ККД двигуна зовнішнього згоряння стирлінгу. Двигун зовнішнього згоряння - принцип роботи та переваги

03.11.2019

- теплова машина, в якій рідке або газоподібне робоче тіло рухається у замкнутому об'ємі, різновид двигуна зовнішнього згоряння. Заснований на періодичному нагріванні і охолодженні робочого тіла з вилученням енергії з об'єму робочого тіла, що виникає при цьому. Може працювати не лише від спалювання палива, а й від будь-якого джерела тепла.

Хронологію подій, пов'язану з розробкою двигунів часів 18 століття, ви можете спостерігати в цікавій статті - "Історія винаходу парових машин". А ця стаття присвячена великому винахіднику Роберту Стірлінгу та його дітищу.

Історія створення...

Патент на винахід двигуна Стірлінга, як не дивно, належить шотландському священику Роберту Стірлінгу. Його він отримав 27 вересня 1816 року. Перші «двигуни гарячого повітря» стали відомі світу ще наприкінці XVII століття, задовго до Стірлінга. Одним із важливих досягнень Стірлінга є додавання очисника, прозваний ним самим "економом".

У сучасній науковій літературі цей очищувач має зовсім іншу назву - «рекуператор». Завдяки йому продуктивність двигуна зростає, оскільки очищувач утримує тепло у теплій частині двигуна, а робоче тіло водночас охолоджується. Завдяки цьому процесу ефективність системи значно зростає. Рекуператор є камерою, заповненою дротом, гранулами, гофрованою фольгою (гофри йдуть уздовж напрямку потоку газу). Газ, що проходить через наповнювач рекуператора в один бік, віддає (або набуває) тепло, а при русі в інший бік відбирає (віддає) його. Рекуператор може бути зовнішнім по відношенню до циліндрів і може бути розміщений на поршні-витіснювачі в бета-і гамма-конфігураціях. Габарити та вага машини в цьому випадку менше. Якою мірою роль рекуператора виконується зазором між витіснювачем і стінками циліндра (якщо циліндр довгий, то потреби в такому пристрої немає взагалі, проте з'являються значні втрати через в'язкість газу). В альфа-стирлінг рекуператор може бути тільки зовнішнім. Він монтується послідовно з теплообмінником, у якому з боку холодного поршня відбувається нагрівання робочого тіла.

У 1843 році Джеймс Стірлінг використав цей двигун на заводі, де він на той час працював інженером. У 1938 році в двигун Стірлінга потужністю понад двісті кінських сил і віддачею більше 30% інвестувала фірма "Філіпс". Оскільки двигун Стірлінгамає багато переваг, то в епоху парових машин він був широко розповсюджений.

Недоліки.

Матеріаломісткість – основний недолік двигуна. У двигунів зовнішнього згоряння взагалі, і двигуна Стірлінга, зокрема, робоче тіло необхідно охолоджувати, і це призводить до істотного збільшення масо-габаритних показників силової установки за рахунок збільшених радіаторів.

Для отримання характеристик, порівнянних із характеристиками ДВЗ, доводиться застосовувати високі тиски (понад 100 атм) та спеціальні види робочого тіла – водень, гелій.

Тепло не підводиться до робочого тіла безпосередньо, лише через стінки теплообмінників. Стінки мають обмежену теплопровідність, через що ККД виявляється нижчим, ніж можна було очікувати. Гарячий теплообмінник працює в дуже напружених умовах теплопередачі і при дуже високих тисках, що вимагає застосування високоякісних і дорогих матеріалів. Створення теплообмінника, який би задовольняв суперечливим вимогам, дуже важко. Чим вище площа теплообміну, тим менше втрата тепла. При цьому зростає розмір теплообмінника та обсяг робочого тіла, який не бере участі в роботі. Оскільки джерело тепла розташоване зовні, двигун повільно реагує на зміну теплового потоку, що підводиться до циліндра, і не відразу може видати потрібну потужність при запуску.

Для швидкої зміни потужності двигуна використовуються методи, відмінні від тих, які застосовувалися в двигунах внутрішнього згоряння: буферна ємність об'єму, що змінюється, зміна середнього тиску робочого тіла в камерах, зміна фазного кута між робочим поршнем і витіснювачем. В останньому випадку реакція двигуна на дію водія, що управляє, є практично миттєвою.

Переваги.

Проте двигун Стірлінга має переваги, які змушують займатися його розробкою.

«Всеїдність» двигуна – як усі двигуни зовнішнього згоряння (вірніше – зовнішнього підведення тепла), двигун Стірлінга може працювати від майже будь-якого перепаду температур: наприклад, між різними шарами в океані, від сонця, від ядерного або ізотопного нагрівача, вугільної або дров'яної печі та т.д.

Простота конструкції – конструкція двигуна дуже проста, він не потребує додаткових систем, таких як газорозподільний механізм. Він запускається самостійно і не потребує стартера. Його характеристики дозволяють позбавитися коробки передач. Однак, як уже зазначалося вище, він має більшу матеріаломісткість.

Збільшений ресурс – простота конструкції, відсутність багатьох «ніжних» агрегатів дозволяє стирлінгу забезпечити небувалий для інших двигунів ресурс у десятки та сотні тисяч годин безперервної роботи.

Економічність - у разі перетворення на електрику сонячної енергії стирлінги іноді дають більший ККД (до 31,25%), ніж теплові машини на пару.

Безшумність двигуна – стирлінг не має вихлопу, а отже – не шумить. Бета-стирлінг з ромбічним механізмом є ідеально збалансованим пристроєм і, при досить високій якості виготовлення, навіть не має вібрацій (амплітуда вібрації менше 0,0038 мм).

Екологічність - сам собою стирлінг немає якихось частин чи процесів, які можуть сприяти забруднення довкілля. Він не витрачає робоче тіло. Екологічність двигуна обумовлена насамперед екологічністю джерела тепла. Варто також зазначити, що забезпечити повноту згоряння палива у двигуні зовнішнього згоряння простіше, ніж у двигуні внутрішнього згоряння.

Альтернатива паровим двигунам.

У 19 столітті інженери намагалися створити безпечну альтернативу паровим двигунам того часу, через те, що котли вже винайдених двигунів часто вибухали, не витримуючи високого тиску пари та матеріалів, які зовсім не підходили для їх виготовлення та спорудження. Двигун Стірлінгастав гарною альтернативою, оскільки він міг перетворювати на роботу будь-яку різницю температур. У цьому полягає основний принцип роботи двигуна Стірлінга. Постійне чергування нагрівання та охолодження робочого тіла в закритому циліндрі наводить поршень у рух. Зазвичай у ролі робочого тіла виступає повітря, але й використовуються водень і гелій. Але також проводилися досліди і з водою. Головна особливість двигуна Стірлінга з рідким робочим тілом є малі розміри, великі робочі тиски та висока питома потужність. Також існує Стірлінг із двофазним робочим тілом. Питома потужність та робочий тиск у ньому теж досить високі.

Можливо, з курсу фізики ви пам'ятаєте, що при нагріванні газу його обсяг збільшується, а при охолодженні зменшується. Саме ця властивість газів і закладена в основі роботи двигуна Стірлінга. Двигун Стірлінгавикористовує цикл Стірлінга, який не поступається циклу Карно з термодинамічної ефективності, і до певної міри навіть має перевагу. Цикл Карно складається з ізотерм і адіабат, що мало відрізняються між собою. Практична реалізація такого циклу складна та малоперспективна. Цикл Стірлінга дозволив отримати практично працюючий двигун у прийнятних габаритах.

Усього в циклі Стірлінга чотири фази, розділені двома перехідними фазами: нагрівання, розширення, перехід до джерела холоду, охолодження, стиснення та перехід до джерела тепла. При переході від теплого джерела до холодного джерела відбувається розширення та стиск газу, що знаходиться в циліндрі. У ході цього процесу змінюється тиск з чого можна отримати корисну роботу. Корисна робота проводиться тільки за рахунок процесів, що проходять із постійною температурою, тобто залежить від різниці температур нагрівача та охолоджувача, як у циклі Карно.

Зміни.

Інженерами підрозділяються двигуни Стірлінга на три різні типи:

попередній перегляд - збільшення на кліку.

Містить два роздільні силові поршні в роздільних циліндрах. Один поршень – гарячий, інший – холодний. Циліндр з гарячим поршнем знаходиться в теплообміннику з вищою температурою, а циліндр з холодним поршнем знаходиться в більш холодному теплообміннику. Ставлення потужності до обсягу досить велике, проте висока температура «гарячого» поршня створює певні технічні проблеми.

Бета-Стірлінг- Циліндр один, гарячий з одного кінця і холодний з іншого. Усередині циліндра рухаються поршень (з якого знімається потужність) і «витіснювач», що змінює об'єм гарячої порожнини. Газ перекачується з холодної частини циліндра гарячу через регенератор. Регенератор може бути зовнішнім, як частина теплообмінника, або може бути поєднаний з поршнем-витіснячем.

Є поршень і «витіснювач», але при цьому два циліндри – один холодний (там рухається поршень, з якого знімається потужність), а другий гарячий з одного кінця та холодний з іншого (там рухається «витіснювач»). Регенератор може бути зовнішнім, у цьому випадку він з'єднує гарячу частину другого циліндра з холодною та одночасно з першим (холодним) циліндром. Внутрішній регенератор є частиною витіснювача.

Витіснив інші види силових установок, однак, роботи, спрямовані на відмову від використання цих агрегатів, наводять на думку про швидку зміну лідируючих позицій.

З початку технічного прогресу, коли використання моторів, що спалюють пальне всередині, тільки починалося, не було очевидним їхня перевага. Парова машина, як конкурент, містить у собі безліч переваг: поряд з тяговими параметрами, безшумна, всеодна, легко керується і налаштовується. Але легкість, надійність та економічність дозволили двигуну внутрішнього згоряння взяти нагору над парою.

Сьогодні на чолі стоять питання екології, економічності та безпеки. Це змушує інженерів кидати сили на серійні агрегати, що працюють за рахунок поновлюваних джерел палива. У 16 році дев'ятнадцятого століття Роберт Стірлінг зареєстрував двигун, що працює від зовнішніх джерел тепла. Інженери вважають, що цей агрегат здатний змінити сучасного лідера. Двигун Стірлінга поєднує економічність, надійність, працює тихо, на будь-якому паливі, це робить виріб гравцем на автомобільному ринку.

Роберт Стірлінг (1790-1878 роки життя):

Історія двигуна Стірлінга

Спочатку установку розробляли з метою замінити машину, що працює за рахунок пари. Котли парових механізмів вибухали при перевищенні допустимих норм тиском. З цієї точки зору Стірлінг набагато безпечніший, функціонує, використовуючи температурний перепад.

Принцип роботи двигуна Стірлінга у почерговій подачі або відборі тепла у речовини, над якою здійснюється робота. Сама речовина укладена в об'єм закритого типу. Роль робочої речовини виконують гази або рідини. Зустрічаються речовини, що виконують роль двох компонентів, газ перетворюється на рідину і навпаки. Рідкопоршневий мотор Стірлінга має: невеликі габарити, потужний, виробляє великий тиск.

Зменшення та збільшення обсягу газу при охолодженні або нагріванні відповідно, підтверджується законом термодинаміки, згідно з яким усі складові: ступінь нагріву, величина займаного простору речовиною, сила, що діє на одиницю площі, пов'язані та описуються формулою:

PV=nR*T

P – сила дії газу у двигуні на одиницю площі;
V – кількісна величина, яку займає газом у просторі двигуна;
n - молярна кількість газу в двигуні;
R - Постійна газу;
T - ступінь нагрівання газу в двигуні,

Модель двигуна Стірлінга:

За рахунок невибагливості установок двигуни поділяються: твердопаливні, рідке пальне, сонячна енергія, хімічна реакція та інші види нагріву.

Цикл

Двигун зовнішнього згоряння Стірлінга використовує однойменну сукупність явищ. Ефект від дії в механізмі високий. Завдяки цьому можна сконструювати двигун з непоганими характеристиками в рамках нормальних габаритів.

Необхідно враховувати, що в конструкції механізму передбачено нагрівач, холодильник і регенератор, пристрій, відведення тепла від речовини та повернення тепла, у потрібний момент.

Ідеальний цикл Стірлінга, (діаграма «температура-обсяг»):

Ідеальні кругові явища:

1-2 Зміна лінійних розмірів речовини із постійною температурою;
2-3 Відведення теплоти від речовини до теплообмінника, простір, який займає речовина постійно;
3-4 Примусове скорочення простору, що займає речовина, температура постійна, тепло відводиться охолоджувачу;
4-1 Примусове підвищення температури речовини, займане місце постійно, тепло підводиться від теплообмінника.

Ідеальний цикл Стірлінга, (діаграма «тиск-обсяг»):

З розрахунку (моль) речовини:

Тепло, що підводиться:

Отримуване охолоджувачем тепло:

Теплообмінник отримує тепло (процес 2-3), теплообмінник віддає тепло (процес 4-1):

R - Універсальна постійна газу;

СV – здатність ідеального газу утримувати тепло за постійної величини займаного простору.

За рахунок застосування регенератора, частина теплоти залишається, як енергія механізму, що не змінюється за проходять кругові явища. Холодильник отримує менше тепла, таким чином теплообмінник економить тепло нагрівача. Це підвищує ефективність установки.

ККД кругового явища:

ɳ =

Примітно, що без теплообмінника сукупність процесів Стірлінга здійсненна, але його ефективність буде значно нижчою. Проходження сукупності процесів задом наперед веде до опису охолоджуючого механізму. У цьому випадку наявність регенератора є обов'язковою умовою, оскільки при проходженні (3-2) неможливо нагріти речовину від охолоджувача, температура якого значно нижча. Також неможливо віддати тепло нагрівачеві (1-4), температура якого вища.

Принцип роботи двигуна

Щоб зрозуміти, як працює двигун Стірлінга, розберемося в пристрої і періодичності явищ агрегату. Механізм перетворює тепло, отримане від нагрівача, що знаходиться за межами виробу в дію сили на тіло. Весь процес відбувається завдяки температурному перепаду, у робочій речовині, що знаходиться у закритому контурі.

Принцип дії механізму виходить з розширенні рахунок тепла. Безпосередньо до розширення речовина в замкнутому контурі нагрівається. Відповідно, перед тим як стиснутися, речовину охолоджують. Сам циліндр (1) оповитий водяною сорочкою (3), на дно подається тепло. Поршень, який виконує роботу (4), поміщений у гільзу і ущільнений кільцями. Між поршнем і дном знаходиться механізм витіснення (2), що має значні зазори і вільно переміщається. Речовина, що знаходиться в замкнутому контурі, рухається за об'ємом камери за рахунок витіснювача. Переміщення речовини обмежено двома напрямками: дно поршня, дно циліндра. Рух витіснювача забезпечує шток (5), який проходить через поршень і функціонує за рахунок ексцентрика із запізненням на 90° порівняно з приводом поршня.

Позиція "A":

Поршень розташований у крайньому нижньому положенні, речовина охолоджується за рахунок стінок.

Позиція "B":

Витискувач займає верхнє положення, переміщаючись, пропускає речовину через торцеві щілини на дно, сам охолоджується. Поршень стоїть нерухомо.

Позиція "C":

Речовина отримує тепло, під дією тепла збільшується в об'ємі та піднімає розширювач із поршнем вгору. Здійснюється робота, після чого витискувач опускається на дно, виштовхуючи речовину та охолоджуючись.

Позиція "D":

Поршень опускається донизу, стискає охолоджену речовину, виконується корисна робота. Маховик слугує в конструкції акумулятором енергії.

Розглянута модель без регенератора, тому ККД механізму не велике. Тепло речовини після роботи відводиться в охолоджувальну рідину, використовуючи стінки. Температура не встигає знижуватися на необхідну величину, тому час охолодження продовжується, швидкість двигуна невелика.

Види двигунів

Конструктивно, є кілька варіантів, що використовують принцип Стірлінга, основними видами вважаються:

Конструкція застосовує два різні поршні, поміщені в різні контури. Перший контур використовується для нагрівання, другий контур застосовується для охолодження. Відповідно, кожному поршні належить свій регенератор (гарячий і холодний). Пристрій має гарне співвідношення потужності до об'єму. Недоліком є те, що температура гарячого регенератора створює конструктивні складності.

Двигун «β – Стірлінг»:

Конструкція використовує один замкнутий контур з різними температурами на кінцях (холодний, гарячий). У порожнині розташований поршень із витіснячем. Витіснювач ділить простір на холодну та гарячу зону. Обмін холодом та теплом відбувається шляхом перекачування речовини через теплообмінник. Конструктивно теплообмінник виконується у двох варіантах: зовнішній, суміщений з витіснювачем.

Двигун «γ - Стірлінг»:

Поршневий механізм передбачає застосування двох замкнутих контурів: холодного та з витіснячем. Потужність знімається з холодного поршня. Поршень з витіснячем з одного боку гарячий, з іншого боку холодний. Теплообмінник розташовується як усередині, так і ззовні конструкції.

Деякі силові установки не схожі на основні види двигунів:

Роторний двигун Стірлінга.

Конструктивно винахід із двома роторами на валу. Деталь здійснює обертальні рухи в замкнутому просторі циліндричної форми. Закладено синергетичний підхід реалізації циклу. Корпус містить радіальні прорізи. У поглиблення вставлені лопаті з певним профілем. Пластини надіті на ротор і можуть рухатися вздовж осі при обертанні механізму. Всі деталі створюють мінливі об'єми з явищами, що виконуються в них. Об'єми різних роторів пов'язані з допомогою каналів. Розташування каналів мають зсув 90° один до одного. Зсув роторів щодо один одного становить 180 °.

Термоакустичний двигун Стірлінга.

Двигун використовує акустичний резонанс щодо процесів. Принцип заснований на переміщенні речовини між гарячою та холодною порожниною. Схема зменшує кількість рухомих деталей, складність у знятті отриманої потужності та підтримці резонансу. Конструкція відноситься до вільнопоршневого вигляду двигуна.

Двигун Стірлінга своїми руками

Сьогодні досить часто в інтернет магазині можна зустріти сувенірну продукцію, виконану у вигляді двигуна, що розглядається. Конструктивно та технологічно механізми досить прості, за бажання двигун Стірлінга легко сконструювати своїми руками з підручних засобів. В інтернеті можна знайти велику кількість матеріалів: відео, креслення, розрахунки та іншу інформацію на цю тему.

Низькотемпературний двигун Стірлінга:

Розглянемо найпростіший варіант хвильового двигуна, для виконання якого знадобиться консервна банка, м'яка поліуретанова піна, диск, болти та канцелярські скріпки. Всі ці матеріали легко знайти вдома, залишилося виконання таких дій:
Візьміть м'яку поліуретанову піну, виріжте на два міліметри меншим діаметром від внутрішнього діаметра консервної банки коло. Висота піни на два міліметри більше половини висоти банки. Поролон грає роль витіснювача у двигуні;
Візьміть кришку банки, всередині проробіть дірку, діаметр два міліметри. Припаяйте до отвору порожнистий шток, який виконуватиме роль направляючої для шатуна двигуна;
Візьміть коло, вирізане з піни, вставте в середину кола гвинтик і застопоріть з двох боків. До шайби припаяйте заздалегідь випрямлену скріпку;
У двох сантиметрах від центру просвердліть дірочку, діаметром три міліметри, просмикніть витіснювач через центральний отвір кришки, припаяйте кришку до банку;
Зробіть з жерсті невеликий циліндр, діаметром півтора сантиметра, припаяйте його до кришки банки таким чином, щоб бічний отвір кришки виявився чітко по центру всередині циліндра двигуна;
Зробіть колінчастий вал двигуна із скріпки. Розрахунок виконується таким чином, щоб рознесення колін був 90°;
Виготовте стійку під колінчастий вал двигуна. З поліетиленової плівки зробіть пружну перетинку, надягніть плівку на циліндр, продавіть її, зафіксуйте;

Самостійно виготовте шатун двигуна, один кінець випрямленого виробу вигнете у формі кружка, другий кінець вставте в шматочок гумки. Довжина підганяється таким чином, щоб у крайній нижній точці валу перетинка була втягнута, у крайній верхній точці, перетинка максимально витягнута. Налаштуйте інший шатун за таким же принципом;
Шатун двигуна з гумовим наконечником приклейте до перетинки. Шатун без гумового наконечника закріпіть на витіснювачі;
Надягніть на кривошипний механізм двигуна маховик з диска. До банку приробити ніжки, щоб не тримати виріб в руках. Висота ніжок дозволяє розмістити під банкою свічку.

Після того, як вдалося зробити двигун Стірлінга вдома, двигун запускають. Для цього під банку поміщають запалену свічку, а після того, як прогрілася банка, дають поштовх маховику.

Розглянутий варіант установки можна швидко зібрати у себе вдома як наочний посібник. Якщо поставити собі за мету і бажання зробити двигун Стірлінга максимально наближений до заводських аналогів, у вільному доступі є креслення всіх деталей. Покрокове виконання кожного вузла дозволить створити макет, що працює, ні чим не гірше комерційних версій.

Переваги

Для двигуна Стірлінга характерні такі плюси:

Для роботи двигуна необхідний температурний перепад, яке паливо викликає нагрівання не важливо;
Немає необхідності використовувати навісне та допоміжне обладнання, конструкція двигуна проста та надійна;
Ресурс двигуна завдяки особливостям конструкції становить 100000 годин роботи;
Робота двигуна не створює стороннього шуму, оскільки відсутня детонація;
Процес роботи двигуна не супроводжується викидом відпрацьованих речовин;
Робота двигуна супроводжується мінімальною вібрацією;
Процеси в циліндрах установки екологічно нешкідливі. Використання правильного джерела тепла дозволяє зробити двигун чистим.

Недоліки

До недоліків двигуна Стірлінга відносяться:

Важко налагодити серійне виробництво, оскільки конструктивно двигун вимагає використання великої кількості матеріалів;
Висока вага та великі габарити двигуна, оскільки для ефективного охолодження треба застосовувати великий радіатор;
Для підвищення ефективності двигун форсують, застосовуючи як робоче тіло складні речовини (водень, гелій), що робить експлуатацію агрегату небезпечним;
Високотемпературна стійкість сталевих сплавів та їх теплопровідність ускладнює процес виготовлення двигуна. Значні втрати тепла теплообміннику знижують ефективність агрегату, а застосування специфічних матеріалів роблять виготовлення двигуна дорогим;
Для регулювання та переходу двигуна з режиму на режим треба застосовувати спеціальні пристрої керування.

Використання

Двигун Стірлінг знайшов свою нішу і активно застосовується там, де габарити і всеїдність важливий критерій:

Двигун Стірлінг-електрогенератор.

Механізм перетворення тепла на електричну енергію. Часто зустрічаються вироби, що використовуються як портативні туристичні генератори, установки з використання сонячної енергії.

Двигун як насос (електрика).

Двигун застосовують для установки в контур опалювальних систем, заощаджуючи на електричній енергії.

Двигун як насос (обігрівач).

У країнах із теплим кліматом двигун використовують як обігрівач для приміщень.

Двигун Стірлінга на підводному човні:

Двигун як насос (охолоджувач).

Практично всі холодильники у своїй конструкції застосовують теплові насоси, встановлюючи двигун Стірлінга, економляться ресурси.

Двигун, як насос, що створює наднизькі ступені нагрівання.

Пристрій застосовують як холодильник. Для цього процес запускають у зворотний бік. Агрегати зріджують газ, охолоджують вимірювальні елементи у точних механізмах.

Двигун для підводної техніки.

Підводні кораблі Швеції та Японії працюють завдяки двигуну.

Двигун Стірлінга як сонячна установка:

Двигун як акумулятор енергії.

Паливо в таких агрегатах, розплави солі, двигун застосовують як джерело енергії. Двигун за запасом енергії випереджає хімічні елементи.

Сонячний двигун.

Перетворять енергію сонця на електрику. Речовина в даному випадку є воднем або гелієм. Двигун ставиться у фокусі максимальної концентрації енергії сонця, створеного параболічної антени.

Незважаючи на свої високі показники, сучасний двигун внутрішнього згоряння починає старіти. Його к. п. д. досяг, мабуть, своєї межі. Шум, вібрація, гази, що отруюють повітря, та інші властиві йому недоліки змушують вчених шукати нові рішення, переглядати можливості давно «забутих» циклів. Одним із «відроджених» двигунів є стерлінг.

Ще в 1816 р. шотландський священик і вчений Роберт Стірлінг запатентував двигун, в якому паливо і повітря, що надходять у зону горіння, ніколи не потрапляють усередину циліндра. Вони, згоряючи, лише нагрівають робочий газ, що знаходиться в ньому. Це і дало підставу назвати винахід Стірлінг двигуном зовнішнього згоряння.

Роберт Стірлінг побудував кілька двигунів; останній із них мав потужність 45 л. с. та пропрацював на шахті в Англії понад три роки (до 1847 р.). Ці двигуни були дуже важкими, займали багато місця та зовні нагадували парові машини.

Для мореплавання двигуни зовнішнього згоряння вперше були застосовані в 1851 шведом Джоном Еріксоном. Побудоване ним судно «Еріксон» благополучно перетнуло Атлантичний океан з Америки до Англії з силовою установкою, що складалася з чотирьох двигунів зовнішнього згоряння. У вік парових машин це було сенсацією. Проте силова установка Еріксона розвивала лише 300 л. с., а не 1000, як очікувалося. Двигуни мали великі розміри (діаметр циліндра 4,2 м, хід поршня 1,8 м). Витрата вугілля вийшла не меншою, ніж у парових машин. Коли судно прийшло до Англії, виявилося, що двигуни не придатні для подальшої експлуатації, оскільки у них прогоріли днища циліндрів. Щоб повернутися до Америки, довелося замінити двигуни звичайною паровою машиною. По дорозі назад судно потрапило в аварію і затонуло з усім екіпажем.

Малопотужні двигуни зовнішнього згоряння наприкінці минулого століття застосовувалися в будинках для перекачування води, у друкарнях, на промислових підприємствах, у тому числі на петербурзькому заводі Нобеля (нині «Російський дизель»), встановлювалися вони і на дрібних суднах. Стирлінги випускалися у багатьох країнах, зокрема у Росії, де вони називалися «тепло і сила». Цінували їх за безшумність та безпеку роботи, чим вони вигідно відрізнялися від парових машин.

З розвитком двигунів внутрішнього згоряння про стирлінг забули. В енциклопедичному словнику Брокгауеа і Ефрона про них написано наступне: «Безпека від вибухів становить головну вигідну сторону калоричних машин, завдяки якій вони можуть знову увійти у вживання, якщо знайдуть для їх побудови та мастила нові матеріали, які краще витримують високу температуру».

Справа полягала, однак, не лише у відсутності відповідних матеріалів. Ще залишалися невідомими сучасні принципи термодинаміки, зокрема еквівалентність тепла та роботи, без чого неможливо було визначити найвигідніші співвідношення основних елементів двигуна. Теплообмінники робили з малою поверхнею, через що двигуни працювали при непомірно високих температурах і швидко виходили з ладу.

Спроби вдосконалити Стірлінг були зроблені після Другої світової війни. Найбільш істотні з них полягали в тому, що робочий газ стали застосовувати стислим до 100 атм і використовувати не повітря, а водень, що має більш високий коефіцієнт теплопровідності, низьку в'язкість і, крім того, мастила, що не окислює.

Пристрій двигуна зовнішнього згоряння у його сучасному вигляді схематично показано на рис. 1. У закритому з одного боку циліндрі знаходяться два поршні. Верхній - поршень-витіснювач служить для прискорення процесу періодичного нагріву і охолодження робочого газу. Він є порожнистим закритим циліндром з нержавіючої сталі, що погано проводить тепло, і переміщається під дією штока, пов'язаного з кривошипно-шатунним механізмом.

Нижній поршень – робочий (на малюнку показаний у перерізі). Він передає зусилля на кривошипно-шатунний механізм через порожнистий шток, усередині якого проходить шток витіснювача. Робочий поршень забезпечений кільцями, що ущільнюють.

Під робочим поршнем є буферна ємність, що утворює подушку, що виконує функцію маховика - згладжувати нерівномірність моменту, що крутить, завдяки відбору частини енергії під час робочого ходу і віддачі її на вал двигуна під час ходу стиснення. Для ізоляції об'єму циліндра від навколишнього простору служать ущільнення типу «панчоха, що загортається». Це гумові трубки, які прикріплені одним кінцем до штока, а іншим до корпусу.

Верхня частина циліндра стикається з підігрівачем, а нижня – з холодильником. Відповідно в ньому виділяються «гарячий» і «холодний» обсяги, що вільно сполучаються між собою за допомогою трубопроводу, в якому знаходиться регенератор (теплообмінник). Регенератор заповнений плутанкою з дроту малого діаметра (0,2 мм) і має високу теплоємність (наприклад, к. п. д. регенераторів фірми Філіпе перевищує 95%).

Робочий процес двигуна Стірлінга може бути здійснений без витіснювача, на основі застосування золотникового розподільника робочого заряду.

У нижній частині двигуна розташований кривошипно-шатунний механізм, який служить для перетворення поворотно-поступального руху поршня у обертальний рух валу. Особливістю цього механізму є наявність двох колінчастих валів, з'єднаних двома шестернями зі спіральними зубами, що обертаються назустріч один одному. Шток витіснювача пов'язаний з колінчастими валами за допомогою нижнього коромисла та причіпних шатунів. Шток робочого поршня з'єднується з колінчастими валами через верхню коромисло та причіпні шатуни. Система однакових шатунів утворює рухомий ромб, що деформується, звідки і назва цієї передачі - ромбічна. Ромбічна передача забезпечує необхідний зсув фаз під час руху поршнів. Вона повністю врівноважена, у ній не виникають бічні зусилля на штоки поршнів.

У просторі, обмеженому, робочим поршнем знаходиться робочий газ - водень або гелій. Повний обсяг газу в циліндрі не залежить від положення витіснювача. Зміни обсягу, пов'язані зі стисненням та розширенням робочого газу, відбуваються за рахунок переміщення робочого поршня.

При роботі двигуна верхня частина циліндра постійно нагрівається, наприклад, від камери згоряння, в яку впорскується рідке паливо. Нижня частина циліндра постійно охолоджується, наприклад, холодною водою, що прокачується через водяну сорочку, що оточує циліндр. Замкнутий цикл Стірлінга складається із чотирьох тактів, зображених на рис. 2.

Такт I - охолодження. Робочий поршень знаходиться у крайньому нижньому положенні, витіснювач рухається вгору. При цьому робочий газ перетікає з «гарячого» обсягу над витіснячем у «холодний» обсяг під ним. Проходячи шляхом через регенератор, робочий газ віддає йому частину свого тепла, а потім охолоджується в «холодному» обсязі.

Такт II - стиск. Витіснювач залишається у верхньому положенні, робочий поршень рухається вгору, стискаючи робочий газ за низької температури.

Такт III – нагрівання. Робочий поршень знаходиться у верхньому положенні, витіснювач рухається вниз. При цьому стиснутий холодний робочий газ спрямовується з-під витіснювача в простір, що звільняється над ним. Дорогою робочий газ проходить через регенератор, де попередньо підігрівається, потрапляє в «гарячу» порожнину циліндра і нагрівається ще сильніше.

Такт IV – розширення (робочий хід). Нагріваючись, робочий газ розширюється, пересуваючи при цьому витискувач і разом із ним робочий поршень вниз. Здійснюється корисна робота.

Стірлінг має замкнутий циліндр. На рис. 3 а показана діаграма теоретичного циклу (діаграма V - Р). По осі абсцис відкладено обсяги циліндра, по осі ординат - тиску в циліндрі. Перший такт є ізотермічним I-II, другий відбувається за постійного обсягу II-III, третій - ізотермічний III-IV, четвертий - при постійному обсязі IV-I. Оскільки тиск під час розширення гарячого газу (III-IV) більший за тиск під час стиснення холодного газу (I-II), то робота розширення більша за роботу стиснення. Корисну роботу циклу можна графічно зобразити як криволінійного чотирикутника I-II-III-IV.

У дійсному процесі поршень і витіснювач рухаються безперервно, оскільки вони пов'язані з кривошипно-шатунним механізмом, тому діаграма дійсного циклу округлена (рис. 3, б).

Теоретичний к. п. д. двигуна стирлінгу становить 70%. Дослідження показали, що на практиці можна отримати к. п. д., що дорівнює 50%. Це значно більше, ніж у найкращих газових турбін (28%), бензинових двигунів (30%) та дизелів (40%).

Стірлінг може працювати на бензині, гасі, дизельному, газоподібному і навіть твердому паливі. Порівняно з іншими двигунами, він має м'якіший і майже безшумний хід. Пояснюється це низьким ступенем стиснення (1,3÷1,5), до того ж тиск у циліндрі підвищується плавно, а чи не вибухом. Продукти згоряння також випускаються без шуму, оскільки згоряння відбувається постійно. Вони порівняно трохи токсичних складових, оскільки горіння палива відбувається безупинно і за постійному надлишку кисню (α=1,3).

Стірлінг з ромбічної передачі повністю врівноважений, в ньому не виникає вібрацій. Ця якість, зокрема, була врахована американськими інженерами, які встановили одноциліндровий стирлінг на штучному супутнику Землі, де навіть невелика вібрація та неврівноваженість можуть призвести до втрати орієнтації.

Одним із проблемних питань залишається охолодження. У стирлінгу з випускними газами приділяється лише 9% тепла, одержуваного від палива, тому, наприклад, при встановленні його на автомобілі довелося б робити радіатор приблизно в 2,5 рази більше, ніж при використанні бензинового двигуна тієї ж потужності. Завдання вирішується простіше на суднових установках, де ефективне охолодження забезпечується необмеженою кількістю забортної води.

На рис. 4 показаний розріз двоциліндрового катерного двигуна Філіпс потужністю 115 л. с. при 3000 об/хв із горизонтальним розташуванням циліндрів. Загальний робочий об'єм кожного циліндра 263 см3. Поршні, розташовані опозитно, з'єднані з двома траверсами, що дозволило повністю врівноважити газові сили та обійтися без буферних об'ємів. Підігрівач виконаний із трубок, що оточують камеру згоряння, якими проходить робочий газ. Охолоджувачем служить трубчастий холодильник, через який прокачується забортна вода. Двигун має два колінчасті вали, з'єднаних з гребним валом за допомогою черв'ячних передач. Висота двигуна всього 500 мм, що дозволяє встановити його під настилом і таким чином зменшити розмір машинного відсіку.

Потужність стирлінгу регулюється переважно зміною тиску робочого газу. Одночасно, щоб підтримувати температуру постійного підігрівача, регулюється і подача палива. Для двигуна зовнішнього згоряння придатні практично будь-які джерела тепла. Важливо, що він може перетворювати на корисну роботу низькотемпературну енергію, на що не здатні двигуни внутрішнього згоряння. З кривої на рис. 5 видно, що при температурі підігрівача всього 350 ° С к. п. д. стирлінг ще дорівнює ≈ 20%.

Стірлінг економічний - питома витрата палива в нього становить лише 150 г/л. с. година. В енергетичній установці «двигун стирлінг-акумулятор тепла», що використовується на американських супутниках Землі, тепловим акумулятором служить гідрит літію, який поглинає тепло в період «освітлення» і віддає його стирлінгу, коли супутник знаходиться на тіньовому боці Землі. На супутнику двигун служить для приводу генератора потужністю 3 кВт при 2400 об/хв.

Створено досвідчений моторолер зі Стірлінгом та акумулятором тепла. Використання акумулятора тепла та стирлінгу на підводному човні дозволяє йому в кілька разів довше йти в зануреному положенні.

Література

1. Смирнов Г. В. Двигуни зовнішнього згоряння. "Знання", М., 1967.
2. Dr. Ir. R. I. Meijer. Der Philips - Stirlingmotor, MTZ, N 7, 1968.
3. Curtis Anthony. Hot air and wind of change. The Stirling engine and its revival. Motor (Engl.), 1969, (135), N 3488.

Загалом близько ста років тому двигунам внутрішнього згоряння довелося у жорстокій конкурентній боротьбі завойовувати те місце, яке вони займають у сучасному автомобілебудуванні. Тоді їхня перевага аж ніяк не була такою очевидною, як у наші дні. Дійсно, парова машина - головний суперник бензинового мотора - мала в порівнянні з ним величезні переваги: безшумність, простоту регулювання потужності, прекрасні тягові характеристики і разючу «всеїдність», що дозволяє працювати на будь-якому виді палива від дров до бензину. Але зрештою економічність, легкість і надійність двигунів внутрішнього згоряння взяли гору і змусили змиритися з їхніми недоліками, як з неминучістю.
У 1950-х роках з появою газових турбін і роторних двигунів почався штурм монопольного становища, яке займали двигуни внутрішнього згоряння в автомобілебудуванні, штурм, що досі не увінчався успіхом. Приблизно в ті ж роки робилися спроби вивести на сцену новий двигун, в якому разюче поєднується економічність і надійність бензинового мотора з безшумністю і всеїдністю парової установки. Це - знаменитий двигун зовнішнього згоряння, який шотландський священик Роберт Стірлінг запатентував 27 вересня 1816 (англійський патент № 4081).

Фізика процесу

Принцип дії всіх без винятку теплових двигунів заснований на тому, що при розширенні нагрітого газу відбувається більша механічна робота, ніж потрібно на стиск холодного. Щоб продемонструвати це, достатньо пляшки та двох каструль із гарячою та холодною водою. Спочатку пляшку опускають у крижану воду, а коли повітря в ній охолоне, шийку затикають пробкою і швидко переносять у гарячу воду. Через кілька секунд лунає бавовна і газ, що нагрівається в пляшці, виштовхує пробку, здійснюючи механічну роботу. Пляшку можна знову повернути в крижану воду – цикл повториться.
в циліндрах, поршнях і хитромудрих важелях першої машини Стірлінга майже точно відтворювався цей процес, поки винахідник не зрозумів, що частину тепла, що віднімається у газу при охолодженні, можна використовувати для часткового підігріву. Потрібна лише якась ємність, в якій можна було б запасати тепло, відібране у газу при охолодженні, і знову віддавати йому під час нагрівання.
Але, на жаль, навіть це дуже важливе удосконалення не врятувало двигун Стірлінга. До 1885 досягнуті тут результати були дуже посередні: 5-7 відсотків к.п.д., 2 л. с. потужності, 4 тонни ваги та 21 кубометр займаного простору.
Двигуни зовнішнього згоряння були врятовані навіть успіхом іншої конструкції, розробленої шведським інженером Еріксоном. На відміну від Стірлінга, він запропонував нагрівати та охолоджувати газ не при постійному обсязі, а при постійному тиску. 8 1887 року кілька тисяч невеликих еріксонівських двигунів чудово працювало в друкарнях, у будинках, на шахтах, на судах. Вони наповнювали водонапірні баки, наводили дію ліфти. Еріксон намагався навіть пристосувати їх для приводу екіпажів, але вони виявилися надто важкими. У Росії її до революції багато таких двигунів випускалося під назвою «Тепло і сила».

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