Двигун Стірлінга – принцип роботи. Низькотемпературний двигун Стірлінга (фото)

Двигун Стірлінга, принцип роботи якого якісно відрізняється від звичного для всіх ДВС, колись складав останньому гідну конкуренцію. Проте на якийсь час про нього забули. Як цей мотор використовується сьогодні, в чому полягає принцип його дії (в статті можна знайти також креслення двигуна Стірлінга, що наочно демонструють його роботу), і які перспективи застосування в майбутньому, читайте нижче.

Історія

В 1816 році в Шотландії Робертом Стирлингом була запатентована теплова машина, названа сьогодні в честь свого винахідника. Перші двигуни гарячого повітря були винайдені ще до нього. Але Стірлінг додав пристрій очищувач, який в технічній літературі називається регенератором, або теплообмінником. Завдяки йому продуктивність мотора зростала при утриманні агрегату в теплі.


Двигун визнали найбільш міцною паровою машиною з наявних на той момент, так як він ніколи не вибухав. До нього на інших моторах така проблема виникала часто. Незважаючи на швидкий успіх, на початку двадцятого сторіччя від його розвитку відмовилися, так як він став менш економічним, порівняно з появою тоді іншими двигунами внутрішнього згоряння і електродвигунами. Однак Стірлінг ще продовжував застосовуватися у деяких виробництвах.

Двигун зовнішнього згоряння

Принцип роботи всіх теплових двигунів полягає в тому, що для отримання газу в розширеному стані необхідні великі механічні зусилля, ніж при стисканні холодного. Для наочної демонстрації цього можна провести дослід з двома каструлями, наповненими холодною і гарячою водою, а також пляшкою. Останню опускають у холодну воду, закривають пробкою, потім переносять в гарячу. При цьому газ в пляшці почне виконувати механічну роботу і виштовхне пробку. Перший двигун зовнішнього згоряння ґрунтувався на цьому процесі повністю. Правда, пізніше винахідник зрозумів, що частину тепла можна застосовувати для підігрівання. Таким чином, продуктивність значно зросла. Але навіть це не допомогло двигуну стати поширеним.


Пізніше Еріксон, інженер з Швеції, удосконалив конструкцію, запропонувавши охолоджувати і нагрівати газ при постійному тиску замість обсягу. В результаті чимало примірників стало використовуватися для роботи в шахтах, на судах і в друкарнях. Але для екіпажів вони виявилися надто тяжкими.

Двигуни зовнішнього згоряння від Philips

Подібні мотори бувають наступних типів:

паровий;

паротурбінний;

Стірлінга.

Останній вид не стали розвивати через невеликий надійності і інших не найвищих показників в порівнянні з появою іншими типами агрегатів. Проте в 1938 році компанія Philips відновила роботу. Двигуни стали служити для приводів генераторів в неэлектрофицированных районах. У 1945 році інженери компанії знайшли їм зворотне застосування: якщо вал розкручувати електромотором, то охолодження головки циліндрів доходить до мінус сто дев'яносто градусів за Цельсієм. Тоді вирішено було застосовувати в холодильних установках вдосконалений двигун Стірлінга.

Принцип роботи

Дія мотора полягає в роботі з термодинамічними циклами, в яких при різній температурі відбувається стиснення і розширення. При цьому регулювання потоку робочого тіла реалізується за рахунок мінливого обсягу (або тиску – в залежності від моделі). Такий принцип роботи більшості подібних машин, які можуть мати різні функції і конструктивні схеми. Двигуни можуть бути поршневими або роторними. Машини з їх установками працюють в якості теплових насосів, холодильників, генераторів тиску і так далі.
Крім цього, є мотори з відкритим циклом, де регулювання потоком реалізується за допомогою клапанів. Саме їх називають двигунами Еріксона, крім загальної назви імені Стірлінга. В ДВС корисна робота здійснюється після попереднього стиснення повітря, упорскування палива, нагріву отриманої суміші упереміш зі згоранням і розширення. Двигун Стірлінга принцип роботи має такий же: при низькій температурі відбувається стиснення, а при високій – розширення. Але по-різному здійснюється нагрівання: тепло підводиться через стінку циліндра ззовні. Тому він і отримав назву двигуна зовнішнього згоряння. Стірлінг застосовував періодична зміна температури з вытеснительным поршнем. Останній переміщує газ з однієї порожнини циліндра в іншу. З одного боку, температура постійно низька, а з іншого – висока. При переміщенні поршня вгору газ переміщується з гарячою в холодну порожнину, а вниз – повертається в гарячу. Спочатку газ віддає багато тепла холодильника, а потім від нагрівача отримує стільки ж, скільки віддав. Між нагрівачем і холодильником розміщується регенератор – порожнина, наповнена матеріалом, якому газ віддає тепло. При зворотному перебігу регенератор повертає його. Система витискувача з'єднана з робочим поршнем, стискає газ в холоді і дозволяє розширюватися в теплі. За рахунок стиснення в більш низькій температурі відбувається корисна робота. Вся система проходить чотири циклу при переривчастих рухах. Кривошипно-шатунний механізм при цьому забезпечує безперервність. Тому різких кордонів між стадіями циклу не спостерігається, а ККД двигуна Стірлінга не зменшується.
Враховуючи все вищесказане, напрошується висновок, що цей двигун є поршневий машиною із зовнішнім підведенням тепла, де робоче тіло не покидає замкнутий простір і не замінюється. Креслення двигуна Стірлінга добре ілюструють пристрій і принцип його дії.

Деталі роботи

Сонце, електрика, ядерна енергія або будь-який інший джерело тепла може підводити енергію в двигун Стірлінга. Принцип роботи його тіла полягає в застосуванні гелію, водню або повітря. Ідеальний цикл має термічним максимально можливим ККД, рівним від тридцяти до сорока відсотків. Але з ефективним регенератором він зможе працювати і з більш високим ККД. Регенерацію, нагрівання та охолодження забезпечують вбудовані теплообмінники, які працюють без масел. Слід зазначити, що змащення двигуна потрібно дуже мало. Середній тиск у циліндрі становить зазвичай від 10 до 20 МПа. Тому тут потрібна відмінна ущільнювальна система і можливість попадання масла в робочі порожнини.

Порівняльна характеристика

У більшості працюючих сьогодні двигунів такого роду використовується рідке паливо. При цьому безперервне тиск легко контролювати, що сприяє зниженню рівня викидів. Відсутність клапанів забезпечує безшумну роботу. Потужність з масою порівнянні двигунів з турбонаддувом, а питома потужність, що отримується на виході, дорівнює показнику дизельного агрегату. Швидкість і крутний момент не залежать один від одного. Витрати на виробництво двигуна набагато вище, ніж на ДВС. Але при експлуатації виходить зворотний показник.

Переваги

Будь-яка модель двигуна Стірлінга має багато плюсів:

ККД при сучасному проектуванні може доходити до сімдесяти відсотків.

У двигуні немає системи високовольтного запалювання, розподільного вала та клапанів. Його не потрібно буде регулювати протягом усього терміну експлуатації.

У Стирлингах немає того вибуху, як у ДВС, який сильно навантажує колінвал, підшипники і шатуни.

У них не буває того ефекту, коли кажуть, що «двигун заглох».

Завдяки простоті приладу, його можна експлуатувати протягом тривалого часу.

Він може працювати як на дровах, так і з ядерним і будь-яким іншим видом палива.

Згоряння відбувається поза мотора.

Недоліки

Головним мінусом конструкції є її матеріаломісткість.

Робоче тіло потрібно охолоджувати, з-за чого габарити істотно збільшуються.

Для отримання рівних з ДВС характеристик необхідно використовувати високий тиск.

До робочого тіла тепло підводять через стінки теплообмінників, у яких обмежена теплопровідність.

Щоб змінити потужність двигуна, змінюють об'єм буферної ємності, середній тиск робочого тіла, фазного кута між витискувачем і поршнем.

Застосування

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

Відродження

Ці двигуни знову стали розвиватися завдяки компанії Philips. У середині двадцятого століття з нею уклала договір General Motors. Вона вела розробки для застосування Стирлингов в космічних і підводних пристроях, на судах і автомобілях. Слідом за ними інша компанія з Швеції, United Stirling, стала займатися їх розвитком, включаючи можливе використання на легкових автомобілях. Сьогодні лінійний двигун Стірлінга застосовується на установках підводних, космічних та сонячних апаратів. Великий інтерес до неї викликаний через актуальності питань погіршення екологічної обстановки, а також боротьби з шумом. В Канаді і США, Німеччини і Франції, а також Японії йдуть активні пошуки щодо розвитку і вдосконалення його використання.

Майбутнє

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