ДВС зовнішнього згоряння. Який двигун стирлінгу має кращу конструкцію з максимальним ккд. Деякі деталі роботи двигуна

Ця стаття присвячена одному винаходу, запатентованому ще в ХІХ столітті шотландським одним священиком Стірлінгом. Як і всі попередники, це був двигун зовнішнього згоряння. Тільки відмінність його від інших у тому, що він може працювати і на бензині, і на мазуті, і навіть на вугіллі та дровах.

У XIX столітті виникла необхідність заміни парових двигунів на щось безпечніше, оскільки котли часто вибухали через високого тискупара та деяких серйозних конструктивних недоліків.

Хорошим варіантом став двигун зовнішнього згоряння, який запатентував у 1816 шотландський священик Роберт Стірлінг.

Щоправда, «двигуни гарячого повітря» робили й раніше, ще XVII столітті. Але Стірлінг додав в установку очищувач. У сучасному розумінні – регенератор.

Він підвищив продуктивність установки, зберігаючи тепло у теплій зоні машини, у той момент, коли робоче тіло охолоджувалося. Це значно збільшило ефективність системи.

Винахід знайшов широке практичне застосування, була стадія підйому та розвитку, але потім Стірлінг були незаслужено забуті.

Вони поступилися місцем паровим машинамта двигунам внутрішнього згоряння, а в ХХ столітті знову відродилися.

Зважаючи на те, що цей принцип зовнішнього згоряння сам по собі дуже цікавий, сьогодні над створенням нових моделей працюють найкращі інженери та любителі в США, Японії, Швеції…

Двигун зовнішнього згоряння. Принцип роботи

«Стірлінг» – як ми вже згадували, різновид двигуна зовнішнього згоряння. Основний принцип його роботи полягає в постійному чергуванні нагрівання та охолодження робочого тіла в замкнутому просторі та одержанні енергії, завдяки зміні обсягу робочого тіла, що при цьому виникає.

Як правило, робочим тілом виступає повітря, але може використовуватися водень або гелій. У дослідних зразках пробували двоокис азоту, фреони, скраплений пропан-бутан і навіть воду.

До речі, вода перебуває у рідкому стані протягом усього термодинамічного циклу. А сам «стирлінг» із рідким робочим тілом має компактні розміри, високу питому потужність та високий робочий тиск.

Види стирлінгів

Існують три класичні види двигуна Стірлінга:

Застосування

Двигун Стірлінга можна застосовувати у випадках, коли потрібний простий, компактний перетворювач теплової енергії або коли ефективність інших типів теплових машин нижча: наприклад, якщо різниця температур недостатня для використання газової або .

Ось конкретні приклади використання:

• Вже сьогодні випускаються автономні генератори для туристів. Є моделі, що працюють від газової конфорки;

NASA замовило варіант генератора на основі «стирлінгу», який працює від ядерного та радіоізотопного джерел тепла. Він використовуватиметься у космічних експедиціях.

• «Стірлінг» для перекачування рідини набагато простіше установки «двигун-насос». В якості робочого поршня він може використовувати рідину, що перекачується, яка заодно охолоджуватиме робоче тіло.
• Виробників побутових холодильників запроваджують моделі на «стирлінгах». Вони будуть економнішими, а як холодоагент передбачається використовувати звичайне повітря;
• Поєднаний Стірлінг із тепловим насосом оптимізує систему опалення в будинку. Він віддаватиме непридатне тепло «холодного» циліндра, а отриману механічну енергію може використовувати для підкачування тепла, що йде з навколишнього середовища;
• Сьогодні на всіх підводних човнах ВМС Швеції встановлені двигуни Стірлінга. Вони працюють на рідкому кисні, який надалі використовується для дихання. Дуже важливий фактор для човна, низький рівень шуму, а недоліки типу: "великий розмір", "необхідність охолодження" - в умовах підводного човна не суттєві. Аналогічними установками оснащені нові японські підводні човни типу «Сорю»;
• Двигун Стірлінга використовується для перетворення сонячної енергії на електричну. Для цього він монтується у фокусі параболічного дзеркала. Компанія Stirling Solar Energy будує сонячні колектори потужністю до 150 кВт на дзеркало. Вони використовуються на найбільшій у світі сонячній електростанції у південній Каліфорнії.

Переваги і недоліки

Сучасний рівень проектування та технології виготовлення дозволяють підвищити коефіцієнт корисної дії«Стірлінга» до 70 відсотків.

• Що дивно, крутний момент двигуна практично не залежить від швидкості обертання колінчастого валу;
• Силова установка не містить системи запалення, клапанної системи та розподільного валу.
• Протягом усього терміну експлуатації не потрібні налаштування та налаштування.
• Двигун не "глохне", а простота конструкції дозволяє експлуатувати його в автономному режимі тривалий час;
• Можна використовувати будь-які джерела теплової енергії від дров до уранового палива.
• Спалювання палива відбувається поза двигуном, що сприяє його повному допалюванню та мінімізації викидів токсичних речовин.

• Так як паливо згоряє поза двигуном, то відведення тепла йде через стінки радіатора, а це додаткові габарити;
• Матеріаломісткість. Щоб зробити Стирлінг-машину компактною і потужною, потрібні дорогі жароміцні сталі, здатні витримувати високий робочий тиск і мають низьку теплопровідність;
• Потрібне спеціальне мастило, звичайне для «Стирлінгів» не підходить, оскільки коксується при високих температурах;
• Щоб отримати високу питому потужність, робоче тіло в «Стирлінг» застосовують водень і гелій.

Водень відрізняється вибухонебезпечністю, а за високих температур може розчинятися в металах, утворюючи при цьому металогідрити. Іншими словами, відбувається руйнування циліндрів двигуна.

А ще водень і гелій мають високу проникаючу здатність і легко просочуються через ущільнення, знижуючи робочий тиск.

Якщо ви, познайомившись з нашою статтею, захочете придбати пристрій - двигун зовнішнього згоряння, не біжіть до найближчого магазину, така штука не продається, на жаль.

Самі розумієте, ті, хто займається удосконаленням та впровадженням цієї машини, тримають свої розробки в секреті та продають їх лише солідним покупцям.

Дивіться це відео та робіть своїми руками.

Це вступна частина циклу статей присвячених Двигуну Внутрішнього Згоряння, що є коротким екскурсом в історію, розповідає про еволюцію ДВС Також, у статті будуть порушені перші автомобілі.

У наступних частинах будуть докладно описані різні ДВЗ:

Шатунно-поршневі
Роторні
Турбореактивні
Реактивні

Двигун був встановлений на човен, який зміг піднятися вгору за течією річки Сона. Через рік після випробувань брати отримали патент на свій винахід, підписаний Наполеоном Бонопартом, терміном на 10 років.

Найправильніше було б назвати цей двигун реактивним, оскільки його робота полягала у виштовхуванні води з труби човна, що знаходиться під днищем.

Двигун складався з камери запалювання та камери згоряння, сильфону для нагнітання повітря, паливо-роздавального пристрою та пристрою запалювання. Паливом для двигуна служив вугільний пил.

Сильфон впорскував струмінь повітря змішаний з вугільним пилом в камеру підпалювання де тліючий гніт запалював суміш. Після цього, частково підпалена суміш (вугільний пил горить відносно повільно) потрапляла в камеру згоряння, де повністю прогорала і відбувалося розширення.
Далі тиск газів виштовхував воду з вихлопної трубищо змушувало човен рухатися, після цього цикл повторювався.
Двигун працював у імпульсному режиміз частотою ~12 та/хвилину.

Через деякий час, брати вдосконалили паливо, додавши в нього смолу, а потім замінили його нафтою і сконструювали просту систему упорскування.
Протягом наступних десяти років проект не набув жодного розвитку. Клод поїхав до Англії з метою просування ідеї двигуна, але розтратив усі гроші і нічого не досяг, а Джозеф зайнявся фотографією і став автором першої у світі фотографії «Вигляд з вікна».

У Франції, у будинку-музеї Ньєпсів, виставлено репліку «Pyreolophore».

Трохи пізніше, де Ріва поставив свій двигун на чотириколісний візок, який, на думку істориків, став першим автомобілем з ДВС.

Про Алессандро Вольта

Вольта вперше помістив пластини з цинку та міді в кислоту, щоб отримати безперервний електричний струм, створивши перший у світі хімічне джерелоструму («Вольтовий стовп»).

У 1776 р. Вольта винайшов газовий пістолет - пістолет Вольти, в якому газ вибухав від електричної іскри.

В 1800 побудував хімічну батарею, що дозволило отримувати електрику за допомогою хімічних реакцій.

Іменем Вольти названа одиниця виміру електричної напруги – Вольт.

A- Циліндр, B- "свічка запалювання, C- поршень, D- «повітряна» куля з воднем, E- хроповик, F- клапан скидання відпрацьованих газів, G- рукоятка для керування клапаном.

Водень зберігався в «повітряній» кулі з'єднаною трубою з циліндром. Подача палива та повітря, а також підпал суміші та викид відпрацьованих газів здійснювалися вручну, за допомогою важелів.

Принцип роботи:

Через клапан скидання відпрацьованих газів у камеру згоряння надходило повітря.
Клапан зачинявся.
Відкривався кран подачі водню із кулі.
Кран закривався.
Натисканням на кнопку подавався електричний розряд на свічку.
Суміш спалахувала і піднімала поршень нагору.
Відкривався клапан скидання відпрацьованих газів.
Поршень падав під власною вагою (він був важкий) і тягнув мотузку, яка через блок повертала колеса.

Після цього цикл повторювався.

1813 року де Ріва побудував ще один автомобіль. Це був віз довжиною близько шести метрів, з колесами двометрового діаметру і важив майже тонну.
Машина змогла проїхати 26 метрів із вантажем каменів (близько 700 фунтів)та чотирма чоловіками, зі швидкістю 3 км/год.
З кожним циклом машина переміщалася на 4-6 метрів.

Мало хто з його сучасників серйозно ставився до цього винаходу, а Французька Академія Наук стверджувала, що двигун внутрішнього згоряння ніколи не конкуруватиме за продуктивністю з паровою машиною.

У 1833 році, американський винахідник Лемюель Веллман Райт зареєстрував патент на двотактний газовий двигун внутрішнього згоряння з водяним охолодженням.
(див. нижче)у своїй книзі "Gas and Oil Engines" написав про двигун Райта наступне:

«Креслення двигуна дуже функціональне, а деталі ретельно опрацьовані. Вибух суміші діє безпосередньо на поршень, який через шатун обертає кривошипний вал. за зовнішньому виглядудвигун нагадує парову машину високого тиску, в якій газ та повітря подаються за допомогою насосів з окремих резервуарів. Суміш, що знаходиться в сферичних ємностях, підпалювалася під час підйому поршня в ВМТ (верхня мертва точка) і штовхала його вниз/вгору. Наприкінці такту відкривався клапан і викидав вихлопні гази в атмосферу.

Невідомо, чи був колись цей двигун збудований, однак є його креслення:

У 1838 році, англійський інженер Вільям Барнетт отримав патент на три двигуни внутрішнього згоряння.

Перший двигун - двотактний односторонньої дії (паливо горіло лише з одного боку поршня)з окремими насосами для газу та повітря. Підпал суміші відбувався в окремому циліндрі, а потім палаюча суміш перетікала в робочий циліндр. Впуск та випуск здійснювався через механічні клапани.

Другий двигун повторював перший, але був подвійної дії, тобто горіння відбувалося поперемінно з обох боків поршня.

Третій двигун, так само був подвійної дії, але мав впускні та випускні вікна в стінках циліндра, що відкривається в момент досягнення поршнем крайньої точки (як у сучасних двотактниках). Це дозволяло автоматично випускати вихлопні гази та впускати новий заряд суміші.

Відмінною особливістю двигуна Барнетта було те, що свіжа суміш стискалася поршнем перед займанням.

Креслення одного з двигунів Барнетта:

У 1853-57 роках, італійські винахідники Єугеніо Барзанті та Феліче Маттеуччі розробили та запатентували двоциліндровий двигун внутрішнього згоряння потужність 5 л/с.
Патент був виданий Лондонським бюро, оскільки італійське законодавство не могло гарантувати достатній захист.

Будівництво прототипу було доручено компанії Bauer & Co. of Milan» (Helvetica), і завершено на початку 1863 року. Успіх двигуна, який був набагато ефективнішим, ніж парова машина, виявився настільки великим, що компанія стала отримувати замовлення з усього світу.

Ранній, одноциліндровий двигун Барзанті-Маттеучі:

Модель двоциліндрового двигуна Барзанті-Маттеучі:

Маттеуччі та Барзанті уклали угоду на виробництво двигуна з однією з бельгійських компаній. Барзанті відбув до Бельгії для спостереження за роботою особисто та раптово помер від тифу. Зі смертю Барзанті всі роботи з двигуна були припинені, а Маттеуччі повернувся до своєї колишньої роботи як інженер-гідравлік.

У 1877 році Маттеуччі стверджував, що він з Барзанті були головними творцями двигуна внутрішнього згоряння, а двигун побудований Августом Отто дуже схожий на двигун Барзанті-Маттеуччі.

Документи щодо патентів Барзанті та Маттеучі зберігаються в архіві бібліотеки Museo Galileo у Флоренції.

Найголовнішим винаходом Ніколауса Отто був двигун з чотиритактним циклом- циклом Отто. Цей цикл досі лежить в основі роботи більшості газових та бензинових двигунів.

Чотирьохтактний цикл був найбільшим технічним досягненням Отто, але незабаром виявилося, що за кілька років до його винаходу такий самий принцип роботи двигуна був описаний французьким інженером Бо де Роша (див. вище). Група французьких промисловців заперечила патент Отто в суді, суд вважав їхні докази переконливими. Права Отто, які з його патенту, було значно скорочено, зокрема було анульовано його монопольне декларація про чотиритактний цикл.

Незважаючи на те, що конкуренти налагодили випуск чотиритактних двигунів, відпрацьована багаторічним досвідом модель Отто все одно була найкращою, і попит на неї не припинявся. До 1897 року було випущено близько 42 тисяч таких двигунів різної потужності. Однак та обставина, що як паливо використовувався світильний газ, сильно звужувала область їх застосування.
Кількість світильногазових заводів було трохи навіть у Європі, а Росії їх взагалі було лише два - у Москві Петербурзі.

У 1865 році, французький винахідник П'єр Хьюго отримав патент на машину, що представляла собою вертикальний одноциліндровий двигун подвійної дії, в якому для подачі суміші використовувалися два гумові насоси, що приводяться в дію від колінчастого валу.

Пізніше Х'юго сконструював горизонтальний двигунсхожий з двигуном Ленуара.

Science Museum, London.

У 1870 році, австро-угорський винахідник Семюель Маркус Зігфрід сконструював двигун внутрішнього згоряння, що працює на рідкому паливі і встановив його на чотириколісний візок.

Сьогодні цей автомобіль добре відомий як The First Marcus Car.

У 1887 році, у співпраці з компанією "Bromovsky & Schulz", Маркус побудував другий автомобіль - "Second Marcus Car".

У 1872 році, американський винахідник запатентував двоциліндровий двигун внутрішнього згоряння постійного тиску, що працює на гасі.
Брайтон назвав свій двигун "Ready Motor".

Перший циліндр виконував функцію компресора, що нагнітав повітря в камеру згоряння, в яку безперервно надходив і гас. У камері згоряння суміш підпалювалася і через золотниковий механізм надходило до другого - робочого циліндра. Істотною відмінністю від інших двигунів було те, що паливоповітряна суміш згоряла поступово і при постійному тиску.

Цікаві термодинамічні аспекти двигуна, можуть почитати про «Цикл Брайтона».

У 1878 році, шотландський інженер Сер (у 1917 році посвячений у лицарі)розробив перший двотактний двигуніз запаленням стиснутої суміші. Він запатентував його в Англії у 1881 році.

Двигун працював цікавим чином: у правий циліндр подавалося повітря та паливо, там воно змішувалося і ця суміш виштовхувалася в лівий циліндр, де й відбувалося запалювання суміші від свічки. Відбувалося розширення, обидва поршні опускалися, з лівого циліндра (через лівий патрубок)викидалися вихлопні гази, а правий циліндр всмоктувалась нова порція повітря і палива. Наслідуючи інерцію поршні піднімалися і цикл повторювався.

У 1879 році, побудував цілком надійний бензиновий двотактнийдвигун та отримав на нього патент.

Однак справжній геній Бенца виявився в тому, що в наступних проектах він зумів поєднати різні пристрої. (дросель, запалення за допомогою іскри з батареї, свічка запалювання, карбюратор, зчеплення, КПП та радіатор)на своїх виробах, що, у свою чергу, стало стандартом для всього машинобудування.

У 1883 році Бенц заснував компанію «Benz & Cie» з виробництва газових двигуніві 1886 року запатентував чотиритактнийдвигун, який він використав на своїх автомобілях.

Завдяки успіху компанії Benz & Cie, Бенц зміг зайнятися проектуванням безкіньових екіпажів. Поєднавши досвід виготовлення двигунів і давнє хобі - конструювання велосипедів, до 1886 року він побудував свій перший автомобіль і назвав його "Benz Patent Motorwagen".

Конструкція дуже нагадує триколісний велосипед.

Одноциліндровий чотиритактний двигун внутрішнього згоряння робочим об'ємом 954 см3. Benz Patent Motorwagen".

Двигун був оснащений великим маховиком (використовувався не тільки для рівномірного обертання, але і для запуску), бензобаком на 4,5 л, карбюратором випарного типу та золотниковим клапаном, через який паливо надходило до камери згоряння. Запалення вироблялося свічкою запалювання власної конструкції Бенца, напруга яку подавалося від котушки Румкорфа .

Охолодження було водяним, але не замкненого циклу, а випарним. Пара йшла в атмосферу, так що заправляти автомобіль доводилося не тільки бензином, а й водою.

Двигун розвивав потужність 0,9 л. при 400 об/хв і розганяв автомобіль до 16 км/год.

Карл Бенц за "кермом" свого авто.

Трохи пізніше, 1896 року, Карл Бенц винайшов опозитний двигун (або плоский двигун), В якому поршні досягають верхньої мертвої точки в один і той же час, тим самим врівноважуючи один одного.

Музей «Mercedes-Benz» у Штутгарті.

У 1882 році, англійський інженер Джеймс Аткінсон придумав цикл Аткінсона та двигун Аткінсона.

Двигун Аткінсона - це по суті двигун, що працює за чотиритактним. циклу Отто, але із зміненим кривошипно-шатунним механізмом. Відмінність полягала в тому, що в двигуні Аткінсона всі чотири такти відбувалися за один оберт колінчастого валу.

Використання циклу Аткінсона у двигуні дозволяло зменшити споживання палива та знизити рівень шуму при роботі за рахунок меншого тиску при випуску. Крім того, в цьому двигуні не потрібно редуктора для приводу газорозподільного механізму, так як відкриття клапанів приводив у рух колінчастий вал.

Не дивлячись на низку переваг (включаючи обхід патентів Отто)двигун не набув широкого поширення через складність виготовлення та деяких інших недоліків.
Цикл Аткінсона дозволяє отримати найкращі екологічні показники та економічність, але потребує високих оборотів. На малих оборотах видає порівняно малий і може заглухнути.

Зараз двигун Аткінсона застосовується на гібридних автомобілях « Toyota Prius» та «Lexus HS 250h».

У 1884 році, британський інженер Едвард Батлер , на лондонській виставці велосипедів "Stanley Cycle Show" продемонстрував креслення триколісного автомобіля з бензиновим двигуном внутрішнього згоряння, а в 1885 побудував його і показав на тій же виставці, назвавши «Velocycle». Так само, Батлер був першим, хто використовував слово бензин.

Патент на "Velocycle" був виданий у 1887 році.

На «Velocycle» було встановлено одноциліндровий, чотиритактний бензиновий ДВС, оснащений котушкою запалювання, карбюратором, дроселем та рідинним охолодженням. Двигун розвивав потужність близько 5 л. при об'ємі 600 см3 і розганяв автомобіль до 16 км/год.

Протягом багатьох років Батлер покращував характеристики свого транспортного засобу, але був позбавлений можливості його тестувати через "Закон Червоного Прапора" (виданий 1865 року), згідно якому транспорті засобине повинні були перевищувати швидкість понад 3 км/год. Крім того, в автомобілі повинні були бути троє людей, одна з яких повинна була йти перед автомобілем з червоним прапором. (Такі ось заходи безпеки) .

У журналі "Англійський Механік" від 1890 року, Батлер написав - "Влада забороняє використання автомобіля на дорогах, внаслідок чого я відмовляюся від подальшого розвитку."

Через відсутність суспільного інтересу до автомобіля, Батлер розібрав його на металобрухт, і продав патентні права Гаррі Дж. Лоусону (виробнику велосипедів)який продовжив виробництво двигуна для використання на катерах.

Сам Батлер перейшов до створення стаціонарних і суднових двигунів.

У 1891 році, Герберт Ейкройд Стюарт у співпраці з компанією "Richard Hornsby and Sons" побудував двигун «Hornsby-Akroyd», в якому паливо (гас) під тиском впорскувалося в додаткову камеру (через форму її називали «гаряча кулька»), встановлену на головці блоку циліндрів та з'єднану з камерою згоряння вузьким проходом. Паливо спалахнуло від гарячих стін додаткової камери і спрямовувалося в камеру згоряння.

1. Додаткова камера (гаряча кулька).
2. Циліндр.
3. Поршень.
4. Картер.

Для запуску двигуна використовувалася паяльна лампа, якою нагрівали додаткову камеру. (після запуску вона підігрівалася вихлопними газами) . Через це двигун «Hornsby-Akroyd», який був попередником дизельного двигуна, сконструйованого Рудольфом Дизелем, часто називали «напівдизелем». Однак через рік Ейкройд удосконалив свій двигун додавши до нього «водяну сорочку» (патент від 1892), що дозволило підвищити температуру в камері згоряння за рахунок збільшення ступеня стиснення, і тепер уже не було необхідності додаткового джерела нагріву.

У 1893 році, Рудольф Дизель отримав патенти на тепловий двигун і модифікований "цикл Карно" під назвою "Метод та апарат для перетворення високої температури в роботу".

У 1897 році, на «Аугсбурзькому машинобудівному заводі» (З 1904 року MAN), за фінансової участі компаній Фрідріха Круппа та братів Зульцер, було створено перший функціонуючий дизель Рудольфа Дизеля
Потужність двигуна складала 20 кінських силпри 172 оборотах за хвилину, ККД 26,2 % при вазі п'ять тонн.
Це набагато перевершувало існуючі двигуни Отто з ККД 20% і суднові парові турбіни з ККД 12%, що викликало найжвавіший інтерес промисловості в різних країнах.

Двигун Дизеля був чотиритактним. Винахідник встановив, що ККД двигуна внутрішнього згоряння підвищується збільшення ступеня стиснення горючої суміші. Але сильно стискати горючу суміш не можна, тому що тоді підвищуються тиск і температура, і вона самозаймається раніше часу. Тому Дизель вирішив стискати не горючу суміш, а чисте повітря і кінець стиснення впорскувати паливо в циліндр під сильним тиском.
Так як температура стисненого повітря досягала 600-650 ° C, паливо самозаймило, і гази, розширюючись, рухали поршень. Таким чином Дизелю вдалося значно підвищити ККД двигуна, позбавитися системи запалювання, а замість карбюратора використовувати паливний насосвисокого тиску
У 1933 році Елінг пророчо писав: "Коли я почав працювати над газовою турбіною в 1882 році, я був твердо впевнений у тому, що мій винахід буде затребуваний в авіабудуванні."

На жаль, Елінг помер у 1949 році, так і не доживши до настання ери турбореактивної авіації.

Єдине фото, яке удалося знайти.

Можливо, хтось знайде щось про цю людину в "Норвезькому музеї техніки".

1903 року, Костянтин Едуардович Ціолковський, у журналі «Науковий огляд» опублікував статтю «Дослідження світових просторів реактивними приладами», де вперше довів, що апаратом, здатним здійснити космічний політ, є ракета. У статті було запропоновано перший проект ракети дальньої дії. Корпус її являв собою довгасту металеву камеру, забезпечену рідинним реактивним двигуном (який також є двигуном внутрішнього згоряння). Як паливо та окислювач він пропонував використовувати відповідно рідкі водень та кисень.

Напевно, на цій ракетно-космічній ноті і варто закінчити історичну частину, оскільки настало 20-те століття і Двигуни Внутрішнього Згоряння стали вироблятися повсюдно.

Філософська післямова…

К.Е. Ціолковський вважав, що в найближчому майбутньому люди навчаться жити якщо не вічно, то принаймні дуже довго. У зв'язку з цим на Землі буде мало місця (ресурсів) і будуть потрібні кораблі для переселення на інші планети. На жаль, щось у цьому світі пішло не так, і за допомогою перших ракет люди вирішили просто знищувати собі таких...

Дякую всім хто прочитав.

Усі права захищені © 2016
Будь-яке використання матеріалів допускається лише із зазначенням активного посилання джерело.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Література

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

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

Фізика процесу

Принцип дії всіх без винятку теплових двигунів заснований на тому, що при розширенні нагрітого газу відбувається більша механічна робота, ніж потрібно на стиск холодного. Щоб продемонструвати це, достатньо пляшки та двох каструль із гарячою та холодною водою. Спочатку пляшку опускають у крижану воду, а коли повітря в ній охолоне, шийку затикають пробкою і швидко переносять у гарячу воду. Через кілька секунд лунає бавовна і газ, що нагрівається в пляшці, виштовхує пробку, здійснюючи механічну роботу. Пляшку можна знову повернути в крижану воду – цикл повториться.
в циліндрах, поршнях і хитромудрих важелях першої машини Стірлінга майже точно відтворювався цей процес, поки винахідник не зрозумів, що частину тепла, що віднімається у газу при охолодженні, можна використовувати для часткового підігріву. Потрібна лише якась ємність, в якій можна було б запасати тепло, відібране у газу при охолодженні, і знову віддавати йому під час нагрівання.
Але, на жаль, навіть це дуже важливе удосконалення не врятувало двигун Стірлінга. До 1885 досягнуті тут результати були дуже посередні: 5-7 відсотків к.п.д., 2 л. с. потужності, 4 тонни ваги та 21 кубометр займаного простору.
Двигуни зовнішнього згоряння були врятовані навіть успіхом іншої конструкції, розробленої шведським інженером Еріксоном. На відміну від Стірлінга, він запропонував нагрівати та охолоджувати газ не при постійному обсязі, а при постійному тиску. 8 1887 року кілька тисяч невеликих еріксонівських двигунів чудово працювало в друкарнях, у будинках, на шахтах, на судах. Вони наповнювали водонапірні баки, наводили дію ліфти. Еріксон намагався навіть пристосувати їх для приводу екіпажів, але вони виявилися надто важкими. У Росії її до революції багато таких двигунів випускалося під назвою «Тепло і сила».
Проте спроби збільшити потужність до 250 л. с. закінчилися повним провалом. Машина із циліндром діаметром 4,2 метра розвивала менше 100 л. е., вогневі камери прогоріли, і судно, на якому були встановлені двигуни, загинуло.
Інженери без жалю розпрощалися з цими слабкими мастодонтами щойно з'явилися потужні, компактні та легкі бензомотори та дизелі. І раптом, у 1960-ті, майже через 80 років про «стирлінги» і «ериксони» (будемо умовно називати їх так за аналогією з дизелем) заговорили як про грізних суперників двигунів внутрішнього згоряння. Розмови ці не вщухають і досі. Чим пояснюється такий крутий поворот у поглядах?

Ціна методичності

Коли дізнаєшся про стару технічну ідею, що відродилася в сучасній техніці, відразу ж виникає питання: що ж перешкоджало її здійсненню раніше? У чому полягала та проблема, та «зачіпка», без вирішення якої вона не могла прокласти собі дорогу? І майже завжди з'ясовується, що відродженням стара ідея зобов'язана або новому технологічному методу, або нової конструкції, до якої не додумалися попередники, або новому матеріалу. Двигун зовнішнього згоряння вважатимуться рідкісним винятком.
Теоретичні розрахунки свідчать, що к.п.д. «стирлінгів» та «ериксонів» можуть досягати 70 відсотків - більше, ніж у будь-якого іншого двигуна. А це означає, що невдачі попередників пояснювалися другорядними, в принципі усунутими факторами. Правильний вибір параметрів та областей застосування, скрупульозне дослідження роботи кожного вузла, ретельна обробка та доведення кожної деталі дозволили реалізувати переваги циклу. Вже перші експериментальні зразки надали ККД 39 відсотків! (К.п.д. бензинових двигунів і дизелів, які відпрацьовувалися роками, відповідно 28-30 і 32-35 відсотків.) Які ж можливості «переглянули» свого часу і Стірлінг та Еріксон?
Тієї самої ємності, в якій поперемінно то запасається, то віддається тепло. Розрахунок регенератора на той час був просто неможливий: науки про теплопередачі не існувало. Його розміри приймалися на око, а як показують розрахунки, ККД двигунів зовнішнього згоряння дуже залежить від якості регенератора. Щоправда, його погану роботу можна до певної міри компенсувати підвищенням тиску.
Друга причина неуспіху була в тому, що перші установки працювали на повітрі при атмосферному тиску: їх розміри виходили величезними, а потужності малими.
Довівши к.п.д. регенератора до 98 відсотків і заповнивши замкнутий контур стислим до 100 атмосфер воднем або гелієм, інженери наших днів збільшили економічність та потужність «стирлінгів», які навіть у такому вигляді показали к.п.д. вищий, ніж у двигунів внутрішнього згоряння.
Вже одного цього було достатньо, щоб говорити про встановлення двигунів зовнішнього згоряння на автомобілях. Але тільки високою економічністю аж ніяк не вичерпуються переваги цих відроджених із забуття машин.

Як працює Стірлінг

Принципова схема двигуна зовнішнього згоряння:
1 – паливна форсунка;
2 – випускний патрубок;
3 - елементи повітропідігрівача;
4 – підігрівач повітря;
5 – гарячі гази;
6 - гарячий простір циліндра;
7 – регенератор;
8 – циліндр;
9 - ребра охолоджувача;
10 – холодний простір;
11 – робочий поршень;
12 – ромбічний привід;
13 - шатун робочого поршня;
14 - синхронізуючі шестерні;
15 – камера згоряння;
16 - трубки нагрівача;
17 – гаряче повітря;
18 - поршень-витіснювач;
19 - повітроприймач;
20 - підведення охолоджувальної води;
21 – ущільнення;
22 - буферний об'єм;
23 – ущільнення;
24 - штовхач поршня-витіснювача;
25 - штовхач робочого поршня;
26 - ярмо робочого поршня;
27 - палець ярма робочого поршня;
28 - шатун поршня-витіснювача;
29 - ярмо поршня-витіснювача;
30 - колінчасті вали.
Червоний фон - контур нагрівання;
точковий фон - контур охолодження

У сучасної конструкції«Стирлінг», що працює на рідкому паливі, - три контури, що мають між собою лише тепловий контакт. Це контур робочого тіла (зазвичай водню або гелію), контур нагрівання та контур охолодження. Головне призначення контуру нагрівання – підтримувати високу температуру у верхній частині робочого контуру. Контур охолодження підтримує низьку температуру у нижній частині робочого контуру. Сам контур робочого тіла замкнутий.
Контур робочого тіла. У циліндрі 8 рухаються два поршні - робочий 11 і поршень-витіснювач 18. Рух робочого поршня вгору призводить до стиснення робочого тіла, рух вниз викликається розширенням газу і супроводжується здійсненням корисної роботи. Рух поршня-витіснювача вгору вичавлює газ в нижню, охолоджувану порожнину циліндра. Рух його вниз відповідає нагріванню газу. Ромбічний привід 12 повідомляє поршням переміщення, що відповідає чотирьом тактам циклу (на схемі показані ці такти).
Такт I- Охолодження робочого тіла. Поршень-витісник 18 рухається вгору, вичавлюючи робоче тіло через регенератор 7, в якому запасається тепло нагрітого газу, нижню, охолоджувану частину циліндра. Робочий поршень 11 знаходиться у НМТ.
Такт II- Стиснення робочого тіла. Енергія, запасена в стиснутому газі буферного об'єму 22, повідомляє робочому поршню 11 рух вгору, що супроводжується стисненням холодного робочого тіла.
Такт III- Нагрівання робочого тіла. Поршень-витіснювач 18, майже примкнувши до робочого поршня 11, витісняє газ гаряче простір через регенератор 7, в якому до газу повертається тепло, запасене при охолодженні.
Такт IV- Розширення робочого тіла - Робочий такт. Нагріваючись у гарячому просторі, газ розширюється і робить корисну роботу. Частина її запасається у стиснутому газі буферного об'єму 22 для подальшого стиснення холодного робочого тіла. Решта знімається з валів двигуна.
Контур нагріву. Повітря вентилятором нагнітається в повітроприймач 19, проходить через елементи підігрівача 3, нагрівається і потрапляє в паливні форсунки. Гарячі гази, що виходять, нагрівають трубки 16 нагрівача робочого тіла, обтікають елементи 3 підігрівача і, віддавши своє тепло повітрю, що йде на спалювання палива, викидаються через випускний патрубок 2 в атмосферу.
Контур охолодження. Вода через патрубки 20 подається в нижню частину циліндра і, обтікаючи ребра охолоджувача 9, безперервно охолоджує їх.

"Стирлінги" замість ДВС

Перші ж випробування, проведені півстоліття тому, показали, що «стирлінг» майже ідеально безшумний. Він не має карбюратора, форсунок з високим тиском, системи запалювання, клапанів, свічок. Тиск у циліндрі, хоч і підвищується майже до 200 атм, але не вибухом, як у двигуні внутрішнього згоряння, а плавно. На двигуні не потрібні глушники. Ромбоподібний кінематичний привід поршнів повністю врівноважений. Жодних вібрацій, ніякого деренчання.
Кажуть, що навіть приклавши руку до двигуна, не завжди вдається визначити, працює він чи ні. Ці якості автомобільного двигунаособливо важливі, бо у великих містах гостро постає проблема зниження шуму.
А ось інша якість – «всеїдність». По суті, немає такого джерела тепла, яке не годилося б для приводу «стирлінгу». Автомобіль з таким двигуном може працювати на дровах, на соломі, на вугіллі, на гасі, на ядерному паливі, навіть на сонячних променях. Він може працювати на теплоті, запасеній у розплаві якоїсь солі або окислу. Наприклад, розплав 7 літрів окису алюмінію замінює 1 літр бензину. Подібна універсальність не тільки зможе завжди врятувати водія, що потрапив у біду. Вона вирішить проблему задимлення міст, що гостро стоїть. Під'їжджаючи до міста, водій включає пальник та розплавляє сіль у баку. У межах міста паливо не спалюється: двигун працює на розплаві.
А регулювання? Щоб зменшити потужність, достатньо випустити із замкнутого контуру двигуна в сталевий балон необхідну кількість газу. Автоматика відразу зменшує подачу палива так, щоб температура залишалася постійною незалежно від кількості газу. Для підвищення потужності газ нагнітається із балона знову в контур.
Ось тільки за вартістю і вагою «стирлінги» поки що поступаються двигунам внутрішнього згоряння. на 1 л. с. у них припадає 5 кг, що набагато більше, ніж у бензинового та дизельних двигунів. Але не слід забувати, що це ще перші, не доведені до високого ступенядосконалість моделі.
Теоретичні розрахунки показують, що за інших рівних умов "стирлінги" вимагають менших тисків. Це – важлива гідність. І якщо в них знайдуться ще й конструктивні переваги, то не виключено, що саме вони виявляться найгрізнішим суперником двигунів внутрішнього згоряння в автомобілебудуванні. А не турбіни.

"Стірлінг" від компанії GM

Серйозна робота з удосконалення двигуна зовнішнього згоряння, що почалася через 150 років після його винаходу, вже принесла свої плоди. Запропоновано різні конструктивні варіанти двигуна, що працює за циклом Стірлінга. Є проекти моторів з похилою шайбою для регулювання ходу поршнів, запатентований роторний двигун, в одній з роторних секцій якого відбувається стиск, в іншій - розширення, а підведення та відведення тепла здійснюється в каналах, що з'єднують порожнини. Максимальний тиск в циліндрах окремих зразків доходить до 220 кг/см 2 а середнє ефективний тиск- до 22 та 27 кг/см 2 і більше. Економічність доведена до 150 г/л.с./год.
Найбільшого прогресу досягла компанія General Motors, яка у 1970-і роки побудувала V-подібний «стирлінг» із звичайним кривошипно-шатунним механізмом. Один циліндр у нього робітник, інший – компресійний. У робочому знаходиться лише робочий поршень, а поршень-витіснювач - у компресійному циліндрі. Між циліндрами розташовані підігрівач, регенератор та охолоджувач. Кут зсуву фаз, інакше кажучи кут відставання одного циліндра від іншого, у цього "стирлінга" дорівнює 90 °. Швидкість одного поршня має бути максимальною в той момент, коли швидкість іншого дорівнює нулю (у верхній та нижній мертвих точках). Зміщення фаз у русі поршнів досягається розташуванням циліндрів під кутом 90°. Конструктивно це найпростіший «стирлінг». Але він поступається двигуну з ромбічним кривошипним механізмом у врівноваженості. Для повного врівноваження сил інерції у V-подібному двигуні число його циліндрів має бути збільшено з двох до восьми.

Принципова схема V-подібного «стирлінгу»:
1 – робочий циліндр;
2 – робочий поршень;
3 - підігрівач;
4 – регенератор;
5 - теплоізолююча муфта;
6 – охолоджувач;
7 – компресійний циліндр.

Робочий цикл у такому двигуні протікає в такий спосіб.
У робочому циліндрі 1 газ (водень або гелій) нагрітий, в іншому компресійному 7 - охолоджений. При русі поршня в циліндрі 7 вгору газ стискається - такт стиснення. У цей час починає рухатися вниз поршень 2 в циліндрі 1. Газ холодного циліндра 7 перетікає в гарячий 1, проходячи послідовно через охолоджувач 6, регенератор 4 і підігрівач 3 - такт нагрівання. Гарячий газ розширюється в циліндрі 1, здійснюючи роботу - такт розширення. При русі поршня 2 циліндрі 1 вгору газ перекачується через регенератор 4 і охолоджувач 6 циліндр 7 - такт охолодження.
Така схема "стирлінгу" найбільш зручна для реверсування. В об'єднаному корпусі підігрівача, регенератора та охолоджувача (про їх пристрій йдеться пізніше) для цього зроблені заслінки. Якщо перевести їх з одного крайнього положення в інше, то холодний циліндр стане гарячим, а гарячий холодним, і двигун обертатиметься у зворотний бік.
Підігрівач є набором трубок з жаростійкої нержавіючої сталі, по яких проходить робочий газ. Трубки нагріваються полум'ям пальника, пристосованого для спалювання різних рідких палив. Тепло від нагрітого газу запасається у регенераторі. Цей вузол має значення для отримання високого ККД. Він виконає своє призначення, якщо передаватиме приблизно втричі більше тепла, ніж у підігрівачі, і процес займе менше 0,001 секунди. Словом, це акумулятор тепла, що швидко діє, причому швидкість теплопередачі між регенератором і газом становить 30 000 градусів в секунду. Регенератор, ККД якого дорівнює 0,98 одиниці, складається з циліндричного корпусу, в якому послідовно розташовані кілька шайб, виготовлених із дротяної плутанки (діаметр дроту 0,2 мм). Щоб тепло від нього не передавалося холодильнику, між цими агрегатами встановлено теплоізолюючу муфту. І, нарешті, охолоджувач. Він виконаний у вигляді водяної сорочки на трубопроводі.
Потужність «стирлінгу» регулюється зміною тиску робочого газу. Для цієї мети двигун обладнується газовим балоном та спеціальним компресором.

Достоїнства і недоліки

Щоб оцінити перспективи застосування «стирлінгу» на автомобілях, проаналізуємо його переваги та недоліки. Почнемо з одного з найважливіших для теплового двигунапараметрів, так званого теоретичного ККД Для «стирлінгу» він визначається такою формулою:

η = 1 - Тх/Тг

Де η – ККД, Тх – температура «холодного» обсягу та Тг – температура «гарячого» обсягу. Кількісно цей параметр у "стирлінгу" - 0,50. Це значно більше, ніж у найкращих газових турбін, бензинових та дизельних двигунів, у яких теоретичний ККД відповідно дорівнює 0,28; 0,30; 0,40.
Як двигун зовнішнього згоряння. стирлінг» може працювати на різних палив: бензин, гас, дизель, газоподібний і навіть на твердому. Такі характеристики палива, як цетанове та октанове числа, зольність, температура википання при горінні поза циліндром двигуна, для «стирлінгу» не мають значення. Щоб він працював на різних паливах, не потрібно великих переробок - достатньо лише замінити пальник.
Двигун зовнішнього згоряння, у якому горіння протікає стабільно з постійним коефіцієнтом надлишку повітря, що дорівнює 1.3. виділяє значно менше, ніж двигун внутрішнього згоряння, окису вуглецю, вуглеводнів та оксидів азоту.
Мала шумність «стирлінгу» пояснюється низьким ступенем стиснення (від 1,3 до 1,5). Тиск у циліндрі підвищується плавно, а не вибухом, як у бензиновому або дизельному двигуні. Відсутність коливань стовпа газів у випускному тракті визначає безшумність вихлопу, що підтверджено випробуваннями двигуна, розробленого фірмою Філіпс спільно з фірмою Ford для автобуса.
«Стирлінг» відрізняється малою витратою олії та високою зносостійкістю завдяки відсутності в циліндрі активних речовин і відносно низькій температурі робочого газу, а надійність його вища, ніж у відомих нам двигунів внутрішнього згоряння, тому що в ньому немає складного газорозподільного механізму.
Важлива перевага «стирлінгу» як автомобільного двигуна – підвищена пристосовність до змін навантаження. Вона, наприклад, на 50 відсотків вища, ніж у карбюраторного двигуна, за рахунок чого можна зменшити кількість щаблів у коробці передач. Однак зовсім відмовитися від зчеплення та коробки передач, як у паровому автомобілі, не можна.
Але чому ж двигун із такими очевидними перевагами досі не знайшов практичного застосування? Причина проста – у нього чимало ще неусунених недоліків. Найголовніші серед них – велика складність в управлінні та регулюванні. Існують і інші «рифи», які не так просто обійти і конструкторам і виробничникам. Зокрема, поршням потрібні дуже ефективні ущільнення, які повинні витримувати високий тиск (до 200 кг/см2) і перешкоджати попаданню олії в робочу порожнину. У всякому разі, 25-річна робота фірми «Філліпс» з доведення свого двигуна поки що не змогла зробити його придатним для масового застосування на автомобілях. Важливе значення має характерна особливість «стирлінгу» - необхідність відводити з охолоджувальною водою велику кількість тепла. У двигунах внутрішнього згоряння значна частина тепла викидається в атмосферу разом із відпрацьованими газами. У «стерлінгу» у вихлоп йде лише 9 відсотків тепла, одержуваного при згорянні палива. Якщо в бензиновий двигунвнутрішнього згоряння з охолодною водою відводиться від 20 до 25 відсотків тепла, то у «стирлінгу» - до 50 відсотків. Це означає, що автомобіль з таким двигуном повинен мати радіатор приблизно в 2-2.5 разів більше, ніж у аналогічного бензинового мотора. Недоліком «стирлінгу» є і його висока питома вага в порівнянні з поширеним ДВЗ. Ще досить суттєвий мінус – труднощі підвищення швидкохідності: вже за 3600 об/хв значно зростають гідравлічні втрати та погіршується теплообмін. І нарешті. «стирлінг» поступається звичайному двигунувнутрішнього згоряння у прийомистості.
Роботи зі створення та доведення автомобільних «стирлінгів», у тому числі для легкових машин, продовжуються. Можна вважати, що нині принципові питання вирішено. Однак ще багато справ щодо доведення. Застосуванням легких сплавів можна знизити питому вагу двигуна, але все одно буде вище. ніж у двигуна внутрішнього згоряння, через більш високий тиск робочого газу. Ймовірно, двигун зовнішнього згоряння знайде застосування насамперед на вантажних автомобілях, особливо військових – завдяки своїй невибагливості до палива.

Двигун Стірлінга, принцип роботи якого якісно відрізняється від звичного всім ДВС, колись становив останньому гідну конкуренцію. Проте на якийсь час про нього забули. Як цей мотор використовується сьогодні, в чому полягає принцип його дії (у 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 на честь свого винахідника. Перші двигуни гарячого повітря винайшли ще до нього. Але Стірлінг додав у пристрій очисник, який у технічній літературі називається регенератором, або теплообмінником. Завдяки йому продуктивність двигуна зростала при утримуванні агрегату в теплі.

Двигун визнали найбільш міцною паровою машиною з наявних на той момент, оскільки він ніколи не вибухав. До нього на інших двигунах така проблема виникала часто. Незважаючи на швидкий успіх, на початку двадцятого століття від його розвитку відмовилися, так як він став менш економічним, в порівнянні з іншими двигунами внутрішнього згоряння і електродвигунами, що з'явилися тоді. Проте Стірлінг ще продовжував застосовуватись у деяких виробництвах.

Двигун зовнішнього згоряння

Принцип роботи всіх теплових моторів полягає в тому, що для отримання газу в розширеному стані потрібні більші механічні зусилля, ніж при стисканні холодного. Для наочної демонстрації цього можна провести досвід із двома каструлями, наповненими холодною та гарячою водою, а також пляшкою. Останню опускають у холодну воду, затикають пробкою, потім переносять у гарячу. При цьому газ у пляшці почне виконувати механічну роботу та виштовхне пробку. Перший двигун зовнішнього згоряння ґрунтувався на цьому повністю. Правда, пізніше винахідник зрозумів, що частину тепла можна використовувати для обігріву. Отже, продуктивність значно зросла. Але це не допомогло двигуну стати поширеним.

Пізніше Еріксон, інженер зі Швеції, удосконалив конструкцію, запропонувавши охолоджувати та нагрівати газ при постійному тиску замість об'єму. В результаті чимало екземплярів почали використовувати для роботи в шахтах, на судах і в друкарнях. Але для екіпажів вони виявилися надто важкими.

Двигуни зовнішнього згоряння від Philips

Подібні двигуни бувають наступних типів:

• паровий;
• паротурбінний;
• Стірлінга.

Останній вид не стали розвивати через невелику надійність і інших не найвищих показників у порівнянні з іншими типами агрегатів, що з'явилися. Проте 1938 року компанія Philips відновила роботу. Двигуни стали служити для приводів генераторів у неелектрофікованих районах. У 1945 році інженери компанії знайшли їм протилежне застосування: якщо вал розкручувати електромотором, то охолодження головки циліндрів сягає мінус ста дев'яносто градусів за Цельсієм. Тоді вирішено було застосовувати у холодильних установках удосконалений двигун Стірлінга.

Принцип роботи

Дія двигуна полягає в роботі по термодинамічних циклах, в яких при різній температурі відбувається стиснення та розширення. При цьому регулювання потоком робочого тіла реалізується за рахунок об'єму, що змінюється (або тиску - в залежності від моделі). Такий принцип роботи більшості подібних машин, які можуть мати різні функції та конструктивні схеми. Двигуни можуть бути поршневими чи роторними. Машини з їх установками працюють як теплові насоси, холодильники, генератори тиску і так далі.

Крім цього, є двигуни 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 впереміш зі згорянням та розширення.

Двигун Стірлінг принцип роботи має такий же: при низькій температурі відбувається стиск, а при високій - розширення. Але по-різному здійснюється нагрівання: тепло підводиться через стінку циліндра ззовні. Тому він і отримав назву двигуна зовнішнього згоряння. Стірлінг застосовував періодичну зміну температури з витіснювальним поршнем. Останній переміщує газ із однієї порожнини циліндра до іншої. З одного боку, температура постійно низька, з другого - висока. При пересуванні поршня нагору газ переміщається з гарячої в холодну порожнину, а вниз - повертається в гарячу. Спочатку газ віддає багато тепла холодильнику, а потім від нагрівача отримує стільки ж, скільки віддав. Між нагрівачем та холодильником розміщується регенератор – порожнина, наповнена матеріалом, якому газ віддає тепло. При зворотному перебігу регенератор повертає його.

Система витіснювача з'єднана з робочим поршнем, що стискає газ у холоді і дозволяє розширюватися в теплі. За рахунок стиску в нижчій температурі відбувається корисна робота. Вся система проходить чотири цикли при переривчастих рухах. Кривошипно-шатунний механізм забезпечує безперервність. Тому різких меж між стадіями циклу немає, а Стірлінга не зменшується.

Враховуючи все сказане вище, напрошується висновок, що цей двигун є поршневою машиною із зовнішнім підведенням тепла, де робоче тіло не залишає замкнутий простір і не замінюється. Креслення двигуна Стірлінга добре ілюструють пристрій та принцип його дії.

Деталі роботи

Сонце, електрика, ядерна енергія або будь-яке інше джерело тепла може підводити енергію двигуна Стірлінга. Принцип роботи його тіла полягає у застосуванні гелію, водню чи повітря. Ідеальний цикл має термічний максимально можливий ККД, рівний 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 олій. Слід зазначити, що мастила двигуну потрібно дуже мало. Середній тиск у циліндрі становить зазвичай від 10 до 20 МПа. Тому тут потрібна відмінна система ущільнювача і можливість попадання масла в робочі порожнини.

Порівняльна характеристика

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

Витрати виробництво двигуна набагато вище, ніж ДВС. Але під час експлуатації виходить зворотний показник.

Переваги

Будь-яка модель двигуна Стірлінга має багато плюсів:

• ККД при сучасному проектуванні може сягати сімдесяти відсотків.
• У двигуні немає системи високовольтного запалення, розподільчого валута клапанів. Його не потрібно буде регулювати протягом усього терміну експлуатації.
• У Стірлінгах немає того вибуху, як у ДВС, який сильно навантажує колінвал, підшипники та шатуни.
• У них не буває того ефекту, коли кажуть, що двигун заглух.
• Завдяки простоті приладу його можна експлуатувати протягом багато часу.
• Він може працювати як на дровах, так і з ядерним та будь-яким іншим видом палива.
• Згоряння відбувається поза мотором.

Недоліки

Застосування

В даний час двигун Стірлінга з генератором використовують у багатьох областях. Це універсальне джерело електричної енергії в холодильниках, насосах, на підводних човнах та сонячних електричних станціях. Саме завдяки застосуванню різного видупалива є можливість широкого використання.

Відродження

Ці двигуни знову почали розвиватися завдяки компанії Philips. У середині ХХ століття з нею уклала договір General Motors. Вона вела розробки для застосування Стірлінгів у космічних та підводних пристроях, на судах та автомобілях. Слідом за ними інша компанія зі Швеції, United Stirling, почала займатися їх розвитком, включаючи і можливе використання на

Сьогодні лінійний двигунСтірлінга застосовується на установках підводних, космічних та сонячних апаратів. Велике зацікавлення до нього викликано через актуальність питань погіршення екологічної обстановки, а також боротьби з шумом. У Канаді та США, Німеччині та Франції, а також Японії йдуть активні пошуки щодо розвитку та вдосконалення його використання.

Майбутнє

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