Что такое регенератор в двигателе стирлинга

Что такое регенератор в двигателе стирлинга

ДВИГАТЕЛЬ ШОТЛАНДСКОГО ПАСТОРА

В предыдущем номере мы начали рассказ о двигателе Стирлинга и принципе его работы. Сейчас расскажем о конструктивном решении отдельных элементов этого оригинального двигателя.

Все разработанные на сегодня конструкции двигателя Стирлинга можно подразделить на три модификации:

Первоначально двигатель Стирлинга был создан по схеме с расширением и сжатием в одном и том же цилиндре
(-модификация). На этом двигателе эффективный к.п.д. удалось довести до 39 %.

Для получения полезной работы необходимо, чтобы изменение объема горячей полости опережало по фазе изменение объема холодной полости на угол (см. в «Двигателе» № 2 — 2005). Существуют различные механизмы, обеспечивающие необходимый закон движения поршня и вытеснителя.

Для небольших двигателей Стирлинга фирма «Филипс» предложила механизм, состоящий из двух одинаковых кривошипов и шатунов, симметрично расположенных относительно центральной оси двигателя. Кривошипы вращаются в разных направлениях и соединяются друг с другом с помощью зубчатых колес.

Поршень и вытеснитель совершают движения, близкие к гармоническим колебаниям. Значения амплитуд движения поршня и вытеснителя, величина фазы между их колебаниями в ромбическом приводе могут варьироваться в широком диапазоне путем смещения оси вращения коленчатых валов, а также изменением отношения радиуса кривошипа к длине шатуна.

Поскольку для двигателя Стирлинга не требуется никаких клапанов, а боковые нагрузки на поршень отсутствуют, появляется возможность хорошо сбалансировать механизм ромбического привода. Незначительность вибраций, низкий уровень шума, высокий к.п.д., минимальная масса и способность работать в условиях космического полета сделали двигатель Стирлинга весьма перспективным для применения в качестве преобразователя тепловой энергии Солнца в механическую энергию с последующим преобразованием последней в электрическую энергию на космическом аппарате. Для исследования такой возможности был разработан и изготовлен двигатель мощностью 5 кВт.

В этом двигателе также использовался ромбический привод с двумя коленчатыми валами и двумя шатунами, симметрично расположенными относительно вертикальной оси двигателя. Точное соблюдение всех размеров, точное измерение масс и центров тяжести каждой детали, а также тщательная регулировка обеспечили полную балансировку. Каждый коленчатый вал был нагружен на свой генератор, одновременно играющий роль маховика. Существенным являлось то, что генераторы имели противоположные направления вращения. Это позволило решить две задачи. Во-первых, исключить неуравновешенность, которая характерна для системы, имеющей вращающиеся части с переменной скоростью вращения. И, во-вторых, противоположное вращение генераторов уравновешивало все гироскопические пары сил.

На одном из экспериментальных двигателей с гибким соединением генераторов к двигателю был зафиксирован уровень вибрации с амплитудой менее 0,0038 мм.

Поскольку в двигателе Стирлинга используется внешний подвод тепла, здесь могут быть использованы различные источники тепловой энергии. Если двигатель имеет универсальную камеру сгорания и универсальный подогреватель, то нагревание рабочего тела может быть осуществлено с использованием различных видов жидких и газообразных топлив. Двигатель даже можно переключать с одного топлива на другое при любой нагрузке без существенного изменения его мощности и эффективного к.п.д. Двигатель с такими возможностями всегда был мечтой военных; именно поэтому в требованиях на разработку новых двигателей для боевых машин есть пункт о многотопливности двигателя.

В связи с тем, что для работы двигателя требуется внешний источник тепла, оказалось, что им может быть тепловой аккумулятор, в котором тепло запасается подобно электрической энергии, например, в свинцово-кислотном или серебряно-цинковом аккумуляторе. В тепловом аккумуляторе тепло можно «запасать», например, в окиси алюминия Al2O3 или фтористом литии LiF. Фтористый литий — химически стабильная соль с точкой плавления 848 °С. Один килограмм этой соли способен передать двигателю 720 кДж тепла при охлаждении от температуры, несколько большей 848 °С, до 450 °С.

Сравнение различных систем аккумуляции энергии свидетельствует о том, что система «двигатель Стирлинга — тепловой аккумулятор» является самой эффективной и превосходит по удельной мощности свинцово-кислотный аккумулятор в 8…10 раз. Если удастся разработать двигатель Стирлинга с большим ресурсом, то очень заманчиво в качестве источника тепла использовать атомную энергию. Причем тепло можно получать не только от высокотемпературных реакторов, подобных тем, которые установлены на АЭС, но и от радиоизотопных источников. В последнем случае становится осуществимой установка с двигателем Стирлинга малой мощности в пределах 0,5…10 кВт. Это особенно актуально сейчас в связи с созданием устройств в миниатюрном и микроминиатюрном исполнении, а также в связи с разработкой микроспутников. Миниатюрный источник энергии можно будет установить на объекты, работа которых будет осуществляться в местах, где отсутствует или очень слабое солнечное излучение (дальний космос, шахты и большие океанские глубины).

Как известно, сгорание топлива в камере, ограниченной горячими стенками, происходит практически полностью. Это подтверждается низким значением уровня несгоревших углеводородов CH. Причина кроется в том, что воздух в камеру сгорания можно подавать в таком количестве, которое необходимо для полного сжигания углеводородов. Непосредственно в камере сгорания установлены форсунки, обеспечивающие мелкодисперсный распыл топлива, который при высокой температуре в камере мгновенно превращается в газ. В результате сгорание происходит намного эффективнее. При таком сгорании не образуется сажа, особенно характерная для дизельных двигателей. Удивительно, но несмотря на то, что в камере сгорания температура достигает 2000 °С, окислов азота образуется меньше, чем в отработавших газах автомобильного двигателя, где средняя температура в камере сгорания значительно ниже.

Думается, что использование новых топлив, таких как диметиловый эфир, позволит сделать двигатель Стирлинга еще экологичнее.

Максимальная частота вращения вала двигателя зависит в значительной степени от конструкции нагревателя. Если посмотреть на двигатель Эриксона (см. рис. 2, «Двигатель» № 2 — 2005), то можно увидеть, что воздух в нем нагревался от греющей стенки, и для повышения эффективности при таком способе нагрева приходилось увеличивать площадь этих стенок (при диаметре рабочего поршня 4,2 м (!) площадь нагревающей стенки составляла почти 14 м2). В двигателе Стирлинга нагрев рабочего газа осуществляется в нагревателе с использованием трубок. Трубки располагаются вертикально, один конец трубки соединен с горячей полостью вытеснителя, а второй присоединен к кольцевому коллектору, к которому своей верхней частью присоединена трубка. Эта трубка опускается вниз и соединяется с регенератором. В нижней части трубки установлены радиаторы, предназначенные для максимального поглощения тепла от потока газов из камеры сгорания. Трубки чередуются друг с другом и размещаются вокруг камеры сгорания.

После того, как горячие газы отдадут часть тепла трубкам нагревателя, они поступают в подогреватель воздуха, поступающего в камеру сгорания.

Регенератор представляет собой ряд небольших цилиндрических камер, кольцеобразно охватывающих рабочий цилиндр. В каждый цилиндр входят по три трубки: сверху трубки нагревателя, а снизу трубки холодильника.

Трубчатая секция каждого холодильника имеет скользящую посадку в его корпусе с тем, чтобы иметь возможность компенсировать осевое термическое расширение цилиндра (состоящего из трех частей) вместе с трубками, а также компенсировать расширение корпусов регенератора.

Вытеснитель состоит из двух частей: нижней части корпуса и верхней, термически изолированной части. К размещению корпуса вытеснителя в цилиндре предъявляются такие же требования, как и к обычному поршню. Между цилиндрической поверхностью его верхней части и стенкой цилиндра необходимо иметь небольшой зазор, который не допускал бы их соприкосновения даже при нагреве этой части вытеснителя. Под поршнем находится буферная полость.

В двигателе Стирлинга, как и в любом другом двигателе, имеющем подвижные части, требуется смазывать трущиеся поверхности деталей. В этом отношении особых проблем нет, за исключением того, что масло не должно попадать в рабочую полость. Как только там окажется масло, то под воздействием высокой температуры оно будет закоксовываться. Это приведет к ухудшению теплопередачи, повышению трения подвижных частей и другим неприятностям. Решение указанной проблемы возможно путем применения новых материалов, из которых изготавливаются сальники, или путем использования уплотнений более совершенной конструкции. Одним из таких уплотнений является диафрагменное уплотнение, или как его еще называют, «катящаяся мембрана». Оно конструктивно полностью обеспечивает герметичность. Осталось только найти материал, из которого можно сделать такую мембрану. Возможно, таким материалом станет резина на основе фторопластов. Проведенные испытания на одноцилиндровом двигателе мощностью 90 л.с. при частоте вращения вала 1500 мин-1, свидетельствуют о том, что этот материал выдержал 3200 ч (свыше четырех месяцев) непрерывной работы. Фторопластовая резина выдержала воздействие рабочего газа (водорода), находящегося под средним давлением 110 атм, а также большие и резкие перепады давления газа, высокие рабочие температуры и воздействие масла.

Еще одной проблемой, с которой столкнулись конструкторы, стало регулирование выходной мощности двигателя. Известно, что в наибольшей степени только давление рабочего тела влияет на этот параметр двигателя Стирлинга. Для практического использования данного метода регулирования важно было найти техническое решение, причем такое, при котором изменение мощности было бы таким же быстрым, как и у бензинового двигателя (водители знают, насколько важна приемистость двигателя для быстрого разгона машины). В двигателе Стирлинга может быть достигнута необходимая приемистость путем подачи рабочего газа из отдельного баллона, в котором газ находится под давлением порядка 300 атм. Переход от средней мощности к максимальной может произойти за 0,2 с. Сложнее обратный процесс — уменьшение мощности, ведь для этого надо уменьшить давление газа в рабочей полости. Быстро откачать его трудно. Сбрасывать гелий или водород в атмосферу нерационально. Выход был найден в использовании байпасной системы, т.е. специальной емкости, давление в которой намного меньше, чем в рабочем цилиндре. При необходимости быстрого снижения мощности двигателя открывался клапан, и часть газа стравливалась в соответствующую емкость. Для экономии водорода или гелия газ из байпасной системы за несколько десятков секунд (время здесь не играет существенной роли) маломощным компрессором перекачивался обратно в баллон.
Разумеется, на сегодняшний день стоимость двигателя Стирлинга выше, чем бензинового. Но это не является единственным фактором, который определяет применимость двигателя. Если учесть, что в борьбе за экологию приходится идти на установку в современных автомобильных двигателях все более сложных и, соответственно, более дорогих систем, в том числе и совсем не дешевых нейтрализаторов вредных выбросов (в которых в качестве катализатора используется платина), то становится очевидным, что у двигателя Стирлинга есть хорошие перспективы. Особенно в свете последних тенденций ужесточения требований по вредным выбросам и уровню создаваемого шума.

К принципиальным возможностям удешевления двигателя можно отнести его крупносерийное производство. Существенного снижения стоимости двигателя можно добиться путем уменьшения удельного веса или, что то же самое, увеличением удельной мощности.

В первые годы после изобретения ромбического привода (1953 г.) все усилия были направлены на создание надежного двигателя с высоким к.п.д. Удельная масса двигателя Стирлинга в те годы составляла порядка 5 кг/л.с. и была сравнима с удельной массой лодочных моторов.

Существуют три главных направления повышения удельной мощности: увеличение давления рабочего газа в двигателе, наращивание частоты вращения вала и совершенствование конструкции. К сожалению, повышать давление до бесконечности нельзя. Даже при комнатных температурах у всех материалов существует предел прочности, а при повышении температуры до 750 °С (температура нагревателя, при которой к.п.д. двигателя составляет порядка 35 %) прочность резко снижается.
Известно, что с ростом частоты вращения вала растет и удельная мощность двигателя, но падает к.п.д. Использование вместо воздуха гелия, а еще лучше водорода, позволяет достичь значительного увеличения удельной мощности и при этом сохранить к.п.д. Проблема утечки водорода через горячие стенки нагревателя решается путем периодической подкачки водорода. Для наземных транспортных систем проделать такую операцию не составит труда. А вот выгода от применения водорода в качестве рабочего тела большая: удельная масса снижается на 30 %.

Наибольший интерес к двигателям Стирлинга наблюдался в последней четверти прошлого века. Тогда почти всеми ведущими компаниями — производителями автомобилей проводились широкомасштабные исследования, связанные с оценкой возможности замены двигателей внутреннего сгорания двигателем Стирлинга. Был проделан большой объем научно-исследовательских работ по этим двигателям. Были разработаны и испытаны различные конструкции двигателя: одноцилиндровые и многоцилиндровые вытеснительного типа с обычным кривошипно-шатунным и ромбическим механизмом, многоцилиндровые двойного действия с наклонной шайбой, свободно-поршневые с различными приводами. Фирма «Даймлер Бенц» получила патент на схему роторного двигателя, работающего по циклу Стирлинга.

Но, несмотря на то, что были созданы двигатели мощностью от 6 до 900 л.с., имеющие эффективный к.п.д. от 26 до 43 %, и малые двигатели мощностью 0,014…0,4 л.с. с к.п.д. от 7,9 до 14 %, широкомасштабное серийное производство так и не началось.

Двигатель Стирлинга не является универсальным устройством. Существуют области, где он по своим характеристикам составляет серьезную конкуренцию традиционным двигателям. Есть области, где двигатель Стирлинга имеет равные шансы с обычными поршневыми моторами, но есть и области, где у «Стирлинга» шансов пока нет. Но техника и технология развиваются безостановочно, создаются новые материалы и, самое главное, в технику приходят новые люди, которые еще не знают, что «этого» сделать нельзя.

Двигатель Стирлинга

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Пробьет ли час «Стирлинга»?

Судьба двигателя, о котором пойдет речь, характерна для многих изобретений. Порой они надолго исчезают с передовых позиций техники, но спустя десятилетия их достоинства, когда-то не игравшие первостепенной роли, вновь привлекают внимание и дают импульс новым поискам, часто — второму рождению идеи. Так произошло с тепловым двигателем Роберта Стирлинга, построенным впервые еще в 1816 году. В разных вариантах он широко применялся в прошлом веке, однако к началу первой мировой войны его практически вытеснили быстро совершенствовавшиеся моторы внутреннего сгорания и электродвигатели. Но в конце 30-х годов им заинтересовалась голландская радиотехническая корпорация «Филипс», а начиная с 60-х, в ряде стран довольно интенсивно ведутся разработки и исследования двигателя Стирлинга для транспортных средств.

Прежде чем говорить о нынешнем состоянии дел и причинах нового интереса к мотору Стирлинга, опишем коротко принцип его действия и устройство. Как известно, в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) полезная работа совершается в процессе расширения нагретых газов. В работу переходит часть энергии, полученной газами при сжатии и сгорании топлива. Этот принцип использован и в двигателе Стирлинга: сжатие рабочего тела при низкой температуре и расширение — при более высокой. Однако в нем рабочее тело получает тепло извне (в простейшем случае через стенку цилиндра). Поэтому тепловую машину Стирлинга иногда именуют двигателем внешнего сгорания.

Цилиндр реального двигателя Стирлинга разделен на две части, в одной из которых постоянно высокая температура, в другой — низкая. Между ними — вспомогательный поршень-вытеснитель. Он служит только для перекачки рабочего тела из горячей полости в холодную через охладитель и обратно через нагреватель. Чтобы уменьшить потери энергии при перетекании газа, применяют еще один теплообменник — регенератор. Это камера с пористым наполнителем, которому рабочее тело отдает тепло по пути в охладитель. Когда же газ течет обратно, регенератор возвращает ему запасенное тепло.

Рис. 1. Принцип действия двигателя Стирлинга. Для простоты предполагаем движения поршня и вытеснителя прерывистыми. Тогда цикл можно разделить на четыре части: а — поршень в ВМТ, вытеснитель в НМТ, весь газ — в холодной полости; б — вытеснитель остается в ВМТ, поршень сжимает газ при низкой температуре; в — поршень в ВМТ, вытеснитель проталкивает газ из холодной полости в горячую; г — нагретый газ расширился, поршень и вытеснитель в крайних нижних положениях. Пока поршень остается на месте, вытеснитель переводит газ в холодную полость, затем цикл повторяется.

Другой поршень — рабочий: он сжимает холодный газ и совершает полезную работу при расширении нагретого. Стадии рабочего процесса показаны на рис. 1. Вытеснитель не совершает полезной работы, так как при рабочем ходе (см. рис. 1в) давление газа по обе его стороны практически одинаково.

Рабочий поршень (в дальнейшем будем называть его просто поршнем) и вытеснитель в современных конструкциях связаны через ромбический приводной механизм с двумя коленчатыми валами, вращающимися в противоположных направлениях. Валы соединены шестернями, что позволяет снимать мощность с любого из них.

В процессе совершенствования был изобретен двигатель двойного действия (рис. 2), в котором горячая и холодная полости соседних цилиндров соединены через теплообменники (нагреватель, регенератор, охладитель).

Рис. 2. Схема двигателя двойного действия: V1 — полость сжатия; V2 — полость расширения; Н — нагреватель; Р — регенератор; О — охладитель. Конец трубки справа внизу должен быть соединен с открытым концом слева от первого цилиндра. Полость расширения одного цилиндра через нагреватель, регенератор и охладитель сообщается с полостью сжатия другого.

Объемы соответствующих полостей максимальны, когда в связанных между собой цилиндрах один поршень находится в ВМТ, другой в НМТ. Вытеснителей в таком двигателе нет. Полезная работа совершается в каждом цилиндре как при ходе поршня вверх, так и при ходе вниз.

Чтобы камера под поршнем была герметичной, его соединили с коленчатым валом через крейцкопфный механизм, позволяющий шатуну двигаться только возвратно-поступательно. В «стирлингах» двойного действия цилиндры могут располагаться в ряд по кругу или V-образно.

Последний вариант схематически изображен на рис. 3.

Даже беглое описание двигателя Стирлинга наводит на мысль, что конструктивно он не проще поршневых ДВС. Это подтверждают и выкладки исследователей. В чем же достоинства, которые позволяют сторонникам «стирлинга» считать его вполне реальным соперником поршневого ДВС, пусть не в ближайшем будущем?

Таких плюсов в свете современных оценок немало, и все они существенны. Токсичность отработавших газов в пять-десять раз меньше, чем у сравнимых по мощности ДВС, а уровень шума ниже на 10-15 дБ. Экономичность лучше, чем у бензинового, а на малых скоростях (25-55 км/ч) — даже чем у дизеля. Прибавим нетребовательность к виду и качеству топлива, иными словами, возможность работы на самом разном горючем — от бензина до растительных масел, от газа до древесных чурок. Причем, в отличие от ДВС, ухудшение качества топлива не ведет к существенному падению КПД и мощности. Мы не назвали еще уравновешенность и высокую плавность работы, благоприятные (позволяющие упростить трансмиссию) характеристики крутящего момента, хорошую приемистость.

Узнав все это, трудно не задаться вопросом: почему же до сих пор не «бита карта» традиционного ДВС? Возможно мы умолчали о каких-то неустранимых недостатках двигателя Стирлинга?

Бесспорно, у него есть слабые места. Он тяжел: масса, приходящаяся на единицу мощности, больше, чем у бензинового мотора, и близка к показателям дизеля. Сложнее, а значит, дороже механизм преобразования движения (кривошипно-шатунный). Условия протекания рабочего цикла требуют радиатора в два-три раза большего объема, чем для традиционных ДВС. Немало проблем связано с материалами теплообменников, в частности нагревателя, где температура около 750° С, с уплотнением рабочих полостей. Наконец, для получения высоких показателей в качестве рабочего тела «стирлингу» нужны водород или гелий.

Рис. 3. Схема двигателя для опытного автомобиля «Дженерал Моторс»: 1 — форсунка; 2 — камера сгорания с завихрителем; 3 — трубки нагревателя; 4 — регенератор; 5 — впускной патрубок; 6 — герметически изолированный рабочий газ; 7 — водяная рубашка (охладитель); 8 — поршневое кольцо.

Перечисленные минусы существенны, но устранимы. А самое уязвимое место этого двигателя, как остроумно заметил один специалист, в том, что существуют. другие двигатели (конечно, в первую очередь поршневые ДВС). Да не просто существуют: над их совершенствованием — улучшением рабочего процесса, повышением экономичности, снижением шумности, токсичности, металлоемкости, трудоемкости изготовления и обслуживания — постоянно работает множество людей, точное число которых даже трудно подсчитать. Известный исследователь двигателей Стирлинга канадский ученый Г. Уокер отмечает: «То, что фирма «Филипс» в относительно короткое время (35 лет — прим. авт.) и с относительно малым штатом сотрудников смогла создать двигатели Стирлинга с высокими характеристиками, представляется для других фирм невероятным; принимая все это во внимание, было бы рискованно предвидеть будущее развитие». Рассуждая так, Уокер более 10 лет назад делал осторожный прогноз: «. к 1980 году двигатели Стирлинга на грузовиках могут быть уже не новостью».

Но прогноз не сбылся. Армия защитников ДВС действует пока в целом успешнее, чем немногочисленный отряд сторонников «стирлинга». После 10 лет научно-исследовательских работ автомобильные компании «Дженерал Моторс» и «Форд» прекратили собственные разработки по двигателям Стирлинга, не видя достаточно близких перспектив их использования. Но корпорации не вышли из игры, просто основную часть программы взяли на себя шведская фирма «Юнайтед Стирлинг» и американская «Мекеникел Текнолоджи», кстати, широко использующие патенты «Филипс».

Сообщалось, что в нынешнем году «Дженерал Моторс» будет испытывать легковой автомобиль с двигателем МОД-1, разработанным «Юнайтед Стирлинг» и усовершенствованным в ходе двухлетних экспериментов компанией «Мекеникел Текнолоджи». Он имеет два коленчатых вала и вертикально расположенные цилиндры. Предварительные испытания показали, что пробег машины с таким двигателем на 15% больше, чем с ДВС, при равном расходе топлива. Заметим, что речь идет о типичном американском автомобиле, экономичность которого по современным понятиям невысока. Компания стремится довести эту разницу до 30%.

Есть проект мотора с одним коленчатым валом и V-образным расположением четырех цилиндров. Развивая 80 л. с./59 кВт, он позволит автомобилю проходить на 1 литре бензина 17 километров, а на литре дизельного топлива — 19,6 километра. В принятых у нас единицах это соответствует 5,9 и 5,1 л/ 100 км. Таковы расчеты конструкторов.

Известно о применении новых материалов, более стойких к высоким температурам. Хорошей герметичностью обладают, в частности, тефлоновые кольца, уплотняющие поршень в цилиндре.

Продолжение испытаний не говорит, однако, о планах серийного производства двигателей Стирлинга. Как заявил представитель «Дженерал Моторс», программа остается «в высшей степени экспериментальной». Причины: сегодня и в ближайшем будущем двигатель Стирлинга для автомобиля менее выгоден, чем, скажем, дизель.

Будет ли так всегда? Или могут возникнуть условия, которые вынудят платить за преимущества «стирлингов» более высокую цену, чем приемлемая сейчас? Мы имеем в виду критический уровень загазованности и шума, возможный дефицит топлива. Пока ответ на этот вопрос до конца не ясен, тем более что ДВС, в свою очередь, становятся не только экономичнее и тише, но одновременно сложнее и дороже, обрастая турбокомпрессорами, электронными системами регулирования и т. д. В такой ситуации можно ожидать новых интересных результатов доводки двигателей Стирлинга.

Литература
Двигатели Стирлинга. Под ред. М. Г. Круглова. М., Машиностроение, 1977.
Двигатели Стирлинга. Сборник статей под ред. В. М. Бродянского. М., Мир, 1975.
Г. Уокер. Машины, работающие по циклу Стирлинга. М. Энергия, 1978.
Автомобильная промышленность. 1983, № 1, с. 6—8.

Двигатель Стирлинга. Виды и конструкции. Устройство и работа

Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.

Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.

Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.

Устройство и принцип работы

Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.

В первое время после изобретения такой двигатель существовал в виде машины, действующей на принципе теплового расширения.

В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Вверху цилиндра 1 находится водяная рубашка 3, дно цилиндра непрерывно нагревается огнем. В цилиндре расположен рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, передвигающийся в цилиндре со значительным зазором.

Воздух, находящийся в цилиндре, перекачивается вытеснителем 2 к дну поршня или цилиндра. Вытеснитель движется под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток в свою очередь приводится в действие эксцентриковым устройством, вращающимся с запаздыванием на 90 градусов от привода поршня.

В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.

В следующей позиции «б» вытеснитель перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, находящийся между ними, выталкивается ко дну цилиндра, охлаждаясь.

Позиция «в» — рабочая. В ней воздух нагревается дном цилиндра, расширяется и поднимает два поршня к верхней мертвой точке. После выполнения рабочего хода вытеснитель опускается ко дну цилиндра, выталкивая воздух под поршень, и охлаждаясь.

В позиции «г» охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается от верхней точки к нижней. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше, чем работа расширения нагретого воздуха, то образуется полезная работа. Маховик при этом служит своеобразным аккумулятором энергии.

В рассмотренном варианте двигатель Стирлинга обладает малым КПД, так как теплота воздуха после рабочего хода должна отводиться через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость. Воздух за один ход не успевает снизить температуру на необходимую величину, поэтому необходимо было продлить время охлаждения. Из-за этого скорость мотора была маленькой. Термический КПД был также незначительным. Тепло отработанного воздуха уходило в охлаждающую воду и терялось.

Разные конструкции

Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.

Конструкция исполнения «Альфа»

Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.

Конструкция исполнения «Бета»

Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.

Конструкция исполнения «Гамма»

Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.

Преимущества

• Как и множество двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, так как для него важно наличие перепада температуры. При этом не важно, каким топливом он вызван.
• Двигатель имеет простое устройство, и не нуждается во вспомогательных системах и навесных устройствах (коробка передач, ремень ГРМ, стартер и т.д.).
• Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
• Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива, и отсутствует выпуск отработанных газов.
• Исполнение «Бета», снабженное кривошипно-шатунным устройством в виде ромба, является наиболее сбалансированным механизмом, который при функционировании не создает вибрацию.

• В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.

Недостатки

• При значительных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга нереально по некоторым причинам. Основной вопрос в материалоемкости устройства. Чтобы охлаждать рабочее тело, необходим большой радиатор, что значительно увеличивает габариты и вес оборудования.
• Сегодняшний уровень технологий дает возможность двигателю Стирлинга конкурировать по свойствам с новыми бензиновыми двигателями за счет использования сложных типов рабочего тела (водород или гелий), находящихся под очень большим давлением. Это значительно повышает опасность использования таких двигателей.
• Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температурной стойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло подходит к рабочему пространству с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Также теплообменник должен производиться из термоустойчивых сплавов, которые также должны быть устойчивы к повышенному давлению. Соответствующие этим условиям материалы очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
• Принципы перехода двигателя Стирлинга на другие режимы функционирования также существенно отличаются от привычных принципов. Для этого необходимо создание специальных устройств управления. Например, для изменения мощности нужно менять угол фаз между силовым поршнем и вытеснителем, давление в цилиндрах, либо изменить емкость рабочего объема.

Двигатель Стирлинга и его использование

При необходимости создания преобразователя тепла компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.

• Универсальные источники электричества. Моторы Стирлинга могут преобразовывать тепло в электричество. Существуют проекты солнечных электроустановок с применением таких двигателей. Их используют как автономные электростанции для туристов. Некоторые производители изготавливают генераторы, действующие от газовой конфорки. Существуют также проекты генераторов, которые работают от радиоизотопных источников тепла.
• Насосы. Если в контуре системы отопления установлен насос, то эффективность отопления значительно возрастает. В системах охлаждения также устанавливают насосы. Электрический насос может выйти из строя, к тому же, он потребляет электрическую энергию. Насос, действующий по принципу Стирлинга, решает этот вопрос. Двигатель Стирлинга для перекачивания жидкостей будет проще обычной схемы, так как вместо поршня может применяться сама перекачиваемая жидкость, служащая также для охлаждения.

Холодильное оборудование. В конструкции всех холодильников используется принцип тепловых насосов. Некоторые производители холодильников планируют устанавливать на свои изделия двигатель Стирлинга, которые будут очень экономичны. Рабочим телом будет выступать воздух.

Сегодня исследования установок Стирлинга для подводных, космических и других установок, а также проектирование основных двигателей проводятся во многих зарубежных странах. Такой высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников.