Двигун зовнішнього згорання: види, принцип роботи, особливості

Двигуни зовнішнього згоряння стали використовуватися тоді, коли людям потрібен був потужний і економічний джерело енергії. До цього використовувалися парові установки, однак вони були вибухонебезпечними, так як використовували гарячий пар під тиском. На початку 19 століття на зміну їм прийшли пристрої з зовнішнім згорянням, а ще через кілька десятків років були винайдені вже звичні прилади з внутрішнім згорянням.

Походження пристроїв

У 19 столітті людство зіткнулося з проблемою, яка полягала в тому, що парові котли занадто часто вибухали, а також мали серйозні конструктивні недоліки, що робило їх використання небажаним. Вихід був знайдений у 1816 році шотландським священиком Робертом Стирлингом. Ці пристрої можна також називати "двигуни гарячого повітря", які застосовувалися ще в 17 столітті, однак цей чоловік додав до винаходу очищувач, що називається в даний час регенератором. Таким чином, двигун зовнішнього згоряння Стірлінга був здатний сильно підвищити продуктивність установки, так як він зберігав тепло в теплій робочій зоні, в той час як робоче тіло охолоджувалося. З-за цього ефективність роботи всієї системи була значно збільшена.


У той час винахід використовувалося досить широко і перебувала на підйомі своєю популярністю, проте з часом його перестали використовувати, і про нього забули. На зміну обладнання зовнішнього згоряння прийшли парові установки та двигуни, але вже звичні, з внутрішнім згорянням. Знову про них згадали лише в 20 столітті.

Робота установки

Принцип роботи двигуна зовнішнього згоряння полягає в тому, що в ньому постійно чергуються два етапи: нагрівання і охолодження робочого тіла в замкненому просторі і отримання енергії. Дана енергія виникає з-за того, що постійно змінюється об'єм робочого тіла. Найчастіше робочою речовиною в таких пристроях стає повітря, однак можливе використання ще й гелію або водню. У той час поки винахід перебувало на стадії розробки, як дослідів використовувались такі речовини, як двоокис азоту, фреони, скраплений пропан-бутан. У деяких зразках намагалися застосовувати навіть звичайну воду. Варто відзначити, що двигун зовнішнього згоряння, який запускали з водою в якості робочої речовини, відрізнявся тим, що у нього була досить висока питома потужність, високий тиск, а сам він був досить компактним.

Перший тип двигуна. «Альфа»

Першою моделлю, яка використовувалася, стала «Альфа» Стірлінга. Особливість його конструкції полягає в тому, що вона має два силових поршня, що знаходяться в різних в окремих циліндрах. Один з них мав досить високу температуру і був гарячим, інший, навпаки, холодним. Усередині теплообмінника з високою температурою розташовувалася гаряча пара циліндр-поршень. Холодна пара перебувала всередині теплообмінника з низькою температурою. Основними перевагами теплового двигуна зовнішнього згоряння стало те, що вони мали високу потужність і об'єм. Однак температура гарячої пари при цьому була занадто велика. Через це виникали деякі технічні труднощі в процесі виготовлення таких винаходів. Регенератор даного пристрою знаходиться між гарячою і холодною з'єднувальними трубками.

Другий зразок. «Бета»

Другим зразком стала модель «Бета» Стірлінга. Основне конструктивна відмінність полягала в тому, що мався лише один циліндр. Один з його кінців виконував роль гарячої пари, а інший кінець залишався холодним. Всередині даного циліндра поршень переміщався, з якого можна знімати потужність. Також всередині був витискувач, який відповідав за зміну обсягу гарячої робочої зони. В даному обладнанні використовувався газ, який перекачувався з холодної зони в гарячу через регенератор. Цей вид двигуна зовнішнього згоряння володів регенератором в вигляді зовнішнього теплообмінника або ж поєднувався з поршнем-витискувачем.

Остання модель. «Гамма»

Останнім різновидом даного двигуна стала «Гамма» Стірлінга. Цей тип відрізнявся не тільки наявністю поршня, а також витискувача, а ще й тим, що в його конструкцію входили вже два циліндра. Як і в першому випадку один з них був холодним і використовувався він для відбору потужності. А ось другий циліндр, як в попередньому випадку, був холодним з одного кінця і гарячим з іншого. Тут же переміщався витискувач. У поршневому двигуні зовнішнього згоряння також був регенератор, який міг бути двох типів. В першому випадку він був зовнішнім і з'єднував між собою такі конструктивні частини, як гарячу зону циліндра з холодною, а також з першим циліндром. Другий тип – це внутрішній регенератор. Якщо використовувався цей варіант, то він входив в конструкцію витискувача. Використання Стирлингов обґрунтовано в тому випадку, якщо необхідний простий і невеликий перетворювач теплової енергії. Також його можна використовувати у тому випадку, якщо різниця температур недостатньо велика, щоб використовувати газові або ж парові турбіни. Варто зазначити, що на сьогоднішній день такі зразки стали використовуватися частіше. Приміром, використовуються автономні моделі для туристів, які здатні працювати від газової конфорки.

Застосування пристроїв в даний час

Здавалося б, що таке старе винахід не може використовуватися в наші дні, проте це не так. NASA замовило двигун зовнішнього згоряння типу Стірлінга, проте в якості робочої речовини повинні використовуватися ядерні та радіоізотопні джерела тепла. Крім цього, він також успішно може бути використаний в наступних цілях:

Використовувати таку модель двигуна для перекачування рідини набагато простіше, ніж звичайний насос. Багато в чому це завдяки тому, що в якості поршня можна застосовувати саму рідину, що перекачується. Крім того, вона ж і буде охолоджувати робоче тіло. Наприклад, такий вид "насоса" можна використовувати, щоб накачувати воду в іригаційні канали, використовуючи для цього сонячне тепло.

Деякі виробники холодильників схиляються до встановлення таких пристроїв. Вартість продукції вдасться знизити, а в якості теплоносія можна застосовувати звичайний повітря.

Якщо поєднати двигун зовнішнього згоряння цього типу з тепловим насосом, то можна оптимізувати роботу теплової мережі в будинку.

Досить успішно Стирлинги використовуються на підводних човнах ВМС Швеції. Справа в тому, що двигун працює на рідкому кисні, який згодом використовується для дихання. Для підводного човна це дуже важливо. До того ж таке обладнання володіє досить низьким рівнем шуму. Звичайно, агрегат досить великий і потребує охолодження, але саме ці два чинники несуттєві, якщо мова йде про підводному човні.

Переваги використання двигуна

Якщо під час конструювання і складання застосувати сучасні методи, то вдасться підняти коефіцієнт корисної дії двигуна зовнішнього згоряння до 70%. Використання таких зразків супроводжується наступними позитивними якостями:

Дивно, однак крутний момент в такому винаході практично не залежить від швидкості обертання колінчастого валу.

У цьому силовому агрегаті відсутні такі елементи, як система запалювання і клапанна система. Також тут відсутній распредвал.

Досить зручно те, що протягом всього періоду використання не потрібно проводити регулювання і налаштування обладнання.

Дані моделі двигуна не здатні "заглохнути". Найпростіша конструкція апарата дозволяє використовувати його досить тривалий час в повністю автономному режимі.

В якості джерела енергії можна використовувати практично все, починаючи від дров і закінчуючи урановим паливом.

Природно, що в двигуні зовнішнього згоряння процес спалювання речовин здійснюється зовні. Це сприяє тому, що паливо допалюється в повному обсязі, а кількість токсичних викидів мінімізується.

Недоліки

Природно, що будь-який винахід не позбавлене недоліків. Якщо говорити про мінуси таких двигунів, то вони полягають у наступному:

Із-за того що згоряння здійснюється поза двигуна, відведення одержуваного тепла відбувається через стінки радіатора. Це змушує збільшувати габарити пристрою.

Матеріаломісткість. Для того щоб створити компактну і ефективну модель двигуна Стірлінга, необхідно мати якісну жароміцний сталь, яка зможе витримати великий тиск і високу температуру. Крім того, повинна бути низька теплопровідність.

В якості мастила доведеться купувати спеціальний засіб, так як звичайне коксуется при високих температурах, які досягаються в двигуні.

Для отримання досить високої питомої потужності доведеться використовувати або водень або гелій в якості робочої речовини.

Водень і гелій в якості палива

Отримання високої потужності, звичайно ж, необхідно, проте потрібно розуміти, що використання водню або гелію досить небезпечно. Водень, наприклад, сам по собі досить вибухонебезпечний, а при високих температурах він створює сполуки, які називаються металлогидритами. Це відбувається, коли водень розчиняється в металі. Іншими словами, він здатний зруйнувати циліндр зсередини.
Крім того, водень і гелій – це леткі речовини, які характеризуються високою проникаючою здатністю. Якщо говорити простіше, то вони досить легко просочуються крізь практично будь-які ущільнення. А втрати речовини означають втрати в робочому тиску.

Роторний двигун зовнішнього згоряння

Серце такої машини – це роторна машина розширення. Для двигунів із зовнішнім типом згоряння цей елемент представлений у вигляді порожнього циліндра, який з обох сторін прикритий кришками. Сам по собі ротор має вигляд колеса, який посаджено на вал. Також у нього є певна кількість П-подібних висуваються пластин. Для їх висунення використовується спеціальний висувний пристрій.

Двигун зовнішнього згоряння Лук'янова

Юрій Лук'янов – це науковий співробітник Псковського політехнічного інституту. Він вже достатньо давно займається розробкою нових моделей двигунів. Вчений намагався зробити так, щоб у нових моделях відсутні такі елементи, як коробка передач, распредвал і вихлопна труба. Основний недолік пристроїв Стірлінга полягав у тому, що вони мали дуже великі габарити. Саме цей недолік вченому вдалося усунути за рахунок того, що лопаті були замінені на поршні. Це допомогло зменшити розмір всієї конструкції в кілька разів. Деякі говорять про те, що можна зробити двигун зовнішнього згоряння своїми руками.