Двигател с вътрешно горене. Кой двигател на Стърлинг има най-добрия дизайн с максимална ефективност? Някои подробности за двигателя

Тази статия е посветена на изобретение, патентовано през деветнадесети век от шотландски свещеник Стърлинг. Както всички предшественици, това беше двигател външно горене... Единствената разлика между него и другите е, че може да работи с бензин, мазут и дори въглища и дърва.

През 19-ти век се наложи парните машини да се заменят с нещо по-безопасно, тъй като котлите често експлодират поради високо наляганедвойка и някои сериозни недостатъци в дизайна.

Добър вариант беше двигателят с външно горене, патентован през 1816 г. от шотландския свещеник Робърт Стърлинг.

Вярно е, че "двигателите с горещ въздух" са направени по-рано, още през 17 век. Но Стърлинг добави почистващ препарат към платформата. В съвременния смисъл това е регенератор.

Той увеличи производителността на инсталацията, запазвайки топлината в топлата зона на машината, в момента, когато работният флуид се охлажда. Това значително повиши ефективността на системата.

Изобретението намери широко практическо приложение, имаше етап на възход и развитие, но след това Стърлингс бяха незаслужено забравени.

Те направиха път парни двигателии двигатели вътрешно горене, а през ХХ век се възраждат отново.

С оглед на факта, че този принцип на външно горене е много интересен сам по себе си, днес най-добрите инженери и аматьори в САЩ, Япония, Швеция работят по създаването на нови модели ...

Двигател с външно горене. Принцип на действие

"Стърлинг" - както вече споменахме, един вид двигател с външно горене. Основният принцип на неговото действие е постоянното редуване на нагряване и охлаждане на работния флуид в затворено пространство и получаване на енергия поради произтичащата промяна в обема на работния флуид.

По правило работният флуид е въздух, но може да се използва водород или хелий. В прототипи те опитаха азотен диоксид, фреони, втечнен пропан-бутан и дори вода.

Между другото, водата е в течно състояние през целия термодинамичен цикъл. А самият "стайлинг" с течен работен флуид има компактни размери, висока плътност на мощността и високо работно налягане.

Видове стайлинг

Има три класически типа двигатели на Стърлинг:

Приложение

Двигателят на Стърлинг може да се използва в случаите, когато е необходим прост, компактен преобразувател на топлинна енергия или когато ефективността на други видове топлинни двигатели е по-ниска: например, ако температурната разлика е недостатъчна за използване на газ или.

Ето конкретни примери за употреба:

• Днес вече се произвеждат автономни генератори за туристи. Има модели, които работят на газова горелка;

НАСА поръча версия на генератора на Стърлинг, който се захранва от ядрени и радиоизотопни топлинни източници. Ще се използва в космически мисии.

• Стърлинг за пренос на течности е много по-прост от монтажа на моторна помпа. Като работно бутало може да използва изпомпваната течност, която в същото време ще охлажда работния флуид.С такава помпа можете да изпомпвате вода в напоителните канали, използвайки слънчева топлина, да подавате топла вода от слънчевия колектор към къщата, помпа химически реагенти, тъй като системата е напълно запечатана;
• Производителите на домакински хладилници въвеждат стилизиращи модели. Те ще бъдат по-икономични, а като хладилен агент трябва да се използва обикновен въздух;
• Комбинацията на Stirling с термопомпа оптимизира отоплителната система в къщата. Той ще отделя отпадната топлина на "студения" цилиндър, а получената механична енергия може да се използва за изпомпване на топлината, която идва от околната среда;
• Днес всички подводници на шведския флот са оборудвани с двигатели на Стърлинг. Те работят с течен кислород, който след това се използва за дишане. Много важен фактор за една лодка, ниското ниво на шум и недостатъците като "голям размер", "нужда от охлаждане" не са от значение в подводницата. Най-новите японски подводници от клас Soryu са оборудвани с подобни инсталации;
• Двигателят на Стърлинг се използва за преобразуване на слънчева енергия в електрическа енергия. За това той е монтиран във фокуса на параболичното огледало. Stirling Solar Energy изгражда слънчеви колектори до 150 kW на огледало. Използват се в най-голямата слънчева електроцентрала в света в Южна Калифорния.

Предимства и недостатъци

Съвременното ниво на проектиране и производствена технология ви позволява да увеличите коефициента полезно действие"Стърлинг" до 70 процента.

• Изненадващо, въртящият момент на двигателя е практически независим от скоростта на въртене на коляновия вал;
• Електроцентралата не съдържа запалителна система, клапанна система и разпределителен вал.
• През целия експлоатационен живот не са необходими настройки и настройки.
• Двигателят не "застоява", а простотата на дизайна му позволява да работи в автономен режим за дълго време;
• Може да се използва всеки източник на топлинна енергия, от дърва за огрев до ураново гориво.
• Изгарянето на горивото се извършва извън двигателя, което допринася за пълното му доизгаряне и свежда до минимум токсичните емисии.

• Тъй като горивото изгаря извън двигателя, топлината се отстранява през стените на радиатора, което е допълнителни размери;
• Разход на материал. За да се направи машина на Стърлинг компактна и мощна, са необходими скъпи топлоустойчиви стомани, които могат да издържат на високо работно налягане и да имат ниска топлопроводимост;
• Необходима е специална смазка, обичайната за Стърлингс не е подходяща, тъй като коксува при високи температури;
• За да се получи висока специфична мощност, работният флуид в Стърлингс използва водород и хелий.

Водородът е експлозивен и при високи температури може да се разтвори в метали, образувайки метални хидрити. С други думи, настъпва разрушаване на цилиндрите на двигателя.

В допълнение, водородът и хелият са силно пропускливи и лесно проникват през уплътненията, намалявайки работното налягане.

Ако, след като прочетете нашата статия, искате да закупите устройство - двигател с външно горене, не бягайте до най-близкия магазин, такова нещо не се продава, уви ...

Разбирате, че тези, които се занимават с усъвършенстването и внедряването на тази машина, пазят своите разработки в тайна и ги продават само на реномирани купувачи.

Гледайте това видео и го направете сами.

Това е уводната част от поредица от статии, посветени на Двигател с вътрешно горене, което е кратък екскурзия в историята на еволюцията на двигателя с вътрешно горене. Също така, статията ще засегне първите автомобили.

Следните раздели ще описват подробно различните ICE:

Биела-бутало
въртящ се
Турбореактивен
Реактивен

Двигателят е инсталиран на лодка, която може да се изкачи нагоре по река Сона. Година по-късно, след тестване, братята получават патент за своето изобретение, подписан от Наполеон Бонопарт, за срок от 10 години.

Би било по-правилно този двигател да се нарече реактивен, тъй като работата му се състоеше в изтласкване на вода от тръбата под дъното на лодката ...

Двигателят се състоеше от камера за запалване и горивна камера, маншон за впръскване на въздух, дозатор за гориво и устройство за запалване. Въглищният прах служи като гориво за двигателя.

Силфонът инжектира струя въздух, смесен с въглищен прах, в запалителната камера, където тлеещ фитил запалва сместа. След това частично възпламенената смес (въглищният прах гори сравнително бавно) влезе в горивната камера, където напълно изгори и се разшири.
Освен това налягането на газа изтласква водата изпускателната тръба, което накара лодката да се движи, след което цикълът се повтори.
Двигателят работеше импулсен режимс честота ~ 12 и / минута.

След известно време братята подобряват горивото, като добавят смола към него, а по-късно го заменят с масло и проектират проста система за впръскване.
През следващите десет години проектът не получи никакво развитие. Клод заминава за Англия, за да популяризира идеята за двигателя, но пропилява всички пари и не постига нищо, а Джоузеф се захваща с фотографията и става автор на първата снимка в света „Поглед от прозореца“.

Във Франция, в къщата-музей на Нипсес, е изложена реплика на "Пиреолофор".

Малко по-късно де Рива монтира двигателя си на четириколесно превозно средство, което според историците е първата кола с двигател с вътрешно горене.

Относно Алесандро Волта

Volta беше първият, който постави цинкови и медни пластини в киселина, за да произведе непрекъснат електрически ток, създавайки първия в света химичен източниктекущ ("Волтаичен стълб").

През 1776 г. Волта изобретява газов пистолет, „пистолет Волта“, в който газът експлодира от електрическа искра.

През 1800 г. той построява химическа батерия, която прави възможно получаването на електричество чрез химични реакции.

Единицата за измерване на електрическо напрежение - Volt - е кръстена на Volta.

А- цилиндър, Б- "свещ, ° С- бутало, д- "балон" с водород, Е- тресчотка, Ф- клапан за изпускане на отработените газове, Г- дръжка за управление на клапана.

Водородът се съхранява във "въздушен" балон, свързан с тръба към цилиндър. Подаването на гориво и въздух, както и запалването на сместа и освобождаването на отработените газове се извършваха ръчно, с помощта на лостове.

Принцип на действие:

Въздухът влезе в горивната камера през клапана за изпускане на отработените газове.
Клапанът се затваряше.
Вентилът за подаване на водород от топката беше отворен.
Кранът се затваряше.
С натискане на бутона върху "свещта" се прилага електрически разряд.
Сместа проблесна и вдигна буталото нагоре.
Клапанът за изпускане на отработените газове се отваряше.
Буталото падна под собствената си тежест (беше тежко) и издърпа въжето, което завъртя колелата през блока.

След това цикълът се повтори.

През 1813 г. де Рива построява друга кола. Това беше вагон с дължина около шест метра, с колела два метра в диаметър и тегло почти един тон.
Колата успяла да измине 26 метра с товар от камъни (около 700 паунда)и четирима мъже, със скорост 3 км/ч.
С всеки цикъл колата се движеше 4-6 метра.

Малко от съвременниците му приемат това изобретение сериозно и Френската академия на науките твърди, че двигателът с вътрешно горене никога няма да се конкурира по производителност с парния двигател.

През 1833г, американският изобретател Лемюел Уелман Райт, регистрира патент за двутактов газов двигател с вътрешно горене с водно охлаждане.
(виж отдолу)в книгата си „Газови и маслени двигатели“ пише следното за двигателя на Райт:

„Чертежът на двигателя е много функционален и детайлите са прецизни. Експлозията на сместа действа директно върху буталото, което завърта коляновия вал през свързващия прът. от външен виддвигателят прилича на парен двигател с високо налягане, в който газ и въздух се изпомпват от отделни резервоари. Сместа в сферичните контейнери се запалва по време на издигането на буталото в TDC (горна мъртва точка) и го избутва надолу/нагоре. В края на хода клапанът ще се отвори и ще изхвърли изгорелите газове в атмосферата."

Не е известно дали този двигател някога е бил строен, но има чертеж за него:

През 1838г, английският инженер Уилям Барнет получи патент за три двигателя с вътрешно горене.

Първият двигател е двутактов двигател с едно действие (гориво е изгоряло само от едната страна на буталото)с отделни помпи за газ и въздух. Сместа се запалва в отделен цилиндър и след това горящата смес се влива в работния цилиндър. Входът и изходът се извършват чрез механични клапани.

Вторият двигател повтори първия, но беше с двойно действие, тоест горенето се случваше последователно от двете страни на буталото.

Третият двигател също беше с двойно действие, но имаше входни и изходни отвори в стените на цилиндъра, които се отваряха, когато буталото достигне крайната точка (както при съвременните двутактови). Това даде възможност за автоматично освобождаване на отработените газове и допускане на ново зареждане на сместа.

Отличителна черта на двигателя Barnett е, че прясната смес се компресира от буталото, преди да бъде запалена.

Чертеж за един от двигателите на Barnett:

В годините 1853-57, италианските изобретатели Еудженио Барзанти и Феличе Матеучи разработиха и патентоваха двуцилиндров двигател с вътрешно горене с капацитет 5 л/сек.
Патентът е издаден от Лондонската служба, тъй като италианското законодателство не може да гарантира достатъчна защита.

Конструирането на прототипа е поверено на Bauer & Co. от Милано" (Хелветика)и завършен в началото на 1863 г. Успехът на двигателя, който беше много по-ефективен от парния двигател, беше толкова голям, че компанията започна да получава поръчки от цял ​​свят.

Ранен, едноцилиндров двигател Barzanti-Matteucci:

Модел на двуцилиндров двигател Barzanti-Matteucci:

Матеучи и Барзанти сключиха споразумение за производството на двигателя с белгийска компания. Барзанти заминава за Белгия, за да наблюдава лично работата и умира внезапно от тиф. Със смъртта на Барзанти цялата работа по двигателя е прекратена и Матеучи се връща към предишната си работа като хидравличен инженер.

През 1877 г. Матеучи твърди, че той и Барзанти са главните създатели на двигателя с вътрешно горене, а двигателят, построен от Август Ото, много прилича на двигателя на Барзанти-Матеучи.

Документите относно патентите на Барзанти и Матеучи се съхраняват в архива на библиотеката на Museo Galileo във Флоренция.

Най-важното изобретение на Николаус Ото е двигателят с четиритактов цикъл- цикълът на Ото. Този цикъл е в основата на повечето газови и бензинови двигатели и до днес.

Четиритактовият цикъл е най-голямото техническо постижение на Ото, но скоро се открива, че няколко години преди неговото изобретение същият принцип на двигателя е описан от френския инженер Бо дьо Рош. (виж по-горе)... Група френски индустриалци оспориха патента на Ото в съда, съдът намери аргументите им за убедителни. Правата на Ото по неговия патент са значително ограничени, включително отнемането на монопола му върху четиритактовия цикъл.

Въпреки факта, че конкурентите са установили производството на четиритактови двигатели, моделът Otto, разработен от дългогодишен опит, все още беше най-добрият и търсенето за него не спря. До 1897 г. са произведени около 42 хиляди от тези двигатели. различна мощност... Въпреки това, фактът, че светещ газ се използва като гориво, значително стеснява обхвата на тяхното приложение.
Броят на фабриките за осветление и газ беше незначителен дори в Европа, докато в Русия имаше само две - в Москва и Санкт Петербург.

През 1865г, френският изобретател Пиер Юго получава патент за машина, която представлява вертикален, едноцилиндров, двойнодействащ двигател, който използва две гумени помпи, задвижвани от колянов вал, за да доставя сместа.

Хюго по-късно построен хоризонтален двигателподобен на двигателя на Леноар.

Музей на науката, Лондон.

През 1870г, австро-унгарският изобретател Самуел Маркус Зигфрид проектира двигател с вътрешно горене, работещ на течно гориво, и го монтира на четириколесна количка.

Днес тази кола е добре известна като "Първата кола на Маркъс".

През 1887 г., в сътрудничество с Бромовски и Шулц, Маркус построява втора кола, Втората кола на Маркъс.

През 1872г, американски изобретател патентова двуцилиндров двигател с вътрешно горене с постоянно налягане, задвижван от керосин.
Брайтън нарече своя двигател "Ready Motor".

Първият цилиндър служи като компресор, който принуждава въздух в горивната камера, в която непрекъснато се подава керосин. В горивната камера сместа се запалва и през механизма на макарата влиза във втория - работния цилиндър. Значителна разлика от другите двигатели е, че сместа въздух-гориво изгаря постепенно и при постоянно налягане.

Тези, които се интересуват от термодинамичните аспекти на двигателя, могат да прочетат за цикъла на Брайтън.

През 1878г, шотландски инженер сър (посвещен в рицар през 1917 г.)разработи първия двутактов двигателсъс запалване на компресираната смес. Той го патентова в Англия през 1881 г.

Двигателят работеше по любопитен начин: въздух и гориво бяха подавани в десния цилиндър, там се смесваше и тази смес се изтласква в левия цилиндър, където сместа от свещта се запалваше. Настъпи разширение, и двете бутала слязоха надолу, от левия цилиндър (през левия разклонител)се отделят отработени газове и в десния цилиндър се засмуква нова порция въздух и гориво. След инерция буталата се вдигат и цикълът се повтаря.

През 1879г, построен напълно надежден бензин двутактовидвигател и получи патент за него.

Истинският гений на Бенц обаче се проявява във факта, че в следващите проекти той успя да комбинира различни устройства. (дросел, акумулатор, запалителна свещ, карбуратор, съединител, скоростна кутия и радиатор)върху техните продукти, което от своя страна се превърна в стандарт за цялото машиностроене.

През 1883 г. Бенц основава компанията Benz & Cie за производство газови двигателии патентована през 1886 г четиритактовдвигателя, който е използвал в автомобилите си.

Благодарение на успеха на Benz & Cie, Benz успя да започне да проектира карети без коне. Комбинирайки опита си в производството на двигатели и дългогодишното си хоби да проектира велосипеди, до 1886 г. той построява първия си автомобил и го нарече "Benz Patent Motorwagen".

Дизайнът силно напомня на триколка.

Едноцилиндров четиритактов двигател с вътрешно горене с работен обем 954 см3. Benz Patent Motorwagen".

Двигателят беше оборудван с голям маховик (използван не само за равномерно въртене, но и за стартиране), 4,5-литров резервоар за газ, карбуратор от изпарителен тип и плъзгащ клапан, през който горивото влизаше в горивната камера. Запалването е извършено със свещ по собствен дизайн на Benz, напрежението към което се подава от бобината на Rumkorf.

Охлаждането беше водно, но не затворен цикъл, а изпарително. Парата избяга в атмосферата, така че се наложи автомобилът да се зареди не само с бензин, но и с вода.

Двигателят развива 0,9 к.с. при 400 об/мин и ускори автомобила до 16 км/ч.

Карл Бенц кара колата си.

Малко по-късно, през 1896 г., Карл Бенц изобретява боксерния двигател (или плосък двигател), при което буталата достигат до горната мъртва точка едновременно, като по този начин се балансират едно друго.

Музей на Mercedes-Benz в Щутгарт.

През 1882г, английският инженер Джеймс Аткинсън изобретява цикъла на Аткинсън и двигателя на Аткинсън.

Двигателят на Аткинсън по същество е четиритактов двигател цикъл на Ото, но с модифициран колянов механизъм. Разликата беше, че в двигателя на Аткинсън и четирите хода се случиха при един оборот на коляновия вал.

Използването на цикъла на Аткинсън в двигателя намалява разхода на гориво и шума по време на работа поради по-ниското налягане на отработените газове. В допълнение, този двигател не изисква скоростна кутия за задвижване на газоразпределителния механизъм, тъй като отварянето на клапаните задвижва коляновия вал.

Въпреки редица предимства (включително заобикаляне на патентите на Otto)двигателят не беше широко използван поради сложността на производството и някои други недостатъци.
Цикълът на Аткинсън осигурява по-добра екологична ефективност и икономичност, но изисква високи обороти в минута. При ниски обороти той издава сравнително малък въртящ момент и може да спре.

Сега се използва двигателят на Аткинсън хибридни превозни средства « Тойота Приус"И" Lexus HS 250h ".

През 1884г, британският инженер Едуард Бътлър, на изложението за велосипеди в Лондон "Stanley Cycle Show" показа чертежи на триколесна кола с бензинов двигател с вътрешно горене, а през 1885 г. го построява и го показва на същата изложба, наричайки го „Велоцикл“. Освен това Бътлър беше първият, който използва думата бензин.

Velocycle е патентован през 1887 г.

Velocycle е оборудван с едноцилиндров, четиритактов бензинов двигател, оборудван със запалителна бобина, карбуратор, дросел и течно охладен... Двигателят развива мощност от около 5 к.с. с обем 600 см3 и ускори автомобила до 16 км/ч.

С годините Бътлър подобрява работата на автомобила си, но не му позволява да го тества поради „Закона за червеното знаме“ (публикувано през 1865 г.), Чрез което превозни средстване трябва да надвишава скорост над 3 км/ч. Освен това в колата трябваше да присъстват трима души, единият от които да върви пред колата с червения флаг. (такива са мерките за сигурност) .

В списанието English Mechanic от 1890 г. Бътлър пише – „Властите забраняват използването на автомобила на пътя, в резултат на което аз отказвам да се развивам по-нататък“.

Поради липса на обществен интерес към колата, Бътлър я раздели за скрап и продаде патентните права на Хари Дж. Лоусън. (производител на велосипеди), който продължи да произвежда двигателя за използване на лодки.

Самият Бътлър продължи да създава стационарни и морски двигатели.

През 1891г, Хърбърт Айкройд Стюарт, в сътрудничество с Ричард Хорнсби и синове, построи двигателя на Хорнсби-Акройд, в който горивото (керосин) се впръсква под налягане в допълнителна камера (заради формата си беше наречен "гореща топка"), монтиран на главата на цилиндъра и свързан с горивната камера чрез тесен проход. Горивото се запалва от горещите стени на допълнителната камера и се втурва в горивната камера.

1. Допълнителна камера (гореща топка).
2. Цилиндър.
3. Бутало.
4. Картър.

За стартиране на двигателя се използва паялна лампа, с която се нагрява допълнителна камера. (след стартиране беше загрят отработени газове) ... Поради това двигателят на Hornsby-Akroyd който е предшественик на дизеловия двигател, проектиран от Рудолф Дизел, често наричан "полудизел". Година по-късно обаче Айкройд подобрява двигателя си, като добавя "водна риза" (патент от 1892 г.), която повишава температурата в горивната камера чрез увеличаване на степента на сгъстяване и сега няма нужда от допълнителен източник на отопление.

През 1893гРудолф Дизел получава патенти за топлинен двигател и модифициран "цикъл на Карно", наречен "Метод и апарат за превръщане на висока температура в работа".

През 1897 г. в Аугсбург машиностроителен завод» (от 1904 г. MAN), с финансовото участие на компаниите на Фридрих Круп и братята Зулцер е създаден първият работещ дизелов двигател на Рудолф Дизел
Мощността на двигателя беше 20 Конски силипри 172 об/мин, ефективност 26,2% при тегло от пет тона.
Това далеч надхвърли съществуващите двигатели Otto с 20% ефективност и 12% ефективност на морски парни турбини, които предизвикаха голям интерес в индустрията към различни страни.

Дизеловият двигател беше четиритактов. Изобретателят е открил, че ефективността на двигателя с вътрешно горене се повишава чрез увеличаване на степента на сгъстяване на горимата смес. Но е невъзможно силно да се компресира горимата смес, защото тогава налягането и температурата се повишават и тя спонтанно се запалва преди време. Затова Diesel реши да компресира не горимата смес, а чист въздух и в края на компресията да впръска гориво в цилиндъра под силно налягане.
Тъй като температурата на сгъстен въздух достигна 600-650 ° C, горивото се запали спонтанно и газовете, разширявайки се, преместиха буталото. По този начин дизелът успя значително да увеличи ефективността на двигателя, да се отърве от системата за запалване и вместо карбуратора да използва горивна помпависоко налягане
През 1933 г. Елинг пророчески пише: „Когато започнах да работя върху газовата турбина през 1882 г., бях твърдо убеден, че моето изобретение ще бъде търсено в авиационната индустрия.

За съжаление Елинг умира през 1949 г., никога преди ерата на турбореактивната авиация.

Единствената снимка, която успяхме да намерим.

Може би някой ще намери нещо за този човек в Норвежкия технологичен музей.

През 1903г, Константин Едуардович Циолковски, в списание "Научен преглед" публикува статия "Изследване на световните пространства с реактивни устройства", където за първи път доказва, че устройство, способно да извърши космически полет, е ракета. В статията се предлага и първият проект на ракета с голям обсег. Тялото му представляваше удължена метална камера, оборудвана с течност реактивен двигател (който също е двигател с вътрешно горене)... Той предложи използването на течен водород и кислород съответно като гориво и окислител.

Вероятно на тази ракетно-космическа нотка си струва да завършим историческата част, тъй като 20-ти век дойде и двигателите с вътрешно горене започнаха да се произвеждат навсякъде.

Философски послеслов...

К.Е. Циолковски вярваше, че в обозримо бъдеще хората ще се научат да живеят, ако не завинаги, то поне за много дълго време. В тази връзка ще има малко пространство (ресурси) на Земята и корабите ще трябва да се преместят на други планети. За съжаление нещо в този свят се обърка и с помощта на първите ракети хората решиха просто да унищожат собствения си вид ...

Благодаря на всички, които го прочетоха.

Всички права запазени © 2016
Всяко използване на материали е разрешено само с активна връзка към източника.

Въпреки високата си производителност, модерен двигателвътрешното горене започва да остарява. Ефективността му е достигнала може би своя предел. Шум, вибрации, газове, отравящи въздуха и други присъщи недостатъци карат учените да търсят нови решения, да преразгледат възможностите на отдавна забравените цикли. Стърлинг е един от "възродените" двигатели.

Още през 1816 г. шотландският свещеник и учен Робърт Стърлинг патентова двигател, при който горивото и въздухът, влизащи в зоната на горене, никога не влизат в цилиндъра. Когато горят, загряват само работния газ в него. Това даде основание изобретението на Стърлинг да се нарече двигател с външно горене.

Робърт Стърлинг построи няколко двигателя; последният от тях е с вместимост 45 литра. с. и работи в мина в Англия повече от три години (до 1847 г.). Тези двигатели бяха много тежки, заеха много място и приличаха на парни машини.

За навигация двигателите с външно горене са използвани за първи път през 1851 г. от шведа Джон Ериксън. Построеният от него кораб "Ериксън" успешно прекоси Атлантическия океан от Америка до Англия с електроцентрала, която се състоеше от четири двигателя с външно горене. В ерата на парните машини това беше сензация. но захранваща точкаЕриксон развива само 300 литра. в., а не 1000, както се очакваше. Двигателите бяха огромни (диаметър на цилиндъра 4,2 m, ход на буталото 1,8 m). Разходът на въглища се оказа не по-малък от този на парните машини. Когато корабът пристигнал в Англия, се оказало, че двигателите не са подходящи за по-нататъшна работа, тъй като дъното на цилиндрите им е изгоряло. За да се върнат в Америка, двигателите трябваше да бъдат заменени с конвенционален парен двигател. На връщане корабът претърпява инцидент и потъва с целия екипаж.

Двигатели с външно горене с ниска мощност в края на миналия век са били използвани в къщи за изпомпване на вода, в печатници, в промишлени предприятия, включително завода на Нобел в Санкт Петербург (сега "Руски дизел"). Те също са инсталирани на малки кораби. Стърлингите се произвеждат в много страни, включително Русия, където ги наричат ​​"топлота и сила". Те бяха оценени за тяхната безшумност и безопасност на работа, което ги правеше в сравнение с парните машини.

С развитието на двигателите с вътрешно горене, Стърлингът беше забравен. Енциклопедичният речник на Брокгау и Ефрон казва за тях следното: „Безопасността от експлозия е основното предимство на калоричните машини, благодарение на което те могат да се използват отново, ако намерят нови материали за тяхната конструкция и смазване, които по-добре издържат висока температура».

Въпросът обаче беше не само в липсата на съответните материали. Съвременните принципи на термодинамиката все още бяха неизвестни, по-специално еквивалентността на топлината и работата, без които беше невъзможно да се определят най-изгодните съотношения на основните елементи на двигателя. Топлообменниците бяха направени с малка повърхност, което караше двигателите да работят при неоправдано високи температури и бързо се повреждаха.

След Втората световна война се правят опити за подобряване на Стърлинг. Най-значимият от тях се състоеше във факта, че работният газ започна да се използва компресиран до 100 атм и не въздух, а водород, който има по-висок коефициент на топлопроводимост, нисък вискозитет и освен това не окислява смазочните материали.

Устройството на двигател с външно горене в неговата съвременна формапоказано схематично на фиг. 1. В цилиндър, затворен от едната страна, има две бутала. Горният - буталото в буталото l служи за ускоряване на процеса на периодично нагряване и охлаждане на работния газ. Това е кух, затворен цилиндър от неръждаема стомана, който не провежда добре топлината и се движи под действието на прът, свързан с колянов механизъм.

Долното бутало е работещо бутало (показано на фигурата в разрез). Той предава силата на коляновия механизъм чрез кух прът, вътре в който преминава изместващият прът. Работното бутало е оборудвано с уплътнителни пръстени.

Под работното бутало има буферен резервоар, който образува възглавница, която действа като маховик - за изглаждане на неравномерността на въртящия момент поради избора на част от енергията по време на работния ход и връщането й към вала на двигателя по време на компресионен ход. За да се изолира обемът на цилиндъра от заобикалящото пространство, се използват уплътнения „обвиващи се чорапи“. Това са гумени тръбички, прикрепени в единия край към стеблото, а в другия към тялото.

Горната част на цилиндъра е в контакт с нагревателя, а долната е в контакт с охладителя. Съответно в него се отделят "горещи" и "студени" обеми, които свободно комуникират помежду си чрез тръбопровод, в който е разположен регенератор (топлообменник). Регенераторът е запълнен с нишка от тел с малък диаметър (0,2 mm) и има висок топлинен капацитет (например ефективността на регенераторите на Filipe надвишава 95%).

Работният процес на двигателя на Стърлинг може да се осъществи без изместител, въз основа на използването на разпределител на работния заряд с макара.

В долната част на двигателя има колянов механизъм, който служи за преобразуване на възвратно-постъпателното движение на буталото във въртеливо движение на вала. Характеристика на този механизъм е наличието на два колянови валовесвързани с две спираловидни зъбни колела, въртящи се едно към друго. Стеблото на изместващото устройство е свързано към колянови валовес помощта на долното кобилно рамо и прикачените свързващи пръти. Работният бутален прът е свързан към коляновия вал чрез горното кобилно рамо и прикачените свързващи пръти. Системата от еднакви свързващи пръти образува подвижен деформируем ромб, откъдето идва и името на това предаване - ромбично. Ромбичната трансмисия осигурява необходимото фазово изместване по време на движението на буталата. Той е напълно балансиран и не упражнява странични сили върху буталните пръти.

В пространството, ограничено от работното бутало, има работен газ - водород или хелий. Общият обем газ в цилиндъра не зависи от позицията на изместващия изместител. Промените в обема, свързани с компресията и разширяването на работния газ, възникват поради движението на работното бутало.

Когато двигателят работи, горната част на цилиндъра се нагрява постоянно, например от горивна камера, в която се впръсква течно гориво. Дъното на цилиндъра непрекъснато се охлажда, например от студена вода, изпомпвана през водна риза, обграждаща цилиндъра. Затвореният цикъл на Стърлинг се състои от четири мерки, показани на фиг. 2.

I цикъл - охлаждане... Работното бутало е в най-ниско положение, изместващото устройство се движи нагоре. В този случай работният газ протича от „горещия“ обем над изместващия изместител към „студения“ обем под него. Преминавайки по пътя през регенератора, работният газ му отдава част от топлината си и след това се охлажда в "студен" обем.

Мярка II - Компресия... Измествачът остава в горно положение, работното бутало се движи нагоре, компресирайки работния газ при ниска температура.

Стъпка III - нагряване... Работното бутало е в горно положение, изместващото устройство се движи надолу. В този случай компресираният студен работен газ се втурва изпод изместващия в свободното пространство над него. По пътя работният газ преминава през регенератора, където се загрява предварително, навлиза в "горещата" кухина на цилиндъра и се нагрява още повече.

Цикъл IV - разширяване (работен ход)... Тъй като работният газ се нагрява, той се разширява, движейки изместващото устройство и с него работното бутало надолу. Готово е полезна работа.

Стърлинг има затворен цилиндър. На фиг. 3, а показва диаграма на теоретичния цикъл (диаграма V - P). Абсцисата показва обемите на цилиндъра, а ординатите показват налягането в цилиндъра. Първият цикъл е изотермичен I-II, вторият протича при постоянен обем II-III, третият е изотермичен III-IV, а четвъртият е при постоянен обем IV-I. Тъй като налягането по време на разширение на горещия газ (III-IV) е по-голямо от налягането при компресиране на студения газ (I-II), работата на разширение е по-голяма от работата на компресията. Полезната работа на цикъла може да бъде графично изобразена под формата на извит четириъгълник I-II-III-IV.

В действителния процес буталото и буталото се движат непрекъснато, тъй като са свързани с коляновия механизъм, поради което диаграмата на реалния цикъл е закръглена (фиг. 3, б).

Теоретичната ефективност на двигателя на Стърлинг е 70%. Проучванията показват, че на практика може да се постигне ефективност от 50%. Това е значително повече от най-добрите газови турбини (28%), бензинови двигатели (30%) и дизели (40%).

Стърлинг може да работи с бензин, керосин, дизел, газообразни и дори твърди горива. В сравнение с други двигатели, той има по-плавно и тихо возене. Това се обяснява с ниския коефициент на компресия (1,3 ÷ 1,5), освен това налягането в цилиндъра се повишава плавно, а не от експлозия. Продуктите от горенето също се изхвърлят без шум, тъй като горенето става непрекъснато. В тях има относително малко токсични компоненти, тъй като изгарянето на горивото протича непрекъснато и с постоянен излишък от кислород (α = 1,3).

Стърлингът с ромбична трансмисия е напълно балансиран и не генерира вибрации. Това качество по-специално беше взето предвид от американските инженери, които инсталираха едноцилиндров дизайн на изкуствен спътник на Земята, където дори леки вибрации и дисбаланс могат да доведат до загуба на ориентация.

Охлаждането остава проблематичен въпрос. Разбъркването с отработени газове премахва само 9% от получената топлина от горивото, следователно, например, когато го инсталирате на автомобил, ще трябва да направите радиатор около 2,5 пъти по-голям, отколкото при използване на бензинов двигател със същата мощност. Задачата е по-лесна за решаване в корабни инсталации, където ефективно охлаждане се осигурява от неограничено количество морска вода.

На фиг. 4 е показано напречно сечение на двуцилиндров двигател на Philips с мощност 115 к.с. с. при 3000 об/мин с хоризонтални цилиндри. Общият работен обем на всеки цилиндър е 263 cm 3. Буталата, разположени срещуположно, са свързани към две траверси, което направи възможно пълното балансиране на газовите сили и без буферни обеми. Нагревателят е направен от тръби, които обграждат горивната камера, през която протича работният газ. Охладителят е тръбен охладител, през който се изпомпва морска вода. Двигателят има два колянови вала, свързани с витлото чрез червячни зъбни колела. Височината на двигателя е само 500 мм, което позволява да се монтира под палубата и по този начин да се намали размерът на двигателното отделение.

Мощността на Стърлинг се регулира главно чрез промяна на налягането на работния газ. В същото време, за да се поддържа температурата на нагревателя постоянна, подаването на гориво също се регулира. Почти всеки източник на топлина е подходящ за двигател с външно горене. Важно е, че може да преобразува нискотемпературната енергия в полезна работа, на която двигателите с вътрешно горене не са способни. От кривата на фиг. 5, може да се види, че при температура на нагревателя само 350 ° C, ефективността на Стърлинг е все още ≈ 20%.

Stirling е икономичен - специфичният му разход на гориво е само 150 g/l. с. час. Литиевият хидрит служи като акумулатор на топлина в електроцентралата с акумулатор на топлина на Стърлинг, използвана на американските спътници на Земята, която поглъща топлина по време на периода на „осветяване“ и я дава на Стърлинг, когато сателитът е от сенчестата страна на Земята. На сателита двигателят се използва за задвижване на генератор с мощност 3 kW при 2400 rpm.

Създаден е опитен скутер със Стърлинг и акумулатор на топлина. Използването на топлинен акумулатор и стилинг агент на подводница позволява да продължи няколко пъти по-дълго в потопено положение.

литература

• 1. Смирнов Г. В. Двигатели с външно горене. "Знание", М., 1967 г.
• 2. д-р Ir. Р. И. Мейер. Der Philips - Stirlingmotor, MTZ, N 7, 1968 г.
• 3. Къртис Антъни. Горещ въздух и вятърът на промяната. Двигателят на Стърлинг и неговото възраждане. Мотор (англ.) 1969, (135), No 3488.

Само преди около сто години двигателите с вътрешно горене трябваше да завоюват мястото, което заемат в съвременната автомобилна индустрия в ожесточена конкурентна борба. Тогава тяхното превъзходство в никакъв случай не беше толкова очевидно, колкото днес. Всъщност парният двигател - основният съперник на бензиновия двигател - имаше огромни предимства в сравнение с него: безшумност, простота на регулиране на мощността, отлични характеристики на сцепление и невероятна "всеядност", което му позволява да работи с всякакъв вид гориво от дърво до бензин. Но в крайна сметка ефективността, лекотата и надеждността на двигателите с вътрешно горене надделяха и бяха принудени да се примирят с техните недостатъци, като неизбежни.
През 50-те години на миналия век, с появата на газови турбини и ротационни двигатели, започва атака срещу монополното положение, заето от двигателите с вътрешно горене в автомобилната индустрия, нападение, което все още не е увенчано с успех. Приблизително в същите години се правят опити да се изведат на сцената нов двигател, който поразително съчетава ефективността и надеждността на бензинов двигател с безшумността и "всеяден" парна инсталация. Това е известният двигател с външно горене, който шотландският свещеник Робърт Стърлинг патентова на 27 септември 1816 г. (английски патент № 4081).

Физика на процеса

Принципът на работа на всички топлинни двигатели, без изключение, се основава на факта, че когато нагрят газ се разширява, се извършва повече механична работа, отколкото е необходимо за компресиране на студен. Една бутилка и две тенджери с топла и студена вода са достатъчни, за да демонстрират това. Първо бутилката се потапя в ледена вода и когато въздухът в нея се охлади, гърлото се запушва с тапа и бързо се прехвърля в гореща вода. След няколко секунди памукът се разпределя и газът, нагрят в бутилката, изтласква тапата, което прави механична работа... Бутилката може да се върне в ледена вода - цикълът ще се повтори.
в цилиндрите, буталата и сложните лостове на първата машина на Стърлинг този процес е почти точно възпроизведен, докато изобретателят осъзнава, че част от топлината, взета от газа по време на охлаждането, може да се използва за частично нагряване. Необходим е само някакъв контейнер, в който би било възможно да се съхранява топлината, взета от газа по време на охлаждане, и да се връща обратно при нагряване.
Но уви, дори това много важно подобрение не спаси двигателя на Стърлинг. До 1885 г. постигнатите тук резултати са много посредствени: 5-7 процента ефективност, 2 литра. с. мощност, 4 тона тегло и 21 кубически метра заета площ.
Двигателите с външно горене не бяха спасени дори от успеха на друг дизайн, разработен от шведския инженер Ериксон. За разлика от Стърлинг, той предлага газът да се нагрява и охлажда не при постоянен обем, а при постоянно налягане. 8 През 1887 г. няколко хиляди малки Ериксонови двигатели работеха перфектно в печатници, в къщи, в мини, на кораби. Те пълниха резервоари с вода и управляваха асансьори. Ериксън дори се опита да ги адаптира за шофиране на екипажи, но се оказаха твърде тежки. В Русия преди революцията се произвеждат голям брой такива двигатели под името "Топлина и мощност".
Въпреки това се правят опити за увеличаване на мощността до 250 к.с. с. завърши с пълен провал. Машината с цилиндър с диаметър 4,2 метра развива по-малко от 100 литра. Тоест горивните камери изгоряха и плавателният съд, на който бяха монтирани двигателите, беше загубен.
Инженерите без съжаление се сбогуваха с тези слаби мастодонти веднага щом се появиха мощни, компактни и леки бензинови и дизелови двигатели. И изведнъж, през 60-те години на миналия век, почти 80 години по-късно, Стърлинг и Ериксън (условно ще ги наречем така по аналогия с дизелов двигател) започнаха да говорят за страхотни съперници на двигателите с вътрешно горене. Тези разговори не стихват и до днес. Какво обяснява такъв рязък обрат във възгледите?

Методична цена

Когато научите за стара техническа идея, възродена в съвременните технологии, веднага възниква въпросът: какво попречи на нейното прилагане по-рано? Какъв беше този проблем, онази „улика“, без чието решение тя не можеше да си проправи път в живота? И почти винаги се оказва, че старата идея дължи възраждането си или на нов технологичен метод, или на нов дизайн, за който предшествениците не са се сетили, или на нов материал. Двигателят с външно горене може да се счита за най-рядкото изключение.
Теоретичните изчисления показват, че ефективността е "Стирлингс" и "Ериксън" могат да достигнат 70 процента - повече от всеки друг двигател. Това означава, че неуспехите на техните предшественици се обясняват с вторични, по принцип отстраними фактори. Правилният избор на параметри и области на приложение, щателно проучване на работата на всеки блок, внимателна обработка и фина настройка на всеки детайл позволиха да се осъзнаят предимствата на цикъла. Вече първите експериментални проби дадоха ефективност от 39 процента! (Ефективността на бензиновите двигатели и дизелите, които са отработени през годините, е съответно 28-30 и 32-35 процента.) Какви възможности са „пренебрегнали“ Стърлинг и Ериксън навремето?
самият съд, в който топлината се съхранява и след това се отделя. Изчисляването на регенератора в онези дни беше просто невъзможно: науката за преноса на топлина не съществуваше. Размерите му са взети на око и както показват изчисленията, ефективността на двигателите с външно горене зависи много от качеството на регенератора. Вярно е, че лошото му представяне може да бъде компенсирано до известна степен чрез увеличаване на налягането.
Втората причина за провала беше, че първите инсталации работеха във въздуха при атмосферно налягане: размерите им бяха огромни, а капацитетът им беше малък.
Внасяне на ефективност регенератор до 98 процента и запълване на затворения контур с водород или хелий, компресиран до 100 атмосфери, инженерите на нашето време повишиха ефективността и мощността на "стайлинга", който дори в този си вид показа ефективност. по-висока от тази на двигателите с вътрешно горене.
Само това би било достатъчно, за да говорим за инсталирането на двигатели с външно горене на автомобили. Но предимствата на тези машини, възродени от забрава, в никакъв случай не се изчерпват само с висока ефективност.

Как работи Стърлинг

Схематична диаграма на двигател с външно горене:
1 - горивен инжектор;
2 - изходна тръба;
3 - елементи на въздушния нагревател;
4 - въздушен нагревател;
5 - горещи газове;
6 - горещо пространство на цилиндъра;
7 - регенератор;
8 - цилиндър;
9 - охладителни ребра;
10 - студено пространство;
11 - работно бутало;
12 - ромбично задвижване;
13 - свързващ прът на работното бутало;
14 - синхронизиращи зъбни колела;
15 - горивна камера;
16 - нагревателни тръби;
17 - горещ въздух;
18 - бутало за изместване;
19 - всмукване на въздух;
20 - захранване с охлаждаща вода;
21 - уплътнение;
22 - буферен обем;
23 - уплътнение;
24 - бутален тласкач за изместване;
25 - тласкач на работното бутало;
26 - хомот на работното бутало;
27 - пръст на хомота на работното бутало;
28 - свързващ прът на буталото за изместване;
29 - хомот на буталото за изместване;
30 - колянови валове.
Червен фон - отоплителен кръг;
пунктиран фон - охлаждаща верига

V модерен дизайн"Стърлинг", работещ на течно гориво, - три вериги, имащи само термичен контакт един с друг. Това е верига на работната течност (обикновено водород или хелий), отоплителна верига и охладителна верига. Основната цел на отоплителния кръг е да поддържа висока температура в горната част на работния кръг. Охлаждащият кръг поддържа ниска температура в долната част на работния кръг. Контурът на самия работен флуид е затворен.
Контур на работното тяло... В цилиндъра 8 се движат две бутала - работното бутало 11 и изместващото бутало 18. Движението нагоре на работното бутало води до компресия на работния флуид, движението му надолу се причинява от разширяването на газа и е придружено от извършване на полезна работа. Движението нагоре на буталото за изместване изстисква газ в долната, охладена кухина на цилиндъра. Движението му надолу съответства на нагряването на газа. Ромбичното задвижване 12 придава движение на буталата, съответстващо на четири цикъла ((тези ходове са показани на диаграмата).
Мярка I- охлаждане на работния флуид. Буталото за изместване 18 се движи нагоре, изстисквайки работния флуид през регенератора 7, в който се съхранява топлината на нагрятия газ, в долната, охладена част на цилиндъра. Работното бутало 11 е в BDC.
Мярка II- компресия на работния флуид. Енергията, съхранявана в компресирания газ на буферния обем 22, придава движение нагоре на работното бутало 11, придружено от компресия на студената работна течност.
Бар III- нагряване на работния флуид. Пропелентното бутало 18, почти граничещо с работното бутало 11, измества газа в горещото пространство през регенератора 7, в който топлината, натрупана по време на охлаждане, се връща към газа.
Бар IV- разширяване на работния флуид - работен цикъл. Когато се нагрява в горещо пространство, газът се разширява и върши полезна работа. Част от него се съхранява в компресирания газ на буферния обем 22 за последващо компресиране на студената работна течност. Останалата част се отстранява от валовете на двигателя.
Отоплителен кръг... Въздухът се вдухва във входа за въздух 19 от вентилатора, преминава през елементите 3 на нагревателя, нагрява се и влиза в горивните инжектори. Получените горещи газове загряват тръбите 16 на нагревателя на работния флуид, обтичат елементите 3 на нагревателя и, като отдават топлината си на въздуха, който отива за изгаряне на горивото, се изхвърлят през изходната тръба 2 в атмосферата.
Охлаждаща верига... Водата през тръбите 20 се подава в долната част на цилиндъра и, като тече около перките 9 на охладителя, непрекъснато ги охлажда.

"Стърлингс" вместо ICE

Още първите тестове, проведени преди половин век, показаха, че "стайлингът" е почти идеално безшумен. Няма карбуратор, инжектори за високо налягане, запалителна система, клапани, свещи. Налягането в цилиндъра, въпреки че се повишава до почти 200 атм, но не чрез експлозия, както при двигател с вътрешно горене, а плавно. Двигателят не се нуждае от ауспуси. Кинематичното бутално задвижване с форма на диамант е напълно балансирано. Без вибрации, без тракане.
Казват, че дори с ръка върху двигателя не винаги е възможно да се определи дали работи или не. Тези качества двигател на колаособено важно, тъй като в големите градове проблемът за намаляване на шума е остър.
Но друго качество е "всеяден". Всъщност няма източник на топлина, който да не е подходящ за каране на Стърлинг. Автомобил с такъв двигател може да работи на дърва, на слама, на въглища, на керосин, на ядрено гориво, дори на слънчева светлина. Може да работи върху топлината, съхранявана в стопилката на някаква сол или оксид. Например, стопилка от 7 литра алуминиев оксид замества 1 литър бензин. Такава гъвкавост не само ще може винаги да помогне на шофьор в беда. Това ще реши острия проблем със замърсяването с дим в градовете. Приближавайки града, шофьорът включва горелката и топи солта в резервоара. Горивото не се изгаря в границите на града: двигателят работи на стопилка.
Ами регулацията? За да се намали мощността, е достатъчно да се освободи необходимото количество газ от затворения контур на двигателя в стоманен цилиндър. Автоматиката незабавно намалява подаването на гориво, така че температурата да остане постоянна независимо от количеството газ. За да се увеличи мощността, газът се изпомпва от цилиндъра обратно във веригата.
Въпреки това, по отношение на цената и теглото, Стърлингите все още са по-ниски от двигателите с вътрешно горене. За 1 литър. с. имат 5 кг, което е много повече от бензин и дизелови двигатели... Но не бива да забравяме, че това все още са първите, които не са били доведени до висока степенсъвършенство на модела.
Теоретичните изчисления показват, че при равни други условия "стилингите" изискват по-ниски налягания. Това е важно предимство. И ако те също имат конструктивни предимства, възможно е те да се окажат най-страхотният съперник на двигателите с вътрешно горене в автомобилната индустрия. И изобщо не турбини.

Стърлинг от GM

Сериозната работа по усъвършенстването на двигателя с външно горене, започнала 150 години след изобретяването му, вече даде плодове. Предложени са различни конструктивни варианти на двигателя, работещ по цикъла на Стърлинг. Има проекти на двигатели с наклонна плоча за регулиране на хода на буталата, патентован ротационен двигател, в една от роторните секции на който се получава компресия, в другата - разширение, а подаването и отвеждането на топлината се извършва в каналите, свързващи кухините. Максималното налягане в цилиндрите на отделните проби достига 220 kg / cm 2, а средното ефективно налягане- до 22 и 27 kg / cm 2 и повече. Ефективността е увеличена до 150 g/hp/h.
Най-голям напредък постигна General Motors, който през 70-те години на миналия век изгради V-образен "стайлинг" с конвенционален манивела. Единият цилиндър работи, другият е компресионен. Само работното бутало е в работното бутало, а изместващото бутало е в компресионния цилиндър. Между цилиндрите са разположени нагревател, регенератор и охладител. Ъгълът на фазовото изместване, с други думи, ъгълът на изоставане на един цилиндър от другия, за този "стърлинг" е 90 °. Скоростта на едното бутало трябва да бъде максимална в момента, когато скоростта на другото е нула (в горната и долната мъртва точка). Фазовото изместване в движението на буталата се постига чрез позициониране на цилиндрите под ъгъл от 90 °. Структурно това е най-простият "стайлинг". Но е по-нисък от ромбичния двигател с манивела в равновесие. За да се балансират напълно инерционните сили в V-образния двигател, броят на неговите цилиндри трябва да се увеличи от два на осем.

Схематична диаграма на V-образния "Стърлинг":
1 - работен цилиндър;
2 - работно бутало;
3 - нагревател;
4 - регенератор;
5 - топлоизолационна втулка;
6 - охладител;
7 - компресионен цилиндър.

Работният цикъл в такъв двигател протича по следния начин.
В работния цилиндър 1 газът (водород или хелий) се нагрява, а в другия, в компресионния цилиндър 7, се охлажда. Когато буталото се движи нагоре в цилиндъра 7, газът се компресира - ходът на компресия. В това време бутало 2 в цилиндър 1 започва да се движи надолу.Газът от студен цилиндър 7 се влива в горещ 1, преминавайки последователно през охладител 6, регенератор 4 и нагревател 3 - цикъл на нагряване. Горещият газ се разширява в цилиндър 1, извършвайки работа - разширителен ход. Когато бутало 2 се движи в цилиндър 1 нагоре, газът се изпомпва през регенератор 4 и охладител 6 в цилиндър 7 - охлаждащ цикъл.
Тази "стайлинг" схема е най-удобна за заден ход. В комбинирания корпус на нагревателя, регенератора и охладителя (за техния дизайн ще говорим по-късно), за това са направени амортисьори. Ако ги преместите от едно крайно положение в друго, тогава студеният цилиндър ще стане горещ, а горещият - студен и двигателят ще се върти в обратна посока.
Нагревателят представлява комплект от топлоустойчиви тръби от неръждаема стомана, през които протича работният газ. Тръбите се нагряват от пламъка на горелка, пригодена за изгаряне на различни течни горива. Топлината от нагрятия газ се съхранява в регенератора. Това устройство е от голямо значение за постигане на висока ефективност. Той ще изпълни предназначението си, ако предаде около три пъти повече топлина, отколкото в нагревателя, а процесът отнема по-малко от 0,001 секунди. Накратко, това е бързодействащ акумулатор на топлина, а скоростта на топлопреминаване между регенератора и газа е 30 000 градуса в секунда. Регенераторът, чиято ефективност е 0,98 единици, се състои от цилиндрично тяло, в което са подредени последователно няколко шайби, изработени от телена резба (диаметър на проводника 0,2 mm). За да се предотврати предаването на топлина към хладилника, между тези модули е монтирана топлоизолационна втулка. И накрая, има охладител. Проектиран е като водна риза на тръбопровода.
Мощността на Стърлинг се регулира чрез промяна на налягането на работния газ. За тази цел двигателят е оборудван с газов цилиндър и специален компресор.

Предимства и недостатъци

За да оценим перспективите за прилагане на "стайлинг" върху автомобили, нека анализираме неговите предимства и недостатъци. Нека започнем с един от най-важните за топлинен двигателпараметри, така наречената теоретична ефективност За "Стърлинг", тя се определя по следната формула:

η = 1 - Tx / Tg

Където η е ефективността, Tx е температурата на „студения“ обем, а Tg е температурата на „горещия“ обем. Количествено, този параметър за „Стърлинг“ е 0,50. Това е значително повече от най-добрите газови турбини, бензинови и дизелови двигатели, които имат теоретична ефективност съответно 0,28; 0,30; 0,40.
Като двигател с външно горене. Стърлинг "може да работи върху различни горива: бензин, керосин, дизел, газообразен и дори твърд. Характеристики на горивото като цетан и октаново число, пепелност, точка на кипене по време на горене извън цилиндъра на двигателя, нямат значение за „стърлинга“. За да работи на различни горива, не са необходими големи промени - просто сменете горелката.
Двигател с външно горене, при който горенето е стабилно с постоянно съотношение на излишния въздух от 1,3. излъчва значително по-малко от двигател с вътрешно горене, въглероден оксид, въглеводороди и азотни оксиди.
Ниският шум на „Стърлинга“ се обяснява с ниския коефициент на компресия (от 1,3 до 1,5). Налягането в цилиндъра се повишава плавно, а не чрез експлозия, както при бензин или дизелов двигател... Отсъствието на флуктуации в колоната от газове в изпускателния тракт определя безшумността на ауспуха, което се потвърждава от тестовете на двигателя, разработен от Phillips съвместно с Ford за автобуса.
"Stirling" се отличава с ниска консумация на масло и висока устойчивост на износване поради отсъствието на активни вещества в цилиндъра и сравнително ниска температура на работния газ, а неговата надеждност е по-висока от тази на двигателите с вътрешно горене, известни ни, т.к. няма сложен газоразпределителен механизъм.
Важно предимство на Stirling като автомобилен двигател е неговата повишена адаптивност към промени в натоварването. Той е например с 50 процента по-висок от този на карбураторния двигател, поради което броят на предавките в скоростната кутия може да бъде намален. Невъзможно е обаче напълно да изоставите съединителя и скоростната кутия, както в парната кола.
Но защо двигател с толкова очевидни предимства все още не е намерил практическо приложение? Причината е проста - все още има много неразрешени недостатъци. Основен сред тях е голямата сложност на контрола и регулирането. Има и други "рифове", които не са толкова лесни за заобикаляне както за дизайнерите, така и за производствените работници. По-специално, буталата се нуждаят от много ефективни уплътнения, които трябва да издържат на високо налягане (до 200 kg / cm2) и да предотвратяват навлизането на масло в работната кухина . Във всеки случай, 25-годишната работа на Phillips по фината настройка на двигателя все още не е успяла да го направи подходящ за масова употреба в автомобили. Не малко значение има и характерната особеност на „стърлинга“ – необходимостта да се отстрани голямо количество топлина с охлаждащата вода. При двигателите с вътрешно горене значителна част от топлината се отделя в атмосферата заедно с отработените газове. При „стерлингите“ само 9 процента от топлината, генерирана от изгарянето на гориво, отива в отработените газове. Ако в бензинов двигателвътрешно горене с охлаждаща вода отнема от 20 до 25 процента от топлината, след това при "разбъркването" - до 50 процента. Това означава, че колата с такъв двигател трябва да има радиатор около 2-2,5 пъти по-голям от този на подобен бензинов двигател. Недостатъкът на "Стърлинг" е неговото високо специфично тегло в сравнение с обикновения двигател с вътрешно горене. Друг доста значителен недостатък е трудността при увеличаване на скоростта: вече при 3600 оборота в минута хидравличните загуби значително се увеличават и топлопреносът се влошава. И накрая. "Стайлингът" е по-нисък конвенционален двигателвътрешно горене при реакция на газта.
Работа по създаването и усъвършенстването на автомобилен "стайлинг", включително за леки автомобили, продължи. Може да се счита, че към момента основните въпроси са решени. Предстои обаче още много работа. Използването на леки сплави може да намали специфичното тегло на двигателя, но все пак ще бъде по-високо. отколкото този на двигател с вътрешно горене, поради по-високото налягане на работния газ. Вероятно двигателят с външно горене ще намери приложение предимно в камиони, особено военните - поради ниското търсене на гориво.

Двигателят на Стърлинг, чийто принцип на работа е качествено различен от обичайния за всички двигатели с вътрешно горене, някога е съставил достойна конкуренция на последния. За известно време обаче забравиха за него. Как се използва този двигател днес, какъв е принципът на неговата работа (в статията можете да намерите и чертежи на двигателя на Стърлинг, които ясно демонстрират неговата работа) и какви са перспективите за използване в бъдеще, прочетете по-долу.

История

През 1816 г. в Шотландия Робърт Стърлинг патентова името днес в чест на неговия изобретател. Първите двигатели с горещ въздух са изобретени преди него. Но Стърлинг добави пречиствател към устройството, което в техническата литература се нарича регенератор или топлообменник. Благодарение на него производителността на двигателя се увеличи, като същевременно поддържа уреда топъл.

Двигателят е признат за най-издръжливия парен двигател, наличен по това време, тъй като никога не е избухнал. Преди него този проблем често възникваше при други двигатели. Въпреки бързия си успех, в началото на ХХ век развитието му е изоставено, тъй като става по-малко икономичен от другите двигатели с вътрешно горене и електрически двигатели, които се появяват тогава. Въпреки това, Стърлинг продължава да се използва в някои индустрии.

Двигател с външно горене

Принципът на работа на всички топлинни двигатели е, че за получаване на газ в разширено състояние са необходими по-големи механични сили, отколкото при компресиране на студен. За да се демонстрира това, може да се проведе експеримент с две тенджери, пълни с топла и студена вода, както и с бутилка. Последният се потапя в студена вода, запушва се, след което се прехвърля в гореща вода. Това ще накара газта в бутилката да извърши механична работа и да изтласка тапата навън. Първият двигател с външно горене разчиташе изцяло на този процес. Вярно е, че по-късно изобретателят разбра, че част от топлината може да се използва за отопление. Така производителността се е увеличила значително. Но дори и това не помогна на двигателя да стане широко разпространен.

По-късно Ериксън, инженер от Швеция, подобри дизайна, като предложи газът да се охлажда и загрява при постоянно налягане вместо обем. В резултат на това много копия започнаха да се използват за работа в мини, на кораби и в печатници. Но за екипажите те се оказаха твърде тежки.

Двигатели с външно горене от Philips

Такива двигатели са от следните видове:

• пара;
• въздушна турбина;
• Стърлинг.

Последният тип не е разработен поради ниската надеждност, а останалите не са най-високите показатели в сравнение с другите видове възли, които се появиха. Въпреки това през 1938 г. Philips възобновява дейността си. Двигателите започнаха да служат за задвижване на генератори в неелектрифицирани зони. През 1945 г. инженерите на компанията намират обратното приложение за тях: ако валът се върти от електродвигател, тогава охлаждането на главата на цилиндъра достига минус сто и деветдесет градуса по Целзий. Тогава беше решено да се използва подобреният двигател на Стърлинг в хладилни агрегати.

Принцип на действие

Действието на двигателя е да работи в термодинамични цикли, при които компресията и разширението се случват при различни температури. В този случай регулирането на потока на работния флуид се осъществява поради вариращия обем (или налягане, в зависимост от модела). Това е принципът на работа на повечето от тези машини, които могат да имат различни функции и конструктивни схеми. Двигателите могат да бъдат бутални или ротационни. Машините с техните инсталации работят като термопомпи, хладилници, генератори на налягане и т.н.

Освен това има двигатели с отворен цикъл, при които контролът на потока се осъществява с помощта на клапани. Наричат ​​се двигатели на Ериксон, с изключение на общото име на името на Стърлинг. В двигател с вътрешно горене полезна работа се извършва след предварително компресиране на въздуха, впръскване на гориво, нагряване на получената смес, смесена с горене и разширение.

Двигателят на Стърлинг има същия принцип на работа: при ниски температури се получава компресия, а при високи температури - разширение. Но отоплението се извършва по различни начини: топлината се подава през стената на цилиндъра отвън. Поради това той получи името на двигателя с външно горене. Стърлинг използва периодична промяна на температурата с изместващо бутало. Последният премества газ от една кухина на цилиндъра в друга. От една страна температурата е постоянно ниска, а от друга - висока. Когато буталото се движи нагоре, газът се движи от горещата към студената кухина и надолу се връща към горещата. Първо газът отдава много топлина на хладилника, а след това получава толкова от нагревателя, колкото е дал. Между нагревателя и хладилника е поставен регенератор - кухина, пълна с материал, на който газът отдава топлина. При обратен поток регенераторът го връща.

Изместващата система е свързана с работещо бутало, което компресира газа на студено и му позволява да се разширява в топлината. Полезната работа се извършва чрез компресия при по-ниска температура. Цялата система преминава през четири цикъла с периодични движения. По този начин маниловият механизъм осигурява непрекъснатост. Следователно резки граници между етапите на цикъла не се наблюдават и Стърлинг не намалява.

Като се има предвид всичко по-горе, заключението се навежда на мисълта, че този двигател е бутална машина с външно захранване на топлина, при която работният флуид не напуска затвореното пространство и не се заменя. Чертежите на двигателя на Стърлинг добре илюстрират структурата и принципа на неговата работа.

Подробности за работа

Слънцето, електричеството, ядрената енергия или всеки друг източник на топлина могат да доставят енергия на двигателя на Стърлинг. Принципът на тялото му е да използва хелий, водород или въздух. Идеалният цикъл има термична максимална възможна ефективност от тридесет до четиридесет процента. Но с ефективен регенератор, той ще може да работи с повече висока ефективност... Регенерацията, отоплението и охлаждането се осигуряват от вградени безмаслени топлообменници. Трябва да се отбележи, че двигателят се нуждае от много малко смазване. Средното налягане в цилиндъра обикновено е от 10 до 20 MPa. Ето защо тук се изисква отлична уплътнителна система и способност за вкарване на масло в работните камери.

Сравнителни характеристики

Повечето двигатели от този вид, които работят днес, използват течни горива. Продължителното налягане е лесно за управление, което помага за намаляване на емисиите. Липсата на клапани осигурява тиха работа. Мощност към тегло е сравнима с двигателите с турбокомпресор, а съотношението мощност/тегло е такова дизелов агрегат... Скоростта и въртящият момент са независими един от друг.

Цената на производството на двигател е много по-висока от тази на двигател с вътрешно горене. Но по време на работа се получава обратният индикатор.

Предимства

Всеки модел двигател на Стърлинг има много предимства:

• Ефективността в съвременния дизайн може да бъде до седемдесет процента.
• Няма система в двигателя запалване с високо напрежение, разпределителен вали клапани. Няма да е необходимо да се регулира през целия експлоатационен живот.
• При Стърлингс няма такава експлозия като при двигателя с вътрешно горене, който натоварва силно коляновия вал, лагерите и свързващите пръти.
• Те нямат този ефект, когато казват, че "двигателят е спрял".
• Благодарение на простотата на устройството, той може да работи дълго време.
• Може да работи както на дърва, така и на ядрено и всякакъв друг вид гориво.
• Горенето се извършва извън двигателя.

недостатъци

Приложение

В момента двигател на Стърлинг с генератор се използва в много области. Той е универсален източник на електрическа енергия в хладилници, помпи, подводници и слънчеви електроцентрали. Това е благодарение на приложението от различни видовегориво има възможност за широкото му използване.

Възраждане

Благодарение на Philips тези двигатели са разработени отново. В средата на двадесети век General Motors сключи споразумение с нея. Тя ръководи разработката за приложение на Стърлингс в космически и подводни устройства, кораби и автомобили. След тях друга компания от Швеция, United Stirling, започна да се занимава с разработването им, включително възможното използване в

днес линеен двигателСтърлинг се използва в инсталации на подводни, космически и слънчеви превозни средства. Голям интерес към него се предизвиква поради актуалността на проблемите на влошаването на околната среда, както и на борбата с шума. В Канада и САЩ, Германия и Франция, както и Япония се търси активно развитие и подобряване на използването му.

Бъдеще

Ясните предимства, които имат буталото и буталото на Стърлинг, състоящи се в дълъг експлоатационен живот, използване на различни горива, безшумност и ниска токсичност, го правят много обещаващо на фона на двигател с вътрешно горене. Но предвид факта, че двигателят с вътрешно горене е усъвършенстван през цялото време, той не може лесно да бъде изместен. По един или друг начин, точно такъв двигател заема водеща позиция днес и не възнамерява да го предаде в близко бъдеще.