Двигатель стирлинга

Как работает двигатель Стирлинга по типу «вытеснитель»?

Аналогично паровому или автомобильному двигателю внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя серию основных операций – режим цикла.

Практически это выглядит процессом, когда газ попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках между этими фазами перемещается от горячей стороны цилиндра к холодной стороне и обратно.

Функция рабочего поршня заключается в использовании энергии расширения газа с передачей действия на привод двигателя. Затем газ сжимается, обеспечивая повторение цикла.

Функция поршня «вытеснителя» направлена на перемещение газа от горячей стороны к холодной стороне баллона и обратно. Работая тандемом, оба поршня обеспечивают многократное перемещение тепловой энергии от источника к радиатору (теплоотводящей системе). Соответственно, с последующим получением полезной механической работы.

Детальное описание функционала

Операция охлаждение – сжатие: большая часть газа содержится в области цилиндра более холодной. Когда оба поршня движутся внутрь (к центру), охлаждённая газовая составляющая сжимается, отдавая часть тепла конструкции радиатора.
Операция перекачка – регенерация: поршень «вытеснителя» перемещается. При этом охлажденный газ перетекает обходным путём в область цилиндра более горячую. Объём газа остаётся постоянным в момент прохождения через регенератор (теплообменник).
Операция нагрев – расширение: большая часть газа располагается в области цилиндра «горячая». Газ нагревается огнём (или другим источником тепла), отчего давление газовой составляющей повышается. Налицо эффект расширения и поглощения энергии. Эффект расширения толкает рабочий поршень, который, в свою очередь, приводит в движение маховик – механическую часть. В этой части цикла двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую энергию.
Операция передача – охлаждение: поршень «вытеснителя» перемещается, горячий газ перемещается по обходному пути в более холодную часть цилиндра. Объём газа остается постоянным в момент прохождения через регенератор (теплообменник) с отдачей части энергии. Цикл завершён и готов к повторению.

Несмотря на то, что двигатель Стирлинга проходит цикл, заканчивающийся в точке, где начинался, имеет место несимметричный процесс. Энергия постоянно отводится от источника и откладывается в теплообменнике.

Очевидно, что горячий газ выполняет определенную работу с рабочим поршнем в момент расширения, но поршень при этом выполняет меньше работы, сжимая охлажденный газ и возвращая в начало пути.

Как изготовить дома работающий двигатель Стирлинга?

Дмитрий Петраков по многочисленным просьбам отснял пошаговую инструкцию по сборке мощного, относительно своих габаритов и потребляемого количества тепла двигателя Стирлинга. В этой модели задействованы доступные каждому зрителю и распространённые материалы – обзавестись ими способен любой желающий. Все размеры, представленные в этом ролике, автор подбирал на основе многолетнего опыта работы со Стирлингами такой конструкции, и для данного, конкретного экземпляра они являются оптимальными.

В этой модели задействованы доступные каждому зрителю и распространённые материалы, благодаря чему обзавестись ими способен любой желающий. Все размеры, представленные в этом ролике, подбирал на основе многолетнего опыта работы со Стирлингами такой конструкции, и для данного, конкретного экземпляра они являются оптимальными.

C чувством, толком и расстановкой.

Мотор Стирлинга в работе с нагрузкой (водяная помпа).

Водяная помпа, собранная в качестве рабочего прототипа, предназначена для работы в паре с моторами Стирлинга. Особенность насоса заключается в небольших затратах энергии, требуемых для совершения им работы: такая конструкция задействует лишь небольшую часть динамического внутреннего рабочего объёма двигателя, и тем самым по минимуму влияет на его производительность.

Модель низкотемпературного двигателя Стирлинга

Привет, муськовчане! Сегодня я расскажу об очередная вещице из списка “когда будут лишние деньги, то непременно закажу» — о настольной модели двигателя Стирлинга, который работает за счет небольшой разницы температур и может работать ото льда!!

Доехала посылка довольно быстро, ехала CDEK’ом. Модель в посылке была в разобранном виде — маховик, основная часть и рабочий поршень. Упакованы все эти части были отдельно в пупырку.

В посылке была еще и инструкция:

Собирается всё элементарно — маховик в углубления для него между стойками, поршень на его законное место, накидываем и защелкиваем шатуны. Всё — модель собрана.

Детальные фото

Немного теории: Вряд ли я способен объяснить работу этого двигателя лучше Википедии, но я попробую — всё-таки и сам начинаешь лучше понимать что-то, когда объясняешь это другим.

Двигатель Стирлинга — это двигатель внешнего сгорания, преобразующий тепловую энергию в механическую, причем работать может от любого источника тепла. Изобрел и запатентовал этот двигатель Роберт, не поверите, Стирлинг в 1816 году. Главной инновацией Стирлинга стало добавление регенератора (приспособы, проходя через которую газ отдает ей тепло, а следуя обратно, забирает его) и второго (вытеснительного) поршня, который перемещал бы воздух от нагревателя к холодильнику и обратно. В моей модельке регенератор максимально примитивен — это просто зазор между вытеснительным поршнем и стенками рабочей камеры.

Цикл работы двигателя выглядит следующим образом: Внешний источник тепла нагревает нижнюю пластину, тепло передается рабочему телу (воздуху внутри рабочей камеры), температура повышается, объем не меняется, а значит растет давление, которое выталкивает рабочий поршень вверх, совершая полезную работу. Маховик в это время толкает вытеснительный поршень вниз, перемещая нагретый воздух вверх, где он охлаждается. Воздух охлаждается, давление падает и рабочий поршень идет вниз, а вытеснительный поршень в это время идет вверх, перемещая уже холодный воздух вниз, где он снова нагревается. И всё повторяется вновь и вновь. Кстати, сдвиг фаз (можно вообще так сказать о шатунах?) у шатунов 90 градусов.

Давайте перейдем к чему-то зрелищному. Итак, как вы уже поняли из вышеописанного, для запуска двигателя нужно создать разность температур между верхней и нижней пластинами. Ставим модель двигателя на стакан с кипятком, и двигатель начинает работать, ура ура!

Гифки, к сожалению, не обладают звуком, поэтому доложу вам, что звук издаваемый моделькой очень похож на звук советской швейной машинки (В конце обзора есть видеоверсия — звук можно послушать там).

При комнатной температуре в районе 25 градусов моделька, стоя на стакане с кипятком, работает (естественно, под конец всё замедляясь и замедляясь) около 35 минут.

Когда заказывал этот механизм, видел, что подобные модели могут работать от тепла руки при комнатной температуре. Эта модель, увы, так не может — разницы температур не хватает. Разве что зимой может быть получится, когда за бортом будет холодно.

Следующий номер нашей программы — это завести двигатель ото льда!

Вы же намек поняли, да?)

И вот это уже выглядит впечатляюще, хоть и понимаешь прекрасно, что всё логично, разница температур, холодильник, нагреватель — и вот это вот всё, но мозг всё равно как-то недоверчиво относится к тому, что видит, как нечто работает ото льда.

Видеоверсия обзора:

Итоги.

Никакими полезными функциями этот агрегат не обладает, это просто забавная вещь интерьера, которой можно удивить гостей. Думаю, что главное применение этой модели — это подарок человеку, у которого «всё есть», или школьнику, чтобы заинтересовать физикой и наглядно продемонстрировать термодинамические законы.

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Простота и сложность конструкции

Некоторыми инженерами двигатели Стирлинга видятся достаточно простым исполнением. Однако в реалии это достаточно сложные конструкции, работу которых объяснить сможет далеко не каждый инженер.

Схема двигателя Стирлинга (лабораторная): 1 – источник нагрева; 2 – «горячий» цилиндр; 3 – «вытеснитель»; 4 – эксцентрик; 5 – «холодный» цилиндр; 6 – рабочий поршень; 7 — эксцентрик

Существует множество различных конструкций двигателей Стирлинга. Однако здесь будет рассмотрен один конкретный тип исполнения, известный как «вытеснитель» (бета-двигатель Стирлинга). Исполнение характерно наличием следующих ключевых частей:

Источник тепла.
Газ.
Радиатор.
Поршни.

Источник тепла – любой энергетический ресурс, от сжигания угля, до тепла солнечного зеркала. Несмотря на тот факт, что двигатели Стирлинга описываются как устройства внешнего сгорания, фактически такие системы вообще не используют функцию сжигания топлива. Такому исполнению системы необходима только разница температур между источником тепла и радиатором.

По сути, допустимо управлять небольшим двигателем Стирлинга при помощи:

тепла чашки кофе,
тепла ладони руки,
температуры кубика льда.

Энергия, которую выдаёт двигатель Стирлинга, формируется от любой разницы температур между источником тепла и радиатора. Между тем следует учитывать, что малый двигатель Стирлинга содержит лишь относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.

Газовая составляющая

Закрытый баллон внутри машины постоянно содержит некоторый объём газа. Газовой средой может быть:

обычный воздух,
водород,
гелий,
другой газ.

При этом вещество остаётся в газообразном состоянии при нагревании и охлаждении в течение полного цикла двигателя. Единственная цель газовой составляющей — передача тепловой энергии от источника тепла к радиатору с последующим питанием поршня, который приводит машину в движение.

Радиаторная часть конструкции

Область, где горячий газ охлаждается, прежде чем возвращается к источнику тепла. Обычно конструкция радиатора представляет собой трубчатый металл, оснащённый ребристыми гранями, отводящими отработанное тепло в атмосферу.

Поршни рабочего цикла

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но практически все имеют два поршня. Этим двигатели Стирлинга отличаются от других конструкций. В классической конструкции, называемой альфа-двигателем Стирлинга, имеются два одинаковых поршня и цилиндра. Между этими деталями движутся газовые заслонки, которые нагреваются и расширяются, затем охлаждаются и сжимаются до повторения цикла.

Конструкция, называемая «вытесняющей» (бета-двигатель Стирлинга), имеет поршень, которым перемещается газ между источником тепла и радиатором. В отличие от обычного поршня парового двигателя, «вытеснитель» устанавливается свободно внутри цилиндра, благодаря чему газ обтекает поршень в моменты движения вперёд и назад.

Концепция «вытеснителя»: 1 – зона расширения; 2 – поршень «вытеснитель»; 3 – нагреватель; 4, 5 – рабочий газ (обычно воздух); 6 – область сжатия; 7 – рабочий поршень; 8 – охладитель; 9 – балансирующая масса; 10 — регенератор

Имеется также рабочий поршень, плотно прилегающий к цилиндру, превращающий расширение газа в полезную работу. Более крупные конструкции двигателей Стирлинга содержат рабочий поршень, как правило, имеющий тяжёлый маховик. Маховик способствует быстрому набору оборотов и обеспечивает бесперебойный рабочий процесс.

Рабочий поршень и поршень «вытеснителя» постоянно движутся, но не совпадают по фазе (отклонение фазы на 90°) один с другим. Поршни, между тем, приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень «вытеснителя» всегда на четверть цикла (90°) опережает в движении рабочий поршень.

Конструкция теплообменника двигателя Стерлинга

Теплообменник (регенератор) располагается в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, часть тепла отбирается металлом теплообменника и удерживается.

По мере возвращения газа назад, тепло вновь отбирается. Без регенератора отбираемое тепло было бы потеряно в атмосфере, то есть — потрачено впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга имеют несколько теплообменников.

использовать

В Испании на солнечной плате в Альмерии двигатель Стирлинга установлен в фокусе параболического зеркала.

Двигатель Стирлинга имеет нишевые приложения в ситуациях, когда начальная стоимость системы не является серьезным недостатком по сравнению с преимуществами (военные, исследования, передовые приложения).

Основное коммерческое применение двигателя Стирлинга — промышленное и военное охлаждение. Он служит машиной для сжижения газов и охладителем для военных инфракрасных систем наведения.
Он используется в качестве генератора электроэнергии в Исландии , Японии и в экстремальных условиях, таких как австралийские и арктические пустыни, во многих научных и военных миссиях.
Он используется вместе со сферической параболой для выработки электричества из солнечной энергии . Эту систему обычно называют .
Он используется шведской морской ( подводной лодки из класса Готланд ), австралиец, и вскоре субмарины нападения США в качестве основного топливного агрегата не только из-за его бесшумности, что является решающим свойством для подводных лодок, но также из-за гораздо меньшего производства несгоревшего газа, необходимого для создания температурного градиента (разницы температур) для двигателя Стирлинга; действительно, подводная лодка может откачивать газы, только сжимая их до давления, по крайней мере равного давлению окружающей среды, требуя (и, следовательно, тратя впустую) немалую часть энергии, доступной на борту.
Этим двигателем также оснащены некоторые классы американских фрегатов , система охлаждения ядерных реакторов многих подводных лодок и авианосцев, а также дроны дальнего действия .
Благодаря своей емкости с гибким топливом он был успешно испытан в СССР на нескольких прототипах тяжелых танков, включая объект 167, прежде чем был оставлен по политическим, а также по экономическим причинам во время перехода к рыночной экономике с падением советского блока.
NASA использовать счет его для питания спутников и зондов пространства , проверить проект Красти .
Производитель материнских плат для персональных компьютеров MSI представил в начале 2008 года систему охлаждения, вентилятор которой приводится в движение двигателем Стирлинга, использующим в качестве источника тепла энергию, выделяемую чипом для охлаждения.
Большинство крупных производителей котлов предложили в 2009 году микрокогенерационную установку с двигателем Стирлинга. Этот тип котла размером с водонагреватель может не только нагревать воду для бытовых нужд (отопление, горячее водоснабжение ), но и производить электричество на месте.
Многие экземпляры используются в учебных целях на уроках физики, чтобы продемонстрировать принципы термодинамики . Некоторые работают с теплом Солнца, сконцентрированным по параболе, как модели, используемые в некоторых солнечных электростанциях, производящих электричество, другим для работы требуется только тепло кофейной чашки или ладони одной руки.

Двигатель стирлинга большой мощности своими руками

В поршневых стирлингах основное трение возникает в цилиндро-поршневых подвижных соединениях. Минимизируйте трение в подшипниках любым возможным способом.Чем оно ниже, тем выше снимаемый КПД и соответственно выше обороты двигателя

Качество подшипников очень важно для низкотемпературных Гамма-Стирлингов. В простейших моделях, как таковые, подшипники не используют

Просто делают в жестяных стойках отверстия по диаметру коленвала. На сам коленвал надевают несколько шайб, снимающих боковое трение маховика или фиксаторов бокового проскальзывания.Этот способ достаточно действенен. Но есть распространенная ошибка. Отверстия пробиваются шилом или гвоздем.Края выходят рваные и диаметр не всегда соответствует диаметру вала. Возникает небольшой люфт. Результат — снижение оборотов двигателя. В низкотемпературном, но оборотистом Гамма-Стирлинге люфт снижает обороты двигателя на 20-30%. К тому же люфты в подшипниках скверно влияют на балансировку. Эстетичность двигателя также страдает. Он работает со стуком и скрипом. В общем приятного мало.В отдельных случаях, если модель правильно отбалансирована и имеет низкое трение во всех узлах — наблюдается эффект самозапуска после подведения источника тепла. Выглядит очень эффектно! Стремитесь к такому качеству изготовления.______________

Регенератор или теплообменник — устройство экономии подводимой к Стирлингу энергии. Простейшй регенератор выполнены из стальной, реже медной проволоки-путанки или многослойной сетки. Смысл его работы в отборе части тепла у разогретого рабочего тела, проходящего через регенератор из горячей полости и последующей отдаче охлажденному рабочему телу, двигающемуся из рабочего цилиндра.В дальнейшем мы опубликуем упрощенные методы расчета регенератора для моделей Стирлингов. А пока, отметим, что экономичность Стирлинга. сопоставимая и превосходящая двигатели внутреннего сгорания в основном достигается за счет правильной конструкции регенератора.В моделировании регенераторы используют не часто. Для двигателей с малыми рабочими объемами размеры регенератора сопоставимы с размерами камер горячего и холодного цилиндров. В результате создаваемый дополнительно мертвый объем почти полностью «пожирает» прирост КПД. Единственным исключением может быть кольцевой щелевой регенератор примененный в конструкции двигателя Била. Этот вариант можно рекомендовать для использования в моделях высокотемпературных Стирлингов.В остальном — регенераторы для исследователя — «не паханное поле». Во всяком случае подробной информации в открытых источниках на сегодня очень мало. Регенератор — «ноу-хау» любого разработчика Стирлинг-машин. Так что — дерзайте!______________

Давление в системе.

На мощность двигателя весьма существенно влияет базовое давление рабочего тела в системе. Все зависит от правильного расчета и качественного исполнения двигателя. В любом случае прирост давления ведет к увеличению мощности. В некоторых моделях — увеличение давления в 2 раза дает такой же прирост мощности. Если все вышеперечисленные методы форсирования пройдены увеличивайте давление. В качестве компрессора подойдет автомобильный электронасос. В среднем он обеспечивает давление от 4 до 7 атмосфер (в зависимости от производителя). Для контроля давления все подобные автонасосы оснащены манометрами, что облегчает контроль и безопасность. В крайнем случае можно применить ручной насос, оснастив его ресивером и манометром.______________

Типы двигателя Стирлинга

Альфа стирлинг

Альфа Стирлинга содержит две отдельные силовые поршни, «горячий» поршень и «холодный» поршень. Горячий поршень расположен рядом с теплообменником с самой высокой температурой, а холодный поршень расположен рядом с самой низкой точкой температурного обмена.

Этот тип двигателя имеет очень высокое соотношение мощности к объему, но имеет технические проблемы, связанные (часто) с тем, что температура горячего поршня слишком высока для его уплотнений.

Щелкните миниатюру, чтобы увеличить ее.

Бета Стирлинга

Принцип ромбовидного бета-двигателя Стирлинга. Этот прибор оборудован регенератором .

Бета — Stirling также используют ограниченный объем газа между двумя поршнями. Эти два поршня сочетают в себе:

относительное движение при изменении объема газа;
обычное движение, которое перемещает этот объем из горячей части в холодную и наоборот.

Объемы по другую сторону поршней не работают. На иллюстрации вверху страницы мы видим коммуникационное отверстие одного из этих томов с внешним миром. Таким образом, оба поршня закрыты. Принцип бета-двигателя фактически приближается к принципу гамма-двигателя с той разницей, что две горячие и холодные зоны расположены в одном цилиндре. Преимущества — компактность и отсутствие аэродинамических потерь ; основной недостаток — теплопроводность.

Существуют коаксиально-поршневые двигатели Стирлинга, которые также квалифицируются как бета-двигатели, один из двух поршней которых не является водонепроницаемым: в этом случае он действует как вытеснитель, а объем, расположенный над вытеснителем, является функциональным. Таким образом, эти двигатели аналогичны гамма-двигателям, описанным ниже, но без мертвого пространства .

Гамма стирлинг

Двигатель Стирлинга гамма- типа работает от разницы температур окружающего воздуха и ладони.

Гамма Стирлинг является двигателем Стирлинга снабжена поршня силового и поршнем , действующим на своем собственном в качестве вытеснителя. Только поршень двигателя имеет систему уплотнения.

Вытеснитель последовательно занимает горячую зону и холодную зону, каждый раз направляя газ в противоположную зону. Изменения температуры, которым подвергается газ, вызывают изменения давления, которые приводят в движение поршень двигателя.

Поскольку объем, охватываемый буйком, не обязательно может быть захвачен силовым поршнем, он составляет мертвый объем. По этой причине двигатель Gamma не может достичь высоких степеней сжатия, что ограничивает возможности повышения эффективности. С другой стороны, его механическая простота делает эту систему широко используемой, в том числе и на многоцилиндровых двигателях.

Некоторые двигатели Gamma имеют герметичный вытеснитель: поэтому газ использует внешний контур для перехода из одной зоны в другую; тогда можно разместить регенератор на этой внешней цепи, увеличив эффективность.

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.

Читайте: Сигнализации StarLine – Схема-авто – поделки для авто своими руками

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%.

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%.

История

В начале XIX — го века паровые котлы взрываются довольно часто. Чтобы ответить на эту проблему, Роберт Стирлинг представляет двигатель без котла, который подвергается слишком высокому давлению, поэтому тепло отводится извне. Он обнаруживает, что для снабжения этого двигателя энергией достаточно нагреть окружающий воздух за счет сгорания, и именно так Стирлинг подает патент на27 сентября 1816 г.. Он также является изобретателем регенератора в трубопроводе двигателя, который позволяет избежать слишком больших потерь энергии и повысить его эффективность. Строго говоря, именно этот регенератор отличает двигатель Стирлинга от других аппаратов с горячим воздухом.

В 1843 г.Его брат Джеймс «промышленно разработал» этот двигатель для использования на заводе, где он был инженером. Однако из-за различных поломок и слишком низкой мощности по сравнению с паровым двигателем [ исх. желаемый] и двигатель внутреннего сгорания, двигатель горячего воздуха Стирлинга не достиг ожидаемого успеха. Таким образом, двигатель Стирлинга является объектом изучения только для физиков , которые понимают принцип действия двигателя Стирлинга спустя долгое время после его изобретения, с появлением термодинамики .

В 1871 г.Прогресс термодинамики , сделанных в в XIX — го века позволяют Густав Шмидт математически описать цикл Стирлинга.

Из 1878 г., Джон Эрикссон обращается к решению, использующему цикл Стирлинга со своим двигателем «горячего воздуха» ( двигатель Эрикссон ) с вытеснителем, и строит в сотрудничестве с DeLameter Iron Works, а затем с Rider-Ericsson Engine Company новый двигатель. Этот двигатель тоже будет иметь успех, он будет производиться в США до начала Первой мировой войны. Из всех разработанных двигателей цикла Стирлинга это наиболее распространенная версия, хотя и редкая, потому что ей 100 лет; их можно увидеть в продаже у дилеров, специализирующихся на старых двигателях.

В 1889 г.американская компания Rider-Ericsson Engine Company выпускает свой первый гидравлический насос с «горячим воздухом»; он будет производить его до начала 1900 года и будет экспортировать по всему миру.

Фотографии двигателя Стирлинга Philips MP1002CA.

Однако только после исследования голландской компании Philips в 1930-х годах двигатель Стирлинга снова был серьезно изучен, и его применение во всех видах технологий было проверено. В 1938 году там был разработан двигатель Стирлинга мощностью более 200 л.с. и КПД более 30% (сопоставимый с современными бензиновыми двигателями) [ см. желаемый] . Однако эта технология применима только в криогенике .

В году Philips выпустила свой генератор мощностью 180 Вт : MP1002CA, созданный на основе двигателя Стирлинга.

Лишь в последние десятилетия разработки двигателей снова начинают интересовать промышленность из-за растущей потребности в альтернативных источниках энергии. Фактически, двигатель Стирлинга может работать на любом источнике энергии, производящем тепло: солнечной энергии , геотермальной энергии , ядерной энергии , отходящем тепле заводов и т. Д. С экологической точки зрения это тем более интересно, поскольку регенератор, поскольку он предварительно нагревает и охлаждает газ, позволяет «рециркулировать» энергию. Таким образом, достижения в области материаловедения теперь позволяют использовать материалы, которые выдерживают очень большие перепады температур, и композиты, улучшающие теплопередачу внутри регенератора.

Поперечный разрез двигателя Стирлинга бета-типа. Горячий источник на розовой стороне, холодный источник на серой стороне, поршневой поршень зеленого цвета, поршень двигателя синего цвета (говорят, что этот двигатель имеет «ромбический привод», то есть имеет форму деформируемого алмаза).

Ситуация такова, что двигатели Стирлинга в сочетании с гигантскими солнечными антеннами используют солнечную энергию с более высокой эффективностью, чем фотоэлектрические элементы , но по высокой цене. В 2008 году был побит рекорд преобразования солнечной энергии с коэффициентом преобразования 31,25% благодаря использованию параболических зеркал в качестве концентраторов солнечной энергии.

Сегодня двигатель Стирлинга является предметом многочисленных экспериментов как любителей, так и компаний, специализирующихся в области энергетики, или НАСА ( проект KRUSTY ).

Достоинства и недостатки

Чтобы оценить перспективы применения «стирлинга» на автомобилях, проанализируем его достоинства и недостатки. Начнем с одного из важнейших для теплового двигателя параметров, так называемого теоретического КПД Для «стирлинга» он определяется следующей формулой:

η = 1 — Тх/Тг

где η — КПД, Тх — температура «холодного» объема и Тг — температура «горячего» объема. Количественно этот параметр у «стирлинга» — 0,50. Это значительно больше, чем у самых лучших газовых турбин, бензиновых и дизельных двигателей, у которых теоретический КПД соответственно равен 0,28; 0,30; 0,40. Как двигатель внешнего сгорания. стирлинг» может работать на различных топливах: бензине, керосине, дизельном, газообразном и даже на твердом. Такие характеристики топлива, как цетановое и октановое числа, зольность, температура выкипания при горении вне цилиндра двигателя, для «стирлинга» не имеют значения. Чтобы он работал на разных топливах, не требуется больших переделок — достаточно лишь заменить горелку. Двигатель внешнего сгорания, в котором горение протекает стабильно с постоянным коэффициентом избытка воздуха, равным 1.3. выделяет значительно меньше, чем двигатель внутреннего сгорания, окиси углерода, углеводородов и окислов азота. Малая шумность «стирлинга» объясняется низкой степенью сжатия (от 1,3 до 1,5). Давление в цилиндре повышается плавно, а не взрывом, как в бензиновом или дизельном двигателе. Отсутствие колебаний столба газов в выпускном тракте определяет бесшумность выхлопа, что подтверждено испытаниями двигателя, разработанного фирмой «Филлипс» совместно с фирмой Ford для автобуса. «Стирлинг» отличается малым расходом масла и высокой износостойкостью благодаря отсутствию в цилиндре активных веществ и относительно низкой температуре рабочего газа, а надежность его выше, чем у известных нам двигателей внутреннего сгорания, так как в нем нет и сложного газораспределительного механизма

Важное преимущество «стирлинга» как автомобильного двигателя — повышенная приспособляемость к изменениям нагрузки. Она, например, на 50 процентов выше, чем у карбюраторного мотора, за счет чего можно уменьшить число ступеней в коробке передач

Однако совсем отказаться от сцепления и коробки передач, как в паровом автомобиле, нельзя. Но почему же двигатель с такими очевидными достоинствами до сих пор не нашел практического применения? Причина проста — у него немало еще неустраненных недостатков. Главнейшие среди них — большая сложность в управлении и регулировке. Существуют и другие «рифы», которые не так просто обойти и конструкторам и производственникам.— в частности, поршням нужны очень эффективные уплотнения, которые должны выдерживать высокое давление (до 200 кГ/см2) и препятствовать попаданию масла в рабочую полость. Во всяком случае, 25-летняя работа фирмы «Филлипс» по доводке своего двигателя пока не смогла сделать его пригодным для массового применения на автомобилях. Немаловажное значение имеет характерная особенность «стирлинга» — необходимость отводить с охлаждающей водой большое количество тепла. В двигателях внутреннего сгорания значительная часть тепла выбрасывается в атмосферу вместе с отработавшими газами. В «стерлинге» же в выхлоп уходит только 9 процентов тепла, получаемого при сгорании топлива. Если в бензиновом двигателе внутреннего сгорания с охлаждающей водой отводится от 20 до 25 процентов тепла, то в «стирлинге» — до 50 процентов. Это значит, что автомобиль с таким двигателем должен иметь радиатор примерно в 2—2.5 раза больше, чем у аналогичного бензинового мотора. Недостатком «стирлинга» является и его высокий удельный вес по сравнению с распространенным ДВС. Еще довольно существенный минус — трудность повышения быстроходности: уже при 3600 об/мин значительно возрастают гидравлические потери и ухудшается теплообмен. И наконец. «стирлинг» уступает обычному двигателю внутреннего сгорания в приемистости. Работы по созданию и доводке автомобильных «стирлингов», в том числе для легковых машин, продолжаются. Можно считать, что в настоящее время принципиальные вопросы решены. Однако еще много дел по доводке. Применением легких сплавов можно понизить удельный вес двигателя, но он все равно будет выше. чем у мотора внутреннего сгорания, из-за более высокого давления рабочего газа. Вероятно, двигатель внешнего сгорания найдет применение в первую очередь на грузовых автомобилях, особенно военных — благодаря своей нетребовательности к топливу.