Motore a combustione interna a combustione interna. Quale motore Stirling ha il miglior design con la massima efficienza? Alcuni dettagli del motore

Questo articolo è dedicato a un'invenzione brevettata nel diciannovesimo secolo da un prete scozzese, Stirling. Come tutti i predecessori, era un motore combustione esterna... L'unica differenza tra questo e gli altri è che può funzionare a benzina, olio combustibile e persino carbone e legna.

Nel XIX secolo divenne necessario sostituire i motori a vapore con qualcosa di più sicuro, poiché le caldaie spesso esplodevano a causa di alta pressione coppia e alcuni gravi difetti di progettazione.

Una buona opzione era il motore a combustione esterna, brevettato nel 1816 dal prete scozzese Robert Stirling.

È vero, i "motori ad aria calda" sono stati realizzati in precedenza, nel XVII secolo. Ma Stirling ha aggiunto un detergente al rig. In senso moderno, è un rigeneratore.

Ha aumentato la produttività dell'impianto, mantenendo il calore nella zona calda della macchina, nel momento in cui il fluido di lavoro è stato raffreddato. Ciò ha notevolmente aumentato l'efficienza del sistema.

L'invenzione trovò ampia applicazione pratica, ci fu uno stadio di ascesa e sviluppo, ma poi gli Stirling furono immeritatamente dimenticati.

hanno fatto strada motori a vapore e motori combustione interna, e nel ventesimo secolo sono rinati di nuovo.

In considerazione del fatto che questo principio di combustione esterna è di per sé molto interessante, oggi i migliori ingegneri e dilettanti negli Stati Uniti, in Giappone, in Svezia stanno lavorando alla creazione di nuovi modelli ...

Motore a combustione esterna. Principio di funzionamento

"Stirling" - come abbiamo già detto, una sorta di motore a combustione esterna. Il principio principale del suo funzionamento è la costante alternanza di riscaldamento e raffreddamento del fluido di lavoro in uno spazio chiuso e l'ottenimento di energia a causa della conseguente variazione del volume del fluido di lavoro.

Di norma, il fluido di lavoro è l'aria, ma è possibile utilizzare idrogeno o elio. Nei prototipi, hanno provato il biossido di azoto, i freon, il propano-butano liquefatto e persino l'acqua.

A proposito, l'acqua è allo stato liquido durante l'intero ciclo termodinamico. E lo "styling" stesso con un fluido di lavoro liquido ha dimensioni compatte, alta densità di potenza e alta pressione di lavoro.

Tipi di stile

Esistono tre tipi classici di motori Stirling:

Applicazione

Il motore Stirling può essere utilizzato nei casi in cui è richiesto un convertitore di energia termica semplice e compatto o quando l'efficienza di altri tipi di motori termici è inferiore: ad esempio, se la differenza di temperatura è insufficiente per l'utilizzo di gas o.

Ecco alcuni esempi specifici di utilizzo:

• Già oggi vengono prodotti generatori autonomi per i turisti. Esistono modelli che funzionano con un bruciatore a gas;

La NASA ha ordinato una versione di un generatore Stirling che funziona con fonti di calore nucleari e radioisotopi. Verrà utilizzato nelle missioni spaziali.

• "Stirling" per il pompaggio di liquidi è molto più semplice dell'installazione "motopompa". Come pistone funzionante, può utilizzare il liquido pompato, che allo stesso tempo raffredderà il fluido di lavoro.Con una tale pompa, puoi pompare acqua nei canali di irrigazione utilizzando il calore solare, fornire acqua calda dal collettore solare alla casa, pompare i reagenti chimici, poiché il sistema è completamente sigillato;
• I produttori di frigoriferi domestici stanno introducendo modelli di stile. Saranno più economici e si suppone che l'aria ordinaria venga utilizzata come refrigerante;
• Stirling combinato con una pompa di calore ottimizza il sistema di riscaldamento della casa. Emanerà il calore disperso del cilindro "freddo" e l'energia meccanica risultante potrà essere utilizzata per pompare il calore che proviene dall'ambiente;
• Oggi tutti i sottomarini della Marina svedese sono dotati di motori Stirling. Funzionano con ossigeno liquido, che viene poi utilizzato per respirare. Un fattore molto importante per una barca, il basso livello di rumorosità e svantaggi come "dimensioni grandi", "necessità di raffreddamento" non sono significativi in ​​un sottomarino. I nuovissimi sottomarini giapponesi della classe Soryu sono dotati di installazioni simili;
• Il motore Stirling viene utilizzato per convertire l'energia solare in energia elettrica. Per questo, è montato al centro dello specchio parabolico. Stirling Solar Energy costruisce collettori solari fino a 150 kW per specchio. Sono utilizzati nella più grande centrale solare del mondo nel sud della California.

Vantaggi e svantaggi

Il moderno livello di progettazione e tecnologia di produzione consente di aumentare il coefficiente azione utile"Stirling" fino al 70 percento.

• Sorprendentemente, la coppia del motore è praticamente indipendente dalla velocità di rotazione dell'albero motore;
• La centrale non contiene il sistema di accensione, il sistema di valvole e l'albero a camme.
• Durante l'intera vita utile, non sono necessarie regolazioni e impostazioni.
• Il motore non si "blocca" e la semplicità del design gli consente di funzionare in modalità autonoma per lungo tempo;
• Puoi utilizzare qualsiasi fonte di energia termica, dalla legna da ardere all'uranio.
• La combustione del carburante avviene all'esterno del motore, il che contribuisce alla sua completa postcombustione e riduce al minimo le emissioni tossiche.

• Poiché il carburante brucia all'esterno del motore, il calore viene rimosso attraverso le pareti del radiatore, che è di dimensioni aggiuntive;
• Consumo di materiale. Per rendere la macchina Stirling compatta e potente sono necessari costosi acciai resistenti al calore, in grado di sopportare elevate pressioni di esercizio e con bassa conducibilità termica;
• È necessario un lubrificante speciale, il solito per Stirling non è adatto, poiché coke ad alte temperature;
• Per ottenere un'elevata densità di potenza, negli Stirling vengono utilizzati idrogeno ed elio.

L'idrogeno è esplosivo e ad alte temperature può dissolversi nei metalli, formando idriti metalliche. In altre parole, si verifica la distruzione dei cilindri del motore.

Inoltre, l'idrogeno e l'elio sono altamente permeabili e penetrano facilmente attraverso le guarnizioni, abbassando la pressione di esercizio.

Se, dopo aver letto il nostro articolo, desideri acquistare un dispositivo: un motore a combustione esterna, non correre al negozio più vicino, una cosa del genere non è in vendita, purtroppo ...

Comprendi che coloro che sono impegnati nel miglioramento e nell'implementazione di questa macchina mantengono segreti i loro sviluppi e li vendono solo ad acquirenti rispettabili.

Guarda questo video e fallo da solo.

Questa è la parte introduttiva di una serie di articoli dedicati a Motore a combustione interna, che è una breve escursione nella storia dell'evoluzione del motore a combustione interna. Inoltre, l'articolo toccherà le prime auto.

Le sezioni seguenti descriveranno in dettaglio i vari ICE:

Biella-pistone
Rotante
Turbogetto
reattivo

Il motore è stato installato su una barca in grado di risalire il fiume Sona. Un anno dopo, dopo i test, i fratelli ricevettero un brevetto per la loro invenzione, firmato da Napoleon Bonopart, per un periodo di 10 anni.

Sarebbe più corretto chiamare questo motore un motore a reazione, poiché il suo lavoro consisteva nello spingere l'acqua fuori dal tubo sotto il fondo della barca ...

Il motore era costituito da una camera di accensione e una camera di combustione, un soffietto per l'iniezione dell'aria, un erogatore di carburante e un dispositivo di accensione. La polvere di carbone fungeva da carburante per il motore.

Il soffietto iniettava un flusso d'aria mista a polvere di carbone nella camera di accensione dove uno stoppino fumante accendeva la miscela. Successivamente, la miscela parzialmente accesa (la polvere di carbone brucia in modo relativamente lento) è entrata nella camera di combustione dove è completamente bruciata e si è espansa.
Inoltre, la pressione del gas ha spinto fuori l'acqua tubo di scarico, che ha fatto muovere la barca, dopo di che il ciclo è stato ripetuto.
Il motore ha funzionato in modalità a impulsi con una frequenza di ~ 12 e / minuto.

Dopo qualche tempo, i fratelli migliorarono il carburante aggiungendovi della resina, e in seguito lo sostituirono con olio e progettarono un semplice sistema di iniezione.
Nei successivi dieci anni, il progetto non ha ricevuto alcuno sviluppo. Claude è andato in Inghilterra per promuovere l'idea del motore, ma ha sperperato tutti i soldi e non ha ottenuto nulla, e Joseph ha iniziato a fotografare ed è diventato l'autore della prima foto al mondo "Vista dalla finestra".

In Francia, nella casa-museo di Niepses, è esposta una replica di "Pyreolophore".

Poco dopo, de Riva montò il suo motore su un veicolo a quattro ruote, che, secondo gli storici, fu la prima auto con motore a combustione interna.

A proposito di Alessandro Volta

Volta fu la prima a mettere nell'acido lastre di zinco e rame per produrre una corrente elettrica continua, creando la prima al mondo fonte chimica attuale ("Pilastro voltaico").

Nel 1776, Volta inventò una pistola a gas, la "pistola Volta", in cui il gas esplodeva da una scintilla elettrica.

Nel 1800 costruì una batteria chimica, che consentiva di ottenere elettricità attraverso reazioni chimiche.

L'unità di misura della tensione elettrica - Volt - prende il nome da Volta.

UN- cilindro, B- "candela, C- pistone, D- "palloncino" con idrogeno, E- cricchetto, F- valvola di scarico dei gas di scarico, G- maniglia per comando valvola.

L'idrogeno è stato immagazzinato in un pallone "ad aria" collegato da un tubo a un cilindro. L'alimentazione di carburante e aria, nonché l'accensione della miscela e il rilascio dei gas di scarico sono stati effettuati manualmente mediante leve.

Principio di funzionamento:

L'aria è entrata nella camera di combustione attraverso la valvola di scarico dei gas di scarico.
La valvola si stava chiudendo.
La valvola per la fornitura di idrogeno dalla palla è stata aperta.
Il rubinetto si stava chiudendo.
Premendo il pulsante, veniva applicata una scarica elettrica alla "candela".
La miscela lampeggiò e sollevò il pistone.
La valvola di scarico dei gas di scarico si stava aprendo.
Il pistone cadde sotto il suo stesso peso (era pesante) e tirò la corda, che fece girare le ruote attraverso il blocco.

Successivamente, il ciclo è stato ripetuto.

Nel 1813, de Riva costruì un'altra macchina. Era un carro lungo circa sei metri, con ruote di due metri di diametro e del peso di quasi una tonnellata.
L'auto è stata in grado di percorrere 26 metri con un carico di pietre (circa 700 libbre) e quattro uomini, alla velocità di 3 km/h.
Ad ogni ciclo, l'auto si spostava di 4-6 metri.

Pochi dei suoi contemporanei presero sul serio questa invenzione e l'Accademia francese delle scienze sostenne che un motore a combustione interna non avrebbe mai potuto competere in termini di prestazioni con un motore a vapore.

Nel 1833, l'inventore americano Lemuel Wellman Wright, ha registrato un brevetto per un motore a combustione interna a gas a due tempi raffreddato ad acqua.
(vedi sotto) ha scritto quanto segue sul motore Wright nel suo libro Gas and Oil Engines:

“Il disegno del motore è molto funzionale e i dettagli sono meticolosi. L'esplosione della miscela agisce direttamente sul pistone, che fa ruotare l'albero a gomiti attraverso la biella. Di aspetto esteriore il motore assomiglia a un motore a vapore ad alta pressione in cui gas e aria vengono pompati da serbatoi separati. La miscela nei contenitori sferici è stata accesa durante la salita del pistone al PMS (punto morto superiore) e l'ha spinta verso il basso / verso l'alto. A fine corsa la valvola si aprirebbe e scaricherà i gas di scarico nell'atmosfera”.

Non è noto se questo motore sia mai stato costruito, ma esiste un progetto per questo:

Nel 1838, l'ingegnere inglese William Barnett ha ricevuto un brevetto per tre motori a combustione interna.

Il primo motore è un due tempi a semplice effetto (combustibile bruciato solo su un lato del pistone) con pompe separate per gas e aria. La miscela veniva accesa in un cilindro separato, quindi la miscela in fiamme scorreva nel cilindro di lavoro. L'ingresso e l'uscita sono stati effettuati tramite valvole meccaniche.

Il secondo motore ripeteva il primo, ma era a doppio effetto, cioè la combustione avveniva alternativamente su entrambi i lati del pistone.

Anche il terzo motore era a doppio effetto, ma aveva porte di ingresso e uscita nelle pareti del cilindro che si aprivano nel momento in cui il pistone raggiungeva il punto estremo (come nei moderni due tempi). Ciò ha permesso di rilasciare automaticamente i gas di scarico e di ammettere una nuova carica della miscela.

Una caratteristica distintiva del motore Barnett era che la miscela fresca veniva compressa dal pistone prima di essere accesa.

Progetto per uno dei motori di Barnett:

Negli anni 1853-57, gli inventori italiani Eugenio Barzanti e Felice Matteucci hanno sviluppato e brevettato un motore a combustione interna a due cilindri con una capacità di 5 l / s.
Il brevetto è stato concesso dall'Ufficio di Londra perché la legge italiana non poteva garantire una protezione sufficiente.

La realizzazione del prototipo è stata affidata a Bauer & Co. di Milano" (Helvetica), e completato all'inizio del 1863. Il successo del motore, che era molto più efficiente del motore a vapore, fu così grande che l'azienda iniziò a ricevere ordini da tutto il mondo.

Primo motore monocilindrico Barzanti-Matteucci:

Modello motore bicilindrico Barzanti-Matteucci:

Matteucci e Barzanti stipularono un accordo per la produzione del motore con un'azienda belga. Barzanti partì per il Belgio per seguire personalmente i lavori e morì improvvisamente di tifo. Con la morte di Barzanti, tutti i lavori sul motore furono interrotti e Matteucci tornò al suo precedente lavoro di ingegnere idraulico.

Nel 1877, Matteucci affermò che lui e Barzanti erano i principali creatori del motore a combustione interna, e il motore costruito da August Otto era molto simile al motore Barzanti-Matteucci.

I documenti relativi ai brevetti di Barzanti e Matteucci sono conservati nell'archivio della biblioteca del Museo Galileo di Firenze.

L'invenzione più importante di Nikolaus Otto fu il motore con ciclo a quattro tempi- il ciclo Otto. Questo ciclo è il cuore della maggior parte dei motori a benzina e a benzina fino ad oggi.

Il ciclo a quattro tempi fu la più grande conquista tecnica di Otto, ma si scoprì presto che pochi anni prima della sua invenzione, lo stesso identico principio del motore era stato descritto dall'ingegnere francese Beau de Roche. (vedi sopra)... Un gruppo di industriali francesi ha contestato il brevetto di Otto in tribunale, la corte ha trovato convincenti le loro argomentazioni. I diritti di Otto sotto il suo brevetto furono notevolmente ridotti, inclusa la revoca del suo monopolio sul ciclo a quattro tempi.

Nonostante il fatto che i concorrenti abbiano lanciato la produzione di motori a quattro tempi, il modello Otto, elaborato da molti anni di esperienza, era ancora il migliore e la domanda non si è fermata. Nel 1897 furono prodotti circa 42 mila di questi motori. potere diverso... Tuttavia, il fatto che un gas luminoso sia stato utilizzato come combustibile ha notevolmente ristretto l'ambito della loro applicazione.
Il numero di fabbriche di illuminazione e gas era insignificante anche in Europa, mentre in Russia ce n'erano solo due: a Mosca e San Pietroburgo.

Nel 1865, l'inventore francese Pierre Hugo ha ricevuto un brevetto per una macchina che era un motore verticale, monocilindrico, a doppio effetto che utilizzava due pompe di gomma azionate da un albero a gomiti per fornire la miscela.

Hugo poi costruito motore orizzontale simile al motore Lenoir.

Museo della Scienza, Londra.

Nel 1870, l'inventore austro-ungarico Samuel Marcus Siegfried progettò un motore a combustione interna alimentato a combustibile liquido e lo installò su un carrello a quattro ruote.

Oggi questa vettura è nota come "La prima Marcus Car".

Nel 1887, in collaborazione con Bromovsky & Schulz, Markus costruì una seconda auto, la Second Marcus Car.

Nel 1872, un inventore americano ha brevettato un motore a combustione interna a pressione costante a due cilindri alimentato a cherosene.
Brighton ha chiamato il suo motore "Ready Motor".

Il primo cilindro fungeva da compressore che forzava l'aria nella camera di combustione, nella quale veniva continuamente alimentato il cherosene. Nella camera di combustione, la miscela è stata accesa e attraverso il meccanismo della bobina è entrata nel secondo: il cilindro di lavoro. Una differenza significativa rispetto agli altri motori era che la miscela aria-carburante si esauriva gradualmente ea pressione costante.

Chi è interessato agli aspetti termodinamici del motore può leggere del Brighton Cycle.

Nel 1878, ingegnere scozzese Sir (cavaliere nel 1917) sviluppato il primo motore a due tempi con accensione della miscela compressa. Lo brevettò in Inghilterra nel 1881.

Il motore funzionava in un modo curioso: aria e carburante venivano forniti al cilindro destro, lì veniva miscelato e questa miscela veniva spinta nel cilindro sinistro, dove veniva accesa la miscela della candela. L'espansione è avvenuta, entrambi i pistoni sono scesi, dal cilindro sinistro (attraverso il tubo di derivazione sinistro) sono stati emessi gas di scarico e una nuova porzione di aria e carburante è stata aspirata nel cilindro destro. A seguito dell'inerzia, i pistoni si alzavano e il ciclo si ripeteva.

Nel 1879, costruito una benzina completamente affidabile due tempi motore e ha ricevuto un brevetto per esso.

Tuttavia, il vero genio di Benz si è manifestato nel fatto che nei progetti successivi è stato in grado di combinare vari dispositivi. (acceleratore, accensione a batteria, candela, carburatore, frizione, cambio e radiatore) sui loro prodotti, che a loro volta sono diventati lo standard per tutta l'ingegneria meccanica.

Nel 1883, Benz fondò la società Benz & Cie per produrre motori a gas e nel 1886 brevettato quattro tempi il motore che usava nelle sue auto.

Grazie al successo di Benz & Cie, Benz ha potuto iniziare a progettare carrozze senza cavalli. Combinando la sua esperienza nella produzione di motori e il suo hobby di lunga data di progettazione di biciclette, nel 1886 aveva costruito la sua prima automobile e l'aveva chiamata "Benz Patent Motorwagen".

Il design ricorda fortemente un triciclo.

Motore a scoppio monocilindrico a quattro tempi con un volume di lavoro di 954 cm3. Installato su " Benz Patent Motorwagen".

Il motore era dotato di un grande volano (utilizzato non solo per la rotazione uniforme, ma anche per l'avviamento), un serbatoio del gas da 4,5 litri, un carburatore di tipo evaporativo e una valvola a saracinesca attraverso la quale il carburante entrava nella camera di combustione. L'accensione è stata effettuata con una candela di progettazione propria di Benz, la cui tensione è stata fornita dalla bobina Rumkorf.

Il raffreddamento era ad acqua, ma non a ciclo chiuso, ma evaporativo. Il vapore è uscito nell'atmosfera, quindi l'auto ha dovuto essere rifornita non solo con benzina, ma anche con acqua.

Il motore ha sviluppato 0,9 CV. a 400 giri/min e accelerò l'auto a 16 km/h.

Karl Benz sta guidando la sua macchina.

Poco dopo, nel 1896, Karl Benz inventò il motore boxer (o motore piatto), in cui i pistoni raggiungono contemporaneamente il punto morto superiore, bilanciandosi tra loro.

Museo Mercedes-Benz di Stoccarda.

Nel 1882, l'ingegnere inglese James Atkinson ha inventato il ciclo Atkinson e il motore Atkinson.

Il motore Atkinson è essenzialmente un motore a quattro tempi Ciclo Otto, ma con un meccanismo a manovella modificato. La differenza era che nel motore Atkinson, tutti e quattro i tempi si verificavano in un giro dell'albero motore.

L'uso del ciclo Atkinson nel motore ha ridotto il consumo di carburante e la rumorosità durante il funzionamento a causa della minore pressione di scarico. Inoltre, questo motore non richiedeva un cambio per azionare il meccanismo di distribuzione del gas, poiché l'apertura delle valvole metteva in movimento l'albero motore.

Nonostante una serie di vantaggi (inclusa l'elusione dei brevetti Otto) il motore non era ampiamente utilizzato a causa della complessità della produzione e di alcuni altri svantaggi.
Il ciclo Atkinson offre migliori prestazioni ambientali ed economia, ma richiede un numero di giri elevato. A bassi regimi, emette una coppia relativamente piccola e può andare in stallo.

Ora il motore Atkinson è utilizzato su veicoli ibridi « Toyota Prius"E" Lexus HS 250h ".

Nel 1884, l'ingegnere britannico Edward Butler, alla mostra di biciclette di Londra "Stanley Cycle Show" ha mostrato i disegni di un'auto a tre ruote con motore a combustione interna a benzina, e nel 1885 lo costruì e lo mostrò alla stessa mostra, chiamandolo "Velociclo". Inoltre, Butler è stato il primo a usare la parola benzina.

Il Velocycle è stato brevettato nel 1887.

Il Velocycle era dotato di un motore a benzina monocilindrico a quattro tempi dotato di bobina di accensione, carburatore, starter e raffreddato a liquido... Il motore sviluppava una potenza di circa 5 CV. con un volume di 600 cm3 e ha accelerato l'auto a 16 km / h.

Nel corso degli anni Butler migliorò le prestazioni del suo veicolo, ma non riuscì a testarlo a causa della "Legge della Bandiera Rossa" (pubblicato nel 1865), Per cui veicoli non deve superare una velocità superiore a 3 km/h. Inoltre, in macchina dovevano essere presenti tre persone, una delle quali doveva passare davanti all'auto con la bandiera rossa. (tale sono le misure di sicurezza) .

Nella rivista English Mechanic del 1890, Butler scrisse: "Le autorità vietano l'uso dell'auto su strada, a causa della quale mi rifiuto di sviluppare ulteriormente".

A causa della mancanza di interesse pubblico per l'auto, Butler l'ha smontata per rottame e ha venduto i diritti di brevetto a Harry J. Lawson. (produttore di biciclette), che ha continuato a produrre il motore per l'uso sulle barche.

Lo stesso Butler ha continuato a creare motori fissi e marini.

Nel 1891, Herbert Aykroyd Stewart, in collaborazione con Richard Hornsby and Sons, costruì il motore Hornsby-Akroyd, in cui il carburante (cherosene) veniva iniettato sotto pressione in fotocamera aggiuntiva (per la sua forma veniva chiamata "palla calda"), montato sulla testata e collegato alla camera di combustione da uno stretto passaggio. Il carburante è stato acceso dalle pareti calde della camera aggiuntiva e si è precipitato nella camera di combustione.

1. Fotocamera aggiuntiva (palla calda).
2. Cilindro.
3. Pistone.
4. Carrettiere.

Per avviare il motore è stata utilizzata una fiamma ossidrica, con la quale è stata riscaldata una camera aggiuntiva. (dopo l'avvio è stato riscaldato gas di scarico) ... Per questo motivo, il motore Hornsby-Akroyd che è stato il predecessore del motore diesel progettato da Rudolf Diesel, spesso indicato come "semi-diesel". Tuttavia, un anno dopo, Aykroyd migliorò il suo motore aggiungendo una "camicia d'acqua" (brevetto del 1892), che aumentò la temperatura nella camera di combustione aumentando il rapporto di compressione, e ora non c'era bisogno di una fonte di calore aggiuntiva.

Nel 1893, Rudolph Diesel ha ricevuto i brevetti per un motore termico e un "ciclo di Carnot" modificato chiamato "Metodo e apparato per convertire l'alta temperatura in lavoro".

Nel 1897, all'Augsburg impianto di costruzione di macchine» (dal 1904 UOMO), con la partecipazione finanziaria delle società di Friedrich Krupp e dei fratelli Sulzer, è stato creato il primo motore diesel funzionante di Rudolf Diesel
La potenza del motore era di 20 Potenza del cavallo a 172 giri/min, efficienza 26,2% con un peso di cinque tonnellate.
Questo ha superato di gran lunga gli attuali motori Otto con efficienza del 20% e turbine a vapore marine con efficienza del 12%, che hanno generato un vivo interesse nel settore per paesi diversi.

Il motore Diesel era un quattro tempi. L'inventore ha scoperto che l'efficienza di un motore a combustione interna viene aumentata aumentando il rapporto di compressione della miscela combustibile. Ma è impossibile comprimere fortemente la miscela combustibile, perché poi la pressione e la temperatura aumentano e si accende spontaneamente prima del tempo. Pertanto, Diesel ha deciso di comprimere non la miscela combustibile, ma aria pulita e alla fine della compressione iniettare carburante nel cilindro sotto forte pressione.
Poiché la temperatura dell'aria compressa ha raggiunto i 600-650 ° C, il carburante si è acceso spontaneamente e i gas, espandendosi, hanno spostato il pistone. Pertanto, il Diesel è riuscito ad aumentare significativamente l'efficienza del motore, eliminare il sistema di accensione e invece dell'uso del carburatore pompa di benzina alta pressione
Nel 1933, Elling scrisse profeticamente: "Quando ho iniziato a lavorare sulla turbina a gas nel 1882, ero fermamente convinto che la mia invenzione sarebbe stata richiesta nell'industria aeronautica".

Sfortunatamente, Elling morì nel 1949, mai prima dell'era dell'aviazione a turbogetto.

L'unica foto che siamo riusciti a trovare.

Forse qualcuno troverà qualcosa su quest'uomo nel Museo Norvegese della Tecnologia.

Nel 1903, Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky, sulla rivista "Scientific Review" ha pubblicato un articolo "Exploration of worldspaces by jet devices", dove ha dimostrato per la prima volta che un dispositivo in grado di effettuare un volo spaziale è un razzo. L'articolo proponeva anche il primo progetto di un missile a lungo raggio. Il suo corpo era una camera metallica allungata, dotata di liquido motore a reazione (che è anche un motore a combustione interna)... Ha proposto di utilizzare idrogeno liquido e ossigeno rispettivamente come combustibile e ossidante.

Probabilmente su questa nota razzo e spaziale, vale la pena finire la parte storica, poiché è arrivato il 20 ° secolo e i motori a combustione interna hanno iniziato a essere prodotti ovunque.

Postfazione filosofica...

K.E. Tsiolkovsky credeva che nel prossimo futuro le persone impareranno a vivere, se non per sempre, almeno per molto tempo. A questo proposito, ci sarà poco spazio (risorse) sulla Terra e le navi dovranno trasferirsi su altri pianeti. Sfortunatamente, qualcosa in questo mondo è andato storto e, con l'aiuto dei primi missili, le persone hanno deciso di distruggere semplicemente la propria specie ...

Grazie a tutti coloro che lo hanno letto.

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Nonostante le sue elevate prestazioni, motore moderno la combustione interna comincia a diventare obsoleta. La sua efficienza ha raggiunto, forse, il suo limite. Rumore, vibrazioni, gas che avvelenano l'aria e altri svantaggi intrinseci spingono gli scienziati a cercare nuove soluzioni, a riconsiderare le possibilità di cicli dimenticati da tempo. Stirling è uno dei motori "rianimati".

Nel 1816, il prete e scienziato scozzese Robert Stirling brevettò un motore in cui il carburante e l'aria che entrano nella zona di combustione non entrano mai nel cilindro. Quando bruciano, riscaldano solo il gas di lavoro al suo interno. Questo ha dato motivo di chiamare l'invenzione di Stirling un motore a combustione esterna.

Robert Stirling costruì diversi motori; l'ultimo aveva una capacità di 45 litri. insieme a. e ha lavorato in una miniera in Inghilterra per oltre tre anni (fino al 1847). Questi motori erano molto pesanti, occupavano molto spazio e sembravano motori a vapore.

Per la navigazione, i motori a combustione esterna furono usati per la prima volta nel 1851 dallo svedese John Erickson. La nave "Erickson" da lui costruita ha attraversato in sicurezza l'Oceano Atlantico dall'America all'Inghilterra con una centrale elettrica, che consisteva in quattro motori a combustione esterna. Nell'era dei motori a vapore, questa era una sensazione. ma presa della corrente Erickson ha sviluppato solo 300 litri. c., non 1000 come previsto. I motori erano enormi (alesaggio 4,2 m, corsa del pistone 1,8 m). Il consumo di carbone si è rivelato non inferiore a quello dei motori a vapore. Quando la nave arrivò in Inghilterra, si scoprì che i motori non erano adatti per ulteriori operazioni, poiché i loro fondi dei cilindri si erano bruciati. Per tornare in America, i motori dovevano essere sostituiti con un motore a vapore convenzionale. Sulla via del ritorno, la nave ha avuto un incidente ed è affondata con tutto l'equipaggio.

I motori a combustione esterna a bassa potenza alla fine del secolo scorso venivano utilizzati nelle case per il pompaggio dell'acqua, nelle tipografie, nelle imprese industriali, tra cui lo stabilimento Nobel di San Pietroburgo (ora "Russian Diesel") e venivano installati anche su piccoli navi. Gli Stirling venivano prodotti in molti paesi, inclusa la Russia, dove venivano chiamati "calore e forza". Erano apprezzati per la loro silenziosità e sicurezza di lavoro, che li faceva paragonare favorevolmente ai motori a vapore.

Con lo sviluppo dei motori a combustione interna, gli stirling furono dimenticati. Il dizionario enciclopedico di Brockgaue ed Efron dice di loro: “La sicurezza contro le esplosioni è il principale vantaggio delle macchine caloriche, grazie alle quali possono essere riutilizzate se si trovano nuovi materiali per la loro costruzione e lubrificazione che resistono meglio febbre alta».

Il punto, tuttavia, non era solo la mancanza di materiali pertinenti. I moderni principi della termodinamica erano ancora sconosciuti, in particolare l'equivalenza di calore e lavoro, senza la quale era impossibile determinare i rapporti più vantaggiosi degli elementi principali del motore. Gli scambiatori di calore erano realizzati con una piccola superficie, che faceva funzionare i motori a temperature irragionevolmente elevate e si guastava rapidamente.

I tentativi di migliorare Stirling furono fatti dopo la seconda guerra mondiale. Il più significativo di essi consisteva nel fatto che il gas di lavoro veniva utilizzato compresso fino a 100 atm e non aria, ma idrogeno, che ha un coefficiente di conducibilità termica più elevato, bassa viscosità e, inoltre, non ossida i lubrificanti.

Il dispositivo di un motore a combustione esterna nella sua forma moderna mostrato schematicamente in Fig. 1. Ci sono due pistoni in un cilindro chiusi su un lato. Quello superiore - il pistone - nella s press l serve ad accelerare il processo di riscaldamento e raffreddamento periodici del gas di lavoro. È un cilindro cavo e chiuso in acciaio inossidabile che non conduce bene il calore e si muove sotto l'azione di un'asta associata a un meccanismo a manovella.

Il pistone inferiore è un pistone funzionante (mostrato nella figura in sezione). Trasferisce la forza al meccanismo a manovella attraverso un'asta cava, all'interno della quale passa l'asta del dislocatore. Il pistone di lavoro è dotato di anelli di tenuta.

Sotto il pistone di lavoro è presente un serbatoio di accumulo, che forma un cuscino che funge da volano - per appianare le irregolarità della coppia dovute alla selezione di parte dell'energia durante la corsa di lavoro e al suo ritorno all'albero motore durante la corsa di compressione. Per isolare il volume del cilindro dallo spazio circostante vengono utilizzate guarnizioni a “calza avvolgente”. Questi sono tubi di gomma attaccati ad un'estremità allo stelo e l'altra al corpo.

La parte superiore del cilindro è a contatto con il riscaldatore e la parte inferiore è a contatto con il dispositivo di raffreddamento. Di conseguenza, in esso vengono rilasciati volumi "caldi" e "freddi", comunicando liberamente tra loro attraverso una tubazione in cui si trova un rigeneratore (scambiatore di calore). Il rigeneratore è riempito con un filo di piccolo diametro (0,2 mm) e ha un'elevata capacità termica (ad esempio, l'efficienza dei rigeneratori Filipe supera il 95%).

Il processo di lavoro di un motore Stirling può essere eseguito senza dislocatore, basato sull'utilizzo di un distributore di carica di lavoro con valvola a spola.

Nella parte inferiore del motore è presente un meccanismo a manovella, che serve a convertire il movimento alternativo del pistone in movimento rotatorio dell'albero. Una caratteristica di questo meccanismo è la presenza di due alberi motore collegati da due ingranaggi elicoidali che ruotano l'uno verso l'altro. Lo stelo del dislocatore è collegato a alberi motore tramite il bilanciere inferiore e le bielle trainate. L'asta del pistone di lavoro è collegata agli alberi motore tramite il bilanciere superiore e le bielle trainate. Il sistema di bielle identiche forma un rombo deformabile mobile, da cui il nome di questa trasmissione - rombico. La trasmissione rombica fornisce lo sfasamento necessario durante il movimento dei pistoni. È completamente bilanciato e non esercita forze laterali sulle bielle.

Nello spazio limitato dal pistone funzionante, c'è un gas funzionante: idrogeno o elio. Il volume totale di gas nella bombola è indipendente dalla posizione del dislocatore. Le variazioni di volume associate alla compressione e all'espansione del gas di lavoro si verificano a causa del movimento del pistone di lavoro.

Quando il motore è in funzione, la parte superiore del cilindro viene costantemente riscaldata, ad esempio da una camera di combustione nella quale viene iniettato carburante liquido. Il fondo del cilindro è costantemente raffreddato, ad esempio da acqua fredda pompata attraverso una camicia d'acqua che circonda il cilindro. Il ciclo chiuso di Stirling è costituito da quattro misure mostrate in Fig. 2.

Ciclo I - raffreddamento... Il pistone di lavoro è nella posizione più bassa, il dislocatore si alza. In questo caso, il gas di lavoro scorre dal volume "caldo" sopra il dislocatore al volume "freddo" sottostante. Passando lungo il percorso attraverso il rigeneratore, il gas di lavoro gli cede parte del suo calore, quindi si raffredda nel volume "freddo".

Misura II - Compressione... Il dislocatore rimane nella posizione superiore, il pistone di lavoro si sposta verso l'alto, comprimendo il gas di lavoro a bassa temperatura.

Fase III - riscaldamento... Il pistone di lavoro è nella posizione superiore, il dislocatore si abbassa. In questo caso, il gas di lavoro freddo compresso si precipita da sotto il dislocatore nello spazio vuoto sopra di esso. Durante il percorso, il gas di lavoro passa attraverso il rigeneratore, dove viene preriscaldato, entra nella cavità "calda" del cilindro e si riscalda ancora di più.

Ciclo IV - espansione (corsa utile)... Quando il gas di lavoro si riscalda, si espande, spostando il dislocatore e con esso il pistone di lavoro verso il basso. È fatta lavoro utile.

Stirling ha un cilindro chiuso. Nella fig. 3, a mostra un diagramma del ciclo teorico (schema V - P). L'ascissa mostra i volumi del cilindro e le ordinate mostrano la pressione nel cilindro. Il primo ciclo è isotermico I-II, il secondo avviene a volume costante II-III, il terzo è isotermico III-IV e il quarto è a volume costante IV-I. Poiché la pressione durante l'espansione del gas caldo (III-IV) è maggiore della pressione durante la compressione del gas freddo (I-II), il lavoro di espansione è maggiore del lavoro di compressione. L'utile lavoro del ciclo può essere rappresentato graficamente sotto forma di un quadrilatero curvo I-II-III-IV.

Nel processo vero e proprio, il pistone e il dislocatore si muovono continuamente, poiché sono collegati al manovellismo, quindi il diagramma del ciclo effettivo è arrotondato (Fig. 3, b).

L'efficienza teorica del motore Stirling è del 70%. Gli studi hanno dimostrato che in pratica è possibile ottenere un'efficienza pari al 50%. Questo è significativamente più delle migliori turbine a gas (28%), motori a benzina (30%) e diesel (40%).

Stirling può funzionare con benzina, cherosene, diesel, gas e persino combustibili solidi. Rispetto ad altri motori, ha una guida più fluida e silenziosa. Ciò è spiegato dal basso rapporto di compressione (1,3 ÷ 1,5), inoltre, la pressione nel cilindro aumenta gradualmente e non da un'esplosione. Anche i prodotti della combustione vengono scaricati senza rumore, poiché la combustione avviene continuamente. Ci sono relativamente pochi componenti tossici in essi, perché la combustione del carburante avviene continuamente e con un costante eccesso di ossigeno (α = 1.3).

Stirling con trasmissione rombica è completamente bilanciato e non genera vibrazioni. Questa qualità, in particolare, è stata presa in considerazione dagli ingegneri americani che hanno installato uno stile monocilindrico su un satellite terrestre artificiale, dove anche una leggera vibrazione e uno squilibrio possono portare alla perdita di orientamento.

Il raffreddamento rimane un problema problematico. Stirling con i gas di scarico rimuove solo il 9% del calore ricevuto dal carburante, quindi, ad esempio, quando lo si installa su un'auto, si dovrebbe realizzare un radiatore circa 2,5 volte più grande rispetto a quando si utilizza un motore a benzina della stessa potenza. Il compito è più facile da risolvere nelle installazioni navali, dove un raffreddamento efficace è fornito da una quantità illimitata di acqua di mare.

Nella fig. 4 mostra una sezione trasversale di un motore da barca bicilindrico Philips da 115 CV. insieme a. a 3000 giri/min con cilindri orizzontali. Il volume di lavoro totale di ciascun cilindro è di 263 cm 3. I pistoni, situati di fronte, sono collegati a due traverse, che hanno permesso di bilanciare completamente le forze del gas e di fare a meno dei volumi tampone. Il riscaldatore è costituito da tubi che circondano la camera di combustione attraverso i quali scorre il gas di lavoro. Il refrigeratore è un refrigeratore tubolare attraverso il quale viene pompata l'acqua di mare. Il motore ha due alberi a gomiti collegati all'albero di trasmissione tramite ingranaggi a vite senza fine. L'altezza del motore è di soli 500 mm, il che consente di installarlo sottocoperta e quindi di ridurre le dimensioni del vano motore.

La potenza Stirling è regolata principalmente modificando la pressione del gas di lavoro. Allo stesso tempo, per mantenere costante la temperatura del riscaldatore, viene regolata anche l'alimentazione del carburante. Quasi tutte le fonti di calore sono adatte per un motore a combustione esterna. È importante che possa convertire l'energia a bassa temperatura in lavoro utile, cosa di cui i motori a combustione interna non sono in grado di fare. Dalla curva in Fig. 5, si può vedere che a una temperatura del riscaldatore di soli 350 ° C, l'efficienza dello stirling è ancora ≈ 20%.

Stirling è economico: il suo consumo specifico di carburante è di soli 150 g / l. insieme a. ora. Nella centrale "Stirling engine-heat accumulator" utilizzata sui satelliti americani della Terra, l'accumulatore di calore è l'idrite di litio, che assorbe calore durante il periodo di "illuminazione" e lo cede allo stirling quando il satellite è in ombra lato della Terra. Sul satellite, il motore viene utilizzato per azionare un generatore da 3 kW a 2400 giri/min.

È stato creato uno scooter esperto con uno Stirling e un accumulatore di calore. L'uso di un accumulatore di calore e di un agente stirling su un sottomarino gli consente di durare molte volte più a lungo in una posizione sommersa.

Letteratura

• 1. Smirnov GV Motori a combustione esterna. "Conoscenza", M., 1967.
• 2. Dott. io. R. I. Meijer. Der Philips - Stirlingmotor, MTZ, N 7, 1968.
• 3. Curtis Anthony. Aria calda e vento di cambiamento. Il motore Stirling e la sua rinascita. Motore (ingl.) 1969, (135) n. 3488.

Solo un centinaio di anni fa, i motori a combustione interna dovevano conquistare il posto che occupano nella moderna industria automobilistica in una feroce lotta competitiva. Allora la loro superiorità non era affatto così ovvia come lo è oggi. Il motore a vapore - il principale rivale del motore a benzina - aveva infatti enormi vantaggi rispetto ad esso: silenziosità, semplicità di regolazione della potenza, ottime caratteristiche di trazione e sorprendente "onnivora", permettendogli di lavorare con qualsiasi tipo di combustibile dal legno al benzina. Ma alla fine, l'efficienza, la leggerezza e l'affidabilità dei motori a combustione interna hanno prevalso e hanno dovuto fare i conti con le loro carenze, come inevitabili.
Negli anni Cinquanta, con l'avvento delle turbine a gas e dei motori rotativi, iniziò un assalto alla posizione di monopolio occupata dai motori a combustione interna nell'industria automobilistica, assalto che non è stato ancora coronato da successo. Più o meno negli stessi anni, si tentò di portare in scena nuovo motore, che combina in modo sorprendente l'efficienza e l'affidabilità di un motore a benzina con la silenziosità e l'"onnivoro" impianto a vapore. Si tratta del famoso motore a combustione esterna, brevettato il 27 settembre 1816 dal sacerdote scozzese Robert Stirling (brevetto inglese n. 4081).

Fisica dei processi

Il principio di funzionamento di tutti i motori termici, senza eccezioni, si basa sul fatto che quando un gas riscaldato si espande, viene eseguito più lavoro meccanico di quello necessario per comprimere uno freddo. Bastano una bottiglia e due pentole di acqua calda e fredda per dimostrarlo. Innanzitutto, la bottiglia viene immersa in acqua ghiacciata e, quando l'aria in essa contenuta si raffredda, il collo viene tappato con un tappo di sughero e trasferito rapidamente nell'acqua calda. Dopo pochi secondi, viene erogato cotone e il gas riscaldato nella bottiglia spinge fuori il tappo, facendo lavoro meccanico... La bottiglia può essere restituita all'acqua ghiacciata - il ciclo si ripeterà.
questo processo fu riprodotto quasi esattamente nei cilindri, nei pistoni e nelle intricate leve della prima macchina Stirling, finché l'inventore non si rese conto che parte del calore prelevato dal gas durante il raffreddamento poteva essere utilizzato per un riscaldamento parziale. Tutto ciò che serve è una sorta di contenitore in cui sia possibile immagazzinare il calore sottratto al gas durante il raffreddamento e restituirlo quando riscaldato.
Ma ahimè, anche questo importantissimo miglioramento non salvò il motore Stirling. Nel 1885, i risultati ottenuti qui erano molto mediocri: efficienza del 5-7 percento, 2 litri. insieme a. potenza, 4 tonnellate di peso e 21 metri cubi di spazio occupato.
I motori a combustione esterna non furono salvati nemmeno dal successo di un altro progetto sviluppato dall'ingegnere svedese Erickson. A differenza di Stirling, propose di riscaldare e raffreddare il gas non a volume costante, ma a pressione costante. 8 Nel 1887, diverse migliaia di piccoli motori Erickson funzionavano perfettamente nelle tipografie, nelle case, nelle miniere, sulle navi. Hanno riempito serbatoi d'acqua e azionato ascensori. Erickson ha anche provato ad adattarli per gli equipaggi di guida, ma si sono rivelati troppo pesanti. In Russia, prima della rivoluzione, un gran numero di tali motori veniva prodotto con il nome di "Heat and Power".
Tuttavia, tenta di aumentare la potenza a 250 CV. insieme a. conclusa con un completo fallimento. La macchina con cilindro dal diametro di 4,2 metri sviluppava meno di 100 litri. Cioè, le camere antincendio si sono bruciate e la nave su cui erano installati i motori è andata persa.
Gli ingegneri senza rimpianti hanno salutato questi deboli mastodonti non appena sono comparsi motori a benzina e diesel potenti, compatti e leggeri. E improvvisamente, negli anni '60, quasi 80 anni dopo, gli Stirling e gli Erickson (li chiameremo convenzionalmente così per analogia con un motore diesel) iniziarono a parlare di formidabili rivali dei motori a combustione interna. Queste conversazioni non si placano fino ad oggi. Cosa spiega una svolta così netta nelle visualizzazioni?

Costo metodico

Quando vieni a conoscenza di una vecchia idea tecnica che è rinata nella tecnologia moderna, sorge immediatamente la domanda: cosa ne ha impedito l'attuazione prima? Qual era quel problema, quell'"indizio", senza la cui soluzione non poteva aprirsi la strada nella vita? E si scopre quasi sempre che la vecchia idea deve il suo revival o a un nuovo metodo tecnologico, o a un nuovo design, a cui i predecessori non pensavano, o a un nuovo materiale. Un motore a combustione esterna può essere considerato l'eccezione più rara.
I calcoli teorici mostrano che l'efficienza è Stirling ed Erickson possono raggiungere il 70%, più di qualsiasi altro motore. Ciò significa che i fallimenti dei loro predecessori sono stati spiegati da fattori secondari, in linea di principio rimovibili. La corretta scelta dei parametri e degli ambiti di applicazione, uno studio scrupoloso del funzionamento di ogni unità, un'attenta elaborazione e messa a punto di ogni dettaglio hanno permesso di realizzare i vantaggi del ciclo. Già i primi campioni sperimentali davano un'efficienza del 39 percento! (L'efficienza dei motori a benzina e dei diesel, che sono stati calcolati nel corso degli anni, è rispettivamente del 28-30 e 32-35 percento.) Quali opportunità Stirling ed Erickson hanno "trascurato" ai loro tempi?
lo stesso contenitore in cui il calore viene alternativamente immagazzinato e poi ceduto. Il calcolo del rigeneratore a quei tempi era semplicemente impossibile: la scienza del trasferimento di calore non esisteva. Le sue dimensioni sono state prese a occhio e, come mostrano i calcoli, l'efficienza dei motori a combustione esterna dipende molto dalla qualità del rigeneratore. È vero, le sue scarse prestazioni possono essere compensate in una certa misura da un aumento della pressione.
La seconda ragione del fallimento era che i primi impianti funzionavano in aria a pressione atmosferica: le loro dimensioni erano enormi e le loro capacità erano piccole.
Portare efficienza rigeneratore fino al 98 percento e riempiendo il circuito chiuso con idrogeno o elio compresso a 100 atmosfere, gli ingegneri dei nostri giorni hanno aumentato l'efficienza e la potenza dello "styling", che anche in questa forma ha mostrato efficienza. superiore a quello dei motori a combustione interna.
Basterebbe questo da solo per parlare dell'installazione di motori a combustione esterna sulle auto. Ma i vantaggi di queste macchine, riprese dall'oblio, non sono affatto esauriti solo dall'alta efficienza.

Come funziona Stirling

Schema schematico di un motore a combustione esterna:
1 - iniettore di carburante;
2 - tubo di derivazione di uscita;
3 - elementi del riscaldatore d'aria;
4 - riscaldatore ad aria;
5 - gas caldi;
6 - spazio caldo del cilindro;
7 - rigeneratore;
8 - cilindro;
9 - costole più fresche;
10 - spazio freddo;
11 - pistone funzionante;
12 - unità rombica;
13 - biella del pistone di lavoro;
14 - sincronizzazione degli ingranaggi;
15 - camera di combustione;
16 - tubi di riscaldamento;
17 - aria calda;
18 - pistone di spostamento;
19 - ingresso dell'aria;
20 - fornitura di acqua di raffreddamento;
21 - sigillo;
22 - volume tampone;
23 - sigillo;
24 - spintore del pistone di spostamento;
25 - spintore del pistone di lavoro;
26 - giogo del pistone di lavoro;
27 - dito del giogo del pistone di lavoro;
28 - biella del pistone di spostamento;
29 - giogo del pistone di spostamento;
30 - alberi a gomito.
Sfondo rosso - circuito di riscaldamento;
sfondo punteggiato - circuito di raffreddamento

V design moderno"Stirling", funzionante a combustibile liquido, - tre circuiti, aventi solo contatto termico tra loro. Questo è un circuito del fluido di lavoro (solitamente idrogeno o elio), un circuito di riscaldamento e un circuito di raffreddamento. Lo scopo principale del circuito di riscaldamento è mantenere una temperatura elevata nella parte superiore del circuito di lavoro. Il circuito frigorifero mantiene una bassa temperatura nella parte inferiore del circuito di lavoro. Il contorno del fluido di lavoro stesso è chiuso.
Contorno del corpo funzionante... Due pistoni si muovono nel cilindro 8: il pistone di lavoro 11 e il pistone di spostamento 18. Il movimento verso l'alto del pistone di lavoro porta alla compressione del mezzo di lavoro, il suo movimento verso il basso è causato dall'espansione del gas ed è accompagnato dal svolgimento di un lavoro utile. Il movimento verso l'alto del pistone di spostamento spinge il gas nella cavità inferiore e raffreddata del cilindro. Il suo movimento verso il basso corrisponde al riscaldamento del gas. La trasmissione rombica 12 impartisce ai pistoni un movimento corrispondente a quattro corse di ciclo ((queste corse sono mostrate nel diagramma).
misura I- raffreddamento del fluido di lavoro. Il pistone di spostamento 18 si muove verso l'alto, comprimendo il fluido di lavoro attraverso il rigeneratore 7, nel quale è immagazzinato il calore del gas riscaldato, nella parte inferiore e raffreddata del cilindro. Il pistone di lavoro 11 è a BDC.
Misura II- compressione del fluido di lavoro. L'energia immagazzinata nel gas compresso del volume tampone 22 impartisce un movimento verso l'alto al pistone di lavoro 11, accompagnato dalla compressione del fluido di lavoro freddo.
Barra III- riscaldamento del fluido di lavoro. Il pistone propellente 18, quasi affiancato al pistone di lavoro 11, sposta il gas nello spazio caldo attraverso il rigeneratore 7, nel quale il calore accumulato durante il raffreddamento viene restituito al gas.
Barra IV- espansione del fluido di lavoro - ciclo di lavoro. Quando riscaldato in uno spazio caldo, il gas si espande e svolge un lavoro utile. Una parte di essa viene immagazzinata nel gas compresso del volume tampone 22 per la successiva compressione del fluido di lavorazione a freddo. Il resto viene rimosso dagli alberi del motore.
Circuito di riscaldamento... L'aria viene immessa nella presa d'aria 19 dalla ventola, attraversa gli elementi 3 del riscaldatore, si riscalda ed entra negli iniettori di carburante. I gas caldi risultanti riscaldano i tubi 16 del riscaldatore del fluido di lavoro, scorrono attorno agli elementi 3 del riscaldatore e, dopo aver ceduto il loro calore all'aria destinata alla combustione del combustibile, vengono espulsi attraverso il tubo di uscita 2 nell'atmosfera.
Circuito di raffreddamento... L'acqua attraverso i tubi 20 viene fornita alla parte inferiore del cilindro e, scorrendo attorno alle alette di raffreddamento 9, le raffredda continuamente.

"Stirlings" invece di ICE

I primissimi test, effettuati mezzo secolo fa, hanno dimostrato che lo "styling" è quasi perfettamente silenzioso. Non ha carburatore, iniettori ad alta pressione, sistema di accensione, valvole, candele. La pressione nel cilindro, sebbene salga a quasi 200 atm, ma non per un'esplosione, come in un motore a combustione interna, ma senza intoppi. Il motore non necessita di marmitte. La trasmissione cinematica del pistone a forma di diamante è completamente bilanciata. Nessuna vibrazione, nessun tintinnio.
Dicono che anche con una mano sul motore, non è sempre possibile determinare se funziona o meno. Queste qualità motore dell'auto particolarmente importante, perché nelle grandi città il problema della riduzione del rumore è acuto.
Ma un'altra qualità è "onnivora". Non esiste, infatti, fonte di calore che non sia adatta ad un motore Stirling. Un'auto con un motore del genere può funzionare a legna, paglia, carbone, cherosene, combustibile nucleare, persino alla luce del sole. Può lavorare sul calore immagazzinato nella fusione di un po' di sale o di ossido. Ad esempio, una fusione di 7 litri di ossido di alluminio sostituisce 1 litro di benzina. Tale versatilità non solo sarà in grado di aiutare sempre un guidatore in difficoltà. Risolverà il problema acuto dell'inquinamento da fumo nelle città. Avvicinandosi alla città, l'autista accende il fornello e scioglie il sale nel serbatoio. Il carburante non viene bruciato entro i limiti della città: il motore funziona a fusione.
E la regolamentazione? Per ridurre la potenza, è sufficiente rilasciare la quantità richiesta di gas dal circuito chiuso del motore in un cilindro di acciaio. L'automazione riduce immediatamente l'alimentazione del carburante in modo che la temperatura rimanga costante indipendentemente dalla quantità di gas. Per aumentare la potenza, il gas viene pompato dal cilindro nel circuito.
Tuttavia, in termini di costo e peso, gli Stirling sono ancora inferiori ai motori a combustione interna. Per 1 litro. insieme a. hanno 5 kg, che è molto più della benzina e motori diesel... Ma non dobbiamo dimenticare che questi sono ancora i primi, non portati al alto grado perfezione del modello.
I calcoli teorici mostrano che, a parità di altre condizioni, gli "stirling" richiedono pressioni inferiori. Questo è un vantaggio importante. E se hanno anche vantaggi costruttivi, è possibile che siano loro a rivelarsi il più formidabile rivale dei motori a combustione interna nell'industria automobilistica. E niente turbine.

Stirling di GM

Il lavoro serio per migliorare il motore a combustione esterna, iniziato 150 anni dopo la sua invenzione, ha già dato i suoi frutti. Vengono proposte diverse varianti costruttive del motore funzionante secondo il ciclo Stirling. Esistono progetti di motori con un piatto oscillante per la regolazione della corsa dei pistoni, un motore rotativo brevettato, in una delle sezioni rotanti di cui si verifica la compressione, nell'altra - espansione, e l'alimentazione e la rimozione del calore viene effettuata nel canali che collegano le cavità. La pressione massima nei cilindri dei singoli campioni raggiunge i 220 kg / cm 2 e la media pressione effettiva- fino a 22 e 27 kg/cm 2 e oltre. L'efficienza è stata aumentata a 150 g/cv/ora.
Il più grande progresso è stato fatto da General Motors, che negli anni '70 ha costruito uno "styling" a forma di V con un meccanismo a manovella convenzionale. Un cilindro funziona, l'altro è a compressione. Il pistone di lavoro contiene solo il pistone di lavoro e il pistone di spostamento si trova nel cilindro di compressione. Tra i cilindri si trovano un riscaldatore, un rigeneratore e un raffreddatore. L'angolo di sfasamento, in altre parole, l'angolo di sfasamento di un cilindro rispetto all'altro, per questo "stirling" è pari a 90 °. La velocità di un pistone dovrebbe essere massima nel momento in cui la velocità dell'altro è zero (al punto morto superiore e inferiore). Lo sfasamento nel movimento dei pistoni si ottiene posizionando i cilindri con un angolo di 90°. Strutturalmente, questo è lo "stile" più semplice. Ma è inferiore al motore a manovella rombico in equilibrio. Per bilanciare completamente le forze d'inerzia in un motore a V, il numero dei suoi cilindri deve essere aumentato da due a otto.

Schema schematico dello "stirling" a forma di V:
1 - cilindro funzionante;
2 - pistone funzionante;
3 - riscaldatore;
4 - rigeneratore;
5 - manicotto termoisolante;
6 - più fresco;
7 - cilindro di compressione.

Il ciclo di lavoro in un tale motore procede come segue.
Nel cilindro di lavoro 1, il gas (idrogeno o elio) viene riscaldato, nell'altro, nel cilindro di compressione 7, viene raffreddato. Quando il pistone si alza nel cilindro 7, il gas viene compresso: la corsa di compressione. A questo punto, il pistone 2 nel cilindro 1 inizia a muoversi verso il basso.Il gas dal cilindro freddo 7 scorre nel caldo 1, passando in sequenza attraverso il dispositivo di raffreddamento 6, il rigeneratore 4 e il riscaldatore 3 - ciclo di riscaldamento. Il gas caldo si espande nel cilindro 1, facendo lavoro - corsa di espansione. Quando il pistone 2 si sposta nel cilindro 1 verso l'alto, il gas viene pompato attraverso il rigeneratore 4 e il dispositivo di raffreddamento 6 nel cilindro 7 - ciclo di raffreddamento.
Questo schema "stirling" è più conveniente per l'inversione. Nell'alloggiamento combinato del riscaldatore, del rigeneratore e del dispositivo di raffreddamento (parleremo del loro design più avanti), gli ammortizzatori sono fatti per questo. Se li sposti da una posizione estrema all'altra, il cilindro freddo diventerà caldo e il caldo - freddo e il motore ruoterà nella direzione opposta.
Il riscaldatore è un insieme di tubi in acciaio inossidabile resistenti al calore attraverso i quali scorre il gas di lavoro. I tubi sono riscaldati dalla fiamma di un bruciatore atto a bruciare vari combustibili liquidi. Il calore del gas riscaldato viene immagazzinato nel rigeneratore. Questa unità è di grande importanza per ottenere un'elevata efficienza. Raggiungerà il suo scopo se trasferisce circa tre volte più calore rispetto al riscaldatore e il processo richiede meno di 0,001 secondi. In breve, è un accumulatore di calore ad azione rapida e la velocità di trasferimento del calore tra il rigeneratore e il gas è di 30.000 gradi al secondo. Il rigeneratore, il cui rendimento è di 0,98 unità, è costituito da un corpo cilindrico, nel quale sono disposte in serie più rondelle, realizzate con filo di filo (diametro filo 0,2 mm). Per evitare che il calore venga trasferito al frigorifero, tra queste unità è installato un manicotto termoisolante. Infine, c'è un frigorifero. È progettato come una camicia d'acqua sulla tubazione.
La potenza Stirling viene regolata modificando la pressione del gas di lavoro. A tale scopo, il motore è dotato di una bombola del gas e di un compressore speciale.

Vantaggi e svantaggi

Per valutare le prospettive di applicazione dello "stirling" sulle auto, analizziamone vantaggi e svantaggi. Cominciamo con uno dei più importanti per motore termico parametri, il cosiddetto rendimento teorico Per lo "stirling", è determinato dalla seguente formula:

η = 1 - Tx / Tg

Dove è l'efficienza, Tx è la temperatura del volume "freddo" e Tg è la temperatura del volume "caldo". Quantitativamente, questo parametro per lo "stirling" è 0,50. Questo è significativamente superiore a quello delle migliori turbine a gas, benzina e diesel, che hanno un'efficienza teorica rispettivamente di 0,28; 0.30; 0,40.
Come motore a combustione esterna. stirling "può funzionare su vari combustibili: benzina, kerosene, gasolio, gassoso e anche solido. Caratteristiche del carburante come cetano e numero di ottano, contenuto di ceneri, punto di ebollizione durante la combustione al di fuori del cilindro del motore, non contano per lo “stirling”. Per farlo funzionare con combustibili diversi, non sono necessarie modifiche importanti: è sufficiente sostituire il bruciatore.
Un motore a combustione esterna in cui la combustione è stabile con un rapporto di aria in eccesso costante di 1,3. emette molto meno di un motore a combustione interna, monossido di carbonio, idrocarburi e ossidi di azoto.
La bassa rumorosità dello "stirling" è spiegata dal basso rapporto di compressione (da 1,3 a 1,5). La pressione nel cilindro aumenta gradualmente e non per un'esplosione, come in una benzina o motore diesel... L'assenza di fluttuazioni nella colonna dei gas nel tratto di scarico determina la silenziosità dello scarico, confermata dai test del motore sviluppato da Phillips in collaborazione con Ford per l'autobus.
"Stirling" si distingue per il basso consumo di olio e l'elevata resistenza all'usura dovuta all'assenza di sostanze attive nel cilindro e alla temperatura relativamente bassa del gas di lavoro, e la sua affidabilità è superiore a quella dei motori a combustione interna a noi noti, poiché non ha un meccanismo di distribuzione del gas complesso.
Un importante vantaggio dello Stirling come motore automobilistico è la sua maggiore adattabilità alle variazioni di carico. È, ad esempio, il 50 percento superiore a quello di un motore a carburatore, grazie al quale è possibile ridurre il numero di marce nel cambio. Tuttavia, è impossibile abbandonare completamente la frizione e il cambio, come in un'auto a vapore.
Ma perché un motore con vantaggi così evidenti non ha ancora trovato applicazione pratica? Il motivo è semplice: ha ancora molte carenze irrisolte. Primo fra tutti è la grande complessità del controllo e della regolamentazione. Ci sono altri "reef" che non sono così facili da aggirare sia per i progettisti che per gli addetti alla produzione.In particolare i pistoni necessitano di guarnizioni molto efficaci che devono resistere a pressioni elevate (fino a 200 kg/cm2) ed evitare che l'olio entri nella cavità di lavoro . In ogni caso, il lavoro di 25 anni di Phillips sulla messa a punto del suo motore non è ancora stato in grado di renderlo adatto all'uso di massa nelle automobili. Di non poca importanza è la caratteristica dello "stirling": la necessità di rimuovere una grande quantità di calore con l'acqua di raffreddamento. Nei motori a combustione interna, una parte significativa del calore viene emessa nell'atmosfera insieme ai gas di scarico. In "sterlina", solo il 9% del calore generato dalla combustione del carburante va nello scarico. Se in motore a gasolio la combustione interna con acqua di raffreddamento rimuove dal 20 al 25 percento del calore, quindi nello "stirling" - fino al 50 percento. Ciò significa che un'auto con un motore del genere deve avere un radiatore circa 2-2,5 volte più grande di quello di un motore a benzina simile. Lo svantaggio dello "stirling" è il suo alto peso specifico rispetto al comune motore a combustione interna. Un altro svantaggio piuttosto significativo è la difficoltà di aumentare la velocità: già a 3600 giri/min le perdite idrauliche aumentano notevolmente e il trasferimento di calore si deteriora. E infine. "Lo stile" è inferiore motore convenzionale combustione interna in risposta all'acceleratore.
Lavori alla creazione e al perfezionamento dello "styling" automobilistico, incluso per vagoni passeggeri, Continua. Si può ritenere che al momento le questioni fondamentali siano state risolte. Tuttavia, c'è ancora molto lavoro da fare. L'uso di leghe leggere può ridurre il peso specifico del motore, ma sarà comunque superiore. rispetto a quello di un motore a combustione interna, a causa della maggiore pressione del gas di lavoro. Probabilmente, il motore a combustione esterna troverà applicazione principalmente in camion, in particolare i militari - a causa della sua bassa domanda di carburante.

Il motore Stirling, il cui principio di funzionamento è qualitativamente diverso dal consueto per tutti i motori a combustione interna, una volta costituiva una degna concorrenza a quest'ultimo. Tuttavia, si dimenticarono di lui per un po'. Come viene utilizzato oggi questo motore, qual è il principio del suo funzionamento (nell'articolo puoi trovare anche i disegni del motore Stirling, che ne dimostrano chiaramente il funzionamento) e quali sono le prospettive di utilizzo in futuro, leggi di seguito.

Storia

Nel 1816 in Scozia, Robert Stirling brevettò il nome oggi in onore del suo inventore. I primi motori ad aria calda furono inventati prima di lui. Ma Stirling ha aggiunto un purificatore al dispositivo, che nella letteratura tecnica è chiamato rigeneratore o scambiatore di calore. Grazie a lui, le prestazioni del motore sono aumentate mantenendo l'unità calda.

Il motore è stato riconosciuto come il motore a vapore più durevole disponibile all'epoca, poiché non è mai esploso. Prima di lui, su altri motori, questo problema si presentava spesso. Nonostante il suo rapido successo, all'inizio del XX secolo, il suo sviluppo fu abbandonato, poiché divenne meno economico di altri motori a combustione interna e motori elettrici apparsi allora. Tuttavia, Stirling ha continuato ad essere utilizzato in alcune industrie.

Motore a combustione esterna

Il principio di funzionamento di tutti i motori termici è che per ottenere un gas in uno stato espanso sono necessarie forze meccaniche maggiori rispetto a quando si comprime uno freddo. Per dimostrarlo, si può fare un esperimento con due pentole piene di acqua calda e fredda, oltre a una bottiglia. Quest'ultimo viene immerso in acqua fredda, tappato, quindi trasferito in acqua calda. Ciò farà sì che il gas nella bottiglia esegua un lavoro meccanico e spinga fuori il tappo. Il primo motore a combustione esterna si basava interamente su questo processo. È vero, in seguito l'inventore si rese conto che parte del calore poteva essere utilizzato per il riscaldamento. Pertanto, la produttività è aumentata in modo significativo. Ma anche questo non ha aiutato il motore a diffondersi.

Successivamente, Erickson, un ingegnere svedese, migliorò il design proponendo di raffreddare e riscaldare il gas a pressione costante anziché a volume. Di conseguenza, molte copie iniziarono ad essere utilizzate per il lavoro nelle miniere, sulle navi e nelle tipografie. Ma per gli equipaggi si sono rivelati troppo pesanti.

Motori a combustione esterna di Philips

Tali motori sono dei seguenti tipi:

• vapore;
• turbina a vapore;
• Stirling.

Quest'ultimo tipo non è stato sviluppato a causa della bassa affidabilità e il resto non sono gli indicatori più alti rispetto agli altri tipi di unità che sono apparsi. Tuttavia, la Philips riprese le operazioni nel 1938. I motori iniziarono a servire per azionare i generatori nelle aree non elettrificate. Nel 1945, gli ingegneri dell'azienda hanno trovato per loro l'uso opposto: se l'albero viene ruotato da un motore elettrico, il raffreddamento della testata del cilindro raggiunge i meno centonovanta gradi Celsius. Quindi si decise di utilizzare un motore Stirling migliorato nelle unità di refrigerazione.

Principio di funzionamento

L'azione del motore è quella di lavorare in cicli termodinamici, in cui la compressione e l'espansione avvengono a temperature diverse. In questo caso, la regolazione del flusso del fluido di lavoro viene realizzata a causa del volume variabile (o della pressione, a seconda del modello). Questo è il principio di funzionamento della maggior parte di queste macchine, che possono avere funzioni e schemi di progettazione differenti. I motori possono essere alternativi o rotativi. Le macchine con i loro impianti funzionano come pompe di calore, frigoriferi, generatori di pressione e così via.

Inoltre, esistono motori a ciclo aperto dove il controllo del flusso è realizzato mediante valvole. Sono chiamati motori Erickson, ad eccezione del nome comune del nome Stirling. In un motore a combustione interna, il lavoro utile viene svolto dopo la compressione preliminare dell'aria, l'iniezione di carburante, il riscaldamento della miscela risultante miscelata con la combustione e l'espansione.

Il motore Stirling ha lo stesso principio di funzionamento: a basse temperature si verifica la compressione e ad alte temperature si verifica l'espansione. Ma il riscaldamento viene effettuato in modi diversi: il calore viene fornito attraverso la parete del cilindro dall'esterno. Pertanto, ha ricevuto il nome del motore a combustione esterna. Stirling utilizzava un cambio di temperatura periodico con un pistone dislocante. Quest'ultimo sposta il gas da una cavità del cilindro all'altra. Da un lato, la temperatura è costantemente bassa e dall'altro è alta. Quando il pistone si alza, il gas si sposta dalla cavità calda a quella fredda e torna in quella calda verso il basso. Innanzitutto, il gas emette molto calore al frigorifero, quindi riceve tanto calore dal riscaldatore quanto ne ha dato. Un rigeneratore è posizionato tra il riscaldatore e il frigorifero, una cavità piena di materiale a cui il gas emette calore. In caso di flusso inverso, il rigeneratore lo restituisce.

Il sistema a dislocatore è collegato a un pistone funzionante che comprime il gas a basse temperature e ne consente l'espansione a caldo. Il lavoro utile è svolto dalla compressione a una temperatura più bassa. L'intero sistema esegue quattro cicli con movimenti intermittenti. Il meccanismo a manovella garantisce così la continuità. Pertanto, non si osservano confini netti tra le fasi del ciclo e Stirling non diminuisce.

Considerando tutto quanto sopra, la conclusione suggerisce stessa che questo motore è una macchina a pistoni con un'alimentazione esterna di calore, dove il fluido di lavoro non lascia lo spazio ristretto e non viene sostituito. I disegni del motore Stirling illustrano bene il dispositivo e il principio del suo funzionamento.

Dettagli del lavoro

Il sole, l'elettricità, l'energia nucleare o qualsiasi altra fonte di calore possono fornire energia a un motore Stirling. Il principio del suo corpo è usare elio, idrogeno o aria. Un ciclo ideale ha un'efficienza termica massima possibile dal trenta al quaranta percento. Ma con un rigeneratore efficace, sarà in grado di funzionare con più alta efficienza... Rigenerazione, riscaldamento e raffreddamento sono forniti da scambiatori di calore oil-free integrati. Va notato che il motore ha bisogno di pochissima lubrificazione. La pressione media della bombola è generalmente compresa tra 10 e 20 MPa. Pertanto, qui è richiesto un eccellente sistema di tenuta e la capacità di far entrare l'olio nelle camere di lavoro.

Caratteristiche comparative

La maggior parte dei motori di questo tipo oggi in funzione utilizzano combustibili liquidi. La pressione continua è facile da controllare, il che aiuta a ridurre le emissioni. L'assenza di valvole garantisce un funzionamento silenzioso. La potenza in rapporto al peso è paragonabile a quella dei motori turbo, e il rapporto tra potenza e peso è unità diesel... Velocità e coppia sono indipendenti l'una dall'altra.

Il costo di produzione di un motore è molto più alto di quello di un motore a combustione interna. Ma durante il funzionamento, si ottiene l'indicatore opposto.

Vantaggi

Qualsiasi modello di motore Stirling ha molti vantaggi:

• L'efficienza nel design moderno può raggiungere il settanta percento.
• Non c'è nessun sistema nel motore accensione ad alta tensione, albero a camme e valvole. Non avrà bisogno di essere regolato durante la sua intera vita di servizio.
• In Stirling, non c'è un'esplosione come nel motore a combustione interna, che carica pesantemente l'albero motore, i cuscinetti e le bielle.
• Non hanno quell'effetto quando dicono che "il motore si è fermato".
• Grazie alla semplicità del dispositivo, può essere utilizzato per lungo tempo.
• Può funzionare sia a legna che con nucleare e qualsiasi altro tipo di combustibile.
• La combustione avviene all'esterno del motore.

svantaggi

Applicazione

Attualmente, in molte aree viene utilizzato un motore Stirling con un generatore. È una fonte versatile di energia elettrica in frigoriferi, pompe, sottomarini e centrali solari. È grazie all'applicazione di vario genere carburante c'è la possibilità del suo ampio uso.

Rinascita

Grazie a Philips, questi motori sono stati nuovamente sviluppati. A metà del ventesimo secolo, la General Motors stipulò un accordo con lei. Ha guidato lo sviluppo per l'applicazione di Stirling in dispositivi spaziali e subacquei, navi e automobili. Seguendoli, un'altra azienda dalla Svezia, United Stirling, iniziò ad occuparsi del loro sviluppo, compreso il possibile utilizzo in

Oggi motore lineare Stirling è utilizzato nelle installazioni di veicoli subacquei, spaziali e solari. Grande interesse in esso è dovuto all'attualità dei temi del degrado ambientale, nonché della lotta al rumore. In Canada e negli Stati Uniti, in Germania e Francia, oltre che in Giappone, c'è una ricerca attiva per lo sviluppo e il miglioramento del suo utilizzo.

Futuro

I chiari vantaggi che il pistone e lo Stirling hanno, che consistono in una lunga durata, l'uso di diversi combustibili, silenziosità e bassa tossicità, lo rendono molto promettente sullo sfondo di un motore a combustione interna. Tuttavia, dato che il motore a combustione interna è stato costantemente migliorato, non può essere facilmente spostato. In un modo o nell'altro, è proprio un motore del genere che oggi occupa una posizione di primo piano e non intende cederlo nel prossimo futuro.