Motor cu ardere internă cu ardere internă. Care motor Stirling are cel mai bun design cu eficiență maximă? Cateva detalii despre motor

Acest articol este dedicat unei invenții brevetate în secolul al XIX-lea de un preot scoțian, Stirling. Ca toți predecesorii, era un motor ardere externă... Singura diferență dintre el și celelalte este că poate funcționa cu benzină, păcură și chiar și cărbune și lemn.

În secolul al XIX-lea, a devenit necesară înlocuirea mașinilor cu abur cu ceva mai sigur, deoarece cazanele explodau adesea din cauza presiune ridicata cuplu și câteva defecte grave de design.

O opțiune bună a fost motorul cu ardere externă, brevetat în 1816 de preotul scoțian Robert Stirling.

Adevărat, „motoarele cu aer cald” au fost fabricate mai devreme, în secolul al XVII-lea. Dar Stirling a adăugat un agent de curățare la instalație. În sensul modern, este un regenerator.

A crescut productivitatea instalației, păstrând căldura în zona caldă a mașinii, în momentul în care fluidul de lucru a fost răcit. Acest lucru a crescut foarte mult eficiența sistemului.

Invenția a găsit o aplicație practică largă, a existat o etapă de ascensiune și dezvoltare, dar apoi Stirlingii au fost uitați nemeritat.

Au făcut loc motoare cu aburi si motoare combustie interna, iar în secolul al XX-lea au renascut din nou.

Având în vedere faptul că acest principiu de ardere externă este foarte interesant în sine, astăzi cei mai buni ingineri și amatori din SUA, Japonia, Suedia lucrează la crearea de noi modele ...

Motor cu ardere externă. Principiul de funcționare

„Stirling” - așa cum am menționat deja, un fel de motor cu ardere externă. Principiul principal al funcționării sale este alternanța constantă a încălzirii și răcirii fluidului de lucru într-un spațiu închis și obținerea de energie datorită modificării rezultate în volumul fluidului de lucru.

De regulă, fluidul de lucru este aer, dar se poate folosi hidrogen sau heliu. În prototipuri, au încercat dioxid de azot, freoni, propan-butan lichefiat și chiar apă.

Apropo, apa este în stare lichidă pe tot parcursul ciclului termodinamic. Și „stilizarea” în sine cu un fluid de lucru lichid are o dimensiune compactă, densitate mare de putere și presiune de lucru ridicată.

Tipuri de styling

Există trei tipuri clasice de motoare Stirling:

Aplicație

Motorul Stirling poate fi utilizat în cazurile în care este necesar un convertor simplu, compact de energie termică sau când randamentul altor tipuri de motoare termice este mai scăzută: de exemplu, dacă diferența de temperatură este insuficientă pentru utilizarea gazului sau.

Iată exemple specifice de utilizare:

• Astăzi se produc deja generatoare autonome pentru turiști. Exista modele care functioneaza pe arzator pe gaz;

NASA a comandat o versiune a generatorului Stirling, care este alimentat de surse de căldură nucleare și radioizotopi. Va fi folosit în misiuni spațiale.

• Stirling pentru transferul lichidului este mult mai simplu decât instalarea motopompei. Ca piston de lucru, poate folosi lichidul pompat, care va răci în același timp fluidul de lucru.Cu o astfel de pompă, puteți pompa apă în canalele de irigare folosind căldura solară, furnizați apă caldă de la colectorul solar către casă, pompați reactivi chimici, deoarece sistemul este complet etanș;
• Producătorii de frigidere de uz casnic introduc modele de stil. Vor fi mai economice, iar aerul obișnuit ar trebui să fie folosit ca agent frigorific;
• Stirling combinat cu o pompa de caldura optimizeaza sistemul de incalzire din casa. Acesta va degaja căldura reziduală a cilindrului „rece”, iar energia mecanică rezultată poate fi folosită pentru a pompa căldura care vine din mediul înconjurător;
• Astăzi, toate submarinele Marinei Suedeze sunt echipate cu motoare Stirling. Acestea funcționează cu oxigen lichid, care este apoi folosit pentru respirație. Un factor foarte important pentru o barcă, nivelul scăzut de zgomot și dezavantaje precum „dimensiunea mare”, „nevoia de răcire” nu sunt semnificative într-un submarin. Cele mai noi submarine japoneze din clasa Soryu sunt echipate cu instalații similare;
• Motorul Stirling este folosit pentru a transforma energia solară în energie electrică. Pentru aceasta, este montat la focarul oglinzii parabolice. Stirling Solar Energy construiește colectoare solare de până la 150 kW per oglindă. Sunt folosite în cea mai mare centrală solară din lume din sudul Californiei.

Avantaje și dezavantaje

Nivelul modern de proiectare și tehnologie de fabricație vă permite să creșteți coeficientul acțiune utilă„Stirling” până la 70 la sută.

• În mod surprinzător, cuplul motor este practic independent de viteza de rotație a arborelui cotit;
• Centrala nu conține sistemul de aprindere, sistemul de supape și arborele cu came.
• Pe toată durata de viață, nu sunt necesare ajustări și setări.
• Motorul nu „se blochează”, iar simplitatea designului îi permite să fie operat în mod autonom pentru o lungă perioadă de timp;
• Se poate folosi orice sursă de energie termică, de la lemn de foc la combustibil uraniu.
• Arderea combustibilului are loc în afara motorului, ceea ce contribuie la arderea completă a acestuia și la minimizarea emisiilor toxice.

• Deoarece combustibilul arde în afara motorului, căldura este îndepărtată prin pereții radiatorului, ceea ce reprezintă dimensiuni suplimentare;
• Consum de material. Pentru a face o mașină Stirling compactă și puternică, sunt necesare oțeluri scumpe rezistente la căldură, care pot rezista la presiuni mari de funcționare și au o conductivitate termică scăzută;
• Este nevoie de un lubrifiant special, cel obișnuit pentru Stirlings nu este potrivit, deoarece cocsează la temperaturi ridicate;
• Pentru a obține o putere specifică mare, fluidul de lucru din Stirlings folosește hidrogen și heliu.

Hidrogenul este exploziv, iar la temperaturi ridicate se poate dizolva în metale, formând hidruri metalice. Cu alte cuvinte, are loc distrugerea cilindrilor motorului.

În plus, hidrogenul și heliul sunt foarte permeabile și se infiltrează ușor prin garnituri, scăzând presiunea de funcționare.

Dacă, după ce ați citit articolul nostru, doriți să cumpărați un dispozitiv - un motor cu ardere externă, nu alergați la cel mai apropiat magazin, așa ceva nu este de vânzare, din păcate ...

Înțelegeți că cei care sunt implicați în îmbunătățirea și implementarea acestei mașini își păstrează evoluțiile secrete și le vând doar cumpărătorilor de renume.

Urmărește acest videoclip și fă-o singur.

Aceasta este partea introductivă a unei serii de articole dedicate Motor cu combustie interna, care este o scurtă excursie în istoria evoluției motorului cu ardere internă. De asemenea, articolul va atinge primele mașini.

Următoarele secțiuni vor detalia diferitele ICE-uri:

Biela-piston
Rotativ
Turboreactor
Reactiv

Motorul a fost instalat pe o barcă care a putut să urce râul Sona. Un an mai târziu, după testare, frații au primit un brevet pentru invenția lor, semnat de Napoleon Bonopart, pe o perioadă de 10 ani.

Ar fi mai corect să numim acest motor motor cu reacție, deoarece munca sa a constat în împingerea apei din conducta de sub fundul bărcii ...

Motorul era alcătuit dintr-o cameră de aprindere și o cameră de ardere, un burduf pentru injecție de aer, un dozator de combustibil și un dispozitiv de aprindere. Praful de cărbune a servit drept combustibil pentru motor.

Burduful a injectat un curent de aer amestecat cu praf de cărbune în camera de aprindere, unde un fitil mocnit a aprins amestecul. După aceea, amestecul parțial aprins (praful de cărbune arde relativ lent) a intrat în camera de ardere unde s-a ars complet și s-a extins.
În plus, presiunea gazului a împins apa afară țeavă de eșapament, care a făcut să se miște barca, după aceea ciclul s-a repetat.
Motorul mergea modul puls cu o frecvență de ~ 12 și/minut.

După ceva timp, frații au îmbunătățit combustibilul adăugând rășină la acesta, iar mai târziu l-au înlocuit cu ulei și au proiectat un sistem simplu de injecție.
În următorii zece ani, proiectul nu a primit nicio dezvoltare. Claude a mers în Anglia pentru a promova ideea de motor, dar a irosit toți banii și nu a reușit nimic, iar Joseph s-a apucat de fotografie și a devenit autorul primei fotografii din lume „Vedere de la fereastră”.

În Franța, în casa-muzeu din Niepses, este expusă o replică a „Pyreolophore”.

Puțin mai târziu, de Riva și-a montat motorul pe un cărucior cu patru roți, care, potrivit istoricilor, a fost prima mașină cu motor cu ardere internă.

Despre Alessandro Volta

Volta a fost primul care a pus plăci de zinc și cupru în acid pentru a produce un curent electric continuu, creând primul din lume sursa chimica actual („stâlp vultaic”).

În 1776, Volta a inventat un pistol cu ​​gaz, „pistolul Volta”, în care gazul a explodat dintr-o scânteie electrică.

În 1800 a construit o baterie chimică, care a făcut posibilă obținerea energiei electrice prin reacții chimice.

Unitatea de măsurare a tensiunii electrice - Volt - poartă numele Volta.

A- cilindru, B- "bujie, C- piston, D- "balon" cu hidrogen, E- clichet, F- supapa de evacuare a gazelor de evacuare, G- maner pentru controlul supapei.

Hidrogenul a fost stocat într-un balon „aer” conectat printr-o conductă la un cilindru. Alimentarea cu combustibil și aer, precum și aprinderea amestecului și eliberarea gazelor de eșapament au fost efectuate manual cu ajutorul unor pârghii.

Principiul de funcționare:

Aerul a intrat în camera de ardere prin supapa de evacuare a gazelor de eșapament.
Supapa se închidea.
S-a deschis robinetul de alimentare cu hidrogen din bilă.
Robinetul se închidea.
Prin apăsarea butonului i s-a aplicat o descărcare electrică „lumânării”.
Amestecul a fulgerat și a ridicat pistonul în sus.
Supapa de evacuare a gazelor de eșapament se deschidea.
Pistonul a căzut sub propria greutate (era greu) și a tras frânghia, care a învârtit roțile prin bloc.

După aceea, ciclul s-a repetat.

În 1813, de Riva a construit o altă mașină. Era un vagon lung de aproximativ șase metri, cu roți de doi metri diametru și cântărind aproape o tonă.
Mașina a putut parcurge 26 de metri cu o încărcătură de pietre (aproximativ 700 lbs)și patru bărbați, cu o viteză de 3 km/h.
Cu fiecare ciclu, mașina s-a deplasat 4-6 metri.

Puțini dintre contemporanii săi au luat această invenție în serios, iar Academia Franceză de Științe a susținut că un motor cu ardere internă nu va concura niciodată în performanță cu un motor cu abur.

În 1833, inventatorul american Lemuel Wellman Wright, a înregistrat un brevet pentru un motor cu combustie internă pe gaz în doi timpi răcit cu apă.
(Vezi mai jos)în cartea sa Motoare pe gaz și ulei a scris următoarele despre motorul Wright:

„Desenul motorului este foarte funcțional, iar detaliile sunt meticuloase. Explozia amestecului actioneaza direct asupra pistonului, care roteste arborele cotit prin biela. De aspect motorul seamănă cu un motor cu abur de înaltă presiune în care gazul și aerul sunt pompate din rezervoare separate. Amestecul din recipientele sferice a fost aprins în timpul ridicării pistonului la PMS (centrul mort superior) și l-a împins în jos/în sus. La sfârșitul cursei, supapa se deschide și evacuează gazele de eșapament în atmosferă.”

Nu se știe dacă acest motor a fost construit vreodată, dar există un plan pentru el:

În 1838, inginerul englez William Barnett a primit un brevet pentru trei motoare cu ardere internă.

Primul motor este un motor în doi timpi cu acțiune simplă (combustibil ars doar pe o parte a pistonului) cu pompe separate pentru gaz si aer. Amestecul a fost aprins într-un cilindru separat, iar apoi amestecul de ardere a trecut în cilindrul de lucru. Intrarea și ieșirea au fost efectuate prin supape mecanice.

Al doilea motor l-a repetat pe primul, dar a fost cu dublă acțiune, adică arderea a avut loc alternativ pe ambele părți ale pistonului.

Al treilea motor era, de asemenea, cu dublă acțiune, dar avea orificii de admisie și ieșire în pereții cilindrului care se deschideau când pistonul ajungea în punctul extrem (ca în cazul modern în doi timpi). Acest lucru a făcut posibilă eliberarea automată a gazelor de eșapament și admiterea unei noi încărcări a amestecului.

O caracteristică distinctivă a motorului Barnett a fost că amestecul proaspăt a fost comprimat de piston înainte de a fi aprins.

Plan pentru unul dintre motoarele lui Barnett:

În anii 1853-57, inventatorii italieni Eugenio Barzanti și Felice Matteucci au dezvoltat și brevetat un motor cu ardere internă cu doi cilindri, cu o capacitate de 5 l/s.
Brevetul a fost acordat de Oficiul din Londra deoarece legea italiană nu putea garanta o protecție suficientă.

Construcția prototipului a fost încredințată Bauer & Co. din Milano" (Helvetica)și finalizat la începutul anului 1863. Succesul motorului, care era mult mai eficient decât motorul cu abur, a fost atât de mare încât compania a început să primească comenzi din toată lumea.

Motorul Barzanti-Matteucci cu un singur cilindru timpuriu:

Model de motor cu doi cilindri Barzanti-Matteucci:

Matteucci și Barzanti au încheiat un acord pentru producerea motorului cu o companie belgiană. Barzanti a plecat în Belgia pentru a supraveghea personal munca și a murit brusc de tifos. Odată cu moartea lui Barzanti, toate lucrările la motor au fost întrerupte, iar Matteucci s-a întors la fostul său job de inginer hidraulic.

În 1877, Matteucci a susținut că el și Barzanti au fost principalii creatori ai motorului cu ardere internă, iar motorul construit de August Otto era foarte asemănător cu motorul Barzanti-Matteucci.

Documentele referitoare la brevetele lui Barzanti și Matteucci sunt păstrate în arhivele bibliotecii Museo Galileo din Florența.

Cea mai importantă invenție a lui Nikolaus Otto a fost motorul cu ciclu în patru timpi- ciclul Otto. Acest ciclu se află în centrul majorității motoarelor pe gaz și pe benzină până în prezent.

Ciclul în patru timpi a fost cea mai mare realizare tehnică a lui Otto, dar s-a descoperit curând că cu câțiva ani înainte de invenția sa, exact același principiu al motorului fusese descris de inginerul francez Beau de Roche. (Vezi deasupra)... Un grup de industriași francezi a contestat brevetul lui Otto în instanță, tribunalul a găsit argumentele lor convingătoare. Drepturile lui Otto sub brevetul său au fost reduse semnificativ, inclusiv revocarea monopolului său asupra ciclului în patru timpi.

În ciuda faptului că concurenții au stabilit producția de motoare în patru timpi, modelul Otto, elaborat de mulți ani de experiență, a fost încă cel mai bun, iar cererea pentru acesta nu a încetat. Până în 1897, aproximativ 42 de mii dintre aceste motoare au fost produse. putere diferită... Cu toate acestea, faptul că un gaz luminos a fost folosit ca combustibil a restrâns foarte mult domeniul de aplicare a acestora.
Numărul fabricilor de iluminat și gaz a fost nesemnificativ chiar și în Europa, în timp ce în Rusia erau doar două dintre ele - la Moscova și Sankt Petersburg.

În 1865, inventatorul francez Pierre Hugo a primit un brevet pentru o mașină care era un motor vertical, cu un singur cilindru, cu dublă acțiune, care folosea două pompe de cauciuc antrenate de un arbore cotit pentru a furniza amestecul.

Hugo a construit mai târziu motor orizontal similar cu motorul Lenoir.

Muzeul Științei, Londra.

În 1870, inventatorul austro-ungar Samuel Marcus Siegfried a proiectat un motor cu ardere internă care funcționează cu combustibil lichid și l-a instalat pe un cărucior cu patru roți.

Astăzi, această mașină este bine cunoscută drept „Prima mașină Marcus”.

În 1887, în colaborare cu Bromovsky & Schulz, Markus a construit oa doua mașină, a doua mașină Marcus.

În 1872, un inventator american a brevetat un motor cu combustie internă cu doi cilindri și presiune constantă alimentat de kerosen.
Brighton și-a numit motorul „Ready Motor”.

Primul cilindru a servit drept compresor care forța aerul în camera de ardere, în care era alimentat continuu cu kerosen. În camera de ardere, amestecul a fost aprins și prin mecanismul bobină a intrat în al doilea - cilindrul de lucru. O diferență semnificativă față de alte motoare a fost că amestecul aer-combustibil s-a ars treptat și la presiune constantă.

Cei interesați de aspectele termodinamice ale motorului pot citi despre Ciclul Brighton.

În 1878, inginer scoțian, domnule (investit cavaler in 1917) dezvoltat primul motor în doi timpi cu aprinderea amestecului comprimat. L-a brevetat în Anglia în 1881.

Motorul a funcționat într-un mod curios: aerul și combustibilul erau furnizați în cilindrul drept, acolo se amesteca și acest amestec era împins în cilindrul stâng, unde se aprindea amestecul de la lumânare. A avut loc extinderea, ambele pistoane au coborât, din cilindrul stâng (prin conducta de ramură stângă) au fost emise gaze de eșapament și o nouă porțiune de aer și combustibil a fost aspirată în cilindrul drept. În urma inerției, pistoanele s-au ridicat și ciclul s-a repetat.

În 1879, a construit o benzină complet fiabilă doua lovituri motor și a primit un brevet pentru el.

Cu toate acestea, adevăratul geniu al lui Benz s-a manifestat prin faptul că în proiectele ulterioare a reușit să combine diverse dispozitive. (accelerator, baterie aprindere prin scânteie, bujie, carburator, ambreiaj, cutie de viteze și radiator) asupra produselor lor, care, la rândul lor, au devenit standardul pentru toată ingineria mecanică.

În 1883, Benz a fondat compania Benz & Cie pentru a produce motoare pe gaz iar în 1886 patentat în patru timpi motorul pe care l-a folosit la mașinile sale.

Datorită succesului Benz & Cie, Benz a reușit să înceapă să proiecteze trăsuri fără cai. Combinând experiența sa în fabricarea de motoare și hobby-ul său îndelungat de a proiecta biciclete, până în 1886 și-a construit primul automobil și l-a numit „Benz Patent Motorwagen”.

Designul seamănă foarte mult cu o tricicletă.

Motor cu combustie internă cu un singur cilindru, în patru timpi, cu un volum de lucru de 954 cmc. Benz Patent Motorwagen".

Motorul era echipat cu un volant mare (folosit nu numai pentru rotația uniformă, ci și pentru pornire), un rezervor de benzină de 4,5 litri, un carburator de tip evaporativ și o supapă glisantă prin care combustibilul a intrat în camera de ardere. Aprinderea a fost efectuată cu o bujie de design propriu Benz, a cărei tensiune a fost furnizată de la bobina Rumkorf.

Răcirea a fost apă, dar nu un ciclu închis, ci evaporativ. Aburul a scăpat în atmosferă, așa că a fost necesară realimentarea mașinii nu numai cu benzină, ci și cu apă.

Motorul a dezvoltat 0,9 CP. la 400 rpm și a accelerat mașina la 16 km/h.

Karl Benz își conduce mașina.

Puțin mai târziu, în 1896, Karl Benz a inventat motorul boxer (sau motor plat), în care pistoanele ajung în punctul mort superior în același timp, echilibrându-se astfel reciproc.

Muzeul Mercedes-Benz din Stuttgart.

În 1882, inginerul englez James Atkinson a inventat ciclul Atkinson și motorul Atkinson.

Motorul Atkinson este în esență un motor în patru timpi Ciclul Otto, dar cu un mecanism de manivelă modificat. Diferența a fost că, la motorul Atkinson, toate cele patru timpi au avut loc într-o singură rotație a arborelui cotit.

Utilizarea ciclului Atkinson în motor a redus consumul de combustibil și zgomotul în timpul funcționării datorită presiunii de evacuare mai scăzute. În plus, acest motor nu necesita o cutie de viteze pentru a antrena mecanismul de distribuție a gazului, deoarece deschiderea supapelor a condus arborele cotit.

În ciuda o serie de avantaje (inclusiv eludarea brevetelor Otto) motorul nu a fost utilizat pe scară largă din cauza complexității producției și a altor dezavantaje.
Ciclul Atkinson oferă performanțe de mediu și economie mai bune, dar necesită turații mari. La turații mici, eliberează un cuplu relativ mic și poate bloca.

Acum motorul Atkinson este folosit vehicule hibride « Toyota Prius„Și” Lexus HS 250h”.

În 1884, inginerul britanic Edward Butler, la expoziția de biciclete din Londra „Stanley Cycle Show” a arătat desene ale unei mașini cu trei roți cu motor pe benzină cu ardere internă, iar în 1885 l-a construit și l-a arătat la aceeași expoziție, numindu-l „Velociclu”. De asemenea, Butler a fost primul care a folosit cuvântul benzină.

Velocycle a fost brevetat în 1887.

Velocycle a fost echipat cu un motor pe benzină cu un singur cilindru, în patru timpi, echipat cu o bobină de aprindere, carburator, accelerație și răcit cu lichid... Motorul a dezvoltat o putere de aproximativ 5 CP. cu un volum de 600 cm3 și a accelerat mașina la 16 km/h.

De-a lungul anilor, Butler și-a îmbunătățit performanța vehiculului său, dar a fost împiedicat să-l testeze din cauza „Legii Steagul Roșu” (publicat în 1865), Prin care vehicule nu trebuie să depășească o viteză mai mare de 3 km/h. În plus, în mașină trebuiau să fie prezente trei persoane, dintre care una trebuia să treacă în fața mașinii cu steag roșu. (astfel sunt masurile de securitate) .

În revista English Mechanic din 1890, Butler scria: „Autoritățile interzic utilizarea mașinii pe drum, drept urmare refuz să mă dezvolt în continuare”.

Din cauza lipsei de interes public față de mașină, Butler a demontat-o ​​pentru fier vechi și a vândut drepturile de brevet lui Harry J. Lawson. (producator de biciclete), care a continuat să producă motorul pentru utilizarea pe bărci.

Butler însuși a creat motoare staționare și marine.

În 1891, Herbert Aykroyd Stewart, în colaborare cu Richard Hornsby and Sons, a construit motorul Hornsby-Akroyd, în care combustibilul (kerosen) era injectat sub presiune în cameră suplimentară (din cauza formei ei se numea "minge fierbinte"), montat pe chiulasa si legat de camera de ardere printr-un pasaj ingust. Combustibilul a fost aprins de pereții fierbinți ai camerei suplimentare și a fost repezit în camera de ardere.

1. Cameră suplimentară (minge fierbinte).
2. Cilindru.
3. Piston.
4. Carter.

Pentru a porni motorul, a fost folosită o pistoletă, cu care a fost încălzită o cameră suplimentară. (după pornire s-a încălzit gaze de esapament) ... Din această cauză, motorul Hornsby-Akroyd care a fost predecesorul motorului diesel proiectat de Rudolf Diesel, adesea denumită „semi-diesel”. Un an mai târziu, însă, Aykroyd și-a îmbunătățit motorul adăugând o „jachetă de apă” (brevet din 1892), care a crescut temperatura în camera de ardere prin creșterea raportului de compresie, iar acum nu mai era nevoie de o sursă suplimentară de încălzire.

În 1893 Rudolph Diesel a primit brevete pentru un motor termic și un „ciclu Carnot” modificat numit „Metodă și aparat pentru transformarea temperaturii ridicate în lucru”.

În 1897, la Augsburg instalatie de constructii de masini» (din 1904 MAN), cu participarea financiară a companiilor lui Friedrich Krupp și a fraților Sulzer, a fost creat primul motor diesel funcțional al lui Rudolf Diesel
Puterea motorului era de 20 Cai putere la 172 rpm, randament 26,2% cu o greutate de cinci tone.
Acest lucru a depășit cu mult motoarele Otto cu o eficiență de 20% și turbinele marine cu abur cu eficiență de 12%, ceea ce a generat un interes puternic în industrie. tari diferite.

Motorul diesel era în patru timpi. Inventatorul a descoperit că eficiența unui motor cu ardere internă este crescută prin creșterea raportului de compresie al amestecului combustibil. Dar este imposibil să comprimați puternic amestecul combustibil, deoarece atunci presiunea și temperatura cresc și se aprinde spontan înainte de timp. Prin urmare, Diesel a decis să comprima nu amestecul combustibil, ci aer curat și la sfârșitul compresiei injectează combustibil în cilindru sub presiune puternică.
Deoarece temperatura aerului comprimat a ajuns la 600-650 ° C, combustibilul s-a aprins spontan, iar gazele, expansându-se, au deplasat pistonul. Astfel, dieselul a reușit să crească semnificativ eficiența motorului, să scape de sistemul de aprindere și, în locul carburatorului, să folosească pompă de combustibil presiune ridicata
În 1933, Elling a scris profetic: „Când am început să lucrez la turbina cu gaz în 1882, eram ferm convins că invenția mea va fi solicitată în industria aeronautică.”

Din păcate, Elling a murit în 1949, niciodată înainte de era aviației cu turboreacție.

Singura fotografie pe care am reușit să o găsim.

Poate cineva va găsi ceva despre acest om la Muzeul Norvegian de Tehnologie.

În 1903, Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky, în revista „Scientific Review” a publicat un articol „Investigation of world spaces by jet devices”, unde a demonstrat pentru prima dată că un dispozitiv capabil să efectueze un zbor în spațiu este o rachetă. Articolul propunea și primul proiect al unei rachete cu rază lungă de acțiune. Corpul său era o cameră metalică alungită, dotată cu lichid motor turboreactor (care este, de asemenea, un motor cu ardere internă)... El a propus utilizarea hidrogenului lichid și oxigenului ca combustibil și, respectiv, oxidant.

Probabil că pe această notă de rachetă-spațială merită să terminați partea istorică, deoarece a venit secolul 20 și Motoarele cu ardere internă au început să fie produse peste tot.

Postfață filosofică...

K.E. Tsiolkovsky credea că în viitorul apropiat oamenii vor învăța să trăiască, dacă nu pentru totdeauna, atunci cel puțin pentru o perioadă lungă de timp. În acest sens, va exista puțin spațiu (resurse) pe Pământ și va fi necesar ca navele să se mute pe alte planete. Din păcate, ceva în această lume a mers prost și, cu ajutorul primelor rachete, oamenii au decis să-și distrugă pur și simplu propria specie...

Mulțumesc tuturor celor care l-au citit.

Toate drepturile rezervate © 2016
Orice utilizare a materialelor este permisă numai cu un link activ către sursă.

În ciuda performanței sale ridicate, motor modern arderea internă începe să devină învechită. Eficiența lui și-a atins, poate, limita. Zgomotul, vibrațiile, gazele otrăvind aerul și alte dezavantaje inerente îi fac pe oamenii de știință să caute noi soluții, să reconsidere posibilitățile ciclurilor de mult uitate. Stirling este unul dintre motoarele „reînviate”.

În 1816, preotul și omul de știință scoțian Robert Stirling a brevetat un motor în care combustibilul și aerul care intră în zona de ardere nu intră niciodată în cilindru. Când ard, încălzesc doar gazul de lucru din el. Acest lucru a dat motive pentru a numi invenția lui Stirling un motor cu ardere externă.

Robert Stirling a construit mai multe motoare; ultima dintre ele avea o capacitate de 45 de litri. cu. și a lucrat într-o mină din Anglia timp de peste trei ani (până în 1847). Aceste motoare erau foarte grele, ocupau mult spațiu și arătau ca niște mașini cu abur.

Pentru navigație, motoarele cu ardere externă au fost folosite pentru prima dată în 1851 de către suedezul John Erickson. Nava „Erickson” construită de el a traversat cu succes Oceanul Atlantic din America în Anglia cu o centrală electrică, care consta din patru motoare cu ardere externă. În era motoarelor cu abur, aceasta era o senzație. dar Power Point Erickson a dezvoltat doar 300 de litri. c., nu 1000 așa cum era de așteptat. Motoarele erau uriașe (diametrul cilindrului 4,2 m, cursa pistonului 1,8 m). Consumul de cărbune s-a dovedit a fi nu mai mic decât cel al motoarelor cu abur. Când nava a ajuns în Anglia, s-a dovedit că motoarele nu erau potrivite pentru funcționare ulterioară, deoarece fundul cilindrului li s-a ars. Pentru a reveni în America, motoarele au trebuit înlocuite cu un motor cu abur convențional. La întoarcere, nava a avut un accident și s-a scufundat cu tot echipajul.

Motoarele cu ardere externă de putere redusă, la sfârșitul secolului trecut, erau folosite în case pentru pomparea apei, în tipografii, în întreprinderi industriale, inclusiv la uzina Nobel din Sankt Petersburg (acum „Dieselul rusesc”).Au fost instalate și pe mici. navelor. Stirlingurile au fost produse în multe țări, inclusiv în Rusia, unde erau numite „căldură și putere”. Au fost apreciați pentru liniștea și siguranța muncii, ceea ce i-a făcut să se compare favorabil cu motoarele cu abur.

Odată cu dezvoltarea motoarelor cu ardere internă, stirling-urile au fost uitate. Dicționarul enciclopedic al lui Brockgaue și Efron spune următoarele despre ei: „Siguranța la explozie este principalul avantaj al mașinilor calorice, datorită căruia pot fi folosite din nou dacă găsesc noi materiale pentru construcția lor și lubrifiere care să reziste mai bine. temperatura ridicata».

Ideea era, însă, nu numai lipsa materialelor relevante. Principiile moderne ale termodinamicii erau încă necunoscute, în special echivalența căldurii și a muncii, fără de care era imposibil să se determine cele mai avantajoase rapoarte ale elementelor principale ale motorului. Schimbătoarele de căldură au fost realizate cu o suprafață mică, ceea ce a făcut ca motoarele să funcționeze la temperaturi nerezonabil de ridicate și au eșuat rapid.

Încercările de a îmbunătăți Stirling au fost făcute după al Doilea Război Mondial. Cel mai semnificativ dintre ele a constat în faptul că gazul de lucru a început să fie utilizat comprimat până la 100 atm și nu aer, ci hidrogen, care are un coeficient de conductivitate termică mai mare, vâscozitate scăzută și, în plus, nu oxidează lubrifianții.

Dispozitivul unui motor cu ardere externă în sa formă modernă prezentat schematic in Fig. 1. Există două pistoane într-un cilindru închis pe o parte. Cel de sus - piston-in-s push l servește la accelerarea procesului de încălzire și răcire periodică a gazului de lucru. Este un cilindru gol, închis din oțel inoxidabil, care nu conduce bine căldura și se mișcă sub acțiunea unei tije asociate cu un mecanism de manivelă.

Pistonul inferior este un piston de lucru (prezentat în figura din secțiune). Transferă forța către mecanismul manivelei printr-o tijă tubulară, în interiorul căreia trece tija de deplasare. Pistonul de lucru este echipat cu inele de etanșare.

Există un rezervor tampon sub pistonul de lucru, care formează o pernă care acționează ca o volantă - pentru a netezi neuniformitatea cuplului datorită selecției unei părți a energiei în timpul cursei de lucru și a revenirii acesteia la arborele motorului în timpul cursa de compresie. Pentru a izola volumul cilindrului de spațiul înconjurător, se folosesc sigilii „învelitori”. Acestea sunt tuburi de cauciuc atașate la un capăt de tijă și la celălalt de corp.

Partea superioară a cilindrului este în contact cu încălzitorul, iar partea inferioară este în contact cu răcitorul. În consecință, volumele „fierbinte” și „reci” sunt eliberate în el, comunicând liber între ele printr-o conductă în care se află un regenerator (schimbător de căldură). Regeneratorul este umplut cu un fir de sârmă de diametru mic (0,2 mm) și are o capacitate termică mare (de exemplu, eficiența regeneratoarelor Filipe depășește 95%).

Procesul de lucru al motorului Stirling se poate desfășura fără un deplasator, pe baza utilizării unui distribuitor cu robinet al sarcinii de lucru.

În partea inferioară a motorului există un mecanism de manivelă, care servește la transformarea mișcării alternative a pistonului în mișcare de rotație a arborelui. O caracteristică a acestui mecanism este prezența a două arborii cotit legate prin două roți dințate elicoidale care se rotesc una spre alta. Tija deplasatorului este conectată la arborii cotit prin intermediul culbutorului inferior și al bielelor trase. Tija pistonului de lucru este conectată la arborii cotit prin culbutorul superior și bielele trase. Sistemul de biele identice formează un romb deformabil mobil, de unde și numele acestei transmisii - rombic. Transmisia rombică asigură schimbarea de fază necesară în timpul mișcării pistoanelor. Este complet echilibrat si nu exercita forte laterale asupra tijelor pistonului.

În spațiul limitat de pistonul de lucru, există un gaz de lucru - hidrogen sau heliu. Volumul total de gaz din cilindru este independent de poziția deplasantului. Modificările de volum asociate cu compresia și expansiunea gazului de lucru apar datorită mișcării pistonului de lucru.

Când motorul funcționează, partea superioară a cilindrului este încălzită în mod constant, de exemplu dintr-o cameră de ardere în care este injectat combustibil lichid. Partea inferioară a cilindrului este răcită în mod constant, de exemplu prin apă rece pompată printr-o manta de apă care înconjoară cilindrul. Ciclul Stirling închis este format din patru măsuri prezentate în Fig. 2.

Ciclul I - răcire... Pistonul de lucru este în poziția cea mai de jos, deplasatorul se mișcă în sus. În acest caz, gazul de lucru curge din volumul „fierbinte” de deasupra dispozitivului de deplasare către volumul „rece” de sub acesta. Trecând pe parcurs prin regenerator, gazul de lucru îi degajă o parte din căldură și apoi este răcit într-un volum „rece”.

Măsura II - Compresiune... Deplasatorul rămâne în poziția superioară, pistonul de lucru se deplasează în sus, comprimând gazul de lucru la o temperatură scăzută.

Pasul III - încălzire... Pistonul de lucru este în poziția superioară, deplasatorul se mișcă în jos. În acest caz, gazul de lucru rece comprimat se repetă de sub deplasator în spațiul liber de deasupra acestuia. Pe drum, gazul de lucru trece prin regenerator, unde este preîncălzit, intră în cavitatea „fierbinte” a cilindrului și se încălzește și mai mult.

Ciclul IV - extindere (cursa de lucru)... Pe măsură ce gazul de lucru se încălzește, acesta se extinde, mișcând deplasatorul și odată cu acesta pistonul de lucru în jos. Este gata muncă utilă.

Stirling are un cilindru închis. În fig. 3, a prezintă o diagramă a ciclului teoretic (diagrama V - P). Abscisa arată volumele cilindrului, iar ordonatele arată presiunea din cilindru. Primul ciclu este izoterm I-II, al doilea are loc la un volum constant II-III, al treilea este izoterm III-IV, iar al patrulea este la un volum constant IV-I. Deoarece presiunea în timpul expansiunii gazului fierbinte (III-IV) este mai mare decât presiunea în timpul comprimării gazului rece (I-II), lucrul de dilatare este mai mare decât cel de comprimare. Lucrarea utilă a ciclului poate fi descrisă grafic sub forma unui patrulater curbat I-II-III-IV.

În procesul propriu-zis, pistonul și dispozitivul de deplasare se mișcă continuu, deoarece sunt conectate cu mecanismul manivelei, prin urmare diagrama ciclului real este rotunjită (Fig. 3, b).

Eficiența teoretică a motorului Stirling este de 70%. Studiile au arătat că, în practică, se poate obține o eficiență de 50%. Aceasta este semnificativ mai mult decât cele mai bune turbine cu gaz (28%), motoare pe benzină (30%) și diesel (40%).

Stirling poate funcționa cu benzină, kerosen, motorină, combustibili gazoși și chiar solizi. În comparație cu alte motoare, are o rulare mai lină și mai silențioasă. Acest lucru se explică prin raportul de compresie scăzut (1,3 ÷ 1,5), în plus, presiunea în cilindru crește ușor, și nu printr-o explozie. Produsele de ardere sunt, de asemenea, evacuate fără zgomot, deoarece arderea are loc continuu. Există relativ puține componente toxice în ele, deoarece arderea combustibilului are loc continuu și cu un exces constant de oxigen (α = 1,3).

Stirlingul cu transmisie rombica este complet echilibrat si nu genereaza vibratii. Această calitate, în special, a fost luată în considerare de inginerii americani care au instalat un stil cu un singur cilindru pe un satelit artificial al Pământului, unde chiar și o ușoară vibrație și dezechilibru poate duce la pierderea orientării.

Răcirea rămâne o problemă problematică. Agitarea cu gazele de eșapament elimină doar 9% din căldura primită din combustibil, prin urmare, de exemplu, atunci când îl instalați pe o mașină, ar trebui să faceți un radiator de aproximativ 2,5 ori mai mare decât atunci când utilizați un motor pe benzină de aceeași putere. Sarcina este mai ușor de rezolvat în instalațiile navelor, unde răcirea eficientă este asigurată de o cantitate nelimitată de apă de mare.

În fig. 4 prezintă o secțiune transversală a unui motor cu două cilindri Philips de ambarcațiune de 115 CP. cu. la 3000 rpm cu cilindri orizontali. Volumul total de lucru al fiecărui cilindru este de 263 cm 3. Pistoanele, situate opus, sunt conectate la două traverse, ceea ce a făcut posibilă echilibrarea completă a forțelor de gaz și a renunța la volumele tampon. Incalzitorul este realizat din tuburi care inconjoara camera de ardere prin care curge gazul de lucru. Răcitorul este un răcitor tubular prin care este pompată apa de mare. Motorul are doi arbori cotiți conectați la arborele elicei prin intermediul unor angrenaje melcate. Înălțimea motorului este de doar 500 mm, ceea ce îi permite să fie instalat sub punte și astfel să reducă dimensiunea compartimentului motor.

Puterea Stirling este reglată în principal prin schimbarea presiunii gazului de lucru. În același timp, pentru a menține constantă temperatura încălzitorului, se reglează și alimentarea cu combustibil. Aproape orice sursă de căldură este potrivită pentru un motor cu ardere externă. Este important ca acesta să poată transforma energia la temperatură scăzută în muncă utilă, de care motoarele cu ardere internă nu sunt capabile. Din curba din fig. 5, se poate observa că la o temperatură a încălzitorului de numai 350 ° C, eficiența stirlingului este încă ≈ 20%.

Stirling este economic - consumul său specific de combustibil este de numai 150 g/l. cu. ora. Hidritul de litiu servește ca acumulator de căldură în motorul Stirling-centrala de acumulare de căldură folosită pe sateliții americani de pe Pământ, care absoarbe căldura în timpul perioadei de „iluminare” și o dă stirling-ului atunci când satelitul se află pe partea umbră a Pământului. Pe satelit, motorul este folosit pentru a conduce un generator de 3 kW la 2400 rpm.

A fost creat un scuter cu motor cu experiență, cu un Stirling și un acumulator de căldură. Utilizarea unui acumulator de căldură și a unui agent de agitare pe un submarin îi permite să meargă de câteva ori mai mult în poziție scufundată.

Literatură

• 1. Smirnov GV Motoare cu ardere externă. „Cunoașterea”, M., 1967.
• 2. Dr. Ir. R. I. Meijer. Der Philips - Stirlingmotor, MTZ, N 7, 1968.
• 3. Curtis Anthony. Aer cald și vântul schimbării. Motorul Stirling și renașterea lui. Motor (Engl.) 1969, (135), Nr. 3488.

Cu doar o sută de ani în urmă, motoarele cu ardere internă au trebuit să cucerească locul pe care îl ocupă în industria auto modernă într-o luptă competitivă acerbă. Atunci superioritatea lor nu era deloc atât de evidentă ca astăzi. Într-adevăr, motorul cu abur - principalul rival al motorului pe benzină - avea avantaje enorme în comparație cu acesta: zgomot, simplitatea reglarii puterii, caracteristici excelente de tracțiune și „omnivoritate” uimitoare, permițându-i să lucreze cu orice tip de combustibil, de la lemn la benzină. Dar, în cele din urmă, eficiența, ușurința și fiabilitatea motoarelor cu ardere internă au prevalat și au forțat să se împace cu neajunsurile lor, ca fiind inevitabile.
În anii 1950, odată cu apariția turbinelor cu gaz și a motoarelor rotative, a început un asalt asupra poziției de monopol ocupată de motoarele cu ardere internă în industria auto, un asalt care nu a fost încă încununat de succes. Cam în aceiași ani, s-a încercat aducerea în scenă motor nou, care îmbină izbitor eficiența și fiabilitatea unui motor pe benzină cu liniștea și instalația de abur „omnivoră”. Acesta este celebrul motor cu ardere externă, pe care preotul scoțian Robert Stirling l-a brevetat la 27 septembrie 1816 (brevet englez nr. 4081).

Fizica proceselor

Principiul de funcționare al tuturor motoarelor termice, fără excepție, se bazează pe faptul că, atunci când un gaz încălzit se extinde, se efectuează mai multă muncă mecanică decât este necesar pentru a comprima unul rece. O sticlă și două oale cu apă caldă și rece sunt suficiente pentru a demonstra acest lucru. Mai întâi, sticla este scufundată în apă cu gheață, iar când aerul din ea se răcește, gâtul este astupat cu un dop și transferat rapid în apă fierbinte. După câteva secunde, bumbacul este distribuit și gazul încălzit în sticlă împinge dopul, făcând munca mecanica... Sticla poate fi returnată în apă cu gheață - ciclul se va repeta.
în cilindrii, pistoanele și pârghiile complicate ale primei mașini Stirling, acest proces a fost reprodus aproape exact, până când inventatorul și-a dat seama că o parte din căldura preluată din gaz în timpul răcirii poate fi folosită pentru încălzire parțială. Tot ce este nevoie este un fel de recipient în care ar fi posibilă stocarea căldurii preluate de la gaz în timpul răcirii și să i-o restituie atunci când este încălzit.
Dar, din păcate, nici măcar această îmbunătățire foarte importantă nu a salvat motorul Stirling. Până în 1885, rezultatele obţinute aici erau foarte mediocre: randament 5-7 la sută, 2 litri. cu. putere, 4 tone greutate și 21 de metri cubi de spațiu ocupat.
Motoarele cu ardere externă nu au fost salvate nici măcar de succesul unui alt design dezvoltat de inginerul suedez Erickson. Spre deosebire de Stirling, el a propus să încălzească și să răcească gazul nu la un volum constant, ci la o presiune constantă. 8 În 1887, câteva mii de mici motoare ericksoniene funcționau perfect în tipografii, în case, în mine, pe nave. Au umplut rezervoarele de apă și au condus lifturile. Erickson a încercat chiar să le adapteze pentru echipajele de conducere, dar s-au dovedit a fi prea grele. În Rusia, înainte de revoluție, un număr mare de astfel de motoare au fost produse sub numele de „Căldură și putere”.
Cu toate acestea, încearcă să mărească puterea la 250 CP. cu. s-a încheiat cu un eșec total. Mașina cu un cilindru cu un diametru de 4,2 metri a dezvoltat mai puțin de 100 de litri. Adică au ars camerele de foc, iar vasul pe care erau instalate motoarele s-a pierdut.
Inginerii fără regret și-au luat rămas bun de la acești mastodonti slabi de îndată ce au apărut motoarele puternice, compacte și ușoare pe benzină și diesel. Și brusc, în anii 1960, aproape 80 de ani mai târziu, soții Stirling și Erickson (în mod convențional îi vom numi așa prin analogie cu un motor diesel) au început să vorbească despre rivali formidabili ai motoarelor cu ardere internă. Aceste conversații nu încetează până astăzi. Ce explică o schimbare atât de bruscă a vederilor?

Cost metodic

Când aflați despre o veche idee tehnică reînviată în tehnologia modernă, apare imediat întrebarea: ce a împiedicat implementarea ei mai devreme? Care era acea problemă, acel „indiciu”, fără a cărui soluție nu și-ar putea deschide drumul în viață? Și aproape întotdeauna se dovedește că vechea idee își datorează revigorarea fie unei noi metode tehnologice, fie unui design nou, la care predecesorii nu s-au gândit, fie unui material nou. Un motor cu ardere externă poate fi considerat cea mai rară excepție.
Calculele teoretice arată că eficiența este „Stirlings” și „Ericksons” pot ajunge la 70 la sută - mai mult decât orice alt motor. Aceasta înseamnă că eșecurile predecesorilor lor au fost explicate prin factori secundari, în principiu amovibili. Alegerea corectă a parametrilor și a domeniilor de aplicare, un studiu scrupulos al funcționării fiecărei unități, prelucrarea atentă și reglarea fină a fiecărui detaliu au permis realizarea avantajelor ciclului. Deja primele probe experimentale au dat o eficiență de 39 la sută! (Eficiența motoarelor pe benzină și a motorinelor, care au fost elaborate de-a lungul anilor, este de 28-30 și, respectiv, 32-35 la sută.) Ce oportunități au „scăpat cu vederea” Stirling și Erickson la vremea lor?
chiar recipientul în care se depozitează alternativ căldura și apoi se degajă. Calculul regeneratorului în acele zile era pur și simplu imposibil: știința transferului de căldură nu exista. Dimensiunile lui au fost luate cu ochii, iar după cum arată calculele, eficiența motoarelor cu ardere externă depinde foarte mult de calitatea regeneratorului. Adevărat, performanța sa slabă poate fi compensată într-o anumită măsură printr-o creștere a presiunii.
Al doilea motiv al eșecului a fost că primele instalații funcționau în aer la presiunea atmosferică: dimensiunile lor erau uriașe, iar capacitățile lor erau mici.
Aducând eficiență regenerator până la 98 la sută și umplând bucla închisă cu hidrogen sau heliu comprimat la 100 de atmosfere, inginerii zilelor noastre au crescut eficiența și puterea "styling-ului", care chiar și în această formă a arătat eficiență. mai mare decât cea a motoarelor cu ardere internă.
Numai asta ar fi suficient pentru a vorbi despre instalarea motoarelor cu ardere externă pe mașini. Dar avantajele acestor mașini, reînviate din uitare, nu sunt în niciun caz epuizate doar de eficiența ridicată.

Cum funcționează Stirling

Schema schematică a unui motor cu ardere externă:
1 - injector de combustibil;
2 - conductă de ramificație de ieșire;
3 - elemente ale încălzitorului de aer;
4 - încălzitor de aer;
5 - gaze fierbinți;
6 - spațiul fierbinte al cilindrului;
7 - regenerator;
8 - cilindru;
9 - coaste mai reci;
10 - spatiu rece;
11 - piston de lucru;
12 - antrenare rombica;
13 - biela pistonului de lucru;
14 - viteze de sincronizare;
15 - camera de ardere;
16 - tuburi de incalzire;
17 - aer cald;
18 - piston de deplasare;
19 - admisie aer;
20 - alimentare cu apă de răcire;
21 - sigiliu;
22 - volum tampon;
23 - sigiliu;
24 - împingător piston cu deplasare;
25 - împingător al pistonului de lucru;
26 - jugul pistonului de lucru;
27 - degetul jugului pistonului de lucru;
28 - biela pistonului de deplasare;
29 - jugul pistonului de deplasare;
30 - arbori cotiți.
Fundal roșu - circuit de încălzire;
fundal punctat - circuit de răcire

V design modern„Stirling”, funcționând pe combustibil lichid, - trei circuite, având doar contact termic unul cu celălalt. Acesta este un circuit de fluid de lucru (de obicei hidrogen sau heliu), un circuit de încălzire și un circuit de răcire. Scopul principal al circuitului de încălzire este menținerea unei temperaturi ridicate în partea superioară a circuitului de lucru. Circuitul de răcire menține o temperatură scăzută în partea de jos a circuitului de lucru. Conturul fluidului de lucru în sine este închis.
Conturul corpului de lucru... Două pistoane se mișcă în cilindrul 8 - pistonul de lucru 11 și pistonul de deplasare 18. Mișcarea în sus a pistonului de lucru duce la comprimarea fluidului de lucru, mișcarea lui în jos este cauzată de expansiunea gazului și este însoțită de efectuarea unei munci utile. Mișcarea în sus a pistonului de deplasare stoarce gazul în cavitatea inferioară, răcită a cilindrului. Mișcarea sa în jos corespunde încălzirii gazului. Acționarea rombică 12 conferă pistoanelor o mișcare corespunzătoare la patru curse de ciclu ((aceste curse sunt prezentate în diagramă).
Măsura I- racirea fluidului de lucru. Pistonul de deplasare 18 se deplasează în sus, stoarce fluidul de lucru prin regeneratorul 7, în care căldura gazului încălzit este stocată, în partea inferioară, răcită a cilindrului. Pistonul de lucru 11 este la BDC.
Măsura II- compresia fluidului de lucru. Energia stocată în gazul comprimat al volumului tampon 22 conferă mişcare în sus pistonului de lucru 11, însoţită de comprimarea fluidului de lucru rece.
Baroul III- încălzirea fluidului de lucru. Pistonul propulsor 18, aproape învecinat cu pistonul de lucru 11, deplasează gazul în spațiul fierbinte prin regeneratorul 7, în care căldura acumulată în timpul răcirii este returnată gazului.
Baroul IV- dilatarea fluidului de lucru - ciclu de lucru. Când este încălzit într-un spațiu fierbinte, gazul se extinde și face o muncă utilă. O parte din acesta este stocată în gazul comprimat al volumului tampon 22 pentru comprimarea ulterioară a fluidului de lucru rece. Restul este îndepărtat de pe arborii motorului.
Circuit de incalzire... Aerul este suflat în orificiul de admisie a aerului 19 de către ventilator, trece prin elementele 3 ale încălzitorului, se încălzește și intră în injectoarele de combustibil. Gazele fierbinți rezultate încălzesc tuburile 16 ale încălzitorului cu fluid de lucru, curg în jurul elementelor 3 ale încălzitorului și, după ce le-au dat căldura aerului care merge pentru arderea combustibilului, sunt aruncate prin conducta de evacuare 2 în atmosferă.
Circuit de racire... Apa prin conductele 20 este furnizată în partea inferioară a cilindrului și, curgând în jurul aripioarelor 9 ale răcitorului, le răcește continuu.

„Stirlings” în loc de ICE

Primele teste, efectuate cu o jumătate de secol în urmă, au arătat că „stilizarea” este aproape perfect silentioasă. Nu are carburator, injectoare de inalta presiune, sistem de aprindere, supape, bujii. Presiunea in cilindru, desi se ridica la aproape 200 atm, dar nu printr-o explozie, ca intr-un motor cu ardere interna, ci lin. Motorul nu are nevoie de amortizoare. Acționarea pistonului cinematic în formă de diamant este complet echilibrată. Fără vibrații, fără zgomot.
Ei spun că, chiar și cu o mână pe motor, nu este întotdeauna posibil să se stabilească dacă funcționează sau nu. Aceste calități motorul mașinii deosebit de important, deoarece în orașele mari problema reducerii zgomotului este acută.
Dar o altă calitate este „omnivor”. De fapt, nu există nicio sursă de căldură care să nu fie potrivită pentru o unitate Stirling. O mașină cu un astfel de motor poate funcționa pe lemn, pe paie, pe cărbune, pe kerosen, pe combustibil nuclear, chiar și pe lumina soarelui. Poate funcționa pe căldura stocată în topirea unor sare sau oxid. De exemplu, o topitură de 7 litri de oxid de aluminiu înlocuiește 1 litru de benzină. O astfel de versatilitate nu numai că va putea ajuta întotdeauna un șofer cu probleme. Va rezolva problema acută a poluării cu fum în orașe. Apropiindu-se de oras, soferul aprinde arzatorul si topeste sarea din rezervor. Combustibilul nu se arde în limitele orașului: motorul funcționează pe topire.
Ce zici de reglementare? Pentru a reduce puterea, este suficient să eliberați cantitatea necesară de gaz din bucla închisă a motorului într-un cilindru de oțel. Automatizarea reduce imediat alimentarea cu combustibil astfel încât temperatura să rămână constantă indiferent de cantitatea de gaz. Pentru a crește puterea, gazul este pompat din cilindru înapoi în circuit.
Cu toate acestea, în ceea ce privește costul și greutatea, Stirling-urile sunt încă inferioare motoarelor cu ardere internă. Pentru 1 litru. cu. au 5 kg, ceea ce este mult mai mult decât benzina și motoare diesel... Dar nu trebuie să uităm că acestea sunt încă primele care nu au fost aduse la grad înalt perfecțiunea modelului.
Calculele teoretice arată că, cu toate acestea, „stirlingurile” necesită presiuni mai mici. Acesta este un avantaj important. Și dacă au și ei avantaje constructive, este posibil ca acestea să se dovedească a fi cel mai formidabil rival al motoarelor cu ardere internă din industria auto. Și nu turbine deloc.

Stirling de la GM

Munca serioasă de îmbunătățire a motorului cu ardere externă, care a început la 150 de ani de la inventarea sa, a dat deja roade. Sunt propuse diferite variante de proiectare ale motorului care funcționează conform ciclului Stirling. Există proiecte de motoare cu o placă oscilătoare pentru reglarea cursei pistoanelor, un motor rotativ patentat, într-una dintre secțiunile rotorului, a căror comprimare are loc, în cealaltă - expansiune, iar furnizarea și îndepărtarea căldurii se efectuează în canalele care leagă cavitățile. Presiunea maximă în cilindrii probelor individuale ajunge la 220 kg / cm 2, iar media presiune eficientă- până la 22 și 27 kg / cm 2 și mai mult. Eficiența a fost crescută la 150 g/cp/oră.
Cel mai mare progres a fost făcut de General Motors, care în anii 1970 a construit un „styling” în formă de V cu un mecanism convențional de manivelă. Un cilindru funcționează, celălalt este de compresie. Doar pistonul de lucru este în pistonul de lucru, iar pistonul de deplasare este în cilindrul de compresie. Între cilindri se află un încălzitor, un regenerator și un răcitor. Unghiul de defazare, cu alte cuvinte, unghiul de întârziere al unui cilindru față de celălalt, pentru acest „stirling” este de 90 °. Viteza unui piston ar trebui să fie maximă în momentul în care viteza celuilalt este zero (în punctul mort superior și inferior). Deplasarea de fază în mișcarea pistoanelor se realizează prin poziționarea cilindrilor la un unghi de 90 °. Din punct de vedere structural, acesta este cel mai simplu „styling”. Dar este inferior motorului cu manivelă rombic în echilibru. Pentru a echilibra complet forțele de inerție într-un motor în formă de V, numărul de cilindri ai acestuia trebuie crescut de la doi la opt.

Diagrama schematică a „stirlingului” în formă de V:
1 - cilindru de lucru;
2 - piston de lucru;
3 - încălzitor;
4 - regenerator;
5 - manșon termoizolant;
6 - cooler;
7 - cilindru de compresie.

Ciclul de lucru într-un astfel de motor decurge după cum urmează.
În cilindrul de lucru 1, gazul (hidrogen sau heliu) este încălzit, în celălalt, în cilindrul de compresie 7, este răcit. Când pistonul se mișcă în sus în cilindrul 7, gazul este comprimat - cursa de compresie. În acest moment, pistonul 2 din cilindrul 1 începe să se miște în jos. Gazul din cilindrul rece 7 curge în cald 1, trecând secvențial prin răcitorul 6, regeneratorul 4 și încălzitorul 3 - ciclul de încălzire. Gazul fierbinte se extinde în cilindrul 1, făcând lucru - cursa de dilatare. Când pistonul 2 se deplasează în sus în cilindrul 1, gazul este pompat prin regeneratorul 4 și răcitorul 6 în cilindrul 7 - ciclul de răcire.
Această schemă de „styling” este cea mai convenabilă pentru inversare. În carcasa combinată a încălzitorului, regeneratorului și răcitorului (vom vorbi despre designul lor mai târziu), amortizoarele sunt făcute pentru aceasta. Dacă le mutați dintr-o poziție extremă în alta, atunci cilindrul rece va deveni fierbinte, iar cald - rece, iar motorul se va roti în direcția opusă.
Încălzitorul este un set de tuburi din oțel inoxidabil rezistent la căldură prin care curge gazul de lucru. Tuburile sunt incalzite de flacara unui arzator adaptat pentru arderea diferitilor combustibili lichizi. Căldura de la gazul încălzit este stocată în regenerator. Această unitate este de mare importanță pentru obținerea unui randament ridicat. Își va îndeplini scopul dacă transferă de aproximativ trei ori mai multă căldură decât în ​​încălzitor, iar procesul durează mai puțin de 0,001 secunde. Pe scurt, este un acumulator de căldură cu acțiune rapidă, iar rata de transfer de căldură între regenerator și gaz este de 30.000 de grade pe secundă. Regeneratorul, a cărui eficiență este de 0,98 unități, este format dintr-un corp cilindric, în care sunt dispuse în serie mai multe șaibe, realizate din filet de sârmă (diametru de sârmă 0,2 mm). Pentru a preveni transferul căldurii către frigider, între aceste unități este instalat un manșon termoizolant. În sfârșit, există o răcitoare. Este conceput ca o jachetă de apă pe conductă.
Puterea Stirling este reglată prin schimbarea presiunii gazului de lucru. În acest scop, motorul este echipat cu un cilindru de gaz și un compresor special.

Avantaje și dezavantaje

Pentru a evalua perspectivele de aplicare a „stilului” pe mașini, să analizăm avantajele și dezavantajele acestuia. Să începem cu una dintre cele mai importante pentru motor termic parametri, așa-numita eficiență teoretică Pentru „stirling”, aceasta este determinată de următoarea formulă:

η = 1 - Tx / Tg

Unde η este eficiența, Tx este temperatura volumului „rece” și Tg este temperatura volumului „cald”. Cantitativ, acest parametru pentru „stirling” este 0,50. Aceasta este semnificativ mai mult decât cele mai bune turbine cu gaz, motoare pe benzină și diesel, care au o eficiență teoretică de 0,28, respectiv; 0,30; 0,40.
Ca motor cu ardere externă. stirling „poate lucra la diverși combustibili: benzină, kerosen, motorină, gazoasă și chiar solidă. Caracteristicile combustibilului cum ar fi cetanul și cifra octanica, conținutul de cenușă, punctul de fierbere în timpul arderii în afara cilindrului motorului, nu contează pentru „stirling”. Pentru ca acesta să funcționeze cu diferiți combustibili, nu sunt necesare modificări majore - trebuie doar să înlocuiți arzătorul.
Un motor cu ardere externă în care arderea este stabilă cu un raport de aer în exces constant de 1,3. emite mult mai puțin decât un motor cu ardere internă, monoxid de carbon, hidrocarburi și oxizi de azot.
Zgomotul scăzut al „stirling-ului” se explică prin raportul de compresie scăzut (de la 1,3 la 1,5). Presiunea în cilindru crește fără probleme, și nu printr-o explozie, ca la benzină sau motor diesel... Absența fluctuațiilor în coloana de gaze din tractul de evacuare determină silențialitatea eșapamentului, ceea ce este confirmat de testele motorului dezvoltat de Phillips în colaborare cu Ford pentru autobuz.
„Stirling” se distinge prin consumul redus de ulei și rezistența ridicată la uzură datorită absenței substanțelor active în cilindru și a temperaturii relativ scăzute a gazului de lucru, iar fiabilitatea sa este mai mare decât cea a motoarelor cu ardere internă cunoscute nouă, deoarece nu are un mecanism complex de distribuție a gazelor.
Un avantaj important al Stirling-ului ca motor de automobile este adaptabilitatea sa crescută la schimbările de sarcină. Este, de exemplu, cu 50 la sută mai mare decât cea a unui motor cu carburator, datorită căruia numărul de viteze din cutia de viteze poate fi redus. Cu toate acestea, este imposibil să abandonați complet ambreiajul și cutia de viteze, ca într-o mașină cu abur.
Dar de ce un motor cu avantaje atât de evidente nu a găsit încă aplicație practică? Motivul este simplu - are încă multe deficiențe nerezolvate. Principalul dintre ele este marea complexitate a controlului și reglementării. Există și alte „recife” care nu sunt atât de ușor de deplasat atât pentru proiectanți, cât și pentru lucrătorii din producție.În special, pistoanele au nevoie de etanșări foarte eficiente care trebuie să reziste la presiuni mari (până la 200 kg/cm2) și să împiedice pătrunderea uleiului în cavitatea de lucru. . În orice caz, munca de 25 de ani a lui Phillips pentru reglarea fină a motorului său nu a reușit încă să-l facă potrivit pentru utilizare în masă în automobile. De o importanță nu mică este trăsătura caracteristică a „stirlingului” - necesitatea de a elimina o cantitate mare de căldură cu apa de răcire. În motoarele cu ardere internă, o parte semnificativă a căldurii este emisă în atmosferă împreună cu gazele de eșapament. În „sterlină”, doar 9% din căldura generată de arderea combustibilului intră în evacuare. Dacă în motor pe benzina arderea internă cu apă de răcire elimină de la 20 la 25 la sută din căldură, apoi în "stirling" - până la 50 la sută. Aceasta înseamnă că o mașină cu un astfel de motor ar trebui să aibă un radiator de aproximativ 2-2,5 ori mai mare decât cel al unui motor similar pe benzină. Dezavantajul „stirlingului” este greutatea sa specifică mare în comparație cu motorul obișnuit cu ardere internă. Un alt dezavantaj destul de semnificativ este dificultatea creșterii vitezei: deja la 3600 rpm, pierderile hidraulice cresc semnificativ și transferul de căldură se deteriorează. Și, în sfârșit. „Styling” este inferior motor conventional combustie internă în răspunsul clapetei de accelerație.
Lucrați la crearea și rafinarea „stylingului” auto, inclusiv pentru autoturisme de pasageri, continua. Se poate considera că în prezent problemele fundamentale au fost rezolvate. Cu toate acestea, mai este mult de lucru. Utilizarea aliajelor ușoare poate reduce greutatea specifică a motorului, dar va fi totuși mai mare. decât cel al unui motor cu ardere internă, datorită presiunii mai mari a gazului de lucru. Probabil, motorul cu ardere externă își va găsi aplicație în primul rând în camioane, în special cele militare - datorită cererii reduse de combustibil.

Motorul Stirling, al cărui principiu de funcționare este diferit calitativ de cel obișnuit pentru toate motoarele cu ardere internă, a constituit cândva o competiție demnă pentru acestea din urmă. Cu toate acestea, au uitat de el o vreme. Cum se utilizează astăzi acest motor, care este principiul funcționării acestuia (în articol puteți găsi și desene ale motorului Stirling care demonstrează clar funcționarea acestuia) și care sunt perspectivele de utilizare în viitor, citiți mai jos.

Istorie

În 1816, în Scoția, Robert Stirling a brevetat astăzi numele în onoarea inventatorului său. Primele motoare cu aer cald au fost inventate înaintea lui. Dar Stirling a adăugat dispozitivului un purificator, care în literatura tehnică este numit regenerator sau schimbător de căldură. Datorită lui, performanța motorului a crescut, menținând unitatea caldă.

Motorul a fost recunoscut drept cel mai durabil motor cu abur disponibil la acea vreme, deoarece nu a explodat niciodată. Înainte de el, această problemă a apărut adesea la alte motoare. În ciuda succesului său rapid, la începutul secolului al XX-lea, dezvoltarea sa a fost abandonată, deoarece a devenit mai puțin economică decât alte motoare cu ardere internă și motoare electrice apărute atunci. Cu toate acestea, Stirling a continuat să fie folosit în unele industrii.

Motor cu ardere externă

Principiul de funcționare al tuturor motoarelor termice este că pentru a obține gaz în stare expandată, sunt necesare forțe mecanice mai mari decât la comprimarea unuia rece. Pentru a demonstra acest lucru, se poate face un experiment cu două oale umplute cu apă caldă și rece, precum și cu o sticlă. Acesta din urmă este scufundat în apă rece, astupat, apoi transferat în apă fierbinte. Acest lucru va face ca gazul din sticlă să facă lucrări mecanice și să împingă dopul afară. Primul motor cu ardere externă s-a bazat în întregime pe acest proces. Adevărat, mai târziu, inventatorul și-a dat seama că o parte din căldură ar putea fi folosită pentru încălzire. Astfel, productivitatea a crescut semnificativ. Dar nici asta nu a ajutat motorul să se răspândească.

Mai târziu, Erickson, un inginer din Suedia, a îmbunătățit designul propunând răcirea și încălzirea gazului la presiune constantă în loc de volum. Ca urmare, multe exemplare au început să fie folosite pentru lucrări în mine, pe nave și în tipografii. Dar pentru echipaje, acestea s-au dovedit a fi prea grele.

Motoare cu ardere externă de la Philips

Astfel de motoare sunt de următoarele tipuri:

• aburi;
• turbină cu abur;
• Stirling.

Acest din urmă tip nu a fost dezvoltat din cauza fiabilității scăzute, iar restul nu sunt cei mai înalți indicatori în comparație cu celelalte tipuri de unități care au apărut. Cu toate acestea, în 1938, Philips și-a reluat operațiunile. Motoarele au început să servească la acționarea generatoarelor în zonele neelectrificate. În 1945, inginerii companiei le-au găsit o utilizare inversă: dacă arborele este rotit de un motor electric, atunci răcirea chiulasei ajunge la minus o sută nouăzeci de grade Celsius. Apoi s-a decis să se utilizeze motorul Stirling îmbunătățit în unitățile frigorifice.

Principiul de funcționare

Acțiunea motorului este de a lucra în cicluri termodinamice, în care compresia și dilatarea au loc la temperaturi diferite. În acest caz, reglarea debitului fluidului de lucru se realizează datorită volumului variabil (sau presiunii, în funcție de model). Acesta este principiul de funcționare al majorității acestor mașini, care pot avea diferite funcții și scheme de proiectare. Motoarele pot fi alternative sau rotative. Mașinile cu instalațiile lor funcționează ca pompe de căldură, frigidere, generatoare de presiune și așa mai departe.

În plus, există motoare cu ciclu deschis în care controlul debitului este realizat prin intermediul supapelor. Se numesc motoare Erickson, cu excepția numelui comun al numelui Stirling. Într-un motor cu ardere internă, lucrările utile sunt efectuate după comprimarea preliminară a aerului, injecția de combustibil, încălzirea amestecului rezultat amestecat cu ardere și expansiune.

Motorul Stirling are același principiu de funcționare: la temperaturi scăzute are loc compresia, iar la temperaturi ridicate, expansiune. Dar încălzirea se realizează în moduri diferite: căldura este furnizată prin peretele cilindrului din exterior. Prin urmare, a primit numele motorului cu ardere externă. Stirling a folosit o schimbare periodică a temperaturii cu un piston de deplasare. Acesta din urmă mută gazul dintr-o cavitate a cilindrului în alta. Pe de o parte, temperatura este constant scăzută, iar pe de altă parte, este ridicată. Când pistonul se mișcă în sus, gazul se deplasează din cavitatea caldă în cea rece și în jos revine la cea fierbinte. În primul rând, gazul degajă multă căldură frigiderului, iar apoi primește de la încălzitor cât a dat. Între încălzitor și frigider este plasat un regenerator - o cavitate umplută cu material căruia gazul eliberează căldură. În caz de curgere inversă, regeneratorul îl returnează.

Sistemul de deplasare este conectat la un piston de lucru care comprimă gazul la rece și îi permite să se extindă la căldură. Munca utilă se face prin compresie la o temperatură mai scăzută. Întregul sistem trece prin patru cicluri cu mișcări intermitente. Mecanismul manivela asigură astfel continuitatea. Prin urmare, granițele ascuțite între etapele ciclului nu sunt observate, iar Stirling nu scade.

Având în vedere toate cele de mai sus, concluzia sugerează că acest motor este o mașină cu piston cu alimentare externă de căldură, în care fluidul de lucru nu părăsește spațiul închis și nu este înlocuit. Desenele motorului Stirling ilustrează bine structura și principiul funcționării acestuia.

Detalii de lucru

Soarele, electricitatea, energia nucleară sau orice altă sursă de căldură pot furniza energie unui motor Stirling. Principiul corpului său este să folosească heliu, hidrogen sau aer. Un ciclu ideal are o eficiență termică maximă posibilă de treizeci până la patruzeci de procente. Dar cu un regenerator eficient, va putea funcționa cu mai mult Eficiență ridicată... Regenerarea, încălzirea și răcirea sunt asigurate de schimbătoare de căldură încorporate fără ulei. Trebuie remarcat faptul că motorul are nevoie de foarte puțină lubrifiere. Presiunea medie în cilindru este de obicei de 10 până la 20 MPa. Prin urmare, aici este necesar un sistem de etanșare excelent și capacitatea de a introduce ulei în camerele de lucru.

Caracteristici comparative

Majoritatea motoarelor de acest fel aflate în funcțiune astăzi folosesc combustibili lichizi. Presiunea continuă este ușor de controlat, ceea ce ajută la reducerea emisiilor. Absența supapelor asigură o funcționare silențioasă. Puterea/greutate este comparabilă cu motoarele turbo, iar raportul putere/greutate este unitate diesel... Viteza și cuplul sunt independente unul de celălalt.

Costul de producere a unui motor este mult mai mare decât cel al unui motor cu ardere internă. Dar în timpul funcționării, se obține indicatorul opus.

Avantaje

Orice model de motor Stirling are multe avantaje:

• Eficiența în designul modern poate fi de până la șaptezeci la sută.
• Nu există sistem în motor aprindere de înaltă tensiune, arbore cu cameși supape. Nu va trebui ajustat pe toată durata de viață.
• La Stirlings, nu există o astfel de explozie ca în motorul cu ardere internă, care încarcă puternic arborele cotit, rulmenți și biele.
• Nu au acest efect când spun că „motorul s-a oprit”.
• Datorită simplității dispozitivului, acesta poate fi utilizat pentru o perioadă lungă de timp.
• Poate funcționa atât pe lemn, cât și cu combustibil nuclear și orice alt tip.
• Arderea are loc în afara motorului.

dezavantaje

Aplicație

În prezent, un motor Stirling cu generator este folosit în multe domenii. Este o sursă versatilă de energie electrică în frigidere, pompe, submarine și centrale solare. Se datorează aplicației de diverse feluri combustibil există posibilitatea utilizării sale pe scară largă.

Renaştere

Datorită lui Philips, aceste motoare au fost dezvoltate din nou. La mijlocul secolului XX, General Motors a încheiat un acord cu ea. Ea a condus dezvoltarea pentru aplicarea Stirling-urilor în spațiu și dispozitive subacvatice, nave și mașini. În urma acestora, o altă companie din Suedia, United Stirling, a început să se ocupe de dezvoltarea acestora, inclusiv de posibila utilizare în

Azi motor liniar Stirling este utilizat în instalații de vehicule subacvatice, spațiale și solare. Un mare interes pentru acesta este cauzat din cauza relevanței problemelor de degradare a mediului, precum și a luptei împotriva zgomotului. În Canada și SUA, Germania și Franța, precum și Japonia, există o căutare activă pentru dezvoltarea și îmbunătățirea utilizării acestuia.

Viitor

Avantajele clare pe care le au pistonul și pistonul Stirling, constând într-o durată lungă de viață, utilizarea diferiților combustibili, zgomot și toxicitate scăzută, îl fac foarte promițător pe fundalul unui motor cu ardere internă. Cu toate acestea, dat fiind faptul că motorul cu ardere internă a fost îmbunătățit de-a lungul întregului timp, acesta nu poate fi deplasat cu ușurință. Într-un fel sau altul, tocmai un astfel de motor ocupă astăzi o poziție de lider și nu intenționează să-l predea în viitorul apropiat.