Доктор технических наук В. НИСКОВСКИХ (г. Екатеринбург).

Ограниченные запасы углеводородного топлива и высокие цены на него заставляют инженеров искать замену двигателям внутреннего сгорания. Российский изобретатель предлагает простую конструкцию двигателя с внешним подводом теплоты, который рассчитан на любой вид топлива, даже на нагрев солнечными лучами. Создатель проекта двигателя Виталий Максимович Нисковских - конструктор, широко известный специалистам-металлургам не только в нашей стране, но и за рубежом. Он автор более 200 изобретений в области оборудования по разливке стали, один из основателей отечественной школы проектирования машин непрерывного литья криволинейных заготовок (МНЛЗ). Сегодня 36 таких машин, изготовленных под руководством В. М. Нисковских на Уралмаше, работают на металлургических комбинатах России, а также в Болгарии, Македонии, Пакистане, Словакии, Финляндии, Японии.

В 1816 году шотландец Роберт Стирлинг изобрел двигатель с внешним подводом теплоты. Широкого распространения изобретение в то время не получило - слишком сложной была конструкция по сравнению с паровой машиной и появившимися позже двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Однако в наши дни вновь возник острый интерес к двигателям Стирлинга. Постоянно появляется информация о новых разработках и попытках наладить их массовое производство. Например, на голландской фирме "Филипс" построили несколько модификаций двигателя Стирлинга для большегрузных автомобилей. Двигатели внешнего сгорания ставят на судах, на небольших электростанциях и ТЭЦ, а в перспективе собираются оснащать ими космические станции (там их предполагают использовать для привода электрогенераторов, поскольку двигатели способны работать даже на орбите Плутона).

Двигатели Стирлинга имеют высокий кпд, могут работать с любым источником теплоты, бесшумны, в них не расходуется рабочее тело, в качестве которого обычно применяют водород или гелий. Двигатель Стирлинга мог бы успешно использоваться на атомных подводных лодках.

В цилиндры работающего двигателя внутреннего сгорания вместе с воздухом обязательно заносятся частицы пыли, вызывающие износ трущихся поверхностей. В двигателях с внешним подводом теплоты такое исключено, поскольку они абсолютно герметичны. Кроме того, смазка не окисляется и требует замены значительно реже, чем в ДВС.

Двигатель Стирлинга, если его использовать как механизм с внешним приводом, превращается в холодильный агрегат. В 1944 году в Голландии образец такого двигателя раскрутили с помощью электромотора, и температура головки цилиндра вскоре понизилась до -190°С. Подобные устройства успешно используют для сжижения газов.

И все же сложность системы кривошипов и рычагов в поршневых двигателях Стирлинга ограничивает их применение.

Проблему можно решить, заменив поршни роторами. Основная идея изобретения состоит в том, что на общем валу установлены два рабочих цилиндра разной длины с эксцентриковыми роторами и подпружиненными разделительными пластинами. Полость нагнетания (условно - сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через канавки в разделительных пластинах, трубопровод, теплообменник-регенератор и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра - с полостью нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.

Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из малого цилиндра в ветвь высокого давления поступает некоторый объем газа. Чтобы заполнить полость нагнетания большого цилиндра и при этом сохранить давление, газ нагревают в регенераторе и нагревателе; его объем увеличивается, и давление остается постоянным. То же, но "с обратным знаком" происходит в ветви низкого давления.

Из-за разницы в площадях поверхности роторов возникает результирующая сила F =∆p (S б -S м ), где ∆p - разность давлений в ветвях высокого и низкого давлений; S б - рабочая площадь большого ротора; S м - рабочая площадь малого ротора. Эта сила вращает вал с роторами, и рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух цилиндров.

См. в номере на ту же тему

Паровые двигатели, широко используемые в девятнадцатом веке, не обеспечивали достаточной безопасности при их эксплуатации. Механизмы обладали множественными конструктивными недостатками, не выдерживали высокого давления пара, что приводило к разрывам котлов. , запатентованный в 1816 году священником из Шотландии по имени Роберт Стирлинг, стал удачным решением для того времени. Его уникальность состояла в применении специального очистителя (регенератора) в, известных ранее, «двигателях горячего воздуха».

На представленной схеме в доступной форме проиллюстрировано устройство поршневого механизма и порядок его работы.

Суть изобретения Стирлинга

На схеме тепловой двигатель состоит из двух цилиндров компрессионного и рабочего. Левая и правая стороны удлиненного цилиндра разделены теплоизоляционной стенкой. Внутри ходит специальный вытеснительный поршень, который не соприкасается с боковыми стенками.

1. К левой стороне устройства подводится тепло, к правой – охлаждение.
2. Когда поршень движется влево, горячий воздух вытесняется в холодную правую зону и охлаждается.
3. При этом газ уменьшается объеме.
4. Рабочий поршень втягивается влево.
5. При движении вытеснительного поршня вправо холодный воздух вытесняется в горячую зону, где нагревается и расширяется.
6. Толкает рабочий поршень вправо.
7. Рабочий и вытеснительный поршни связаны между собой через коленчатый вал с углом смещения 90 градусов.

Важно: – это механизм поршневого типа с подводом тепла от внешнего источника. Рабочее тело устройства постоянно находится в замкнутом пространстве и не подлежит замене. Для поставки необходимого количества тепла могут быть использованы следующие источники:

• электричество;
• солнце;
• ядерная энергия и пр.

История развития двигателей внешнего сгорания

В отличие от двигателей внутреннего сгорания (ДВС), где энергия выделяется в результате расширения объема воздуха при сгорании топливных смесей, здесь нагрев рабочего материала осуществляется через наружные стенки цилиндра. Отсюда произошло название «Двигатель внешнего сгорания».

Благодаря появлению в конструкции двигателя регенерирующего элемента, тепло надолго сохраняется в зоне действия при охлаждении рабочего тела, что способствует значительному повышению производительности двигателя. Изобретение позволило увеличить эффективность механизмов, его стали широко применять в промышленном производстве.

С течением времени, устройства Стирлинга утратили популярность, но по инерции продолжали применяться на некоторых немногочисленных производствах. Паровые двигатели уступили лидирующую ступеньку механизмам нового поколения:

• двигателям внутреннего сгорания;
• паровым машинам;
• электрическим двигателям.

О достоинствах тепловых устройств снова стали вспоминать только в двадцатом веке. Внедрением двигателей Стирлинга в современные разработки занимаются лучшие инженерные коллективы известных производителей Америки, Швеции, Японии и пр.

Как работает тепловая машина Стирлинг

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в постоянной смене режимов – нагревание/охлаждение рабочего материала, находящегося в замкнутом пространстве. Исходя из законов физики, при нагревании газа, его объем увеличивается, а при снижении температуры, он уменьшается соответственно. Количество вырабатываемой энергии зависит от коэффициента изменения объема рабочего тела.

Под термином «рабочее тело» подразумеваются следующие вещества:

1. Воздух.
2. Газ (гелий, водород, фреон, двуокись азота).
3. Жидкость (вода, сжиженный бутан или пропан).

Сфера применения двигателей внешнего сгорания

В результате последующих усовершенствований конструкции мотора, газ нагревается/охлаждается при постоянном давлении в системе (вместо сохранения объема). Это изобретение инженера из Швеции по имени Эриксон, позволило создавать двигатели, предназначенные для использования работниками шахт, типографий, судов и пр. В пассажирских экипажах того времени тепловые двигатели не применялись, т. к. обладали сравнительно большим весом.

Двигатели внешнего сгорания часто использовались для приведения в действие генераторов в районах, где отсутствовала подача электроэнергии.

Интересно: В 1945 году изобретатели-энтузиасты компании Philips придумали обратное применение тепловых устройств. При раскручивании вала электрическим двигателем, головка цилиндра охлаждается до минус 190°С. Это дало возможность использовать усовершенствованный поршневой двигатель внешнего сгорания Стирлинга в холодильных агрегатах.

Можно ли использовать двигатели Стирлинга вместо ДВС

Компания General Motors со второй половины ХХ века начала заниматься внедрением в производство V-образных стирлингов для кривошипно-шатунных механизмов. При испытаниях двигателей внешнего сгорания было замечено, что они идеально работают без звуков и шума. Здесь отсутствуют карбюратор, система зажигания, форсунки, требующие высокое давление, свечи, клапаны и пр. Для создания достаточного давления в цилиндрах двигателя не нужно взрывать топливо, как в ДВС. При использовании автомобилей, оснащенных двигателями внешнего сгорания, можно решить проблему, связанную со снижением шума в больших городах.

В результате проведенных испытаний были выявлены следующие достоинства и недостатки двигателей внешнего сгорания.

• Преимущества данных устройств:
• бесшумная работа (нет необходимости устанавливать глушитель);
• отсутствие вибраций;
• нет необходимости в создании высокого давления в системе;
• универсальность, способность работать от различных источников тепла;
• легкость регулировок.

К недостаткам двигателей относятся:

• сравнительно большой вес конструкции;
• малая экономичность;
• высокая себестоимость механизма.

Упрощенная схема V- образного двигателя внешнего сгорания:

Один из цилиндров двигателя является рабочим (1), другой, соответственно, компрессионным (7). В каждом из них расположен свой поршень (2). В центральной части схемы размещены: охладитель (6), теплообменник (4), нагревательный элемент (3). При максимальной скорости одного из поршней, другой в это же время находится в неподвижном состоянии, его скорость равна нулю. Угол смещения фаз равен 90°, благодаря взаимно перпендикулярному расположению цилиндров.

Как работает и где применяется двигатель внешнего сгорания

Несмотря на то, что двигатели Стирлинга были забыты на некоторый период, в современном производстве при создании новых модификаций выдающееся изобретение набирает новую популярность. Народные умельцы по достоинству оценили преимущества двигателей внешнего сгорания и сооружают самостоятельно в домашних условиях различные приспособления, основанные на их применении. Для изготовления теплового двигателя своими руками в домашних мастерских используются различные материалы и подручные средства:

1. Большие и средние емкости, позаимствованные из домашнего хозяйства.
2. Подшипники от старых механизмов.
3. Диски.
4. Металлические стержни различного диаметра для осей, стоек.
5. Листы из металла, древесных плит для изготовления платформы.

Данные устройства используются в домашнем хозяйстве для выполнения самых различных работ:

1. Вырабатывание электрической энергии в мелких масштабах.
2. Создание тепловой энергии.

Количества мощности некоторых образцов самодельных двигателей Стирлинга, достаточно для обустройства электрической сети и обеспечения теплом частных домов, небольших школ, лечебных корпусов, спортивных сооружений, производственных мастерских и пр.

Двигатели, созданные своими руками, функционируют от различных источников тепла:

• природный газ;
• дрова;
• уголь;
• торф;
• пропан и прочие виды топлива местного производства или полезных ископаемых.

Благодаря простоте конструкции, тепловые устройства, изготовленные своими руками, не нуждаются в регулярном техническом обслуживании агрегата. Сжигание топлива осуществляется за пределами корпуса цилиндра, поэтому рабочее тело не загрязняется продуктами сгорания, на внутренних стенках оборудования не скапливаются вредные отложения.

В сравнении с ДВС, в состав данной конструкции входит вдвое меньше подвижных узлов и деталей. Здесь требуется намного меньше смазки для ухода за быстро изнашиваемыми элементами. Требования к качеству смазочных материалов – минимальны.

Для подведения электросети к потребителям не требуется приобретать дорогостоящее оборудование. Подсоединение проводов к электрической сети осуществляется простыми привычными методами.

Двигатели внешнего сгорания, произведенные в бытовых условиях, легко монтируются на ровных площадках, покрытых гравием, без прочной фиксации. Данные установки не подвержены вредным атмосферным воздействиям. Для обеспечения бесперебойной стабильной работы двигателю не требуется специальный защитный корпус.

Современное автомобилестроение вышло на такой уровень развития, при котором без фундаментальных научных исследований практически невозможно достигнуть кардинальных улучшений в конструкции традиционных моторов внутреннего сгорания. Такая ситуация вынуждает конструкторов обратить внимание на альтернативные проекты силовых установок . Одни инженерные центры сосредоточили свои силы на создании и адаптации к серийному выпуску гибридных и электрических моделей, другие автоконцерны вкладывают средства в разработку двигателей на топливе из возобновляемых источников (например, биодизель на рапсовом масле). Существуют и другие проекты силовых агрегатов, которые в перспективе могут стать новым стандартным движителем для транспортных средств.

Среди возможных источников механической энергии для автомобилей будущего следует назвать двигатель внешнего сгорания, который был изобретен в середине XIX века шотландцем Робертом Стирлингом в качестве тепловой расширительной машины.

Схема работы

Двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу за счет изменения температуры рабочего тела (газа или жидкости), циркулирующего в замкнутом объеме.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга.

Стирлинг модификации «Альфа»

Двигатель состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Стирлинг модификации «Бета»

Цилиндр, в котором находится поршень, нагревается с одной стороны и охлаждается с противоположного конца. В цилиндре двигается силовой поршень и вытеснитель, предназначенный для изменения объема рабочего газа. Обратное перемещение остывшего рабочего вещества в горячую полость двигателя выполняет регенератор.

Стирлинг модификации «Гамма»

Конструкция состоит из двух цилиндров. Первый - полностью холодный, в котором движется силовой поршень, а второй, горячий с одной стороны и холодный с другой, служит для перемещения вытеснителя. Регенератор для циркуляции холодного газа может быть общим для обоих цилиндров или входить в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя Стирлинга

Как и большинство моторов внешнего сгорания, Стирлингу присуща многотопливность : двигатель работает от перепада температуры, независимо от причин его вызвавших.

Интересный факт! Однажды была продемонстрирована установка, которая функционировала на двадцати вариантах топлива. Без остановки двигателя во внешнюю камеру сгорания подавались бензин, дизельное топливо, метан, сырая нефть и растительное масло - силовой агрегат продолжал устойчиво работать.

Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач).

Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы.

Двигатель Стирлинга бесшумен , так как в цилиндрах не происходит детонация и отсутствует необходимость вывода отработанных газов. Модификация «Бета», оснащенная ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, является идеально сбалансированной системой, которая в процессе работы не имеет вибраций.

В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. При выборе подходящего источника тепла (например, солнечная энергия) Стирлинг может быть абсолютно экологически чистым силовым агрегатом.

Недостатки конструкции Стирлинга

При всем наборе положительных свойств немедленное массовое применение двигателей Стирлинга невозможно по следующим причинам:

Основная проблема заключается в материалоемкости конструкции. Охлаждение рабочего тела требует наличия радиаторов большого объема, что существенно увеличивает размеры и металлоемкость изготовления установки.

Нынешний технологический уровень позволит двигателю Стирлинга сравниться по характеристикам с современными бензиновыми моторами только за счет применения сложных видов рабочего тела (гелий или водород), находящихся под давлением более ста атмосфер. Этот факт вызывает серьезные вопросы как в области материаловедения, так и обеспечения безопасности пользователей.

Немаловажная эксплуатационная проблема связана с вопросами теплопроводности и температурной стойкости металлов. Тепло подводится к рабочему объему через теплообменники, что приводит к неизбежным потерям. Кроме того, теплообменник должен быть изготовлен из термостойких металлов, устойчивых к высокому давлению. Подходящие материалы очень дороги и сложны в обработке.

Принципы изменения режимов двигателя Стирлинга также кардинально отличаются от традиционных, что требует разработки специальных управляющих устройств. Так, для изменения мощности необходимо изменить давление в цилиндрах, угол фаз между вытеснителем и силовым поршнем или повлиять на емкость полости с рабочим телом.

Один из способов управления скоростью вращения вала на модели двигателя Стирлинга можно увидеть на следующем видео:

Коэффициент полезного действия

В теоретических расчетах эффективность двигателя Стирлинга зависит от разницы температур рабочего тела и может достигать 70% и более в соответствии с циклом Карно.

Однако первые реализованные в металле образцы обладали крайне невысоким КПД по следующим причинам:

• неэффективные варианты теплоносителя (рабочего тела), ограничивающие максимальную температуру нагрева;
• потери энергии на трение деталей и теплопроводность корпуса двигателя;
• отсутствие конструкционных материалов, устойчивых к высокому давлению.

Инженерные решения постоянно совершенствовали устройство силового агрегата. Так, во второй половине XX века четырехцилиндровый автомобильный двигатель Стирлинга с ромбическим приводом показал на испытаниях КПД равный 35% на водном теплоносителе с температурой 55 °C.Тщательная проработка конструкции, применение новых материалов и доводка рабочих узлов обеспечили КПД экспериментальных образцов в 39%.

Примечание! Современные бензиновые двигатели аналогичной мощности обладают коэффициентом полезного действия на уровне 28-30%, а турбированные дизели в пределах 32-35%.

Современные образцы двигателя Стирлинга, такие как созданный американской компанией Mechanical Technology Inc, демонстрируют эффективность до 43,5%. А с освоением выпуска жаропрочной керамики и аналогичных инновационных материалов появится возможность значительного повышения температуры рабочей среды и достижения КПД в 60%.

Примеры успешной реализации автомобильных Стирлингов

Несмотря на все сложности, известно немало работоспособных моделей двигателя Стирлинга, применимых для автомобилестроения.

Заинтересованность в Стирлинге, подходящем для установки в автомобиль, появилась в 50-е годы XX века. Работу в данном направлении вели такие концерны, как Ford Motor Company, Volkswagen Group и другие.

Компания UNITED STIRLING (Швеция) разработала Стирлинг, в котором максимально использовались серийные узлы и агрегаты, выпускаемые автопроизводителями (коленчатый вал, шатуны). Получившийся в результате четырехцилиндровый V-образный мотор обладал удельной массой 2,4 кг/кВт, что сравнимо с характеристиками компактного дизеля. Данный агрегат был успешно опробован в качестве силовой установки семитонного грузового фургона.

Одним из успешных образцов является четырехцилиндровый двигатель Стирлинга нидерландского производства модели «Philips 4-125DA», предназначавшийся для установки на легковой автомобиль. Мотор имел рабочую мощность 173 л. с. в размерах, аналогичных классическому бензиновому агрегату.

Значительных результатов добились инженеры компании General Motors, построив в 70-х годах восьмицилиндровый (4 рабочих и 4 компрессионных цилиндра) V-образный двигатель Стирлинга со стандартным кривошипно-шатунным механизмом.

Аналогичной силовой установкой в1972 году оснащалась ограниченная серия автомобилей Ford Torino , расход топлива у которой снизился на 25% по сравнению с классической бензиновой V-образной восьмеркой.

В настоящее время более полусотни зарубежных компаний ведут работы по совершенствованию конструкции двигателя Стирлинга в целях его адаптации к массовому выпуску для нужд автомобилестроения. И если удастся устранить недостатки данного типа двигателей, в то же время сохранив его преимущества, то именно Стирлинг, а не турбины и электромоторы, придет на смену бензиновым ДВС.

Двигатели внешнего сгорания

Важным элементом реализации программы энергосбережения является обеспечение автономными источниками электроэнергии и тепла небольших жилых образований и удаленных от централизованных сетей потребителей. Для решения этих задач как нельзя лучше подходят инновационные установки для генерации электроэнергии и тепла на основе двигателей внешнего сгорания. В качестве топлива может использоваться как традиционные виды топлива, так и попутный нефтяной газ, биогаз, получаемый из древесных стружек и пр.

На протяжении последних 10 лет отмечались повышения цен на ископаемое топливо, повышенное внимание к выбросам СО 2 , а также растущее желание перестать зависеть от ископаемого топлива и полностью обеспечивать себя энергией. Это стало следствием развития огромного рынка технологий, способных производить энергию из биомассы.

Двигатели внешнего сгорания были изобретены почти 200 лет тому назад, в 1816 году. Вместе с паровым двигателем, двух- и четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, двигатели внешнего сгорания считаются одними из основных типов двигателей. Они были разработаны с целью создания двигателей, которые были бы более безопасными и производительными, чем паровой двигатель. В самом начале 18-го века отсутствие подходящих материалов приводило к многочисленным случаям со смертельным исходом в связи со взрывами паровых двигателей, находящихся под давлением.

Значительный рынок для двигателей внешнего сгорания сформировался во второй половине 18-го века, в частности, в связи с более мелкими сферами применения, где их можно было безопасно эксплуатировать без необходимости в услугах квалифицированных операторов.

После изобретения двигателя внутреннего сгорания в конце 18-го века рынок для двигателей внешнего сгорания исчез. Стоимость производства двигателя внутреннего сгорания в сравнении со стоимостью производства внешнего сгорания ниже. Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что для их работы необходимо чистое, ископаемое топливо, увеличивающее выбросы СО2, топливо. Однако, до недавнего времени стоимость ископаемого топлива была низкой, а выбросам СО2 не уделялось должного внимания.

Принцип работы двигателя внешнего сгорания

В отличие от широко известного процесса внутреннего сгорания, при котором топливо сжигается внутри двигателя, двигатель внешнего сгорания, приводится в действие внешним источником тепла. Или, точнее говоря, она приводится в действие разностями температур, создаваемыми внешними источниками нагревания и охлаждения.

Этими внешними источниками нагревания и охлаждения могут служить отработанные газы биомассы и охлаждающая вода соответственно. Процесс приводит к вращению генератора, монтированного на двигателе, посредством чего производится энергия.

Все двигатели внутреннего сгорания приводятся в действие разностями температур. Бензиновые, дизельные двигатели и двигатели внешнего сгорания основаны на той особенности, что для сжатия холодного воздуха необходимо меньше усилий, чем для сжатия горячего воздуха.

Бензиновые и дизельные двигатели всасывают холодный воздух и сжимают этот воздух, прежде чем он подогревается в процессе внутреннего сгорания, который происходит внутри цилиндра. После подогревания воздуха над поршнем поршень перемещается вниз, посредством чего воздух расширяется. Так как воздух горячий, сила, действующая на шток поршня, велика. Когда поршень доходит до низа, клапаны открываются и горячие выхлопы заменяются новым, свежим, холодным воздухом. При движении поршня вверх холодный воздух сжимается, причем сила, действующая на шток поршня, меньше, чем при его движении вниз.

Двигатель внешнего сгорания работает в соответствии с немного другим принципом. В нем нет клапанов, он герметически запаян, а воздух подогревается и охлаждается при помощи теплообменных аппаратов горячего и холодного контура. Встроенный насос, приводимый в действие движением поршня, обеспечивает движение воздуха туда и обратно между этими двумя теплообменными аппаратами. Во время охлаждения воздуха в теплообменном аппарате холодного контура поршень сжимает воздух.

После сжатия воздух затем подогревается в теплообменном аппарате горячего контура, прежде чем поршень начинает двигаться в обратном направлении и использовать расширение горячего воздуха для приведения в действие двигателя.

Вытеснил остальные виды силовых установок, однако, работы, направленные на отказ от использования этих агрегатов, наводят на мысль о скорой смене лидирующих позиций.

С начала технического прогресса, когда использование моторов, сжигающих горючее внутри, только начиналось, не было очевидным их превосходство. Паровая машина, как конкурент, содержит в себе массу преимуществ: наряду с тяговыми параметрами, бесшумная, всеядная, легко управляется и настраивается. Но лёгкость, надёжность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания взять вверх над паром.

Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счёт возобновляемых источников топлива. В 16 году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает экономичность, надёжность, работает тихо, на любом топливе, это делает изделие игроком на автомобильном рынке.

Роберт Стирлинг (1790-1878 года жизни):

История двигателя Стирлинга

Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.

Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.

Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:

P*V=n*R*T

• P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
• V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
• n – молярное количество газа в двигателе;
• R – постоянная газа;
• T – степень нагрева газа в двигателе К,

Модель двигателя Стирлинга:

За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.

Цикл

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, использует одноимённую совокупность явлений. Эффект от протекающего действия в механизме высок. Благодаря этому есть возможность сконструировать двигатель с неплохими характеристиками в рамках нормальных габаритов.

Необходимо учитывать, что в конструкции механизма предусмотрен нагреватель, холодильник и регенератор, устройство, отвода тепла от вещества и возвращения тепла, в нужный момент.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «температура-объём»):

Идеальные круговые явления:

• 1-2 Изменение линейных размеров вещества с постоянной температурой;
• 2-3 Отвод теплоты от вещества к теплообменнику, пространство, занимаемое веществом постоянно;
• 3-4 Принудительное сокращение пространства, занимаемого веществом, температура постоянна, тепло отводится охладителю;
• 4-1 Принудительное увеличение температуры вещества, занимаемое пространство постоянно, тепло подводится от теплообменника.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «давление-объём»):

Из расчёта (моль) вещества:

Подводимое тепло:

Получаемое охладителем тепло:

Теплообменник получает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдаёт тепло (процесс 4-1):

R – Универсальная постоянная газа;

СV – способность идеального газа удерживать тепло при неизменной величине занимаемого пространства.

За счёт применения регенератора, часть теплоты остается, в качестве энергии механизма, не меняющейся за проходящие круговые явления. Холодильник получает меньше тепла, таким образом, теплообменник экономит тепло нагревателя. Это увеличивает эффективность установки.

КПД кругового явления:

ɳ =

Примечательно, что без теплообменника совокупность процессов Стирлинга осуществима, но его эффективность будет значительно ниже. Прохождение совокупности процессов задом наперёд ведёт к описанию охлаждающего механизма. В этом случае наличие регенератора, обязательное условие, поскольку при прохождении (3-2) невозможно нагреть вещество от охладителя, температура которого значительно ниже. Так же невозможно отдать тепло нагревателю (1-4), температура которого выше.

Принцип работы двигателя

Что бы понять, как работает двигатель Стирлинга, разберёмся в устройстве и периодичности явлений агрегата. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия в действие силы на тело. Весь процесс происходит благодаря температурному перепаду, в рабочем веществе, находящемся в закрытом контуре.

Принцип действия механизма базируется на расширении за счёт тепла. Непосредственно до расширения, вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед тем, как сжаться, вещество охлаждают. Сам цилиндр (1) окутан водяной рубашкой (3), ко дну подается тепло. Поршень, совершающий работу (4) помещен в гильзу и уплотнён кольцами. Между поршнем и дном находится механизм вытеснения (2), имеющий значительные зазоры и свободно перемещающийся. Вещество, находящееся в замкнутом контуре, двигается по объёму камеры за счёт вытеснителя. Перемещение вещества ограничено двумя направлениями: дно поршня, дно цилиндра. Движение вытеснителя обеспечивает шток (5), который проходит через поршень и функционирует за счет эксцентрика с запаздыванием на 90° в сравнении с приводом поршня.

• Позиция «A»:

Поршень расположен в крайнем нижнем положении, вещество охлаждается за счет стенок.

• Позиция «B»:

Вытеснитель занимает верхнее положение, перемещаясь, пропускает вещество через торцевые щели ко дну, сам охлаждается. Поршень стоит неподвижно.

• Позиция «C»:

Вещество получает тепло, под действием тепла увеличивается в объёме и поднимает расширитель с поршнем вверх. Совершается работа, после чего вытеснитель опускается на дно, выталкивая вещество и охлаждаясь.

• Позиция «D»:

Поршень опускается вниз, сжимает охлаждённое вещество, выполняется полезная работа. Маховик служит в конструкции аккумулятором энергии.

Рассмотренная модель без регенератора, поэтому КПД механизма не велико. Тепло вещества после совершения работы отводится в охлаждающую жидкость, используя стенки. Температура не успевает снижаться на нужную величину, поэтому время охлаждения продлевается, скорость мотора маленькая.

Виды двигателей

Конструктивно, есть несколько вариантов, использующих принцип Стирлинга, основными видами считаются:

Конструкция применяет два разных поршня, помещенных в различные контуры. Первый контур используется для нагрева, второй контур применяется для охлаждения. Соответственно, каждому поршню принадлежит свой регенератор (горячий и холодный). Устройство обладает хорошим соотношением мощности к объёму. Недостаток в том, что температура горячего регенератора создает конструктивные сложности.

• Двигатель «β – Стирлинг»:

Конструкция использует один замкнутый контур, с разными температурами на концах (холодный, горячий). В полости расположен поршень с вытеснителем. Вытеснитель делит пространство на холодную и горячую зону. Обмен холодом и теплом происходит путём перекачивания вещества через теплообменник. Конструктивно, теплообменник выполняется в двух вариантах: внешний, совмещённый с вытеснителем.

• Двигатель «γ – Стирлинг»:

Поршневой механизм предусматривает применение двух замкнутых контуров: холодного и с вытеснителем. Мощность снимается с холодного поршня. Поршень с вытеснителем с одной стороны горячий, с другой стороны холодный. Теплообменник располагается как внутри, так и снаружи конструкции.

Некоторые силовые установки не похожи на основные виды двигателей:

• Роторный двигатель Стирлинга.

Конструктивно изобретение с двумя роторами на валу. Деталь совершает вращательные движения в замкнутом пространстве цилиндрической формы. Заложен синергетический подход реализации цикла. Корпус содержит радиальные прорези. В углубления вставлены лопасти с определённым профилем. Пластины надеты на ротор и могут двигаться вдоль оси при вращении механизма. Все детали создают меняющиеся объёмы с выполняющимися в них явлениями. Объёмы различных роторов связаны при помощи каналов. Расположение каналов имеют сдвиг в 90° друг к другу. Сдвиг роторов относительно друг друга составляет 180°.

• Термоакустический двигатель Стирлинга.

Двигатель использует акустический резонанс для проведения процессов. Принцип основан на перемещении вещества между горячей и холодной полостью. Схема уменьшает количество движущихся деталей, сложность в снятии полученной мощности и поддержании резонанса. Конструкция относится к свободнопоршневому виду мотора.

Двигатель Стирлинга своими руками

Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга:

• Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
• Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
• Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
• Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
• В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
• Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
• Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
• Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;

• Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
• Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
• Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

После того, как удалось сделать двигатель Стирлинга дома, мотор запускают. Для этого под банку помещают зажженную свечку, а после того, как банка прогрелась, дают толчок маховику.

Рассмотренный вариант установки можно быстро собрать у себя дома, как наглядное пособие. Если задаться целью и желанием сделать двигатель Стирлинга максимально приближённый к заводским аналогам, в свободном доступе есть чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла позволит создать работающий макет ни чем не хуже коммерческих версий.

Преимущества

Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

• Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
• Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
• Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
• Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
• Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
• Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
• Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

Недостатки

К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

• Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
• Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
• Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
• Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
• Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.

Использование

Двигатель Стирлинга нашел свою нишу и активно применяется там, где габариты и всеядность важный критерий:

• Двигатель Стирлинг-электрогенератор.

Механизм преобразования тепла в электрическую энергию. Часто встречаются изделия, используемые в качестве портативных туристических генераторов, установки по использованию солнечной энергии.

• Двигатель, как насос (электрика).

Двигатель применяют для установки в контур отопительных систем, экономя на электрической энергии.

• Двигатель, как насос (обогреватель).

В странах с тёплым климатом двигатель используют как обогреватель для помещений.

Двигатель Стирлинга на подводной лодке:

• Двигатель, как насос (охладитель).

Практически все холодильники в своей конструкции применяют тепловые насосы, устанавливая двигатель Стирлинга, экономятся ресурсы.

• Двигатель, как насос, создающий сверхнизкие степени нагрева.

Устройство применяют в качестве холодильника. Для этого процесс запускают в обратную сторону. Агрегаты сжижают газ, охлаждают измерительные элементы в точных механизмах.

• Двигатель для подводной техники.

Подводные корабли Швеции и Японии работают благодаря двигателю.

Двигатель Стирлинга в качестве солнечной установки:

• Двигатель, как аккумулятор энергии.

Топливо в таких агрегатах, расплавы соли, двигатель применяют, как источник энергии. Мотор по запасу энергии опережает химические элементы.

• Солнечный двигатель.

Преобразуют энергию солнца в электричество. Вещество в данном случае, водород или гелий. Двигатель ставится в фокусе максимальной концентрации энергии солнца, созданного при помощи параболической антенны.