Двигун зовнішнього згорання принцип. Двигун внутрішнього згоряння - історія створення. Стірлінг модифікації «Бета»

У двигунах зовнішнього згоряння процес спалювання палива і джерело теплового впливу відокремлені від робочої установки. До даної категорії зазвичай відносять парові і газові турбіни, а також двигуни Стірлінга. Перші прототипи подібних установок були сконструйовані більше двох століть назад і застосовувалися протягом майже всього XIX століття.

Коли для бурхливо розвивається промисловості знадобилися потужні і економічні енергетичні установки, конструктори придумали заміну вибухонебезпечним парових двигунів, де робочим тілом був знаходиться під великим тиском пар. Так з'явилися двигуни зовнішнього згоряння, які поширені вже на початку XIX століття. Тільки через кілька десятків років їм на зміну прийшли двигуни внутрішнього згоряння. Коштували вони істотно дешевше, що і їх широке поширення.

Але сьогодні конструктори все пильніше придивляються до вийшли з широкого вжитку двигунів зовнішнього згоряння. Це пояснюється їх перевагами. Головне достоїнство полягає в тому, що такі установки не потребують добре очищеному і дорогому паливі.

Двигуни зовнішнього згорання невибагливі, хоча до цих пір їх будівництво і обслуговування обходяться досить дорого.

двигун Стірлінга

Один з найвідоміших представників сімейства двигунів зовнішнього згоряння - машина Стірлінга. Вона була придумана в 1816 році, неодноразово удосконалювалася, але згодом на довгий час була незаслужено забута. Тепер же двигун Стірлінга отримав друге народження. Його з успіхом використовують навіть при освоєнні космічного простору.

Робота машини Стірлінга заснована на замкнутому термодинамическом циклі. Періодичні процеси стиснення і розширення тут йдуть при різних температурах. Управління робочим потоком відбувається за допомогою зміни його обсягу.

Двигун Стірлінга може працювати в якості теплового насоса, генератора тиску, пристрої для охолодження.

В даному двигуні при низькій температурі йде стиснення газу, а при високій - його розширення. Періодична зміна параметрів відбувається за рахунок використання особливого поршня, що має функцію витіснювача. Тепло до робочого тіла при цьому підводиться з зовнішньої сторони, через стінку циліндра. Ця особливість і дає право

Незважаючи на свої високі показники, сучасний двигун внутрішнього згоряння починає застарівати. Його к. П. Д. Досяг, мабуть, своєї межі. Шум, вібрація, які отруюють повітря гази і інші властиві йому недоліки змушують вчених шукати нові рішення, переглядати можливості давно «забутих» циклів. Одним з «відроджених» двигунів є стірлінг.

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

Роберт Стірлінг побудував кілька двигунів; останній з них мав потужність 45 л. с. і пропрацював на шахті в Англії більше трьох років (до 1847 г.). Ці двигуни були дуже важкими, займали багато місця і зовні нагадували парові машини.

Для мореплавання двигуни зовнішнього згоряння вперше були застосовані в 1851 р шведом Джоном Еріксоном. Побудоване їм судно «Еріксон» благополучно перетнуло Атлантичний океан з Америки в Англію з силовою установкою, що складалася з чотирьох двигунів зовнішнього згоряння. У століття парових машин це було сенсацією. Однак силова установка Еріксона розвивала всього 300 л. с., а не 1000, як очікувалося. Двигуни мали величезні розміри (діаметр циліндра 4,2 м, хід поршня 1,8 м). Витрата вугілля вийшов не менше, ніж у парових машин. Коли судно прийшло в Англію, виявилося, що двигуни не придатні для подальшої експлуатації, так як у них прогоріли днища циліндрів. Щоб повернутися в Америку, довелося замінити двигуни звичайної паровою машиною. На зворотному шляху судно потрапило в аварію і затонуло з усім екіпажем.

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

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

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

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

Пристрій двигуна зовнішнього згоряння в його сучасному вигляді схематично показано на рис. 1. У закритому з одного боку циліндрі знаходяться два поршня. Верхній - поршень-в и гнобите ль служить для прискорення процесу періодичного нагріву і охолодження робочого газу. Він являє собою порожнистий закритий циліндр з нержавіючої сталі, погано проводить тепло, і переміщається під дією штока, пов'язаного з кривошипно-шатунним механізмом.

Нижній поршень - робочий (на малюнку показаний в перетині). Він передає зусилля на кривошипно-шатунний механізм через порожній шток, всередині якого проходить шток витіснювача. Робочий поршень забезпечений ущільнювальними кільцями.

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

Верхня частина циліндра стикається з підігрівачем, а нижня - з холодильником. Відповідно в ньому виділяються «гарячий» і «холодний» обсяги, вільно сполучені між собою за допомогою трубопроводу, в якому знаходиться регенератор (теплообмінник). Регенератор заповнений путанку з дроту малого діаметра (0,2 мм) і має високу теплоємність (наприклад, к. П. Д. Регенераторів фірми Філіпе перевищує 95%).

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

У нижній частині двигуна розташований кривошипно-шатунний механізм, службовець для перетворення зворотно-поступального руху поршня в обертальний рух вала. Особливістю цього механізму є наявність двох колінчастих валів, З'єднаних двома шестернями зі спіральними зубами, що обертаються назустріч один одному. Шток витіснювача пов'язаний з колінчатими валами за допомогою нижньої рульової осі і причіпних шатунів. Шток робочого поршня з'єднується з колінчатими валами через верхнє коромисло і причіпні шатуни. Система однакових шатунів утворює рухливий деформується ромб, звідки і назва цієї передачі - ромбічна. Ромбическая передача забезпечує необхідний зрушення фаз при русі поршнів. Вона повністю врівноважена, в ній не виникають бічні зусилля на штоки поршнів.

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

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

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

Такт II - стиснення. Витіснювач залишається у верхньому положенні, робочий поршень рухається вгору, стискаючи робочий газ при низькій температурі.

Такт III - нагрівання. Робочий поршень знаходиться у верхньому положенні, витіснювач рухається вниз. При цьому стиснене холодний робочий газ спрямовується з-під витискує в звільнене простір над ним. По дорозі робочий газ проходить через регенератор, де попередньо підігрівається, потрапляє в «гарячу» порожнину циліндра і нагрівається ще сильніше.

Такт IV - розширення (робочий хід). Нагріваючись, робочий газ розширюється, пересуваючи при цьому витіснювач і разом з ним робочий поршень вниз. Здійснюється корисна робота.

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

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

Теоретичний к. П. Д. Двигуна стірлінга становить 70%. Дослідження показали, що на практиці можна отримати к. П. Д., Що дорівнює 50%. Це значно більше, ніж у найкращих газових турбін (28%), бензинових двигунів (30%) і дизелів (40%).

Стірлінг може працювати на бензині, гасі, дизельному, газоподібному і навіть твердому паливі. У порівнянні з іншими двигунами, він має більш м'який і майже безшумний хід. Пояснюється це низьким ступенем стиснення (1,3 ÷ 1,5), до того ж тиск в циліндрі підвищується плавно, а не вибухом. Відпрацьовані гази також випускаються без Шума, так як згорання відбувається постійно. У них порівняно небагато токсичних складових, тому що горіння палива відбувається безперервно і при постійному надлишку кисню (α \u003d 1,3).

Стірлінг з ромбічної передачею повністю урівноважений, в ньому не виникає вібрацій. Це якість, зокрема, було враховано американськими інженерами, що встановили одноциліндровий стірлінг на штучному супутнику Землі, де навіть невелика вібрація і неврівноваженість можуть привести до втрати орієнтації.

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

На рис. 4 показаний розріз двоциліндрового катерного двигуна Філіпс потужністю 115 л. с. при 3000 об / хв з горизонтальним розташуванням циліндрів. Загальний робочий об'єм кожного циліндра 263 см 3. Поршні, розташовані опозитно, з'єднані з двома траверсами, що дозволило повністю врівноважити газові сили і обійтися без буферних обсягів. Підігрівач виконаний з трубок, що оточують камеру згоряння, за якими проходить робочий газ. Охолоджувачем служить трубчастий холодильник, через який прокачується забортної вода. Двигун має два колінчастих валу, з'єднаних з гребним валом за допомогою черв'ячних передач. Висота двигуна всього 500 мм, що дозволяє встановити його під настилом і таким чином зменшити розміри машинного відсіку.

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

Стірлінг економічний - питома витрата палива у нього складає всього 150 г / л. с. година. В енергетичній установці «двигун стірлінг- акумулятор тепла», що використовується на американських супутниках Землі, тепловим акумулятором служить гідро літію, який поглинає тепло в період «освітлення» і Віддає його Стірлінга, коли супутник знаходиться на тіньовій стороні Землі. На супутнику двигун служить для приводу генератора потужністю 3 квт при 2400 об / хв.

Створено досвідчений моторолер з Стірлінгом і акумулятором тепла. Використання акумулятора тепла і стірлінга на підводному човні дозволяє їй в кілька разів довше йти в зануреному положенні.

література

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

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

Історія

У 1816 році в Шотландії Робертом Стірлінгом була запатентована названа сьогодні в честь свого винахідника. Перші двигуни гарячого повітря були винайдені ще до нього. Але Стірлінг додав в пристрій очищувач, який в технічній літературі називається регенератором, або теплообмінником. Завдяки йому продуктивність мотора зростала при утриманні агрегату в теплі.

Двигун визнали найбільш міцної паровою машиною з наявних на той момент, так як він ніколи не вибухав. До нього на інших моторах така проблема виникала часто. Незважаючи на швидкий успіх, на початку двадцятого століття від його розвитку відмовилися, так як він став менш економічним, порівняно з появою тоді іншими двигунами внутрішнього згоряння і електродвигунами. Однак Стірлінг ще продовжував застосовуватися в деяких виробництвах.

Двигун зовнішнього згорання

Принцип роботи всіх теплових двигунів полягає в тому, що для отримання газу в розширеному стані необхідні великі механічні зусилля, ніж при стисканні холодного. Для наочної демонстрації цього можна провести досвід з двома каструлями, наповненими холодною і гарячою водою, а також пляшкою. Останню опускають в холодну воду, затикають пробкою, потім переносять в гарячу. При цьому газ в пляшці почне виконувати механічну роботу і виштовхне пробку. Перший двигун зовнішнього згоряння грунтувався на цьому процесі повністю. Правда, пізніше винахідник зрозумів, що частина тепла можна застосовувати для підігріву. Таким чином, продуктивність значно зросла. Але навіть це не допомогло двигуну стати поширеним.

Пізніше Еріксон, інженер зі Швеції, удосконалив конструкцію, запропонувавши охолоджувати і нагрівати газ при постійному тиску замість обсягу. В результаті чимало примірників стало використовуватися для роботи в шахтах, на судах і в друкарнях. Але для екіпажів вони виявилися занадто важкими.

Двигуни зовнішнього згорання від Philips

Подібні мотори бувають наступних типів:

• парової;
• паротурбінний;
• Стірлінга.

Останній вид не стали розвивати через невелику надійності і інших не найвищих показників у порівнянні з появою іншими типами агрегатів. Однак в 1938 році компанія Philips відновила роботу. Двигуни стали служити для приводів генераторів в неелектрофіцірованних районах. У 1945 році інженери компанії знайшли їм зворотне застосування: якщо вал розкручувати електромотором, то охолодження головки циліндрів доходить до мінус ста дев'яносто градусів за Цельсієм. Тоді вирішено було застосовувати в холодильних установках вдосконалений двигун Стірлінга.

Принцип роботи

Дія мотора полягає в роботі по термодинамічних циклів, в яких при різній температурі відбувається стиснення і розширення. При цьому регулювання потоком робочого тіла реалізується за рахунок змінюється обсягу (або тиску - в залежності від моделі). Такий принцип роботи більшості подібних машин, які можуть мати різні функції і конструктивні схеми. Двигуни можуть бути поршневими або роторними. Машини з їх установками працюють в якості теплових насосів, холодильників, генераторів тиску і так далі.

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

Двигун Стірлінга принцип роботи має такий же: при низькій температурі відбувається стиснення, а при високій - розширення. Але по-різному здійснюється нагрів: тепло підводиться через стінку циліндра ззовні. Тому він і отримав назву двигуна зовнішнього згоряння. Стірлінг застосовував періодична зміна температури з витіснювальний поршнем. Останній переміщує газ з однієї порожнини циліндра в іншу. З одного боку, температура постійно низька, а з іншого - висока. При пересуванні поршня вгору газ переміщається з гарячої в холодну порожнину, а вниз - повертається в гарячу. Спочатку газ віддає багато тепла холодильника, а потім від нагрівача отримує стільки ж, скільки віддав. Між нагрівачем і холодильником розміщується регенератор - порожнина, наповнена матеріалом, якому газ віддає тепло. При зворотному перебігу регенератор повертає його.

Система витіснювача з'єднана з робочим поршнем, стискає газ в холоді і дозволяє розширюватися в теплі. За рахунок стиснення в більш низькій температурі відбувається корисна робота. Вся система проходить чотири цикли при переривчастих рухах. Кривошипно-шатунний механізм при цьому забезпечує безперервність. Тому різких кордонів між стадіями циклу не спостерігається, а Стірлінга не зменшується.

З огляду на все вищесказане, напрошується висновок, що цей двигун є поршневий машиною із зовнішнім підведенням тепла, де робоче тіло не покидає замкнутий простір і не замінюється. Креслення двигуна Стірлінга добре ілюструють пристрій і принцип його дії.

деталі роботи

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

Порівняльна характеристика

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

Витрати на виробництво двигуна набагато вище, ніж на ДВС. Але при експлуатації виходить зворотний показник.

переваги

Будь-яка модель двигуна Стірлінга має багато плюсів:

• ККД при сучасному проектуванні може доходити до сімдесяти відсотків.
• У двигуні немає системи високовольтного запалювання, розподільного вала і клапанів. Його не потрібно буде регулювати протягом всього терміну експлуатації.
• У Стірлінга немає того вибуху, як в ДВС, який сильно навантажує колінвал, підшипники і шатуни.
• У них не буває того ефекту, коли говорять, що «двигун заглох».
• Завдяки простоті приладу його можна експлуатувати протягом тривалого часу.
• Він може працювати як на дровах, так і з ядерним і будь-яким іншим видом палива.
• Згорання відбувається поза мотора.

недоліки

застосування

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

Відродження

Ці двигуни знову стали розвиватися завдяки компанії Philips. В середині двадцятого століття з нею уклала договір General Motors. Вона вела розробки для застосування Стірлінга в космічних і підводних пристроях, на судах і автомобілях. Слідом за ними інша компанія з Швеції, United Stirling, стала займатися їхнім розвитком, включаючи і можливе використання на

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

майбутнє

Явні переваги, які має поршневий і Стірлінга, які полягають у великому ресурсі роботи, застосуванні різного палива, безшумність і малої токсичності, роблять його дуже перспективним на тлі двигуна внутрішнього згоряння. Однак з урахуванням того, що ДВС протягом усього часу вдосконалювали, він не може бути легко усунутий. Так чи інакше, саме такий двигун сьогодні займає лідируючі позиції, і здавати їх найближчим часом не має наміру.

Двигуни зовнішнього згорання стали використовуватися тоді, коли людям потрібен був потужний і економічний джерело енергії. До цього використовувалися парові установки, однак вони були вибухонебезпечними, так як використовували гарячий пар під тиском. На початку 19 століття їм на зміну прийшли пристроєм і зовнішнім згорянням, а ще через кілька десятків років були винайдені вже звичні прилади з внутрішнім згорянням.

походження пристроїв

У 19 столітті людство зіштовхнулося з проблемою, яка полягала в тому, що парові котли занадто часто вибухали, а також мали серйозні конструктивні недоліки, що робило їх використання небажаним. Вихід був знайдений в 1816 році шотландським священиком Робертом Стірлінгом. Ці пристрої можна також називати "двигунами гарячого повітря", які застосовувалися ще в 17 столітті, проте ця людина додав до винаходу очищувач, який має назву в даний час регенератором. Таким чином, двигун зовнішнього згоряння Стірлінга був здатний сильно підвищити продуктивність установки, так як він зберігав тепло в теплій робочій зоні, в той час як робоче тіло охолоджувалося. Через це ефективність роботи всієї системи була значно збільшена.

У той час винахід використовувалося досить широко і знаходилося на підйомі своєї популярності, проте з часом його перестали використовувати, і про нього забули. На зміну обладнання зовнішнього згоряння прийшли парові установки і двигуни, але вже звичні, з внутрішнім згорянням. Знову про них згадали лише в 20 столітті.

Робота установки

Принцип роботи двигуна зовнішнього згоряння полягає в тому, що в ньому постійно чергуються два етапи: нагрівання та охолодження робочого тіла в замкнутому просторі і отримання енергії. Дана енергія виникає через те, що постійно змінюється обсяг робочого тіла.

Найчастіше робочою речовиною в таких пристроях стає повітря, однак можливе використання ще й гелію або водню. У той час поки винахід знаходилося на стадії розробки, як дослідів використовувалися такі речовини, як двоокис азоту, фреони, скраплений пропан-бутан. У деяких зразках намагалися застосовувати навіть звичайну воду. Варто відзначити, що двигун зовнішнього згоряння, який запускали з водою в якості робочої речовини, відрізнявся тим, що у нього була досить висока питома потужність, високий тиск, А сам він був досить компактним.

Перший тип двигуна. «Альфа»

Першою моделлю, яка використовувалася, стала «Альфа» Стірлінга. Особливість його конструкції полягає в тому, що вона має два силових поршня, що знаходяться в різних в роздільних циліндрах. Один з них мав досить високу температуру і був гарячим, інший, навпаки, холодним. Усередині теплообмінника з високою температурою розташовувалася гаряча пара циліндр-поршень. Холодна пара перебувала всередині теплообмінника з низькою температурою.

Основними перевагами теплового двигуна зовнішнього згоряння стало те, що вони мали високу потужність і обсяг. Однак температура гарячої пари при цьому була дуже велика. Через це виникали деякі технічні труднощі в процесі виготовлення таких винаходів. Регенератор даного пристрою знаходиться між гарячою і холодною сполучними трубками.

Другий зразок. «Бета»

Другим прикладом стала модель «Бета» Стірлінга. Основне конструктивне відмінність полягала в тому, що був лише один циліндр. Один з його кінців виконував роль гарячої пари, а інший кінець залишався холодним. Усередині даного циліндра переміщався поршень, з якого можна знімати потужність. Також всередині був витіснювач, який відповідав за зміну обсягу гарячої робочої зони. В даному обладнанні використовувався газ, який перекачувався з холодної зони в гарячу через регенератор. Цей вид двигуна зовнішнього згоряння мав регенератором у вигляді зовнішнього теплообмінника або ж поєднувався з поршнем-витіснювачем.

Остання модель. «Гамма»

останньою різновидом даного двигуна стала «Гамма» Стірлінга. Цей тип відрізнявся не тільки наявністю поршня, а також витіснювача, а ще й тим, що в його конструкцію входили вже два циліндра. Як і в першому випадку один з них був холодним і використовувався він для відбору потужності. А ось другий циліндр, як в попередньому випадку, був холодним з одного кінця і гарячим з іншого. Тут же переміщався витіснювач. В поршневому двигуні зовнішнього згоряння також був регенератор, який міг бути двох типів. У першому випадку він був зовнішнім і з'єднував між собою такі конструктивні частини, як гарячу зону циліндра з холодною, а також з першим циліндром. Другий тип - це внутрішній регенератор. Якщо використовувався цей варіант, то він входив в конструкцію витіснювача.

Використання Стірлінга обгрунтовано в тому випадку, якщо необхідний простий і невеликий перетворювач теплової енергії. Також його можна використовувати в тому випадку, якщо різниця температур недостатньо велика, щоб використовувати газові або ж парові турбіни. Варто зазначити, що на сьогоднішній день такі зразки стали використовуватися частіше. Наприклад, використовуються автономні моделі для туристів, які здатні працювати від газової конфорки.

Застосування пристроїв в даний час

Здавалося б, що таке старе винахід не може використовуватися в наші дні, однак це не так. NASA замовило двигун зовнішнього згоряння типу Стірлінга, однак в якості робочої речовини повинні використовуватися ядерні і радіоізотопні джерела тепла. Крім цього, він також успішно може бути використаний в наступних цілях:

• Використовувати таку модель двигуна для перекачування рідини набагато простіше, ніж звичайний насос. Багато в чому це завдяки тому, що в якості поршня можна застосовувати саму рідину, що перекачується. Крім того, вона ж і буде охолоджувати робоче тіло. Наприклад, такий вид "насоса" можна використовувати, щоб накачувати воду в іригаційні канали, використовуючи для цього сонячне тепло.
• Деякі виробники холодильників схиляються до встановлення таких пристроїв. Вартість продукції вдасться знизити, а в якості холодоагенту можна застосовувати звичайне повітря.
• Якщо поєднати двигун зовнішнього згоряння цього типу з тепловим насосом, то можна оптимізувати роботу теплової мережі в будинку.
• Досить успішно Стірлінга використовуються на підводних човнах ВМС Швеції. Справа в тому, що двигун працює на рідкому кисні, який згодом використовується для дихання. Для підводного човна це дуже важливо. До того ж таке обладнання має досить низьким рівнем шуму. Звичайно, агрегат досить великий і вимагає охолодження, але саме ці два чинники несуттєві, якщо мова йде про підводний човен.

Переваги використання двигуна

Якщо під час конструювання і складання застосувати сучасні методи, то вдасться підняти коефіцієнт корисної дії двигуна зовнішнього згоряння до 70%. Використання таких зразків супроводжується наступними позитивними якостями:

• Дивно, однак крутний момент в такий винахід практично не залежить від швидкості обертання колінчастого вала.
• В данному силовий агрегат відсутні такі елементи, як система запалювання і клапанна система. Також тут відсутній распредвал.
• Досить зручно те, що протягом усього періоду використання не буде потрібно проводити регулювання і налаштування обладнання.
• Дані моделі двигуна не здатні "стихнути". Найпростіша конструкція апарату дозволяє використовувати його досить тривалий час в повністю автономному режимі.
• Як джерело енергії можна використовувати практично все, починаючи від дров і закінчуючи уранових паливом.
• Природно, що в двигуні зовнішнього згорання процес спалювання речовин здійснюється зовні. Це сприяє тому, що паливо дожигается в повному обсязі, а кількість токсичних викидів мінімізується.

недоліки

Природно, що будь-який винахід не позбавлене недоліків. Якщо говорити про мінуси таких двигунів, то вони полягають в наступному:

1. Через те що згоряння здійснюється поза двигуном, відведення одержуваного тепла відбувається через стінки радіатора. Це змушує збільшувати габарити пристрою.
2. Матеріаломісткість. Для того щоб створити компактну й ефективну модель двигуна Стірлінга, необхідно мати якісну жароміцних сталь, яка зможе витримати великий тиск і високу температуру. Крім того, повинна бути низька теплопровідність.
3. Як мастила доведеться купувати спеціальний засіб, Так як звичайне коксується при високих температурах, які досягаються в двигуні.
4. Для отримання досить високої питомої потужності доведеться використовувати або водень, або гелій як робоча речовина.

Водень і гелій як паливо

отримання високої потужності, Звичайно ж, необхідно, однак потрібно розуміти, що використання водню або гелію досить небезпечно. Водень, наприклад, сам по собі досить вибухонебезпечний, а при високих температурах він створює з'єднання, які називаються металлогідрітамі. Це відбувається, коли водень розчиняється в металі. Іншими словами, він здатний зруйнувати циліндр зсередини.

Крім того, і водень, і гелій - це леткі речовини, які характеризуються високою проникаючою здатністю. Якщо говорити простіше, то вони досить легко просочуються крізь практично будь-які ущільнення. А втрати речовини означають втрати в робочому тиску.

Роторний двигун зовнішнього згоряння

Серце такої машини - це роторна машина розширення. Для двигунів з зовнішнім типом згоряння цей елемент представлений у вигляді порожнього циліндра, який з обох сторін прикритий кришками. Сам по собі ротор має вигляд колеса, який посаджений на вал. Також у нього є певна кількість П-образних висуваються пластин. Для їх висунення використовується спеціальне висувний пристрій.

Двигун зовнішнього згорання Лук'янова

Юрій Лук'янов - це науковий співробітник Львівського політехнічного інституту. Він уже досить давно займається розробкою нових моделей двигунів. Вчений намагався зробити так, щоб в нових моделях були відсутні такі елементи, як коробка передач, распредвал і вихлопна труба. Основний недолік пристроїв Стірлінга полягав в тому, що вони мали надто великі габарити. Саме цей недолік вченому і вдалося усунути за рахунок того, що лопаті були замінені на поршні. Це допомогло зменшити розмір всієї конструкції в кілька разів. Деякі говорять про те, що можна зробити двигун зовнішнього згоряння своїми руками.

Двигуни зовнішнього згорання

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

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

Двигуни зовнішнього згорання були винайдені майже 200 років тому, в 1816 році. Разом з паровим двигуном, дво- і чотиритактним двигуном внутрішнього згоряння, двигун зовнішнього згоряння вважаються одними з основних типів двигунів. Вони були розроблені з метою створення двигунів, які були б більш безпечними і продуктивними, ніж паровий двигун. На самому початку 18-го століття відсутність відповідних матеріалів призводило до численних випадків зі смертельними наслідками у зв'язку з вибухами парових двигунів, які перебувають під тиском.

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

Після винаходу двигуна внутрішнього згоряння в кінці 18-го століття ринок для двигунів зовнішнього згоряння зник. Вартість виробництва двигуна внутрішнього згоряння в порівнянні з вартістю виробництва зовнішнього згоряння нижче. Основний недолік двигунів внутрішнього згоряння полягає в тому, що для їх роботи необхідно чисте, викопне паливо, що збільшує викиди СО2, паливо. Однак, до недавнього часу вартість викопного палива була низькою, а викидів СО2 не приділялося належної уваги.

Принцип роботи двигуна зовнішнього згоряння

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

Цими зовнішніми джерелами нагрівання та охолодження можуть служити відпрацьовані гази біомаси і охолоджуюча вода відповідно. Процес призводить до обертання генератора, монтованої на двигуні, за допомогою чого проводиться енергія.

Всі двигуни внутрішнього згоряння приводяться в дію різницями температур. бензинові, дизельні двигуни і двигуни зовнішнього згоряння засновані на тій особливості, що для стиснення холодного повітря необхідно менше зусиль, ніж для стиснення гарячого повітря.

Бензинові і дизельні двигуни всмоктують холодне повітря і стискають це повітря, перш ніж він підігрівається в процесі внутрішнього згоряння, який відбувається всередині циліндра. Після підігрівання повітря над поршнем поршень переміщається вниз, за \u200b\u200bдопомогою чого повітря розширюється. Так як повітря гарячий, сила, що діє на шток поршня, велика. Коли поршень доходить до низу, клапани відкриваються і гарячі вихлопи замінюються новим, свіжим, холодним повітрям. При русі поршня вгору холодне повітря стискається, причому сила, що діє на шток поршня, менше, ніж при його русі вниз.

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

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