Еріксона.

В обох конструкціях було багато спільного. То були двигуни зовнішнього згоряння. І в тій і в іншій машині робочим тілом було повітря, і в тій і іншій основою двигуна був регенератор, проходячи через який відпрацьоване гаряче повітря віддавало все тепло. Свіжа порція повітря, просочуючись через щільну металеву сітку, відбирала це тепло, перед тим як потрапити в робочий циліндр.

За схемою малюнку 1 можна простежити, як повітря через всмоктувальну трубу 10 і клапан 4 потрапляє в компресор 3, стискається і через клапан 5 виходить в проміжний резервуар. У цей час золотник 8 перекриває вихлопну трубу 9, повітря через регенератор потрапляє в робочий циліндр 1, нагрівається топкою 11. Тут повітря розширюється, здійснюючи корисну роботу, яка частково спрямована на важкий поршень, що піднімається, частково - на стиск холодного повітря в компресорі 3. Опускаючись, поршень виштовхує відпрацьоване повітря через регенератор 7 золотник 8 у вихлопну трубу. При опусканні поршня компресор засмоктується свіжа порція повітря.

1 - робочий циліндр; 2 - поршень; 3 – компресор; 4 - всмоктуючий клапан; 5 – нагнітальний клапан; 6 – проміжний резервуар; 7 – регенератор; 8 – перепускний золотник; 9 – вихлопна труба; 10 - всмоктувальна труба; 11-топка.

І та й інша конструкції не відрізнялися економічністю. Зате неполадок із двигуном шотландця траплялося чомусь більше, і він був менш надійним, ніж двигун Еріксона. Можливо, саме тому переглянули одну дуже важливу деталь: за рівних потужностей двигун Стірлінга був компактнішим. Крім того, він мав істотну перевагу в термодинаміці.

Стиснення, нагрівання, розширення, охолодження - ось чотири основні процеси, необхідні роботи будь-якого теплового двигуна. Кожен із них можна проводити різними шляхами. Скажімо, нагрівання і охолодження газу можна вести в замкнутій порожнині постійного об'єму (ізохорний процес) або під поршнем, що рухається, при постійному тиску (ізобарний процес). Стиснення або розширення газу може відбуватися за постійної температури (ізотермічний процес) або без теплообміну з навколишнім середовищем (адіабатичний процес). Складаючи замкнуті ланцюжки з різних комбінацій таких процесів, неважко отримати теоретичні цикли, якими працюють всі сучасні теплові двигуни. Скажімо, комбінація з двох адіабат ​​і двох ізохор утворюють теоретичний цикл бензинового двигуна. Якщо замінити в ньому ізохору, якою йде нагрівання газу, ізобарою - вийде цикл дизеля. Дві адіабати та дві ізобари дадуть теоретичний цикл газової турбіни. Серед усіх мислимих циклів комбінація з двох адіабат ​​і двох ізотерм грає особливо важливу роль у термодинаміці, так як за таким циклом - циклом Карно - повинен працювати двигун з найвищим к.п.д.

Якщо в двигуні Стірлінга підведення тепла проводилося по ізохорах, то у Еріксона цей процес відбувався по ізобарі, а процеси стиснення та розширення протікали ізотермами.

На початку нашого століття двигуни Еріксона невеликої потужності (порядку 10-20 к. с.) знайшли застосування у різних країнах. Тисячі таких установок працювали на фабриках, у друкарнях, шахтах та рудниках, крутили вали верстатів, качали воду, піднімали ліфти. Під назвою "тепло і сила" вони були відомі і в Росії.

Робилися спроби зробити великий судновий двигун, але результати випробувань бентежили не лише скептиків, а й самого Еріксона. Попри пророцтва перші судно «зрушило з місця» і навіть перетнуло Атлантичний океан. Але й очікування винахідника були обдурені: чотири гігантські за розмірами двигуни замість 1000 л. с. розвинули лише 300 л. с. Витрата вугілля вийшла такою ж, як і у парових машин. До того ж днища робочих циліндрів до кінця рейсу прогоріли наскрізь, і в Англії двигуни довелося зняти і потай замінити звичайною паровою машиною. На довершення всіх нещасть по дорозі назад до Америки судно зазнало аварії і загинуло з усім екіпажем.

1 - робочий поршень; 2 - поршень-витіснювач; 3 – охолоджувач; 4 – нагрівач; 5 – регенератор; 6 – холодний простір; 7 – гарячий простір.

Відмовившись від думки будувати "калоричні машини" великої потужності, Еріксон налагодив масовий випуск невеликих двигунів. Справа в тому, що рівень науки і техніки на той час не дозволяв спроектувати та побудувати економічну та потужну машину.

Але головний удар Еріксону завдали винахідники двигуна внутрішнього згоряння. Бурхливий розвиток дизелів і карбюраторних двигунів змусив забувати хорошу ідею.

…Минуло сторіччя. У 30-х роках одне з військових відомств доручає фірмі Філіпс розробити енергоустановку потужністю 200-400 вт для похідної радіостанції. Причому двигун має бути всеїдним, тобто працювати на будь-якому виді палива.

Фахівці фірми з усією ґрунтовністю взялися до справи. Почали з досліджень різних термодинамічних циклів і, на свій подив, виявили, що теоретично найекономічніший - давно забутий двигун Стірлінга.

Війна призупинила дослідження, але наприкінці 40-х років роботи було продовжено. І тоді в результаті численних експериментів та розрахунків було зроблено нове відкриття – замкнутий контур, у якому під тиском близько 200 атм. циркулювало робоче тіло (водень або гелій, як такі, що мають найменшу в'язкість і найбільшу теплоємність). Щоправда, замкнувши цикл, інженери змушені були подбати про штучне охолодження робочого тіла. Так з'явився охолоджувач, якого не мали перші двигуни зовнішнього згоряння. І хоча нагрівач і охолоджувач, якими б компактними вони не були, обтяжують стирлінг, зате повідомляють йому одну дуже важливу якість.

Ізольовані від зовнішнього середовища вони практично не залежать від неї. Стірлінг може працювати від будь-якого джерела тепла всюди: під водою, під землею, в космосі - тобто там, де двигуни внутрішнього згоряння, які потребують повітря, працювати не можуть. У таких умовах без нагрівачів та охолоджувачів, що передають тепло через стінку, в принципі не можна обійтися. І тут стерлінг побивають своїх суперників навіть за вагою. У перших дослідних зразків питома вага на одиницю потужності була близько 6-7 кг на л. с., як у суднових дизелів. Сучасні стирлінги мають ще менше співвідношення – 1,5-2 кг на л. с. Вони ще більш компактні та легкі.

Отже, схема стала двоконтурною: один контур із робочим агентом та другий - підведення тепла; це дозволило довести енергознімання до 200 л. с. на літр робочого об'єму, а к.п. - До 38-40 відсотків. Для порівняння: сучасний

ні дизелі мають к.п.д. 34-38 відсотків, а карбюраторні двигуни – 25-28. Крім того, процес згоряння палива у стирлінгу безперервний, а це різко знижує токсичність - по виходу окису вуглецю в 200 разів, по окису азоту - на 1-2 порядки. Ось де можливо одне з радикальних рішень проблеми забруднення атмосфери міст.

Робоча частина сучасного Стірлінга є замкнутим об'ємом, заповненим робочим газом (рис. 2). Верхня частина обсягу – гаряча, вона безперервно нагрівається. Нижня – холодна, весь час охолоджується водою. У тому ж обсязі - циліндр із двома поршнями: витіснячем та робітником. Коли поршень йде нагору, газ обсягом стискається; вниз – розширюється. Рухом вгору-вниз поршня-витіснювача проводиться поперемінний розподіл нагрітого і охолодженого газу. Коли поршень-витіснювач знаходиться у верхньому положенні (у гарячому просторі), велика частина газу виявляється витісненою в холодну зону. У цей час робочий поршень починає рухатися вгору та стискає холодний газ. Тепер поршень-витіснювач спрямовується вниз до зіткнення з робочим поршнем, і холодний стиснутий газ перекачується в гарячий простір. Розширення газу, що нагрівається - робочий хід. Частина енергії робочого ходу запасається наступне стиск холодного газу, а надлишок йде на вал двигуна.

Регенератор знаходиться між холодним та гарячим просторами. Коли гарячий газ, що розширився, рухом поршня-витіснювача перекачується в холодну частину, він проходить через щільний пучок тонких мідних зволікань і віддає їм тепло, що міститься в ньому. Під час зворотного ходу стиснене холодне повітря, перш ніж потрапити до гарячої частини, відбирає це тепло назад.

1 – паливна форсунка; 2 - вихлоп охолоджених газів; 3 - повітронагрівач; 4 – вихід гарячих газів; 5 – гарячий простір; 6 – регенератор; 7 – циліндр; 8 - трубки охолоджувача; 9 – холодний простір; 10 – робочий поршень; 11 – ромбічний привід; 12 – камера згоряння; 13 - трубки нагрівача; 14 - поршень-витіснювач; 15 – впуск повітря для спалювання палива; 16 – буферна порожнина.

Звичайно, у реальній машині все виглядає не так просто (рис. 3). Неможливо швидко нагріти газ через товсту стінку циліндра, для цього потрібна набагато більша поверхня нагріву. Ось чому верхня частина замкнутого об'єму перетворюється на систему тонких трубок, що нагріваються полум'ям форсунки. Щоб якнайповніше використовувати теплоту продуктів згоряння, холодне повітря, що підводиться до форсунки, попередньо підігрівається вихлопними газами - так з'являється досить складний контур згоряння.

Холодна частина робочого об'єму - теж система трубок, в які нагнітається вода, що охолоджує.

Під робочим поршнем – замкнута буферна порожнина, наповнена стиснутим газом. Під час робочого ходу тиск у цій порожнині підвищується. Запасається енергії достатньо для того, щоб стиснути холодний газ в робочому обсязі.

У міру вдосконалення нестримно зростали температура та тиск. 800 ° за Цельсієм і 250 атм. - це дуже важке завдання для конструкторів, це пошуки особливо міцних і термостійких матеріалів, складна проблема охолодження, оскільки виділення тепла в порівнянні з класичними двигунами тут у півтора-два рази більше.

Результати цих експериментів часом призводять до найнесподіваніших знахідок. Наприклад, експерти компанії «Філіпс», обкатуючи свій двигун на холостому ходу (без нагріву), помітили, що головка циліндра сильно охолоджується. Цілком випадково виявлений ефект спричинив цілу серію розробок, і в результаті народження нової холодильної машини. Зараз такі високопродуктивні та малогабаритні холодильні агрегати широко використовуються у всьому світі. Але повернемось до теплових машин.

Наступні події наростають як снігова куля. У 1958 році з придбанням ліцензій іншими фірмами стирлінг зробив крок за океан. Його стали випробовувати в різних областях техніки. Розробляється проект застосування двигуна для живлення апаратури космічних кораблів та супутників. Для польових радіостанцій створюються енергоустановки, що працюють на будь-якому виді палива (потужністю близько 10 к. с.), що мають настільки малий рівень шуму, що його не чути за 20 кроків.

Величезну сенсацію викликала демонстраційна установка, яка працює на двадцяти видах палива. Без відключення двигуна, простим поворотом крана, в камеру згоряння по черзі подавали бензин, солярку, сиру нафту, оливкову олію, горючий газ – і машина чудово «з'їдала» будь-який «корм». У зарубіжній пресі були повідомлення про проект двигуна на 2,5 тисяч л. с. з атомним реактором Передбачуваний к.п.д. 48-50%. Значно зменшуються всі габарити енергоблоку, що дозволяє вивільнити вагу і площу віддати під біологічний захист реактора.

Ще одна цікава розробка – привід для штучного серця вагою 600 г та потужністю 13 вт. Слаборадіоактивний ізотоп забезпечує її практично невичерпним джерелом енергії.

Двигун Стірлінга випробовувався на деяких автомобілях. За своїми робочими параметрами він не поступився карбюраторним, а рівень шумів і токсичність вихлопних газів значно знизилися.

Автомобіль зі стирлінгом може працювати на будь-якому вигляді палива, а при необхідності - на розплаві. Уявіть: перед тим, як в'їхати в місто, водій включає пальник і розплавляє кілька кілограмів окису алюмінію або гідриду літію. Міськими вулицями він їде «не дим'я»: двигун працює від тепла, запасеного розплавом. Одна з фірм виготовила моторолер, у бак якого заливається близько 10 літрів фтористого розплаву літію. Такої зарядки вистачає на 5 годин роботи при потужності двигуна 3 л. с.

Роботи над Стірлінгами продовжуються. В 1967 виготовлений зразок дослідної установки потужністю 400 л. с. на один циліндр. Проводиться комплексна програма, за якою до 1977 року планується серійне виробництво двигунів із діапазоном потужності від 20 до 380 л. с. У 1971 році Філіпс випустила чотирициліндровий промисловий двигун в 200 л. с. із повною вагою 800 кг. Врівноваженість його настільки висока, що поставлена ​​рубом на кожух монета (розміром у п'ятак) не ворухнувшись.

До переваг нового типу двигуна можна віднести і великий моторесурс близько 10 тис. год. (є окремі дані про 27 тис.), і плавність роботи, оскільки тиск у циліндрах наростає плавно (по синусоїді), а чи не вибухами, як і дизеля.

Перспективні розробки нових моделей проводять і у нас. Вчені та інженери працюють над кінематикою різних варіантів, на електронно-обчислювальних машинах прораховують різні види серця, стирлінг-регенератора. Йде пошук нових інженерних рішень, які ляжуть в основу економічних та потужних двигунів, здатних потіснити звичні дизелі та бензинові мотори, виправивши цим несправедливу помилку історії.

О. АЛЕКСЄЄВ

Помітили помилку? Виділіть її та натисніть Ctrl+Enter , щоб повідомити нас.

Екологія споживання. Наука і техніка: Мотор Стірлінга найчастіше застосовується в ситуаціях, коли потрібен апарат для перетворення теплової енергії, що відрізняється простотою та ефективністю.

Менш ста років тому двигуни внутрішнього згоряння намагалися завоювати своє законне місце в конкурентній боротьбі серед інших машин і механізмів, що рухаються. При цьому в ті часи перевага бензинового двигуна не була настільки очевидною. Існуючі машини на парових двигунах відрізнялися безшумністю, чудовими на той час характеристиками потужності, простотою обслуговування, можливістю використання різного виду палива. У подальшій боротьбі за ринок двигуни внутрішнього згоряння завдяки своїй економічності, надійності та простоті взяли гору.

Подальша гонка за вдосконалення агрегатів і рушійних механізмів, в яку в середині 20 століття вступили газові турбіни та роторні різновиди двигунів, призвела до того, що незважаючи на верховенство бензинового двигуна були спроби ввести на «ігрове поле» новий вид двигунів - тепловий, вперше винайдений у далекому 1861 шотландським священиком на ім'я Роберт Стірлінг. Двигун отримав назву свого творця.

ДВИГУН СТИРЛІНГУ: ФІЗИЧНА СТОРІН ПИТАННЯ

Для розуміння, як працює настільна електростанція на Стірлінг, слід розуміти загальні відомості про принципи роботи теплових двигунів. Фізично принцип дії полягає у використанні механічної енергії, яка виходить при розширенні газу при нагріванні та його подальшому стисканні при охолодженні. Для демонстрації принципу роботи можна навести приклад на основі звичайної пластикової пляшки та двох каструль, в одній із яких знаходиться холодна вода, в іншій гаряча.

При опусканні пляшки в холодну воду, температура якої близька до температури утворення льоду при достатньому охолодженні повітря всередині пластикової ємності слід закрити пробкою. Далі, при поміщенні бутлі в окріп, через деякий час пробка з силою «вистрілює», оскільки в даному випадку нагрітим повітрям була виконана робота у багато разів більша, ніж відбувається при охолодженні. При багаторазовому повторенні досвіду результат не змінюється.

Перші машини, побудовані з використанням двигуна Стірлінга, з точністю відтворювали процес, що демонструється в досвіді. Природно, механізм вимагав удосконалення, що полягає у застосуванні частини тепла, яке втрачав газ у процесі охолодження для подальшого підігріву, дозволяючи повертати тепло газу для прискорення нагрівання.

Але навіть застосування цього нововведення не могло врятувати стан справ, оскільки перші «Стирлінги» відрізнялися великими розмірами при малій потужності, що виробляється. Надалі неодноразово робилися спроби модернізувати конструкцію для досягнення потужності 250 к.с. приводили до того, що за наявності циліндра діаметром 4,2 метра, реальна вихідна потужність, яку видавала електростанція на Стірлінг (Stirling) в 183 кВт насправді становила лише 73 кВт.

Всі двигуни Стірлінга працюють за принципом циклу Стірлінга, що включає чотири основні фази і дві проміжні. Основними є нагрівання, розширення, охолодження та стиск. Як стадія переходу розглядаються перехід до генератора холоду і перехід до нагрівального елемента. Корисна робота, що здійснюється двигуном, будується виключно на різниці температур нагріваючої та охолоджуючої частин.

СУЧАСНІ КОНФІГУРАЦІЇ СТИРЛІНГУ

Сучасна інженерія розрізняє три основні види подібних двигунів:

• альфа-стирлінг, відмінність якого у двох активних поршнях, розташованих у самостійних циліндрах. З усіх трьох варіантів дана модель відрізняється найвищою потужністю, володіючи найвищою температурою поршня, що нагрівається;
• бета-стирлінг, що базується на одному циліндрі, одна частина якого гаряча, а друга холодна;
• гамма-стирлінг, що має крім поршня ще й витіснювач.

Виробництво електростанції на Стірлінг буде залежати від вибору моделі двигуна, що дозволить врахувати всю позитивні та негативні сторони такого проекту.

ПЕРЕВАГИ І НЕДОЛІКИ

Завдяки своїм конструктивним особливостям дані двигуни мають ряд переваг, але при цьому не позбавлені недоліків.

Настільна електростанція Стірлінга, купити яку неможливо в магазині, а лише у любителів, які самостійно здійснюють збір подібних пристроїв, відносяться:

• великі розміри, що викликані потребою до постійного охолодження працюючого поршня;
• використання високого тиску, що потрібно для покращення характеристик та потужності двигуна;
• втрата тепла, яка відбувається за рахунок того, що тепло, що виділяється, передається не на саме робоче тіло, а через систему теплообмінників, чий нагрівання призводить до втрати ККД;
• різке зниження потужності вимагає застосування особливих принципів, від традиційних для бензинових двигунів.

Поряд з недоліками, електростанції, що функціонують на агрегатах Стірлінга, мають незаперечні плюси:

• будь-який вид палива, оскільки будь-які двигуни, що використовують енергію тепла, даний двигун здатний функціонувати при різниці температур будь-якого середовища;
• економічність. Дані апарати можуть стати чудовою заміною паровим агрегатам у разі необхідності переробки енергії сонця, видаючи ККДна 30% вище;
• екологічна безпека. Оскільки настільна електростанція кВт не створює вихлопного моменту, вона не робить шуму і не викидає в атмосферу шкідливих речовин. Як джерело отримання потужності виступає звичайне тепло, а паливо вигоряє практично повністю;
• конструктивна простота. Для своєї роботи Стірлінг не вимагатиме додаткових деталей або пристроїв. Він здатний самостійно запускатись без використання стартера;
• підвищений ресурс працездатності Завдяки своїй простоті двигун може забезпечити не одну сотню годин безперервної експлуатації.

ОБЛАСТИ ЗАСТОСУВАННЯ ДВИГУНІВ СТИРЛІНГУ

Мотор Стірлінга найчастіше застосовується в ситуаціях, коли потрібен апарат для перетворення теплової енергії, що відрізняється простотою, при цьому ефективність інших видів теплових агрегатів істотно нижча за аналогічних умов. Дуже часто подібні агрегати застосовуються у харчуванні насосного обладнання, холодильних камер, підводних човнів, батарей, що акумулюють енергію.

Одним із перспективних напрямків області використання двигунів Стірлінга є сонячні електростанції, оскільки даний агрегат може вдало застосовуватися для того, щоб перетворювати енергію сонячних променів на електричну. Для здійснення цього процесу двигун поміщається у фокус дзеркала, що акумулює сонячне проміння, що забезпечує перманентне освітлення області, що потребує нагрівання. Це дозволяє сфокусувати сонячну енергію на малій площі. Паливом для двигуна у разі служить гелії чи водень. опубліковано

Двигун Стірлінга, принцип роботи якого якісно відрізняється від звичного всім ДВС, колись становив останньому гідну конкуренцію. Проте на якийсь час про нього забули. Як цей мотор використовується сьогодні, в чому полягає принцип його дії (у статті можна знайти також креслення двигуна Стірлінга, які наочно демонструють його роботу), і які перспективи застосування в майбутньому читайте нижче.

Історія

У 1816 році в Шотландії Робертом Стірлінгом була запатентована названа сьогодні на честь свого винахідника. Перші двигуни гарячого повітря винайшли ще до нього. Але Стірлінг додав у пристрій очисник, який у технічній літературі називається регенератором, або теплообмінником. Завдяки йому продуктивність двигуна зростала при утримуванні агрегату в теплі.

Двигун визнали найбільш міцною паровою машиною з наявних на той момент, оскільки він ніколи не вибухав. До нього на інших двигунах така проблема виникала часто. Незважаючи на швидкий успіх, на початку двадцятого століття від його розвитку відмовилися, тому що він став менш економічним, в порівнянні з іншими двигунами внутрішнього згоряння і електродвигунами, що з'явилися тоді. Проте Стірлінг ще продовжував застосовуватись у деяких виробництвах.

Двигун зовнішнього згоряння

Принцип роботи всіх теплових моторів полягає в тому, що для отримання газу в розширеному стані потрібні більші механічні зусилля, ніж при стисканні холодного. Для наочної демонстрації цього можна провести досвід із двома каструлями, наповненими холодною та гарячою водою, а також пляшкою. Останню опускають у холодну воду, затикають пробкою, потім переносять у гарячу. При цьому газ у пляшці почне виконувати механічну роботу та виштовхне пробку. Перший двигун зовнішнього згоряння ґрунтувався на цьому повністю. Правда, пізніше винахідник зрозумів, що частину тепла можна використовувати для обігріву. Отже, продуктивність значно зросла. Але це не допомогло двигуну стати поширеним.

Пізніше Еріксон, інженер зі Швеції, удосконалив конструкцію, запропонувавши охолоджувати та нагрівати газ при постійному тиску замість обсягу. В результаті чимало екземплярів почали використовувати для роботи в шахтах, на судах та в друкарнях. Але для екіпажів вони виявилися надто важкими.

Двигуни зовнішнього згоряння від Philips

Подібні двигуни бувають наступних типів:

• паровий;
• паротурбінний;
• Стірлінга.

Останній вид не стали розвивати через невелику надійність і інших не найвищих показників у порівнянні з іншими типами агрегатів, що з'явилися. Проте 1938 року компанія Philips відновила роботу. Двигуни стали служити для приводів генераторів у неелектрофікованих районах. У 1945 році інженери компанії знайшли їм протилежне застосування: якщо вал розкручувати електромотором, то охолодження головки циліндрів сягає мінус ста дев'яносто градусів за Цельсієм. Тоді вирішено було застосовувати у холодильних установках удосконалений двигун Стірлінга.

Принцип роботи

Дія двигуна полягає в роботі по термодинамічних циклах, в яких при різній температурі відбувається стиснення та розширення. При цьому регулювання потоком робочого тіла реалізується за рахунок об'єму, що змінюється (або тиску - в залежності від моделі). Такий принцип роботи більшості подібних машин, які можуть мати різні функції та конструктивні схеми. Двигуни можуть бути поршневими чи роторними. Машини з їх установками працюють як теплові насоси, холодильники, генератори тиску і так далі.

Крім цього, є двигуни з відкритим циклом, де регулювання потоком реалізується за допомогою клапанів. Саме їх називають двигунами Еріксона, крім загальної назви імені Стірлінга. У ДВС корисна робота здійснюється після попереднього стиснення повітря, упорскування палива, нагрівання отриманої суміші впереміш зі згорянням та розширення.

Двигун Стірлінга принцип роботи має такий самий: при низькій температурі відбувається стиснення, а за високої - розширення. Але по-різному здійснюється нагрівання: тепло підводиться через стінку циліндра ззовні. Тому він і отримав назву двигуна зовнішнього згоряння. Стірлінг застосовував періодичну зміну температури з витіснювальним поршнем. Останній переміщує газ із однієї порожнини циліндра до іншої. З одного боку, температура постійно низька, з другого - висока. При пересуванні поршня вгору газ переміщається з гарячої в холодну порожнину, а вниз повертається в гарячу. Спочатку газ віддає багато тепла холодильнику, а потім від нагрівача отримує стільки ж, скільки віддав. Між нагрівачем та холодильником розміщується регенератор – порожнина, наповнена матеріалом, якому газ віддає тепло. При зворотному перебігу регенератор повертає його.

Система витіснювача з'єднана з робочим поршнем, що стискає газ у холоді і дозволяє розширюватися в теплі. За рахунок стиску в нижчій температурі відбувається корисна робота. Вся система проходить чотири цикли при переривчастих рухах. Кривошипно-шатунний механізм забезпечує безперервність. Тому різких меж між стадіями циклу немає, а Стірлінга не зменшується.

Враховуючи все сказане вище, напрошується висновок, що цей двигун є поршневою машиною із зовнішнім підведенням тепла, де робоче тіло не залишає замкнутий простір і не замінюється. Креслення двигуна Стірлінга добре ілюструють пристрій та принцип його дії.

Деталі роботи

Сонце, електрика, ядерна енергія або будь-яке інше джерело тепла може підводити енергію двигуна Стірлінга. Принцип роботи його тіла полягає у застосуванні гелію, водню чи повітря. Ідеальний цикл має термічним максимально можливим ККД, рівним від тридцяти до сорока відсотків. Але з ефективним регенератором він зможе працювати і з вищим ККД. Регенерацію, нагрівання та охолодження забезпечують вбудовані теплообмінники, що працюють без олій. Слід зазначити, що мастила двигуну потрібно дуже мало. Середній тиск у циліндрі становить зазвичай від 10 до 20 МПа. Тому тут потрібна відмінна система ущільнювача і можливість попадання масла в робочі порожнини.

Порівняльна характеристика

У більшості двигунів, що працюють сьогодні, подібного роду використовується рідке паливо. При цьому безперервний тиск легко контролюватиме, що сприяє зниженню рівня викидів. Відсутність клапанів забезпечує безшумну роботу. Потужність з масою можна порівняти моторам з турбонаддувом, а питома потужність, що отримується на виході, дорівнює показнику дизельного агрегату. Швидкість і момент, що крутить, не залежать один від одного.

Витрати виробництво двигуна набагато вище, ніж ДВС. Але під час експлуатації виходить зворотний показник.

Переваги

Будь-яка модель двигуна Стірлінга має багато плюсів:

• ККД при сучасному проектуванні може сягати сімдесяти відсотків.
• У двигуні немає системи високовольтного запалення, розподільчого валу та клапанів. Його не потрібно буде регулювати протягом усього терміну експлуатації.
• У Стірлінгах немає того вибуху, як у ДВС, який сильно навантажує колінвал, підшипники та шатуни.
• У них не буває того ефекту, коли кажуть, що двигун заглух.
• Завдяки простоті приладу його можна експлуатувати протягом багато часу.
• Він може працювати як на дровах, так і з ядерним та будь-яким іншим видом палива.
• Згоряння відбувається поза мотором.

Недоліки

Застосування

В даний час двигун Стірлінга з генератором використовують у багатьох областях. Це універсальне джерело електричної енергії в холодильниках, насосах, на підводних човнах та сонячних електричних станціях. Саме завдяки застосуванню різного виду палива є можливість широкого використання.

Відродження

Ці двигуни знову почали розвиватися завдяки компанії Philips. У середині ХХ століття з нею уклала договір General Motors. Вона вела розробки для застосування Стірлінгів у космічних та підводних пристроях, на судах та автомобілях. Слідом за ними інша компанія зі Швеції, United Stirling, почала займатися їх розвитком, включаючи і можливе використання на

Сьогодні лінійний двигун Стірлінга застосовується на установках підводних, космічних та сонячних апаратів. Великий інтерес до нього викликаний актуальністю питань погіршення екологічної обстановки, а також боротьби з шумом. У Канаді та США, Німеччині та Франції, а також Японії йдуть активні пошуки щодо розвитку та вдосконалення його використання.

Майбутнє

Явні переваги, які має поршневий і Стірлінг, що полягають у великому ресурсі роботи, застосуванні різного палива, безшумності та малої токсичності, роблять його дуже перспективним на тлі двигуна внутрішнього згоряння. Проте з огляду на те, що ДВС протягом усього часу вдосконалювали, він не може бути легко зміщений. Так чи інакше, саме такий двигун сьогодні займає лідируючі позиції, і здавати їх найближчим часом не збирається.

Двигуни зовнішнього згоряння

Важливим елементом реалізації програми енергозбереження є забезпечення автономними джерелами електроенергії та тепла невеликих житлових утворень та віддалених від централізованих мереж споживачів. Для вирішення цих завдань якнайкраще підходять інноваційні установки для генерації електроенергії та тепла на основі двигунів зовнішнього згоряння. Як паливо може використовуватися як традиційні види палива, так і попутний нафтовий газ, біогаз, що отримується з деревних стружок та ін.

Протягом останніх 10 років відзначалися підвищення цін на викопне паливо, підвищена увага до викидів СО 2 , а також бажання, що зростає, перестати залежати від викопного палива і повністю забезпечувати себе енергією. Це стало наслідком розвитку величезного ринку технологій, здатних виробляти енергію із біомаси.

Двигуни зовнішнього згоряння були винайдені майже 200 років тому, 1816 року. Разом з паровим двигуном, дво- та чотиритактним двигуном внутрішнього згоряння, двигуни зовнішнього згоряння вважаються одними з основних типів двигунів. Вони були розроблені з метою створення двигунів, які були б безпечнішими та продуктивнішими, ніж паровий двигун. На самому початку 18-го століття відсутність потрібних матеріалів призводило до численних випадків зі смертельним наслідком у зв'язку з вибухами парових двигунів, які перебувають під тиском.

Значний ринок для двигунів зовнішнього згоряння сформувався у другій половині 18-го століття, зокрема у зв'язку з дрібнішими сферами застосування, де їх можна було безпечно експлуатувати без потреби у послугах кваліфікованих операторів.

Після винаходу двигуна внутрішнього згоряння наприкінці 18 століття ринок для двигунів зовнішнього згоряння зник. Вартість виробництва двигуна внутрішнього згоряння порівняно з вартістю виробництва зовнішнього згоряння є нижчою. Основний недолік двигунів внутрішнього згоряння полягає в тому, що для їх роботи необхідно чисте, викопне паливо, що збільшує викиди СО2, паливо. Однак, донедавна вартість викопного палива була низькою, а викидам СО2 не приділялося належної уваги.

Принцип роботи двигуна зовнішнього згоряння

На відміну від широко відомого процесу внутрішнього згоряння, при якому паливо спалюється всередині двигуна, двигун зовнішнього згоряння, що приводиться в дію зовнішнім джерелом тепла. Або, точніше кажучи, вона приводиться в дію різницею температур, що створюються зовнішніми джерелами нагрівання та охолодження.

Цими зовнішніми джерелами нагрівання та охолодження можуть служити відпрацьовані гази біомаси та вода, що охолоджує відповідно. Процес призводить до обертання генератора, монтованого на двигуні, за допомогою чого виробляється енергія.

Всі двигуни внутрішнього згоряння наводяться на дію різницею температур. Бензинові, дизельні двигуни та двигуни зовнішнього згоряння засновані на тій особливості, що для стиснення холодного повітря необхідно менше зусиль, ніж для стиснення гарячого повітря.

Бензинові та дизельні двигуни всмоктують холодне повітря та стискають це повітря, перш ніж воно підігрівається у процесі внутрішнього згоряння, що відбувається усередині циліндра. Після підігріву повітря над поршнем поршень переміщається вниз, за ​​допомогою чого повітря розширюється. Так як повітря гаряче, сила, що діє на шток поршня, велика. Коли поршень доходить до низу, клапани відкриваються і гарячі вихлопи замінюються на нове, свіже, холодне повітря. При русі поршня вгору холодне повітря стискається, причому сила, що діє на шток поршня, менше, ніж при русі вниз.

Двигун зовнішнього згоряння працює відповідно до дещо іншого принципу. У ньому немає клапанів, він герметично запаяний, а повітря підігрівається та охолоджується за допомогою теплообмінних апаратів гарячого та холодного контуру. Вбудований насос, що приводиться в дію рухом поршня, забезпечує рух повітря туди і назад між двома теплообмінними апаратами. Під час охолодження повітря у теплообмінному апараті холодного контуру поршень стискає повітря.

Після стиснення повітря потім підігрівається в теплообмінному апараті гарячого контуру, перш ніж поршень починає рухатися у зворотному напрямку та використовувати розширення гарячого повітря для приведення в дію двигуна.

Парові двигуни, що широко використовуються в дев'ятнадцятому столітті, не забезпечували достатньої безпеки при їх експлуатації. Механізми мали численні конструктивні недоліки, не витримували високого тиску пари, що призводило до розривів котлів. Запатентований в 1816 році священиком з Шотландії на ім'я Роберт Стірлінг став вдалим рішенням для того часу. Його унікальність полягала у застосуванні спеціального очищувача (регенератора) у відомих раніше «двигунах гарячого повітря».

На представленій схемі у доступній формі проілюстровано пристрій поршневого механізму та порядок його роботи.

Суть винаходу Стірлінга

На схемі тепловий двигун складається з двох циліндрів компресійного та робочого. Ліва та права сторони подовженого циліндра розділені теплоізоляційною стінкою. Усередині ходить спеціальний витіснювальний поршень, який не стикається з бічними стінками.

1. До лівого боку пристрою підводиться тепло, до правої – охолодження.
2. Коли поршень рухається вліво, гаряче повітря витісняється в холодну праву зону та охолоджується.
3. При цьому газ зменшується в обсязі.
4. Робочий поршень втягується вліво.
5. При русі витіснювального поршня праворуч холодне повітря витісняється в гарячу зону, де нагрівається і розширюється.
6. Підштовхує робочий поршень вправо.
7. Робочий та витіснювальний поршні пов'язані між собою через колінчастий вал з кутом усунення 90 градусів.

Важливо: це механізм поршневого типу з підведенням тепла від зовнішнього джерела. Робоче тіло пристрою постійно знаходиться у замкнутому просторі та не підлягає заміні. Для постачання необхідної кількості тепла можуть бути використані такі джерела:

• електрика;
• сонце;
• ядерна енергія та ін.

Історія розвитку двигунів зовнішнього згоряння

На відміну від двигунів внутрішнього згоряння (ДВС), де енергія виділяється в результаті розширення об'єму повітря при згорянні паливних сумішей, тут нагрівання робочого матеріалу здійснюється через зовнішні стінки циліндра. Звідси походить назва «Двигун зовнішнього згоряння».

Завдяки появі конструкції двигуна регенеруючого елемента, тепло надовго зберігається в зоні дії при охолодженні робочого тіла, що сприяє значному підвищенню продуктивності двигуна. Винахід дозволило збільшити ефективність механізмів, його почали широко застосовувати у промисловому виробництві.

З часом пристрої Стірлінга втратили популярність, але за інерцією продовжували застосовуватися на деяких нечисленних виробництвах. Парові двигуни поступилися лідируючої сходинки механізмам нового покоління:

• двигунів внутрішнього згоряння;
• паровим машинам;
• електричних двигунів.

Про переваги теплових пристроїв знову почали згадувати лише у ХХ столітті. Впровадженням двигунів Стірлінга в сучасні розробки займаються найкращі інженерні колективи відомих виробників Америки, Швеції, Японії та ін.

Як працює теплова машина Стірлінг

Принцип роботи двигуна зовнішнього згоряння полягає у постійній зміні режимів – нагрівання/охолодження робочого матеріалу, що знаходиться у замкнутому просторі. Виходячи із законів фізики, при нагріванні газу його обсяг збільшується, а при зниженні температури, він зменшується відповідно. Кількість енергії, що виробляється, залежить від коефіцієнта зміни об'єму робочого тіла.

Під терміном «робоче тіло» маються на увазі наступні речовини:

1. Повітря.
2. Газ (гелій, водень, фреон, двоокис азоту).
3. Рідина (вода, скраплений бутан або пропан).

Сфера застосування двигунів зовнішнього згоряння

В результаті подальших удосконалень конструкції двигуна газ нагрівається/охолоджується при постійному тиску в системі (замість збереження об'єму). Це винахід інженера зі Швеції на ім'я Еріксон, дозволило створювати двигуни, призначені для використання працівниками шахт, друкарень, суден тощо. У пасажирських екіпажах того часу теплові двигуни не застосовувалися, тому що мали порівняно більшу вагу.

Двигуни зовнішнього згоряння часто використовувалися для приведення в дію генераторів у районах, де не було подачі електроенергії.

Цікаво: 1945 року винахідники-ентузіасти компанії Philips придумали зворотне застосування теплових пристроїв. При розкручуванні валу електричним двигуном головка циліндра охолоджується до мінус 190°С. Це дало змогу використати удосконалений поршневий двигун зовнішнього згоряння Стірлінга в холодильних агрегатах.

Чи можна використовувати двигуни Стірлінга замість ДВС

Компанія General Motors з другої половини ХХ століття почала займатися впровадженням у виробництво V-подібних стірлінгів для кривошипно-шатунних механізмів. При випробуваннях двигунів зовнішнього згоряння було помічено, що вони працюють без звуків і шуму. Тут відсутні карбюратор, система запалювання, форсунки, що вимагають високий тиск, свічки, клапани та ін. Для створення достатнього тиску в циліндрах двигуна не потрібно підривати паливо, як у ДВЗ. У разі використання автомобілів, оснащених двигунами зовнішнього згоряння, можна вирішити проблему, пов'язану зі зниженням шуму у великих містах.

В результаті проведених випробувань було виявлено такі переваги та недоліки двигунів зовнішнього згоряння.

• Переваги даних пристроїв:
• безшумна робота (немає необхідності встановлювати глушник);
• відсутність вібрацій;
• немає потреби у створенні високого тиску в системі;
• універсальність, здатність працювати від джерел тепла;
• легкість регулювань.

До недоліків двигунів відносяться:

• порівняно велика вага конструкції;
• мала економічність;
• висока собівартість механізму.

Спрощена схема V-подібного двигуна зовнішнього згоряння:

Один з циліндрів двигуна є робочим (1), інший відповідно компресійним (7). У кожному їх розташований свій поршень (2). У центральній частині схеми розміщені охолоджувач (6), теплообмінник (4), нагрівальний елемент (3). При максимальній швидкості одного з поршнів, інший у цей час знаходиться в нерухомому стані, його швидкість дорівнює нулю. Кут усунення фаз дорівнює 90°, завдяки взаємно перпендикулярному розташуванню циліндрів.

Як працює і де застосовується двигун зовнішнього згоряння

Незважаючи на те, що двигуни Стірлінга були забуті на деякий період, у сучасному виробництві при створенні нових модифікацій видатний винахід набирає нової популярності. Народні умільці оцінили переваги двигунів зовнішнього згоряння і споруджують самостійно в домашніх умовах різні пристосування, засновані на їх застосуванні. Для виготовлення теплового двигуна своїми руками в домашніх майстернях використовуються різні матеріали та підручні засоби:

1. Великі та середні ємності, запозичені із домашнього господарства.
2. Підшипники від старих механізмів
3. Диски.
4. Металеві стрижні різного діаметру для осей, стояків.
5. Аркуші з металу, дерев'яних плит для виготовлення платформи.

Дані пристрої використовуються в домашньому господарстві для виконання різних робіт:

1. Вироблення електричної енергії у дрібних масштабах.
2. Створення теплової енергії.

Кількості потужності деяких зразків саморобних двигунів Стірлінга достатньо для облаштування електричної мережі та забезпечення теплом приватних будинків, невеликих шкіл, лікувальних корпусів, спортивних споруд, виробничих майстерень та ін.

Двигуни, створені своїми руками, функціонують від різних джерел тепла:

• природний газ;
• дрова;
• вугілля;
• торф;
• пропан та інші види палива місцевого виробництва або корисних копалин.

Завдяки простоті конструкції, теплові пристрої, виготовлені своїми руками, не потребують регулярного технічного обслуговування агрегату. Спалювання палива здійснюється поза корпусу циліндра, тому робоче тіло не забруднюється продуктами згоряння, на внутрішніх стінках устаткування не накопичуються шкідливі відкладення.

У порівнянні з ДВС, до складу даної конструкції входить удвічі менше рухомих вузлів та деталей. Тут потрібно набагато менше мастила для догляду за елементами, що швидко зношуються. Вимоги до якості мастильних матеріалів – мінімальні.

Для підведення електромережі до споживачів не потрібно купувати дороге обладнання. Підключення дротів до електричної мережі здійснюється простими звичними методами.

Двигуни зовнішнього згоряння, виготовлені в побутових умовах, легко монтуються на рівних майданчиках, покритих гравієм, без міцної фіксації. Дані установки не схильні до шкідливих атмосферних впливів. Для забезпечення безперебійної стабільної роботи двигуна не потрібний спеціальний захисний корпус.