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.

Цикл работы двигателя Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу. Поскольку теоретические объяснения удел ученых мужей, слушать их временами утомительно, поэтому перейдем к наглядной демонстрации работы двигателя Стерлинга.

Как работает двигатель Стирлинга
1.Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх.
2.Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.
3.Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.
4.Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90 градусов относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0 градусов машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не вырабатывает её.

Еще одним изобретением Стирлинга, увеличившим КПД двигателя стал регенератор, который представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой для улучшения теплоотдачи проходящего газа (на рисунке регенератор заменен ребрами радиатора охлаждения).

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %.

Достоинства двигателя Стирлинга:

1. Всеядность. Можно использовать любое топливо, главное создать разницу температур.
2. Низкая шумность. Поскольку работа построена на перепаде давления рабочей жидкости, а не на поджоге смеси, то шумность по сравнению с двигателем внутреннего сгорания существенно ниже.
3. Простота конструкции, отсюда высокий запас прочности.

Однако все эти достоинства в большинстве случаев перечеркиваются двумя большими недостатками:

1. Большие габариты. Рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массы и размеров за счёт увеличенных радиаторов.
2. Низкий КПД. Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников, соответственно потери КПД велики.

С развитием двигателя внутреннего сгорания двигатель Стирлинга ушел...нет не в прошлое, а в тень. Он с успехом эксплуатируется в качестве вспомогательных силовых установок на подводных лодках, в тепловых насосах на теплоэлектростанциях, в качестве преобразователей солнечной и геотермальной энергии в электрическую, с ним связаны космические проекты по созданию силовых установок работающих на радиоизотопном топливе (радиоактивный распад происходит с выделением температуры, кто не знал).Кто знает, возможно однажды двигатель Стирлинга ждет большое будущее!

Несмотря на свои высокие показатели, современный двигатель внутреннего сгорания начинает устаревать. Его к. п. д. достиг, пожалуй, своего предела. Шум, вибрация, отравляющие воздух газы и другие присущие ему недостатки заставляют ученых искать новые решения, пересматривать возможности давно «забытых» циклов. Одним из «возрожденных» двигателей является стирлинг.

Еще в 1816 г. шотландский священник и ученый Роберт Стирлинг запатентовал двигатель, в котором топливо и воздух, поступающие в зону горения, никогда не попадают внутрь цилиндра. Они, сгорая, лишь нагревают находящийся в нем рабочий газ. Это и дало основание назвать изобретение Стирлинга двигателем внешнего сгорания.

Роберт Стирлинг построил несколько двигателей; последний из них имел мощность 45 л. с. и проработал на шахте в Англии более трех лет (до 1847 г.). Эти двигатели были очень тяжелыми, занимали много места и внешне напоминали паровые машины.

Для мореплавания двигатели внешнего сгорания впервые были применены в 1851 г. шведом Джоном Эриксоном. Построенное им судно «Эриксон» благополучно пересекло Атлантический океан из Америки в Англию с силовой установкой, состоявшей из четырех двигателей внешнего сгорания. В век паровых машин это было сенсацией. Однако силовая установка Эриксона развивала всего 300 л. с., а не 1000, как ожидалось. Двигатели имели огромные размеры (диаметр цилиндра 4,2 м, ход поршня 1,8 м). Расход угля получился не меньше, чем у паровых машин. Когда судно пришло в Англию, оказалось, что двигатели не пригодны для дальнейшей эксплуатации, так как у них прогорели днища цилиндров. Чтобы вернуться в Америку, пришлось заменить двигатели обычной паровой машиной. На обратном пути судно попало в аварию и затонуло со всем экипажем.

Маломощные двигатели внешнего сгорания в конце прошлого века применялись в домах для перекачивания воды, в типографиях, на промышленных предприятиях, в том числе на петербургском заводе Нобеля (ныне «Русский дизель»), Устанавливались они и на мелких судах. Стирлинги выпускались во многих странах, в том числе в России, где они назывались «тепло и сила». Ценили их за бесшумность и безопасность работы, чем они выгодно отличались от паровых машин.

С развитием двигателей внутреннего сгорания о стирлингах забыли. В энциклопедическом словаре Брокгауэа и Эфрона о них написано следующее: «Безопасность от взрывов составляет главную выгодную сторону калорических машин, благодаря которой они могут опять войти в употребление, если найдут для их построения и смазки новые материалы, лучше выдерживающие высокую температуру».

Дело заключалось, однако, не только в отсутствии соответствующих материалов. Еще оставались неизвестными современные принципы термодинамики, в частности эквивалентность тепла и работы, без чего невозможно было определить наивыгоднейшие соотношения основных элементов двигателя. Теплообменники делали с малой поверхностью, из-за чего двигатели работали при непомерно высоких температурах и быстро выходили из строя.

Попытки усовершенствовать Стирлинг были предприняты после второй мировой войны. Наиболее существенные из них заключались в том, что рабочий газ стали применять сжатым до 100 атм и использовать не воздух, а водород, имеющий более высокий коэффициент теплопроводности, низкую вязкость и, кроме того, не окисляющий смазки.

Устройство двигателя внешнего сгорания в его современном виде схематически показано на рис. 1. В закрытом с одной стороны цилиндре находятся два поршня. Верхний - поршень-в ы тесните ль служит для ускорения процесса периодического нагрева и охлаждения рабочего газа. Он представляет собой полый закрытый цилиндр из нержавеющей стали, плохо проводящий тепло, и перемещается под действием штока, связанного с кривошипно-шатунным механизмом.

Нижний поршень - рабочий (на рисунке показан в сечении). Он передает усилие на кривошипно-шатунный механизм через полый шток, внутри которого проходит шток вытеснителя. Рабочий поршень снабжен уплотняющими кольцами.

Под рабочим поршнем имеется буферная емкость, образующая подушку, выполняющую функцию маховика - сглаживать неравномерность крутящего момента благодаря отбору части энергии во время рабочего хода и отдаче ее на вал двигателя во время хода сжатия. Для изоляции объема цилиндра от окружающего пространства служат уплотнения типа «заворачивающийся чулок». Это резиновые трубки, прикрепленные одним концом к штоку, а другим к корпусу.

Верхняя часть цилиндра соприкасается с подогревателем, а нижняя - с холодильником. Соответственно в нем выделяются «горячий» и «холодный» объемы, свободно сообщающиеся между собой посредством трубопровода, в котором находится регенератор (теплообменник). Регенератор заполнен путанкой из проволоки малого диаметра (0,2 мм) и обладает высокой теплоемкостью (например, к. п. д. регенераторов фирмы Филипе превышает 95%).

Рабочий процесс двигателя Стирлинга может быть осуществлен и без вытеснителя, на основе применения золотникового распределителя рабочего заряда.

В нижней части двигателя расположен кривошипно-шатунный механизм, служащий для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала. Особенностью этого механизма является наличие двух коленчатых валов, соединенных двумя шестернями со спиральными зубьями, вращающимися навстречу друг другу. Шток вытеснителя связан с коленчатыми валами посредством нижнего коромысла и прицепных шатунов. Шток рабочего поршня соединяется с коленчатыми валами через верхнее коромысло и прицепные шатуны. Система одинаковых шатунов образует подвижный деформируемый ромб, откуда и название этой передачи - ромбическая. Ромбическая передача обеспечивает необходимый сдвиг фаз при движении поршней. Она полностью уравновешена, в ней не возникают боковые усилия на штоки поршней.

В пространстве, ограниченном, рабочим поршнем, находится рабочий газ - водород или гелий. Полный объем газа в цилиндре не зависит от положения вытеснителя. Изменения объема, связанные со сжатием и расширением рабочего газа, происходят за счет перемещения рабочего поршня.

При работе двигателя верхняя часть цилиндра постоянно нагревается, например, от камеры сгорания, в которую впрыскивается жидкое топливо. Нижняя часть цилиндра постоянно охлаждается, например, холодной водой, прокачиваемой через водяную рубашку, окружающую цилиндр. Замкнутый цикл Стирлинга состоит из четырех тактов, изображенных на рис. 2.

Такт I - охлаждение . Рабочий поршень находится в крайнем нижнем положении, вытеснитель движется вверх. При этом рабочий газ перетекает из «горячего» объема над вытеснителем в «холодный» объем под ним. Проходя по пути через регенератор, рабочий газ отдает ему часть своего тепла, а затем охлаждается в «холодном» объеме.

Такт II - сжатие . Вытеснитель остается в верхнем положении, рабочий поршень движется вверх, сжимая рабочий газ при низкой температуре.

Такт III - нагревание . Рабочий поршень находится в верхнем положении, вытеснитель движется вниз. При этом сжатый холодный рабочий газ устремляется из-под вытеснителя в освобождающееся пространство над ним. По дороге рабочий газ проходит через регенератор, где предварительно подогревается, попадает в «горячую» полость цилиндра и нагревается еще сильнее.

Такт IV - расширение (рабочий ход) . Нагреваясь, рабочий газ расширяется, передвигая при этом вытеснитель и вместе с ним рабочий поршень вниз. Совершается полезная работа.

Стирлинг имеет замкнутый цилиндр. На рис. 3, а показана диаграмма теоретического цикла (диаграмма V - Р). По оси абсцисс отложены объемы цилиндра, по оси ординат - давления в цилиндре. Первый такт является изотермическим I-II, второй происходит при постоянном объеме II-III, третий - изотермический III-IV, четвертый - при постоянном объеме IV-I. Так как давление во время расширения горячего газа (III-IV) больше давления во время сжатия холодного газа (I-II), то работа расширения больше работы сжатия. Полезную работу цикла можно графически изобразить в виде криволинейного четырехугольника I-II-III-IV.

В действительном процессе поршень и вытеснитель движутся непрерывно, так как они связаны с кривошипно-шатунным механизмом, поэтому диаграмма действительного цикла скруглена (рис. 3, б).

Теоретический к. п. д. двигателя стирлинга составляет 70%. Исследования показали, что на практике можно получить к. п. д., равный 50%. Это значительно больше, чем у самых лучших газовых турбин (28%), бензиновых двигателей (30%) и дизелей (40%).

Стирлинг может работать на бензине, керосине, дизельном, газообразном и даже твердом топливе. По сравнению с другими двигателями, он имеет более мягкий и почти бесшумный ход. Объясняется это низкой степенью сжатия (1,3÷1,5), к тому же давление в цилиндре повышается плавно, а не взрывом. Продукты сгорания также выпускаются без Шума, так как сгорание происходит постоянно. В них сравнительно немного токсичных составляющих, потому что горение топлива происходит непрерывно и при постоянном избытке кислорода (α=1,3).

Стирлинг с ромбической передачей полностью уравновешен, в нем не возникает вибраций. Это качество, в частности, было учтено американскими инженерами, установившими одноцилиндровый стирлинг на искусственном спутнике Земли, где даже небольшая вибрация и неуравновешенность могут привести к потере ориентации.

Одним из проблемных вопросов остается охлаждение. В стирлинге с выпускными газами отводится только 9% тепла, получаемого от топлива, поэтому, например, при установке его на автомобиле пришлось бы делать радиатор примерно в 2,5 раза больше, чем при использовании бензинового двигателя той же мощности. Задача решается проще на судовых установках, где эффективное охлаждение обеспечивается неограниченным количеством забортной воды.

На рис. 4 показан разрез двухцилиндрового катерного двигателя Филипс мощностью 115 л. с. при 3000 об/мин с горизонтальным расположением цилиндров. Общий рабочий объем каждого цилиндра 263 см 3 . Поршни, расположенные оппозитно, соединены с двумя траверсами, что позволило полностью уравновесить газовые силы и обойтись без буферных объемов. Подогреватель выполнен из трубок, окружающих камеру сгорания, по которым проходит рабочий газ. Охладителем служит трубчатый холодильник, через который прокачивается забортная вода. Двигатель имеет два коленчатых вала, соединенных с гребным валом посредством червячных передач. Высота двигателя всего 500 мм, что позволяет установить его под настилом и таким образом уменьшить размеры машинного отсека.

Мощность стирлинга регулируется в основном изменением давления рабочего газа. Одновременно, чтобы поддерживать температуру подогревателя постоянной, регулируется и подача топлива. Для двигателя внешнего сгорания пригодны практически любые источники тепла. Важно, что он может превращать в полезную работу низкотемпературную энергию, на что не способны двигатели внутреннего сгорания. Из кривой на рис. 5 видно, что при температуре подогревателя всего 350° С к. п. д. стирлинга еще равен ≈ 20%.

Стирлинг экономичен - удельный расход топлива у него составляет всего 150 г/л. с. час. В энергетической установке «двигатель стирлинг- аккумулятор тепла», использующейся на американских спутниках Земли, тепловым аккумулятором служит гидрит лития, который поглощает тепло в период «освещения» и Отдает его стирлингу, когда спутник находится на теневой стороне Земли. На спутнике двигатель служит для привода генератора мощностью 3 квт при 2400 об/мин.

Создан опытный мотороллер со Стирлингом и аккумулятором тепла. Использование аккумулятора тепла и стирлинга на подводной лодке позволяет ей в несколько раз дольше идти в погруженном положении.

Литература

• 1. Смирнов Г. В. Двигатели внешнего сгорания. «Знание», М., 1967.
• 2. Dr. Ir. R. I. Meijer. Der Philips - Stirlingmotor, MTZ, N 7, 1968.
• 3. Curtis Anthony. Hot air and the wind of change. The Stirling engine and its revival. Motor (Engl.), 1969, (135), N 3488.

Двигатель Стирлинга, принцип работы которого качественно отличается от привычного для всех ДВС, когда-то составлял последнему достойную конкуренцию. Однако на какое-то время о нем забыли. Как этот мотор используется сегодня, в чем заключается принцип его действия (в статье можно найти также чертежи двигателя Стирлинга, наглядно демонстрирующие его работу), и каковы перспективы применения в будущем, читайте ниже.

История

В 1816 году в Шотландии Робертом Стирлингом была запатентована названная сегодня в честь своего изобретателя. Первые двигатели горячего воздуха были изобретены еще до него. Но Стирлинг добавил в устройство очиститель, который в технической литературе называется регенератором, или теплообменником. Благодаря ему производительность мотора возрастала при удерживании агрегата в тепле.

Двигатель признали наиболее прочной паровой машиной из имеющихся на тот момент, так как он никогда не взрывался. До него на других моторах такая проблема возникала часто. Несмотря на быстрый успех, в начале двадцатого столетия от его развития отказались, так как он стал менее экономичным, по сравнению с появившимися тогда другими двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями. Однако Стирлинг еще продолжал применяться в некоторых производствах.

Двигатель внешнего сгорания

Принцип работы всех тепловых моторов заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии необходимы большие механические усилия, чем при сжатии холодного. Для наглядной демонстрации этого можно провести опыт с двумя кастрюлями, наполненными холодной и горячей водой, а также бутылкой. Последнюю опускают в холодную воду, затыкают пробкой, затем переносят в горячую. При этом газ в бутылке начнет выполнять механическую работу и вытолкнет пробку. Первый двигатель внешнего сгорания основывался на этом процессе полностью. Правда, позже изобретатель понял, что часть тепла можно применять для подогрева. Таким образом, производительность значительно возросла. Но даже это не помогло двигателю стать распространенным.

Позже Эриксон, инженер из Швеции, усовершенствовал конструкцию, предложив охлаждать и нагревать газ при постоянном давлении вместо объема. В результате немало экземпляров стало использоваться для работы в шахтах, на судах и в типографиях. Но для экипажей они оказались слишком тяжелыми.

Двигатели внешнего сгорания от Philips

Подобные моторы бывают следующих типов:

• паровой;
• паротурбинный;
• Стирлинга.

Последний вид не стали развивать из-за небольшой надежности и остальных не самых высоких показателей по сравнению с появившимися другими типами агрегатов. Однако в 1938 году компания Philips возобновила работу. Двигатели стали служить для приводов генераторов в неэлектрофицированных районах. В 1945 году инженеры компании нашли им обратное применение: если вал раскручивать электромотором, то охлаждение головки цилиндров доходит до минус ста девяносто градусов по Цельсию. Тогда решено было применять в холодильных установках усовершенствованный двигатель Стирлинга.

Принцип работы

Действие мотора заключается в работе по термодинамическим циклам, в которых при разной температуре происходит сжатие и расширение. При этом регулирование потоком рабочего тела реализуется за счет изменяющегося объема (или давления - в зависимости от модели). Таков принцип работы большинства подобных машин, которые могут иметь разные функции и конструктивные схемы. Двигатели могут быть поршневыми или роторными. Машины с их установками работают в качестве тепловых насосов, холодильников, генераторов давления и так далее.

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.

Двигатель Стирлинга принцип работы имеет такой же: при низкой температуре происходит сжатие, а при высокой - расширение. Но по-разному осуществляется нагрев: тепло подводится через стенку цилиндра извне. Поэтому он и получил название двигателя внешнего сгорания. Стирлинг применял периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Последний перемещает газ с одной полости цилиндра в другую. С одной стороны, температура постоянно низкая, а с другой - высокая. При передвижении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость, а вниз - возвращается в горячую. Сначала газ отдает много тепла холодильнику, а затем от нагревателя получает столько же, сколько отдал. Между нагревателем и холодильником размещается регенератор - полость, наполненная материалом, которому газ отдает тепло. При обратном течении регенератор возвращает его.

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 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.

Детали работы

Солнце, электричество, ядерная энергия или любой другой источник тепла может подводить энергию в двигатель Стирлинга. Принцип работы его тела заключается в применении гелия, водорода или воздуха. Идеальный цикл обладает термическим максимально возможным КПД, равным от тридцати до сорока процентов. Но с эффективным регенератором он сможет работать и с более высоким КПД. Регенерацию, нагрев и охлаждение обеспечивают встроенные теплообменники, работающие без масел. Следует отметить, что смазки двигателю нужно очень мало. Среднее давление в цилиндре составляет обычно от 10 до 20 МПа. Поэтому здесь требуется отличная уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Сравнительная характеристика

В большинстве работающих сегодня двигателей подобного рода используется жидкое топливо. При этом непрерывное давление легко контролировать, что способствует снижению уровня выбросов. Отсутствие клапанов обеспечивает бесшумную работу. Мощность с массой сопоставимы моторам с турбонаддувом, а удельная мощность, получаемая на выходе, равна показателю дизельного агрегата. Скорость и крутящий момент не зависят друг от друга.

Затраты на производство двигателя гораздо выше, чем на ДВС. Но при эксплуатации получается обратный показатель.

Преимущества

Любая модель двигателя Стирлинга имеет много плюсов:

• КПД при современном проектировании может доходить до семидесяти процентов.
• В двигателе нет системы высоковольтного зажигания, распределительного вала и клапанов. Его не нужно будет регулировать в течение всего срока эксплуатации.
• В Стирлингах нет того взрыва, как в ДВС, который сильно нагружает коленвал, подшипники и шатуны.
• В них не бывает того эффекта, когда говорят, что «двигатель заглох».
• Благодаря простоте прибора его можно эксплуатировать в течение длительного времени.
• Он может работать как на дровах, так и с ядерным и любым другим видом топлива.
• Сгорание происходит вне мотора.

Недостатки

Применение

В настоящее время двигатель Стирлинга с генератором используют во многих областях. Это универсальный источник электрической энергии в холодильниках, насосах, на подводных лодках и солнечных электрических станциях. Именно благодаря применению различного вида топлива имеется возможность его широкого использования.

Возрождение

Эти двигатели снова стали развиваться благодаря компании Philips. В середине двадцатого века с ней заключила договор General Motors. Она вела разработки для применения Стирлингов в космических и подводных устройствах, на судах и автомобилях. Вслед за ними другая компания из Швеции, United Stirling, стала заниматься их развитием, включая и возможное использование на

Сегодня линейный двигатель Стирлинга применяется на установках подводных, космических и солнечных аппаратов. Большой интерес к нему вызван из-за актуальности вопросов ухудшения экологической обстановки, а также борьбы с шумом. В Канаде и США, Германии и Франции, а также Японии идут активные поиски по развитию и совершенствованию его использования.

Будущее

Явные преимущества, которые имеет поршневой и Стирлинга, заключающиеся в большом ресурсе работы, применении разного топлива, бесшумности и малой токсичности, делают его очень перспективным на фоне мотора внутреннего сгорания. Однако с учетом того, что ДВС на протяжении всего времени совершенствовали, он не может быть легко смещен. Так или иначе, именно такой двигатель сегодня занимает лидирующие позиции, и сдавать их в ближайшее время не намерен.

Современное автомобилестроение вышло на такой уровень развития, при котором без фундаментальных научных исследований практически невозможно достигнуть кардинальных улучшений в конструкции традиционных моторов внутреннего сгорания. Такая ситуация вынуждает конструкторов обратить внимание на альтернативные проекты силовых установок . Одни инженерные центры сосредоточили свои силы на создании и адаптации к серийному выпуску гибридных и электрических моделей, другие автоконцерны вкладывают средства в разработку двигателей на топливе из возобновляемых источников (например, биодизель на рапсовом масле). Существуют и другие проекты силовых агрегатов, которые в перспективе могут стать новым стандартным движителем для транспортных средств.

Среди возможных источников механической энергии для автомобилей будущего следует назвать двигатель внешнего сгорания, который был изобретен в середине XIX века шотландцем Робертом Стирлингом в качестве тепловой расширительной машины.

Схема работы

Двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу за счет изменения температуры рабочего тела (газа или жидкости), циркулирующего в замкнутом объеме.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга.

Стирлинг модификации «Альфа»

Двигатель состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Стирлинг модификации «Бета»

Цилиндр, в котором находится поршень, нагревается с одной стороны и охлаждается с противоположного конца. В цилиндре двигается силовой поршень и вытеснитель, предназначенный для изменения объема рабочего газа. Обратное перемещение остывшего рабочего вещества в горячую полость двигателя выполняет регенератор.

Стирлинг модификации «Гамма»

Конструкция состоит из двух цилиндров. Первый - полностью холодный, в котором движется силовой поршень, а второй, горячий с одной стороны и холодный с другой, служит для перемещения вытеснителя. Регенератор для циркуляции холодного газа может быть общим для обоих цилиндров или входить в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя Стирлинга

Как и большинство моторов внешнего сгорания, Стирлингу присуща многотопливность : двигатель работает от перепада температуры, независимо от причин его вызвавших.

Интересный факт! Однажды была продемонстрирована установка, которая функционировала на двадцати вариантах топлива. Без остановки двигателя во внешнюю камеру сгорания подавались бензин, дизельное топливо, метан, сырая нефть и растительное масло - силовой агрегат продолжал устойчиво работать.

Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач).

Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы.

Двигатель Стирлинга бесшумен , так как в цилиндрах не происходит детонация и отсутствует необходимость вывода отработанных газов. Модификация «Бета», оснащенная ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, является идеально сбалансированной системой, которая в процессе работы не имеет вибраций.

В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. При выборе подходящего источника тепла (например, солнечная энергия) Стирлинг может быть абсолютно экологически чистым силовым агрегатом.

Недостатки конструкции Стирлинга

При всем наборе положительных свойств немедленное массовое применение двигателей Стирлинга невозможно по следующим причинам:

Основная проблема заключается в материалоемкости конструкции. Охлаждение рабочего тела требует наличия радиаторов большого объема, что существенно увеличивает размеры и металлоемкость изготовления установки.

Нынешний технологический уровень позволит двигателю Стирлинга сравниться по характеристикам с современными бензиновыми моторами только за счет применения сложных видов рабочего тела (гелий или водород), находящихся под давлением более ста атмосфер. Этот факт вызывает серьезные вопросы как в области материаловедения, так и обеспечения безопасности пользователей.

Немаловажная эксплуатационная проблема связана с вопросами теплопроводности и температурной стойкости металлов. Тепло подводится к рабочему объему через теплообменники, что приводит к неизбежным потерям. Кроме того, теплообменник должен быть изготовлен из термостойких металлов, устойчивых к высокому давлению. Подходящие материалы очень дороги и сложны в обработке.

Принципы изменения режимов двигателя Стирлинга также кардинально отличаются от традиционных, что требует разработки специальных управляющих устройств. Так, для изменения мощности необходимо изменить давление в цилиндрах, угол фаз между вытеснителем и силовым поршнем или повлиять на емкость полости с рабочим телом.

Один из способов управления скоростью вращения вала на модели двигателя Стирлинга можно увидеть на следующем видео:

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.

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%.

Примечание! Современные бензиновые двигатели аналогичной мощности обладают коэффициентом полезного действия на уровне 28-30%, а турбированные дизели в пределах 32-35%.

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%.

Примеры успешной реализации автомобильных Стирлингов

Несмотря на все сложности, известно немало работоспособных моделей двигателя Стирлинга, применимых для автомобилестроения.

Заинтересованность в Стирлинге, подходящем для установки в автомобиль, появилась в 50-е годы XX века. Работу в данном направлении вели такие концерны, как Ford Motor Company, Volkswagen Group и другие.

Компания UNITED STIRLING (Швеция) разработала Стирлинг, в котором максимально использовались серийные узлы и агрегаты, выпускаемые автопроизводителями (коленчатый вал, шатуны). Получившийся в результате четырехцилиндровый V-образный мотор обладал удельной массой 2,4 кг/кВт, что сравнимо с характеристиками компактного дизеля. Данный агрегат был успешно опробован в качестве силовой установки семитонного грузового фургона.

Одним из успешных образцов является четырехцилиндровый двигатель Стирлинга нидерландского производства модели «Philips 4-125DA», предназначавшийся для установки на легковой автомобиль. Мотор имел рабочую мощность 173 л. с. в размерах, аналогичных классическому бензиновому агрегату.

Значительных результатов добились инженеры компании General Motors, построив в 70-х годах восьмицилиндровый (4 рабочих и 4 компрессионных цилиндра) V-образный двигатель Стирлинга со стандартным кривошипно-шатунным механизмом.

Аналогичной силовой установкой в1972 году оснащалась ограниченная серия автомобилей Ford Torino , расход топлива у которой снизился на 25% по сравнению с классической бензиновой V-образной восьмеркой.

В настоящее время более полусотни зарубежных компаний ведут работы по совершенствованию конструкции двигателя Стирлинга в целях его адаптации к массовому выпуску для нужд автомобилестроения. И если удастся устранить недостатки данного типа двигателей, в то же время сохранив его преимущества, то именно Стирлинг, а не турбины и электромоторы, придет на смену бензиновым ДВС.

Обострение глобальных проблем, требующих срочного решения (истощение природных ресурсов, загрязнение окружающей среды и т. д.), привело в конце XX века к необходимости принятия ряда международных и российских законодательных актов в области экологии, природопользования и энергосбережения. Основные требования этих законов направлены на сокращение выбросов СО2, ресурсо- и энергосбережение, перевод автотранспорта на экологически чистые моторные топлива и т.д.

Одним из перспективных путей решения этих задач является разработка и широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе двигателей (машин) Стирлинга. Принцип работы таких двигателей был предложен в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом. Это машины, работающие по замкнутому термодинамическому циклу, в котором циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема.

Двигатель Стирлинга является уникальной тепловой машиной, поскольку его теоретическая мощность равна максимальной мощности тепловых машин (цикла Карно). Он работает за счет теплового расширения газа, за которым следует сжатие газа при его охлаждении. Двигатель содержит некоторый постоянный объем рабочего газа, который перемещается между «холодной» частью (обычно имеющей температуру окружающей среды) и «горячей» частью, которая нагревается за счет сжигания различного топлива или за счет других источников теплоты. Нагрев производится снаружи, поэтому двигатель Стирлинга относят к двигателям внешнего сгорания (ДВПТ). Поскольку, по сравнению с ДВС, в двигателях Стирлинга процесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает равновесно, рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двигателя, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура и при отсутствии газораспределительного механизма клапанов.

Необходимо отметить, что за рубежом уже начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых превосходят ДВС и газотурбинные установки (ГТУ). Так, двигатели Стирлинга фирм «Philips», «STM Inc.», «Daimler Benz», «Solo», «United Stirling» мощностью от 5 до 1200 кВт имеют к.п.д. более 42%, рабочий ресурс более 40 тыс. часов и удельную массу от 1,2 до 3,8 кг/кВт.

В мировых обзорах по энергопреобразующей технике двигатель Стирлинга рассматривается как наиболее перспективный в XXI веке. Низкий уровень шума, малая токсичность отработанных газов, возможность работы на различных топливах, большой ресурс, хорошие характеристики крутящего момента - все это делает двигатели Стирлинга более конкурентоспособными в сравнении с ДВС.

Где могут применяться двигатели Стирлинга?

Автономные энергетические установки с двигателями Стирлинга (стирлинг-генераторы) могут найти применение в регионах России, где нет запасов традиционных энергоносителей – нефти и газа. В качестве топлива можно использовать торф, древесину, сланцы, биогаз, уголь, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности. Соответственно, исчезает проблема с энергообеспечением многих регионов.

Такие энергетические установки экологически чисты, так как концентрация вредных веществ в продуктах сгорания почти на два порядка ниже, чем у дизельных электростанций. Поэтому стирлинг-генераторы можно устанавливать в непосредственной близости от потребителя, что позволит избавиться от потерь на передачу электроэнергии. Генератор мощностью 100 кВт может обеспечить электроэнергией и теплом любой населенный пункт с населением более 30-40 человек.

Автономные энергетические установки с двигателями Стирлинга найдут широкое применение и в нефтегазовой промышленности РФ при освоении новых месторождений (особенно в условиях Крайнего Севера и шельфа арктических морей, где нужна серьезная энерговооруженность разведочных, буровых, сварочных и других работ). В качестве топлива здесь можно использовать неочищенный природный газ, попутный нефтяной газ и газовый конденсат.

Сейчас в РФ ежегодно пропадает до 10 млрд. куб. м попутного газа. Собирать его сложно и дорого, использовать в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания нельзя из-за постоянно меняющегося фракционного состава. Чтобы газ не загрязнял атмосферу, он попросту сжигается. В то же время его использование в качестве моторного топлива даст существенный экономический эффект.

Энергоустановки мощностью 3-5 кВт целесообразно использовать в системах автоматизации, связи и катодной защиты на магистральных газопроводах. А более мощные (от 100 до 1000 кВт) - для электро- и теплоснабжения больших вахтовых поселков газовиков и нефтяников. Установки свыше 1 тыс. кВт могут применяться на наземных и морских буровых объектах нефтегазовой промышленности.

Проблемы создания новых двигателей

Двигатель, предложенный самим Робертом Стирлингом, имел значительные массо-габаритные характеристики и низкий к.п.д. Из-за сложности процессов в таком двигателе, связанных с непрерывным движением поршней, первый упрощенный математический аппарат был разработан только в 1871 году пражским профессором Г. Шмидтом. Предложенный им метод расчета основывался на идеальной модели цикла Стирлинга и позволял создавать двигатели с к.п.д. до 15%. Лишь к 1953 году голландской фирмой «Филипс» были созданы первые высокоэффективные двигатели Стирлинга, превосходящие по характеристикам двигатели внутреннего сгорания.

В России попытки создания отечественных двигателей Стирлинга предпринимались неоднократно, однако успеха не имели. Есть несколько основных проблем, сдерживающих их разработку и широкое применение.

Прежде всего это создание адекватной математической модели проектируемой машины Стирлинга и соответствующего метода расчета. Сложность расчета определяется сложностью реализации термодинамического цикла Стирлинга в реальных машинах, обусловленной нестационарностью тепломассового обмена во внутреннем контуре - вследствие непрерывного движения поршней.

Отсутствие адекватных математических моделей и методов расчета - главная причина неудач ряда зарубежных и отечественных предприятий в разработке как двигателей, так и холодильных машин Стирлинга. Без точного математического моделирования доводка проектируемых машин превращается в многолетние изнурительные экспериментальные исследования.

Еще одна проблема заключается в создании конструкций отдельных узлов, сложностях с уплотнениями, регулированием мощности и т.д. Трудности конструктивного исполнения обусловлены применяемыми рабочими телами, в качестве которых используется гелий, азот, водород и воздух. Гелий, например, обладает сверхтекучестью, что диктует повышенные требования к уплотняющим элементам рабочих поршней, и т. д.

Третья проблема - высокий уровень технологии производства, необходимость применения жаростойких сплавов и металлов, новых методов их сварки и пайки.

Отдельный вопрос - изготовление регенератора и насадки для него для обеспечения, с одной стороны, высокой теплоемкости, а с другой - низкого гидравлического сопротивления.

Отечественные разработки машин Стирлинга

В настоящее время в России накоплен достаточный научный потенциал для создания высокоэффективных двигателей Стирлинга. Значительные результаты были достигнуты в ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии». Специалистами были проведены теоретико-экспериментальные исследования для разработки новых методов расчета высокоэффективных двигателей Стирлинга. Основные направления работ связаны с применением двигателей Стирлинга в когенерационных установках и системах использования теплоты отработанных газов, например в мини-ТЭЦ. В результате были созданы методики разработки и опытные образцы двигателей мощностью 3 кВт.

Особое внимание в ходе исследований уделялось проработке отдельных узлов машин Стирлинга и их конструктивного исполнения, а также созданию новых принципиальных схем установок различного функционального назначения. Предлагаемые технические решения с учетом того, что машины Стирлинга менее дороги в эксплуатации, позволяют повысить экономическую эффективность применения новых двигателей по сравнению с традиционными преобразователями энергии.

Производство двигателей Стирлинга является экономически целесообразным с учетом практически неограниченного спроса на экологически чистое и высокоэффективное энергетическое оборудование как в России, так и за рубежом. Однако без участия и поддержки государства и крупного бизнеса проблема их серийного производства не может быть решена в полном объеме.

Как помочь производству двигателей Стирлинга в России?

Очевидно, что инновационная деятельность (особенно освоение базисных инноваций) - сложный и рискованный вид хозяйственной деятельности. Поэтому она должна опираться на механизм государственной поддержки, особенно «на старте», с последующим переходом на обычные рыночные условия.

Механизм создания в России крупномасштабного производства машин Стирлинга и энергопреобразующих систем на их основе мог бы включать:
- прямое долевое бюджетное финансирование инновационных проектов по машинам Стирлинга;
- косвенные меры поддержки за счет освобождения продукции, выпускаемой по стирлинг-проектам, от НДС и других налогов федерального и регионального уровней в течение первых двух лет, а также предоставление налогового кредита по такой продукции на последующие 2-3 года (учитывая, что издержки освоения принципиально новой продукции нецелесообразно включать в ее цену, т.е. в расходы производителя или потребителя);
- исключение из налогооблагаемой базы по налогу на прибыль вклада предприятия в финансирование стирлинг-проектов.

В дальнейшем, на этапе устойчивого продвижения энергетического оборудования на основе машин Стирлинга на внутреннем и внешнем рынках, восполнение капиталов для расширения производства, технического переоснащения и поддержки очередных проектов по производству новых типов оборудования может осуществляться за счет прибыли и продажи акций успешно освоенного производства, кредитных ресурсов коммерческих банков, а также привлечения иностранных инвестиций.

Можно предположить, что благодаря наличию технологической базы и накопленного научного потенциала в проектировании машин Стирлинга, при разумной финансовой и технической политике Россия может уже в ближайшем будущем стать мировым лидером в области производства новых экологически чистых и высокоэффективных двигателей.