Двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга

Роберт Стирлинг (1790-1878 гг.) — шотландский пастор, доктор богословия, вошел в историю не как выдающийся деятель церкви, а как изобретатель и инженер. Газета «Таймс» в некрологе, посвященном его памяти, с некоторым сожалением отмечала, что он не оставил «ни одного богословского произведения».

Работая в свободное от основных обязанностей время вместе со своим братом над тепловыми машинами, он изобрел новый двигатель, названный впоследствии его именем. В 1816 г. он получил патент (N 4081) на машину, которая «производит движущую силу посредством нагретого воздуха», а в 1827 и 1840 гг. — еще два (N 5456 и 8652) на усовершенствованные ее варианты. В 1845 г. на литейном заводе в Данди была пущена машина Стирлинга мощностью 50 л.с. (36,7 кВт), проработавшая больше трех лет.

Долгое время после этого двигатели Стирлинга не строились, а его работы были почти полностью забыты. Только в 1938 г. началось «возрождение» двигателей Стирлинга, и сейчас над ними работают во всем мире.

Все это очень интересно как для истории, так и для определения тенденций современного развития тепловых двигателей. Но какая здесь связь с криогенной техникой, где все наоборот? Оказывается, как ни странно, что самая непосредственная.

Нельзя и тут не вспомнить А.С. Пушкина: «. лед и пламень не столь различны меж собой…» Чтобы увидеть, как проявляется эта связь в данном случае, необходимо разобраться в том, как работает двигатель Стирлинга. Прежде всего нужно отметить, что он принципиально отличается от паровой машины двумя особенностями, Во-первых, он работает не на воде и водяном паре, а на воздухе; другими словами, этот двигатель газовый (в том смысле, что агрегатное состояние его рабочего тела не меняется — нет ни испарения, ни конденсации). Во-вторых, все процессы изменения параметров рабочего тела проходят полностью в цилиндре машины; воздух из него не выпускается и в него не впускается; поэтому никаких распределительных устройств, вроде клапанов или золотника, в нем нет.

Рис. 8.3. Принцип действия двигателя Стирлинга: а — конструктивная схема двигателя; б — положения поршня и вытеснителя в разных фазах процесса; в — процесс на диаграмме р, v.

На рис. 8.3 а показан схематически разрез двигателя, на рис. 8.3 б — положение рабочих органов в четырех исследовательских положениях. Цилиндр 1 двигателя имеет головку 2, которая постоянно поддерживается в горячем состоянии, так как омывается снаружи продуктами сгорания топлива. В нижней части цилиндра, охлаждаемой водой или воздухом, помещен рабочий поршень 3, связанный с коленчатым валом 4. Через отверстие в поршне пропущен шток 5, на конце которого закреплен так называемый вытеснитель 6 (элемент, который определяет основные особенности двигателя Стирлинга). Он представляет собой тоже поршень, который может перемещаться в цилиндре с небольшим радиальным зазором. Управление его движением осуществляется от того же вала 4.

Проследим работу двигателя. В фазе I и поршень, и вытеснитель расположены каждый в своей верхней мертвой точке. Воздух находится в промежутке между ними и имеет температуру, близкую к Тос, так как соприкасается со стенками холодной части цилиндра. Затем вытеснитель перемещается вниз, придвигаясь вплотную к рабочему поршню (фаза II). Воздух при этом переходит по кольцевому зазору между вытеснителем и цилиндром в горячую головку цилиндра, где нагревается. При этом его давление возрастает, он давит на поршень и, расширяясь, смешает его вниз, производя работу, передающуюся на вал машины. Вытеснитель посредством штока тоже сдвигается вниз вслед за поршнем; оба оказываются в самом нижнем положении (фаза III). Далее вытеснитель перемещается снова в самое верхнее положение (фаза IV). При этом расширившийся воздух переталкивается через зазор между вытеснителем и цилиндром снова в нижнюю холодную часть цилиндра. При понижении температуры воздуха его давление падает, и поршень снова вдвигается в цилиндр до верхнего положения, соответствующего фазе I; на этом цикл завершается, и все повторяется сначала.

Таким образом, блестящая идея Стирлинга сводилась к тому, чтобы периодически с помощью придуманного им простого устройства — вытеснителя переталкивать газ из холодной зоны цилиндра в теплую и обратно. Остальное совершалось автоматически: при нагревании давление газа повышалось, и он давил на поршень, производя работу, а при охлаждении — понижалось, и поршень вдвигался обратно. Работа определялась разностью между той работой, которая отдавалась на вал при расширении горячего воздуха (движение поршня вниз), и той, которая затрачивалась при сжатии холодного (движение поршня вверх). На передвижение вытеснителя работа почти не тратилась, так как он двигался почти без сопротивления (воздух легко проходил через зазор между ним и цилиндром, поэтому давления над ним и под ним мало различались).

На рис. 8.3 в помещена диаграмма, показывающая, как изменяется объем v и давление р газа (воздуха) при работе машины. Процессы переталкивания (I — II и III — IV) проходят при неизменных объемах (изохорно), а расширение при высокой температуре Тг (II — III) и сжатие при низкой Тос (I — II) — при неизменных температурах Тг и Тос. Площади на диаграмме соответственно равны: a-II-III-b — работе LI-III, отдаваемой поршнем, b-IV-I-a — работе LIV-I, затрачиваемой на его возвращение, а их разность (площадка I-II-III-IV) LII-III — полезной работе машины.

В связи с изобретением вытеснителя Стирлинг впервые ввел в технику и другое устройство, которое затем «оторвалось» от машины Стирлинга и «зажило самостоятельной жизнью», проникнув во многие отрасли техники. Более того, люди забыли не только о том, откуда оно появилось, но и фамилию того, кто его изобрел. Этим устройством является тепловой регенератор (или регенератор тепла). Началось с того, что Стирлинг заметил: при работе его двигателя воздух, проходя через кольцевой зазор между вытеснителем и цилиндром из холодной зоны в горячую и обратно, в первом случае несколько нагревался, а во втором — охлаждался. Причина этого была очевидна: горячий воздух, проходя в зазор, нагревал как стенку цилиндра, так и вытеснитель, а сам охлаждался; холодный воздух, напротив, встречаясь с горячими стенками, нагревался, охлаждая их, и т.д.

Оба эти процесса были очень полезны. Действительно, если бы холодный воздух без этого подогрева сразу попадал в горячую зону, то пришлось бы дополнительно затрачивать тепло для его нагрева в процессе I — II. Соответственно пришлось бы понижать температуру горячего воздуха в процессе III — IV за счет внешнего охладителя. Регенеративный теплообмен в зазоре между вытеснителем и стенкой цилиндра позволяет проводить процесс нагрева I — II за счет охлаждения в процессе III — IV. Чтобы этот процесс теплообмена шел по возможности полнее, Стирлинг обмотал цилиндрическую поверхность вытеснителя проволокой, которая омывалась воздухом и служила дополнительной массой, аккумулирующей тепло, как впоследствии насадка в регенераторах Френкля. В дальнейшем тепловой регенератор 7 был вынесен за пределы цилиндра, как показано на рис. 8.3 а, и соединен трубками 8 с горячей и холодной полостями. Такая конструкция позволяла как облегчить вытеснитель, так и сделать регенератор нужного размера. Вытеснитель при этом двигался в цилиндре с минимальным зазором и прогонял воздух из одной полости в другую через кольцевой регенератор. Машина-двигатель Стирлинга превзошла по КПД лучшие паровые машины того времени. Но. верхняя горячая часть цилиндра быстро прогорала, и машина выходила из строя. Паровые машины, более приспособленные к технологии того времени, постепенно совершенствовались, затем появились двигатели внутреннего сгорания. К началу нашего века и сам Стирлинг, и его машина были совершенно забыты. О них не вспоминали даже историки теплотехники.

Двигатель Стирлинга

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга — 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.

Хронологию событий, связанную с разработкой двигателей времен 18 века, вы можете наблюдать в интересной статье — «История изобретения паровых машин». А эта статья посвящена великому изобретателю Роберту Стирлингу и его детищу.

История создания.

Патент на изобретение двигателя Стирлинга как ни странно принадлежит шотландскому священнику Роберту Стирлингу. Его он получил 27 сентября 1816 года. Первые «двигатели горячего воздуха» стали известны миру ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Одним из важных достижений Стирлинга является добавление очистителя, прозванный им же самим «экономом».

В современной же научной литературе этот очиститель имеет совсем другое название — «рекуператор». Благодаря ему производительность двигателя растет, поскольку очиститель удерживает тепло в тёплой части двигателя, а рабочее тело в то же время охлаждается. Благодаря этому процессу эффективность системы значительно возрастает. Рекуператор представляет из себя камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходит через наполнитель рекуператора в одну сторону, отдаёт (или приобретает) тепло, а при движении в другую сторону отбирает (отдаёт) его. Рекуператор может быть и внешним по отношению к цилиндрам и может быть размещён на поршне-вытеснителе в бета- и гамма-конфигурациях. Габариты и вес машины в этом случае меньше. В коей мере роль рекуператора выполняется зазором между вытеснителем и стенками цилиндра (если цилиндр длинный, то надобности в таком устройстве нет вообще, однако появляются значительные потери из-за вязкости газа). В альфа-стирлинге рекуператор может быть только внешним. Он монтируется последовательно с теплообменником, в котором со стороны холодного поршня, происходит нагрев рабочего тела.

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 % инвестировала фирма «Филипс». Поскольку двигатель Стирлинга имеет много преимуществ, то в эпоху паровых машин он был широко распространён.

Недостатки.

• Материалоёмкость — основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.

• Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела — водород, гелий.

• Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплообменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

• Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Преимущества.

Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.

• «Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.

• Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.

• Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.

• Экономичность — в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.

• Бесшумность двигателя — стирлинг не имеет выхлопа, а значит — не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).

• Экологичность — сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

Альтернатива паровым двигателям.

В 19 веке инженеры пытались создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, из-за того что котлы уже изобретенных двигателей часто взрывались, не выдерживая высокого давления пара и материалов, которые совсем не подходили для их изготовления и постройки. Двигатель Стирлинга стал хорошей альтернативой, поскольку он мог преобразовывать в работу любую разницу температур. В этом и заключается основной принцип работы двигателя Стирлинга. Постоянное чередование нагревания и охлаждения рабочего тела в закрытом цилиндре приводит поршень в движение. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Но так же проводились опыты и с водой. Главная особенность двигателя Стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры,большие рабочие давления и высокая удельная мощность. Также существует Стирлинг с двухфазным рабочим телом. Удельная мощность и рабочее давление в нем тоже достаточно высоки.

Возможно, из курса физики вы помните, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Именно это свойство газов и заложено в основе работы двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который не уступает циклу Карно по термодинамической эффективности, и в некотором роде даже обладает преимуществом. Цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация такого цикла сложна и малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Всего в цикле Стирлинга четыре фазы, разделённые двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. При переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, который находится в цилиндре. В ходе этого процесса изменяется давление из чего и можно получить полезную работу. Полезная работа производится только за счет процессов, проходящих с постоянной температурой, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

Конфигурации.

Инженерами подразделяются двигатели Стирлинга на три различных типа:

Превью — увеличение по клику.

• Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, а цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. Отношение мощности к объёму достаточно велико, однако высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

• Бета-Стирлинг — цилиндр 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.

• Гамма-Стирлинг — есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет СПбГМТУ

26.05.02.02 Корабельные и судовые главные двигатели

Форма обучения: Очная форма

Минимальный балл в 2021 году

58

Преимущества

• Военная кафедра
• Государственная аккредитация
• Общежитие
• Буклет 2020

Паспорт программы

Описание программы

О профессии

Выпускники

Контактное лицо

Румб Виктор Карлович

Руководитель программы

Календарный план

Учебные корпуса

Выпускающие кафедры

• Кафедра судовых двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок

Файлы

• Буклет 2020

• # Двигатели внутреннего сгорания
• # ДВС
• # энергетическое машиностроение
• # поршневые двигатели
• # дизели
• # дизельгенераторы
• # судовые энергетические установки
• # силовые агрегаты
• # автомобильные двигатели
• # корабельные двигатели
• # пропульсивные установки
• # стационарные двигатели
• # малооборотные двигатели
• # среднеоборотные двигатели
• # высокооборотные двигатели
• # двигатели Стирлинга
• # история техники
• # агрегаты наддува
• # системы двигателей
• # эффективность двигателей

Описание программы

Особенностью профиля является полноценное базовое образование в области машиностроения, учебный план базируется на:

• научных основах термодинамики
• материаловедении
• теоретической механике
• механике газа
• жидкости и твердого тела
• тепломассобмену
• химмотологии
• информационных технологиях

Область профессиональной деятельности специалистов по направлению включает исследование, конструирование, производство, монтаж и эксплуатацию энергетических машин, агрегатов, энергетических установок на базе поршневых двигателей. Объектами профессиональной деятельности специалистов являются судовые, автотракторные, транспортные, стационарные двигатели внутреннего сгорания, двигатели с внешним подводом теплоты по циклу Стирлинга, дизельные и комбинированные энергетические установки кораблей, судов, катеров и оффшорной техники, силовые агрегаты автомобилей и колесно-гусеничной техники, дизельгенераторы, когенерационные установки, и другие объекты с поршневыми двигателями, а также технологии и оборудование для энергетического машиностроения.

Профессиональная деятельность выпускника может осуществляться на предприятиях:

• двигателестроения и энергетического машиностроения,

• сервисного обслуживания и ремонта двигателей и энергетических установок,

• судостроения и судоремонта,

• проектных организациях судостроения и транспорта,

• научно-исследовательских центрах судостроения, энергетики и транспорта,

• а также на предприятиях-производителях комплектующие для двигателестроения и в смежных областях производства.

Кафедра имеет опыт подготовки студентов на коммерческой основе, в том числе граждан других государств.

Цель программы

Достижения

• НИР «Расчет коленчатого вала дизеля М-473 по методике Российского морского регистра судоходства», руководитель заведующий кафедрой С.П. Столяров, 2016 г.
• НИОКР «Определение технико-экономических характеристик газотурбинных и дизельных двигателей с комплектующим оборудованием для судовых и дизельных двигателей с комплектующим оборудованием для судов и морских нефтегазовых объектов», руководитель заведующий кафедрой С.П. Столяров, 2015-2016 г.
• ОКР «Разработка и создание двигателя с внешним подводом теплоты по циклу Стирлинга для многотопливного автономного источника тепловой и электрической энергии», ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы», руководитель заведующий кафедрой С.П. Столяров, 2009-2011 гг.
• НИР «Исследования и разработка критических технологий применительно к двигателю Стирлинга в составе автономного когенерационного источника энергии на твердой растительной биомассе», ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы», руководитель заведующий кафедрой С.П. Столяров, 2013.
• НИОКР «Доводка и наладка универсальных испытательных стендов судовых дизелей», руководитель заведующий кафедрой С.П. Столяров, 2018 г.
• НИР «Разработка технических предложений по обеспечению работоспособности газонефтяного двигатель-генератора 12НДГ при работе на нефти третьего класса по ГОСТ З 51858-2002», руководитель заведующий кафедрой С.П. Столяров, 2018-2019 гг.
• Защита кандидатской диссертации Лин Тхат Чжо Аунг (Республика Союз Мьянма) на тему «Методика расчета процессов газообмена четырехтактного судового дизеля на базе диффузионной гипотезы смешения остаточных газов и свежего заряда», научный руководитель заведующий кафедрой С.П. Столяров, 2016 г.
• Защита кандидатской диссертации В.А. Савченко на тему «Повышение эффективности двигателя Стирлинга путем совершенствования элементов конструкции внутреннего контура», научный руководитель заведующий кафедрой С.П. Столяров, 2016 г.

Преподаватели

• Медведев Валерий Викторович
  доктор технических наук профессор

Ведущий специалист в области надежности машин, более 120 научных публикаций, научные интересы: теоретические исследования и моделирование гидроаэродинамики и теплообмена в проточных частях энергетического оборудования, разработка методов обеспечения надежности и безопасности судовых энергетических установок.

Минасян Минас Арменакович
доктор технических наук профессор

Ведущий специалист в области виброизоляции, более 150 научных публикаций, научные интересы: теоретические и экспериментальные исследования средств шумо- и виброгащения, разработка и внедрение амортизаторов.

Румб Виктор Карлович
кандидат технических наук профессор

Ведущий специалист в области прочности двигателей, более 150 научных публикаций, научные интересы: широкий спектр теоретических исследований в области двигателей внутреннего сгорания, теоретические и прикладные работы по обеспечению прочности и долговечности судовых двигателей, их деталей и узлов, и судовых валопроводов

Столяров Сергей Павлович
кандидат технических наук доцент

Ведущий специалист в области двигателей Стирлинга, более 200 научных публикаций, научные интересы: теоретические исследования и моделирование процессов в поршневых двигателях внутреннего сгорания и двигателях с внешним подводом теплоты по циклу Стирлинга, опыт руководства НИОКР в области двигателей Стирлинга, выполнявшихся в рамках ФЦП, и договоров с промышленными предприятиями.

Темы выпускных квалификационных работ

• Автомобильные и тракторные двигатели
• Автономные когенерационные дизельные агрегаты
• Двигатели, предназначенные для работы в особых условиях (высокогорье, Арктика и Антарктика, автономные объекты)
• Двигатели с внешним подводом теплоты (двигатели Стирлинга) для когенерационных, судовых и космических энергетических установок
• Двигатели средств малой механизации и легких транспортных средств
• Двигатель мощностью 900 кВт для скоростного катера
• Дизельные и комбинированные энергетические установки
• Многофункциональный дизель малой мощности
• Модернизация двигателя для работы в условиях Крайнего Севера
• Модернизация судового дизеля с целью улучшения его технико-экономических показателей
• Стационарные двигатели и дизельгенераторы
• Судовые дизели по концепции «экологическая перспектива»
• Форсирование судовых дизелей
• Эскизный проект дизеля и оценка долговечности его подшипников

Трудоустройство и востребованность профессии

Практика и стажировки для студентов

• АО «Равенство» — производственная практика.
• ПАО «ЗВЕЗДА» — производственная практика на безвозмездной основе, стажировка преподавателей.
• ООО «МПС» — производственная практика, работа студентов параллельно с учебой.
• ОАО «СПМБМ «Малахит» — обучение студентов на базовой кафедре, производственная практика.
• АО «Адмиралтейские верфи» — производственная практика, стажировка преподавателей.
• ООО «Балтийский завод — Судостроение» — производственная практика, стажировка преподавателей.
• ОАО «ЦНИТА» — стажировка преподавателей.
• ООО «ЦНИДИ» — стажировка преподавателей.
• ЗАО «Проектно-конструкторское бюро «Автоматика»» — производственная практика, стажировка преподавателей.
• ООО «Дальневосточный завод «Звезда» — производственная практика.
• ООО фирма «ЧК Плюс» — ООО фирма «ЧК Плюс».
• ФГУП «Крыловский государственный научный центр» — производственная практика, стажировка преподавателей.
• АО КБ «Вымпел» в СПб — производственная практика, работа студентов параллельно с учебой.
• АО КБ «Лазурит» в СПб — производственная практика, работа студентов параллельно с учебой.

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

В наше время индустрия автомобилестроения достигла такого уровня развития, при котором без базовых научных принципов сложно достичь улучшения конструкции традиционных двигателей внутреннего сгорания. Это вынудило конструкторов всё больше обращать внимание на проекты альтернативных силовых установок. Инженерные центры и автоконцерны подошли к этому вопросу по-разному. Одни сосредоточились на создании адаптации к серийному выпуску электрических и гибридных моделей силовой установки. Другие делают вложения в разработку двигателей, потребляющих топливо из возобновляемых источников.

Одним из перспективных источников механической энергии для автомобилей является двигатель внешнего сгорания, разработанный уроженцем Шотландии Робертом Стирлингом пару веков назад. Двигатель внешнего сгорания Стирлинга по принципу работы сильно отличается от привычного для всех ДВС. Но на какое-то время после разработки о нём благополучно забыли.

История создания

В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг.

Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.

Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации

Принцип работы любого теплового мотора заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии нужны немалые механические усилия. В качестве наглядного примера можно привести опыт с двумя кастрюлями, согласно которому их наполняют холодной и горячей водой. Опускают в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку переносят в горячую воду.

При таком перемещении газ в бутылке совершает механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель осознал, что часть выделяемого тепла можно использовать для подогрева. Производительность агрегата от этого только возросла.

Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею об охлаждении и нагревании газа при постоянном давлении вместо объёма. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажей и транспортных средств агрегат оказался слишком тяжёлым.

Также советуем прочитать статью нашего специалиста, в которой он рассказывает о принципе работы и особенностях двигателя Ибадуллаева.

Дополнительно советуем внимательно изучить статью нашего автора, в которой подробно описывается роторно-поршневой двигатель Ванкеля.

На рисунке наглядно отображается рабочий цикл двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит за счёт изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объёме. В нижней части агрегата рабочее вещество нагревается, увеличивается в объёме и выталкивает поршень вверх.

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.

Кроме того, существуют моторы с открытым циклом, в которых регулирование потоком реализуется с помощью клапанов. Эти модели называют двигателем Эриксона. В целом принцип работы двигателя внешнего сгорания схож с ДВС. При низких температурах в нём происходит сжатие и наоборот. Нагрев же осуществляется по-разному.

Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра извне. Стирлинг догадался применять периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Этот поршень перемещает газы с одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой — высокие. При перемещении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость.

Система вытеснителя в двигателе соединена с рабочим поршнем, который сжимает газ в холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа совершается как раз благодаря сжатию в более низких температурах. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между стадиями цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Некоторые детали работы двигателя

В теории подводить энергию в двигатель внешнего сгорания может любой источник тепла (солнце, электричество, топливо). Принцип работы тела двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Термическим максимально возможным КПД обладает идеальный цикл. КПД при этом составляет от 30 до 40 %. Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимуществом является работа без масел. В целом смазки двигателю необходимо немного. Среднее давление в цилиндре варьируется от 10 до 20 МПа. Необходима хорошая уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Согласно теоретическим расчётам эффективность двигателя Стирлинга сильно зависима от температуры и может достигать даже 70 %. Самые первые реализованные в металле образцы двигателя обладали низким КПД, поскольку варианты теплоносителя были неэффективны и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению. Во второй половине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель 35 % КПД на водном теплоносителе и с температурой 55 градусов по Цельсию. Совершенствование конструкции в некоторых экспериментальных образцах позволило достичь практически 39 % КПД. Почти все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 — 30 %. Турбированные дизели достигают около 35 %. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, показывают эффективность до 43 %.

Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.

Модификация «Альфа»

Такой двигатель состоит из горячего и холодного раздельных силовых поршней, находящихся в собственных цилиндрах. К цилиндру с горячим поршнем поступает тепло, а холодный располагается в охлаждающем теплообменнике.

Модификация «Бета»

В этом варианте двигателя цилиндр, в котором расположился поршень, с одной стороны нагревается, а другой охлаждается. Внутри цилиндра двигаются вытеснитель и силовой поршень. Вытеснитель предназначен для изменения объёма рабочего газа. Регенератор же выполняет возвращение остывшего рабочего вещества в нагретую полость двигателя.

Модификация «Гамма»

Вся нехитрая конструкция модификации «Гамма» выполнена из двух цилиндров. Первый из них полностью холодный. В нём совершает движение силовой поршень. А второй — холодный только с одной стороны, а с другой — нагретый. Он служит для перемещения механизма вытеснителя. Регенератор циркуляции холодного газа в этой модификации может быть общим для обоих цилиндров и быть включённым в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя внешнего сгорания

Этот вид двигателей неприхотлив в плане топлива, поскольку основой его работы является перепад температур. Чем вызван этот перепад — особого значения не имеет. Двигатель Стирлинга имеет простую конструкцию и не нуждается в дополнительных системах и навесном оборудовании (стартер, коробка передач). Некоторые особенности устройства двигателя являются гарантией долгого срока эксплуатации: двигатель может работать непрерывно в течении примерно ста тысяч часов. Ещё одним серьёзным преимуществом двигателя внешнего сгорания является бесшумность. Она обусловлена тем, что в цилиндрах отсутствует детонация и нет необходимости в выводе отработавших газов. Особенно выделяется по этому параметру модификация «Бета». Её конструкция оснащена ромбовидным кривошипно-шатунным механизмом, который обеспечивает отсутствие вибраций во время работы. И, наконец, экологичность. В цилиндрах двигателя отсутствуют процессы, способные негативно влиять на окружающую среду.

Недостатки двигателя внешнего сгорания

Массовый выпуск таких двигателей в настоящее время невозможен. Основная проблема — это материалоёмкость конструкции. Охлаждение рабочего тела двигателя требует установку радиаторов с большими объёмами. Вследствие этого увеличиваются размеры. Использование сложных видов рабочего тела вроде водорода или гелия поднимает вопрос о безопасности двигателя. Теплопроводность и температурная стойкость должны быть на высоком уровне. Тепло к рабочему объёму поступает через теплообменники. Таким образом, часть тепла теряется по дороге. При изготовлении теплообменники приходится использовать термостойкие металлы. При этом металлы должны быть устойчивы к высокому давлению. Все эти материалы стоят дорого и долго обрабатываются. Принципы изменения режимов двигателя внешнего сгорания сильно отличаются от традиционных. Требуется разработка специальных управляющих устройств. Изменение мощности вызывается изменением давления в цилиндрах и угла фаз между вытеснителем и силовым поршнем. Также можно изменить ёмкость полости с рабочим телом.

Примеры реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Работоспособные модели такого двигателя были выпущены в свет, несмотря на все сложности изготовления. В 50 года XX века у автомобилестроительных компаний появилась заинтересованность в этой разновидности силового агрегата. В основном реализацией двигателей Стирлинга на автомобилях занимались Ford Motor Company и Volkswagen Group. Шведская компания UNITED STIRLING разработала такой двигатель, в котором разработчики старались чаще использовать серийные агрегаты и узлы (коленвал, шатуны). Был разработан четырёхцилиндровый V-образный двигатель, обладавший удельной массой 2,4 кг/кВт. Аналогичной массой обладает компактный дизель. Двигатель попробовали устанавливать на семитонные грузовые фургоны.

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.

Выводы

В случае, если недостатки двигателя внешнего сгорания будут устранены, то этот вид силового агрегата придёт на смену ДВС и даже электромоторам. Но ввиду высокой стоимости материалов, сложности их обработки и громоздкости конструкции, двигатель внешнего сгорания пока не может выпускаться массово. Возможно, когда-нибудь будут разработан дешёвый жаростойкий и устойчивый к давлению материал, который будет использоваться при изготовлении двигателя Стирлинга, а пока вся конструкция обходится производителям гораздо дороже, чем обычный ДВС. Удачи и лёгких дорог!