Двигатель внешнего сгорания принцип работы

• Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

• Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

• Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий.

Двигатель внешнего сгорания представляет собой тепловой двигатель, в котором происходит сжатие (внутренней) рабочей жидкости и ее нагревание за счет сгораниея топлива через стенку двигателя или в теплообменнике. Далее жидкость расширяется и, действуя на механизм двигателя (поршень или турбину), приводит его в движение. Паровые двигатели и двигатели Стирлинга – наиболее известные двигатели внешнего сгорания.

Двигатель внешнего сгорания представляет собой тепловой двигатель, в котором происходит сжатие (внутренней) рабочей жидкости и ее нагревание за счет сгораниея топлива через стенку двигателя или в теплообменнике. Далее жидкость расширяется и, действуя на механизм двигателя (поршень или турбину), приводит его в движение. Паровые двигатели и двигатели Стирлинга – наиболее известные двигатели внешнего сгорания.

Перспективными двигателями внешнего сгорания являются двигатели Стирлинга, преобразующие тепловую энергию в механическую энергию поршней совершающих возвратно-поступательное движение. Поршни приводятся в движение благодаря циклическому изменению давления газовой фазы рабочего тела. Высокий теоретический тепловой КПД (КПД Карно), продолжительный эксплуатационный период, меньшее количество подвижных частей – дополнительные преимущества двигателей Стирлинга.

На практике термодинамический цикл двигателей отличается от теоретического цикла из-за потерь на трение, утечек рабочего тела, мертвого пространства и т.д. Широкому применению двигателей Стирлинга препятствуют технические проблемы, особенно балансирование поршней (или рабочего поршня и вытеснителя), двигающихся с фазовым запаздыванием, и уплотнение нагретого поршня.

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.

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.

Рабочая часть современного cтирлинга представляет собой замкнутый объем, заполненный газом (рис. 1).

Бреусов В

1.0 — создание файла

Принцип действия многих тепловых двигателей состоит в том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем при сжатии холодного газа.

Сжатие, нагрев, расширение, охлаждение – вот четыре основных процесса, необходимых для функционирования теплового двигателя.

Каждый из вышеперечисленных процессов возможно проводить различными путями.

Охлаждение и нагрев газа могут протекать в замкнутой полости при постоянном объеме (изохорный процесс) или под движущимся поршнем при постоянном давлении (изобарный процесс). Сжатие и расширение газа могут происходить при постоянной температуре (изотермический процесс) или без теплообмена с окружающей средой (адиабатический процесс). Конструируя замкнутые циклы из различных комбинаций этих процессов, нетрудно получить теоретические циклы, по которым работают все современные тепловые двигатели.

Комбинация из двух адиабат и двух изохор образует теоретический цикл бензинового двигателя (двигатель Отто). Заменяя в этой комбинации изохору, по которой идет нагревание газа на изобару, получим цикл дизельного двигателя (двигатель Дизеля). Две адиабаты и две изобары дадут теоретический цикл газовой турбины.

Среди всех возможных циклов комбинация из двух адиабат и двух изотерм играет особо важную роль в термодинамике. По такому циклу – циклу Карно – должен работать двигатель, имеющий самый высокий КПД для данного интервала температур. Двигатели, работающие по другим циклам, гораздо менее экономичны. И все-таки до настоящего времени никому не удалось по-строить двигатель, реализующий цикл Карно. Почему? Об этом мы поговорим позже.

Строго говоря, двигатель Стирлинга может работать и без регенератора. Это объясняется тем, что при нагреве газа на изохоре требуется тепла меньше, чем при нагреве газа по изобаре. Включение регенератора в рабочий цикл двигателя внешнего сгорания придает последнему уникальные свойства.

Итак, основные особенности работы двигателя Стирлинга заключаются в следующем:

– в двигателе происходит преобразование тепловой энергии в механическую посредством сжатия постоянного количества рабочего тела при низкой температуре и последующего (после периода нагрева) его расширения при высокой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень совершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабатывает полезную механическую энергию;

– при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии;

– изменение температуры рабочего тела обеспечивается наличием разде-ленных холодной и горячей полостей двигателя по соединительным каналам, между которыми под действием движения поршней перемещается рабочее тело;

– изменения объема в этих двух полостях должны не совпадать по фазе, а получающиеся в результате циклические изменения суммарного объема, в свою очередь, не должны совпадать по фазе с циклическим изменением давления. Это – условие получения механической энергии на валу двигателя.

Рабочая часть современного cтирлинга представляет собой замкнутый объем, заполненный газом (рис. 1).

Рис. 1. Принцип работы двигателя Стирлинга

1 – рабочий поршень; 2 – поршень-вытеснитель;

3 – охладитель; 4 – нагреватель; 5 – регенератор;

6 – холодное пространство; 7 – горячее пространство

Какова же роль регенератора в этом процессе? Регенератор 5 расположен между холодным и горячим пространствами. Когда расширившийся газ движением поршня-вытеснителя перекачивается в холодную часть, он проходит через плотную ткань (плотный материал) регенератора и отдает регенератору все содержащееся в нем тепло. Во время обратного хода сжатый холодный воздух, прежде чем попасть в горячую полость (часть цилиндра), отбирает это тепло обратно.

Но если это так, то почему же ни Стирлинг, ни Эриксон не смогли добиться того успеха, которого заслуживали их изобретения?

Но самое удивительное и самое важное не в том, что КПД регенеративных cтирлингов и эриксонов становятся равными. Главное в том, что они становятся равными КПД цикла Карно! А отсюда вытекает, что даже при 600–650 °С теоретический КПД двигателей внешнего сгорания составляет 70%!

Классификация двигателей Стирлинга

Итак, неотъемлемой частью двигателей внешнего сгорания являются две полости с периодически изменяющимися объемами при различных температурных уровнях. Эти полости, как нам уже известно, соединены между собой посредством регенератора и вспомогательных теплообменников. Двигателями Стирлинга принято в настоящее время называть такие двигатели, в которых управление потоком рабочего тела происходит путем изменения объемов.

Рис. 2. Основные схемы двигателей Стирлинга

одностороннего действия: а – с рабочим поршнем

и вытеснителем в одном цилиндре; б – с рабочим поршнем

и вытеснителем в разных цилиндрах; в – двухпоршневые

(с двумя рабочими поршнями);

1 – рабочий поршень; 2 – вытеснитель;

3 – полость расширения; 4 – полость сжатия;

5 – регенератор; 6 – нагреватель; 7 – холодильник

Рис. 3 Схема работы двигателя двойного действия:

1 – полость расширения; 2 – нагреватель;

3 – регенератор; 4 – холодильник; 5 – полость

сжатия; 6 – рабочий цилиндр; 7 – шток; 8 – газовый тракт

Все существующие конструкции двигателей Стирлинга можно свести к α-, β- и γ-модификациям (рис. 4). Такая классификация двигателей внешнего сгорания достаточно точно позволяет определить типы двигателей без необходи-мости тщательного изучения деталей конструкции:

Рис. 4. Модификации двигателей Стирлинга:

а – α-модификация; б – β-модификация; в – γ-модификация;

Н – нагреватель; R – регенератор; С – холодильник.

Двигатели α-модификации – это V-образные двигатели. Рабочая полость распределена между двумя цилиндрами, в одном из которых находится горячая полость, а в другом – холодная. Регенератор располагается между цилиндрами.

Двигатели β-модификации имеют только один цилиндр. Объем горячей полости изменяется с помощью поршня-вытеснителя. Изменение объема холодной полости происходит посредством движения как поршня-вытеснителя, так и рабочего поршня.

В двигателе γ-модификации аналогично двигателю β-модификации имеется рабочий поршень и поршень-вытеснитель. Однако они находятся в отдельных цилиндрах. Холодная полость разделена на два цилиндра, и, следовательно, ее минимальный объем всегда больше нуля.

Изолированные от внешней среды, они практически не зависят от нее. Стирлинг может работать от какого-либо источника тепла всюду: под водой, под землей, в космосе – то есть там, где двигатели внутреннего сгорания, нуждающиеся в воздухе, работать не могут. И тогда-то у стирлинга появляются преимущества перед своими соперниками (ДВС) даже по весу.

Информация о двигателях внешнего сгорания будет неполной, если не упомянуть о своего рода «антистирлингах» – двигателях, превращенных в холодильные машины.

Еще в 1834 году было замечено: если вращать двигатель внешнего сгорания с помощью паровой машины и не разводить огонь под рабочим цилиндром, температура воздуха в нем понижается. На первый взгляд, в этом нет ничего удивительного. В принципе, у любого теплового двигателя есть свой «антипод» – холодильная машина, работающая по такому же циклу, но в противополож-ном направлении.

Поразительно вот что: если паровую машину, дизель или бензиновый дви-гатель вращать принудительно, никакого охлаждения не получится. Нужны специально сконструированные холодильные машины, чтобы реализовать обращенные циклы паровой машины, дизеля или бензинового двигателя. Двигатель же внешнего сгорания фантастическим образом совмещает в «едином лице» и тепловую и холодильную машину.

В 1945 году инженеры фирмы «Филипс» раскрутили электромотором опытную модель двигателя внешнего сгорания мощностью в 1 лошадиную силу и, к своему удивлению, с поразительной легкостью охладили его головку до минус 190 °С (83 °К). Однако, к сожалению, такие низкие температуры в то время были не нужны. И только после 1950 года, когда техника низких температур начала выходить из научных лабораторий в промышленность, снова вспомнили о стирлингах. Но об этом мы расскажем в следующем номере журнала.

(По материалам, опубликованным в российской и зарубежной печати).

Abstract

Матрунчик А.С.

ORCID: 0000-0003-0874-2933, Ассистент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Аннотация

Ключевые слова: двигатель Стирлинга, отопление, горячее водоснабжение, энергосбережение, электрическая энергия, высокопотенциальные источники тепла, двигатель внешнего сгорания.

Matrunchik A.S.

ORCID: 0000-0003-0874-2933, Assistant, Perm National Research Polytechnic University

EXTERNAL HEAT ENGINE USING FOR ELECTRICAL PRODUCTION

Abstract

This article discusses the prospects for the use of an external combustion engine to generate electric power from the high potential and low potential energy sources. The main advantages and disadvantages of using the technology of Stirling engines, considered the thermodynamic principle of the system and its effectiveness. Analyzed a practical example of the application installation, using this method of energy production, provides technical ways of increasing the efficiency of the unit.

Keywords: Stirling engine, heating, hot water, energy conservation, electricity, high thermal sources, external combustion engine.

1) возможность использования различных источников теплоты с высоким и низким температурным потенциалом;

2) высокая экономичность двигателя;

3) многофункциональность двигателя (кроме основного назначения возможна работа в холодильной машине)

4) низкий уровень токсичности и дымности удаляемых газов при условии использования углеводородных топлив;

5) работа двигателя не зависит от наличия атмосферы (существует перспектива использования систем данной технологии при работе на глубинах океана и в космосе);

6) показатели по шуму и вибрации ниже, чем у других двигателей;

Стоит также упомянуть и о слабых сторонах этого механизма:

1) относительная сложность производства;

2) высокая цена производства из-за высокой металлоемкости;

3) показатель полезного действия ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания.

Двигатель Стирлинга использует принцип температурного расширения: рабочее тело расширяется при повышении температуры и сжимается при ее понижении. Принципиальный отличием двигателя с внутренним сгоранием рабочего вещества и двигателя внешнего сгорания, является способ подвода теплоты, который происходит через теплообменник между холодной и теплой стенкой, что означает постоянную замкнутость рабочего тепла.

Рис. 1 – Термодинамический цикл Стирлинга

Термодинамический цикл, предложенный Стирлингом (рис. 1), включает в себя два процесса при неизменяемой температуре и два процесса при неизменяемом объеме рабочего вещества системы: 1-2 – потеря объема рабочим веществом по изотерме температуры T_x с отводом объема теплоты Q_x, 2-3 – изохорический перенос теплового объема для рабочего тела, 3-4 – расширение рабочего вещества по изотерме температуры T_г с подводом объема теплоты Q_г, 4-1 – изохорический отвод теплоты рабочего вещества.

Термодинамический цикл Роберта Стирлинга является обобщенным циклом Карно, следовательно их термический КПД будет совпадать:

По конструктивным характеристикам двигатели Стирлинга подразделяются на альфа-модификацию, бета-модификацию и гамма-модификацию [1]. Производство механизмов на основе двигателей Стирлинга существует, но в них используется только высококалорийное топливо (например, газ) – в этом случае, при использовании высокопотенциального топлива преимущества устройств, использующих технологию двигателя Стирлинга, незначительны в сравнении с двигателями внутреннего сгорания.

Рис.2 – Схема установки с утилизатором

Таблица 1 – Результаты испытаний

Количество устройств, шт	Суммарное время работы, ч	Выработано электроэнергии, кВт*ч
62	92730	79317

Устройство имеет среднее значение полезной мощности около 1,3 кВт.

Литература

1. Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. М.: Мир, 1986. – 464с
2. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии М.: ИП РадиоСофт, 2008. – 228 с.

По словам изобретателя, достоинства созданного ими «Стирлинга» очевидны. Он легче поршневого варианта, в нем намного меньше деталей, а потому он проще в изготовлении и в 10 раз дешевле. По тем же параметрам он выигрывает и у ДВС, не говоря уже об экологии и КПД.

В Москве прошла III Международная выставка «Перспективные технологии XXI века». Одним из гвоздей стала разработка ученых из Пскова.

Есть несколько причин, почему «Стирлинг» не идет в массы. Одна из них — поршень. Принцип действия двигателя таков, что для эффективной работы число поршней в нем должно быть вдвое больше, чем в ДВС. Отсюда сразу же резко увеличиваются габариты и вес, а главное — цена. Поэтому уже давно энтузиасты «Стирлинга» пытаются уйти от поршня, заменив его роторно-лопастной системой.

— Я заболел этой идеей еще в юности, когда мечтал на автомобиле подняться на высоту 5-6 метров, — рассказывает главный конструктор нового двигателя Юрий Лукьянов. — Было ясно, что нужен мощный движок малых габаритов. Перебрав все варианты, понял, что подходит только роторно-лопастной «Стирлинг».

С тех пор прошло много лет. Лукьянов окончил институт, работал инженером на заводе, затем перешел в Псковский политехнический институт. Именно здесь собрал команду энтузиастов, куда вошли два доктора наук и три кандидата. Они взялись за создание нового двигателя, выиграли конкурс Роснауки и получили грант — 7,6 миллиона рублей.

— Мы сделали главное — описали математически все процессы в этом двигателе, — говорит Лукьянов. — До сих пор подобное никому не удавалось. И затем воплотили в железе основные узлы, доказав на деле, что математика верна.

По словам изобретателя, достоинства созданного ими «Стирлинга» очевидны. Он легче поршневого варианта, в нем намного меньше деталей, а потому он проще в изготовлении и в 10 раз дешевле. По тем же параметрам он выигрывает и у ДВС, не говоря уже об экологии и КПД.

Новый двигатель найдет применение прежде всего на небольших ТЭС мощностью до 1,5 МВт. Причем в качестве топлива можно использовать любое топливо, даже опилки. Себестоимость электроэнергии — копейка за киловатт-час! Такой «Стирлинг» можно устанавливать и на транспорте — судах и тепловозах, и т.д. Что же касается автомобиля, то специально для него Лукьянов сейчас разрабатывает новый вариант двигателя.

А предприятия Зеленограда выставили макеты платформ для выпуска самых разных элементов наноэлектроники, в частности, нанотранзисторов, чипов, интегральных схем и т.д. Такие комплексы уже установлены в Таганрогском радиотехническом университете, МГТУ им. Баумана, МИСиСе, Курчатовском институте.

Казанский государственный технологический университет вообще сделал ставку только на «нано». Здесь более десятка самых разных нанотехнологий для получения материалов с улучшенными свойствами, а также наноразмерных центров кристаллизации для эффективного тушения пожаров, рассеивания тумана, увлажнения почвы и т.д.

Ученые ВНИИнефть предлагают метод, который позволяет увеличить добычу «черного золота» из обводненных скважин. Дело в том, что вытесняющая нефть вода ищет «легкие пути», поэтому она не добирается до многих богатых топливом зон с низкой проницаемостью. Ученые научились управлять водой, направляя ее туда, где есть нефть. В итоге удается дополнительно взять из скважины тысячи тонн топлива.

За попутный газ взялись и ученые ассоциации «Аспект». На основе нанотехнологий они создали комплекс по переработке попутного газа в ароматические углеводороды. Благодаря «нано» он потребляет мало энергии, что делает технологию экономически привлекательной.

Другая разработка «Аспекта» позволяет не только получать биогаз из любых видов отходов, но с помощью нанокатализаторов выделять из него метан, который обладает высокой теплоотдачей. Такой биокомплекс становится выгоден для небольших поселков.

Двигатель Стирлинга относится к двигателям внешнего сгорания. Он может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла, например, солнечных лучей. Принцип действия заключается в чередуемом нагревании и охлаждении воздуха в герметичном рабочем цилиндре.

Рис. 2. Основные схемы двигателей Стирлинга

Принцип действия многих тепловых двигателей состоит в том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем при сжатии холодного газа.

Сжатие, нагрев, расширение, охлаждение – вот четыре основных процесса, необходимых для функционирования теплового двигателя.

Каждый из вышеперечисленных процессов возможно проводить различными путями.

Охлаждение и нагрев газа могут протекать в замкнутой полости при постоянном объеме (изохорный процесс) или под движущимся поршнем при постоянном давлении (изобарный процесс). Сжатие и расширение газа могут происходить при постоянной температуре (изотермический процесс) или без теплообмена с окружающей средой (адиабатический процесс). Конструируя замкнутые циклы из различных комбинаций этих процессов, нетрудно получить теоретические циклы, по которым работают все современные тепловые двигатели.

Комбинация из двух адиабат и двух изохор образует теоретический цикл бензинового двигателя (двигатель Отто). Заменяя в этой комбинации изохору, по которой идет нагревание газа на изобару, получим цикл дизельного двигателя (двигатель Дизеля). Две адиабаты и две изобары дадут теоретический цикл газовой турбины.

Среди всех возможных циклов комбинация из двух адиабат и двух изотерм играет особо важную роль в термодинамике. По такому циклу – циклу Карно – должен работать двигатель, имеющий самый высокий КПД для данного интервала температур. Двигатели, работающие по другим циклам, гораздо менее экономичны. И все-таки до настоящего времени никому не удалось по-строить двигатель, реализующий цикл Карно. Почему? Об этом мы поговорим позже.

Строго говоря, двигатель Стирлинга может работать и без регенератора. Это объясняется тем, что при нагреве газа на изохоре требуется тепла меньше, чем при нагреве газа по изобаре. Включение регенератора в рабочий цикл двигателя внешнего сгорания придает последнему уникальные свойства.

Итак, основные особенности работы двигателя Стирлинга заключаются в следующем:

– в двигателе происходит преобразование тепловой энергии в механическую посредством сжатия постоянного количества рабочего тела при низкой температуре и последующего (после периода нагрева) его расширения при высокой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень совершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабатывает полезную механическую энергию;

– при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии;

– изменение температуры рабочего тела обеспечивается наличием разде-ленных холодной и горячей полостей двигателя по соединительным каналам, между которыми под действием движения поршней перемещается рабочее тело;

– изменения объема в этих двух полостях должны не совпадать по фазе, а получающиеся в результате циклические изменения суммарного объема, в свою очередь, не должны совпадать по фазе с циклическим изменением давления. Это – условие получения механической энергии на валу двигателя.

Рабочая часть современного cтирлинга представляет собой замкнутый объем, заполненный газом (рис. 1).

Рис. 1. Принцип работы двигателя Стирлинга

1 – рабочий поршень; 2 – поршень-вытеснитель;

3 – охладитель; 4 – нагреватель; 5 – регенератор;

6 – холодное пространство; 7 – горячее пространство

Какова же роль регенератора в этом процессе? Регенератор 5 расположен между холодным и горячим пространствами. Когда расширившийся газ движением поршня-вытеснителя перекачивается в холодную часть, он проходит через плотную ткань (плотный материал) регенератора и отдает регенератору все содержащееся в нем тепло. Во время обратного хода сжатый холодный воздух, прежде чем попасть в горячую полость (часть цилиндра), отбирает это тепло обратно.

Но если это так, то почему же ни Стирлинг, ни Эриксон не смогли добиться того успеха, которого заслуживали их изобретения?

Но самое удивительное и самое важное не в том, что КПД регенеративных cтирлингов и эриксонов становятся равными. Главное в том, что они становятся равными КПД цикла Карно! А отсюда вытекает, что даже при 600–650 °С теоретический КПД двигателей внешнего сгорания составляет 70%!

Классификация двигателей Стирлинга

Итак, неотъемлемой частью двигателей внешнего сгорания являются две полости с периодически изменяющимися объемами при различных температурных уровнях. Эти полости, как нам уже известно, соединены между собой посредством регенератора и вспомогательных теплообменников. Двигателями Стирлинга принято в настоящее время называть такие двигатели, в которых управление потоком рабочего тела происходит путем изменения объемов.

Рис. 2. Основные схемы двигателей Стирлинга

одностороннего действия: а – с рабочим поршнем

и вытеснителем в одном цилиндре; б – с рабочим поршнем

и вытеснителем в разных цилиндрах; в – двухпоршневые

(с двумя рабочими поршнями);

1 – рабочий поршень; 2 – вытеснитель;

3 – полость расширения; 4 – полость сжатия;

5 – регенератор; 6 – нагреватель; 7 – холодильник

Рис. 3 Схема работы двигателя двойного действия:

1 – полость расширения; 2 – нагреватель;

3 – регенератор; 4 – холодильник; 5 – полость

сжатия; 6 – рабочий цилиндр; 7 – шток; 8 – газовый тракт

Все существующие конструкции двигателей Стирлинга можно свести к α-, β- и γ-модификациям (рис. 4). Такая классификация двигателей внешнего сгорания достаточно точно позволяет определить типы двигателей без необходи-мости тщательного изучения деталей конструкции:

Рис. 4. Модификации двигателей Стирлинга:

а – α-модификация; б – β-модификация; в – γ-модификация;

Н – нагреватель; R – регенератор; С – холодильник.

Двигатели α-модификации – это V-образные двигатели. Рабочая полость распределена между двумя цилиндрами, в одном из которых находится горячая полость, а в другом – холодная. Регенератор располагается между цилиндрами.

Двигатели β-модификации имеют только один цилиндр. Объем горячей полости изменяется с помощью поршня-вытеснителя. Изменение объема холодной полости происходит посредством движения как поршня-вытеснителя, так и рабочего поршня.

В двигателе γ-модификации аналогично двигателю β-модификации имеется рабочий поршень и поршень-вытеснитель. Однако они находятся в отдельных цилиндрах. Холодная полость разделена на два цилиндра, и, следовательно, ее минимальный объем всегда больше нуля.

Изолированные от внешней среды, они практически не зависят от нее. Стирлинг может работать от какого-либо источника тепла всюду: под водой, под землей, в космосе – то есть там, где двигатели внутреннего сгорания, нуждающиеся в воздухе, работать не могут. И тогда-то у стирлинга появляются преимущества перед своими соперниками (ДВС) даже по весу.

Информация о двигателях внешнего сгорания будет неполной, если не упомянуть о своего рода «антистирлингах» – двигателях, превращенных в холодильные машины.

Еще в 1834 году было замечено: если вращать двигатель внешнего сгорания с помощью паровой машины и не разводить огонь под рабочим цилиндром, температура воздуха в нем понижается. На первый взгляд, в этом нет ничего удивительного. В принципе, у любого теплового двигателя есть свой «антипод» – холодильная машина, работающая по такому же циклу, но в противополож-ном направлении.

Поразительно вот что: если паровую машину, дизель или бензиновый дви-гатель вращать принудительно, никакого охлаждения не получится. Нужны специально сконструированные холодильные машины, чтобы реализовать обращенные циклы паровой машины, дизеля или бензинового двигателя. Двигатель же внешнего сгорания фантастическим образом совмещает в «едином лице» и тепловую и холодильную машину.

В 1945 году инженеры фирмы «Филипс» раскрутили электромотором опытную модель двигателя внешнего сгорания мощностью в 1 лошадиную силу и, к своему удивлению, с поразительной легкостью охладили его головку до минус 190 °С (83 °К). Однако, к сожалению, такие низкие температуры в то время были не нужны. И только после 1950 года, когда техника низких температур начала выходить из научных лабораторий в промышленность, снова вспомнили о стирлингах. Но об этом мы расскажем в следующем номере журнала.

(По материалам, опубликованным в российской и зарубежной печати).

Двигатели внешнего сгорания стали использоваться тогда, когда людям потребовался мощный и экономичный источник энергии. До этого использовались паровые установки, однако они были взрывоопасными, так как использовали горячий пар под давлением. В начале 19 века им на смену пришли устройства с внешним сгоранием, а еще через несколько десятков лет были изобретены уже привычные приборы с внутренним сгоранием.

Принцип работы

Помимо этого, есть моторы с открытым циклом, где регулирование потоком реализуется посредством клапанов. Именно их называют двигателями Эриксона, кроме общего названия имени Стирлинга. В ДВС полезная работа осуществляется после предварительного сжатия воздуха, впрыска топлива, нагрева полученной смеси вперемешку со сгоранием и расширения.

Система вытеснителя соединена с рабочим поршнем, сжимающим газ в холоде и позволяющим расширяться в тепле. За счет сжатия в более низкой температуре происходит полезная работа. Вся система проходит четыре цикла при прерывистых движениях. Кривошипно-шатунный механизм при этом обеспечивает непрерывность. Поэтому резких границ между стадиями цикла не наблюдается, а КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Учитывая все вышесказанное, напрашивается вывод, что этот двигатель является поршневой машиной с внешним подводом тепла, где рабочее тело не покидает замкнутое пространство и не заменяется. Чертежи двигателя Стирлинга хорошо иллюстрируют устройство и принцип его действия.

Как правило рабочим телом выступает воздух, но может использоваться водород или гелий. В опытных образцах пробовали двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан и даже воду.

Двигатель внешнего сгорания. Принцип работы

«Стирлинг» ‒ как мы уже упоминали, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основной принцип его работы заключается в постоянном чередовании нагревания и охлаждения рабочего тела в замкнутом пространстве и получении энергии, благодаря возникающему при этом изменению объёма рабочего тела.

Как правило рабочим телом выступает воздух, но может использоваться водород или гелий. В опытных образцах пробовали двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан и даже воду.

Кстати, вода пребывает в жидком состоянии на протяжении всего термодинамического цикла. А сам «стирлинг» с жидким рабочим телом имеет компактные размеры, высокую удельную мощность и высокое рабочее давление.

В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.

Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.

Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.

Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.

Устройство и принцип работы

Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.

В первое время после изобретения такой двигатель существовал в виде машины, действующей на принципе теплового расширения.

В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Вверху цилиндра 1 находится водяная рубашка 3, дно цилиндра непрерывно нагревается огнем. В цилиндре расположен рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, передвигающийся в цилиндре со значительным зазором.

Воздух, находящийся в цилиндре, перекачивается вытеснителем 2 к дну поршня или цилиндра. Вытеснитель движется под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток в свою очередь приводится в действие эксцентриковым устройством, вращающимся с запаздыванием на 90 градусов от привода поршня.

В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.

В следующей позиции «б» вытеснитель перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, находящийся между ними, выталкивается ко дну цилиндра, охлаждаясь.

Позиция «в» — рабочая. В ней воздух нагревается дном цилиндра, расширяется и поднимает два поршня к верхней мертвой точке. После выполнения рабочего хода вытеснитель опускается ко дну цилиндра, выталкивая воздух под поршень, и охлаждаясь.

В позиции «г» охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается от верхней точки к нижней. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше, чем работа расширения нагретого воздуха, то образуется полезная работа. Маховик при этом служит своеобразным аккумулятором энергии.

В рассмотренном варианте двигатель Стирлинга обладает малым КПД, так как теплота воздуха после рабочего хода должна отводиться через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость. Воздух за один ход не успевает снизить температуру на необходимую величину, поэтому необходимо было продлить время охлаждения. Из-за этого скорость мотора была маленькой. Термический КПД был также незначительным. Тепло отработанного воздуха уходило в охлаждающую воду и терялось.

Разные конструкции

Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.

Конструкция исполнения «Альфа»

Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.

Конструкция исполнения «Бета»

Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.

Конструкция исполнения «Гамма»

Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.

Преимущества

• Как и множество двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, так как для него важно наличие перепада температуры. При этом не важно, каким топливом он вызван.
• Двигатель имеет простое устройство, и не нуждается во вспомогательных системах и навесных устройствах (коробка передач, ремень ГРМ, стартер и т.д.).
• Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
• Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива, и отсутствует выпуск отработанных газов.
• Исполнение «Бета», снабженное кривошипно-шатунным устройством в виде ромба, является наиболее сбалансированным механизмом, который при функционировании не создает вибрацию.

• В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.

Недостатки

• При значительных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга нереально по некоторым причинам. Основной вопрос в материалоемкости устройства. Чтобы охлаждать рабочее тело, необходим большой радиатор, что значительно увеличивает габариты и вес оборудования.
• Сегодняшний уровень технологий дает возможность двигателю Стирлинга конкурировать по свойствам с новыми бензиновыми двигателями за счет использования сложных типов рабочего тела (водород или гелий), находящихся под очень большим давлением. Это значительно повышает опасность использования таких двигателей.
• Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температурной стойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло подходит к рабочему пространству с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Также теплообменник должен производиться из термоустойчивых сплавов, которые также должны быть устойчивы к повышенному давлению. Соответствующие этим условиям материалы очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
• Принципы перехода двигателя Стирлинга на другие режимы функционирования также существенно отличаются от привычных принципов. Для этого необходимо создание специальных устройств управления. Например, для изменения мощности нужно менять угол фаз между силовым поршнем и вытеснителем, давление в цилиндрах, либо изменить емкость рабочего объема.

Двигатель Стирлинга и его использование

При необходимости создания преобразователя тепла компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.

Сверхнизкие температуры. Для сжижения газов такие моторы очень эффективны. Их использование более выгодное, чем турбинные устройства. Также двигатель Стирлинга применяется в устройствах для охлаждения датчиков точных приборов.

Сегодня исследования установок Стирлинга для подводных, космических и других установок, а также проектирование основных двигателей проводятся во многих зарубежных странах. Такой высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников.

Горячий воздух поступает в верхнюю часть мотора и охлаждается с помощью радиатора. Давление рабочего тела понижается, а поршень опускается для повторения всего цикла. Система полностью герметична, благодаря чему рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла.

Преимущества двигателя внешнего сгорания

Компания General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель внешнего сгорания с серийным кривошипно-шатунным механизмом. В 1972 году ограниченная версия автомобилей Ford Torino оснащалась таким двигателем. Причём расход топлива снизился на целых 25 % по сравнению с предыдущими моделями. Сегодня несколько зарубежных компаний пытаются совершенствовать конструкцию этого двигателя с целью адаптации для серийного производства и установки на легковые автомобили.