Двигатель эриксона своими руками

Обновлено: 18.05.2024






Принципиальная схема теплового двигателя:

На представленной схеме в доступной форме проиллюстрировано устройство поршневого механизма и порядок его работы.

Суть изобретения Стирлинга

На схеме тепловой двигатель состоит из двух цилиндров компрессионного и рабочего. Левая и правая стороны удлиненного цилиндра разделены теплоизоляционной стенкой. Внутри ходит специальный вытеснительный поршень, который не соприкасается с боковыми стенками.

  1. К левой стороне устройства подводится тепло, к правой – охлаждение.
  2. Когда поршень движется влево, горячий воздух вытесняется в холодную правую зону и охлаждается.
  3. При этом газ уменьшается объеме.
  4. Рабочий поршень втягивается влево.
  5. При движении вытеснительного поршня вправо холодный воздух вытесняется в горячую зону, где нагревается и расширяется.
  6. Толкает рабочий поршень вправо.
  7. Рабочий и вытеснительный поршни связаны между собой через коленчатый вал с углом смещения 90 градусов.

Важно: Тепловой двигатель – это механизм поршневого типа с подводом тепла от внешнего источника. Рабочее тело устройства постоянно находится в замкнутом пространстве и не подлежит замене. Для поставки необходимого количества тепла могут быть использованы следующие источники:

  • электричество;
  • солнце;
  • ядерная энергия и пр.


: 1 — рабочий цилиндр; 2 — рабочий поршень; 3 — подогреватель; 4 — регенератор; 5 — теплоизолирующая муфта; 6 — охладитель; 7 — компрессионный цилиндр.

Как работает тепловая машина Стирлинг

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в постоянной смене режимов – нагревание/охлаждение рабочего материала, находящегося в замкнутом пространстве. Исходя из законов физики, при нагревании газа, его объем увеличивается, а при снижении температуры, он уменьшается соответственно. Количество вырабатываемой энергии зависит от коэффициента изменения объема рабочего тела.

  1. Воздух.
  2. Пар.
  3. Газ (гелий, водород, фреон, двуокись азота).
  4. Жидкость (вода, сжиженный бутан или пропан).

Как работает Стирлинг


Принципиальная схема двигателя внешнего сгорания

. В цилиндре 8 движутся два поршня — рабочий 11 и поршень-вытеснитель 18. Движение рабочего поршня вверх приводит к сжатию рабочего тела, движение его вниз вызывается расширением газа и сопровождается совершением полезной работы. Движение поршня-вытеснителя вверх выжимает газ в нижнюю, охлаждаемую полость цилиндра. Движение же его вниз соответствует нагреванию газа. Ромбический привод 12 сообщает поршням перемещение, соответствующее четырем тактам цикла (
Такт I
— охлаждение рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18 движется вверх, выжимая рабочее тело через регенератор 7, в котором запасается тепло нагретого газа, в нижнюю, охлаждаемую часть цилиндра. Рабочий поршень 11 находится в НМТ.
Такт II
— сжатие рабочего тела. Энергия, запасенная в сжатом газе буферного объема 22, сообщает рабочему поршню 11 движение вверх, сопровождающееся сжатием холодного рабочего тела.
Такт III
— нагревание рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18, почти примкнув к рабочему поршню 11, вытесняет газ в горячее пространство через регенератор 7, в котором к газу возвращается тепло, запасенное при охлаждении.
Такт IV
— расширение рабочего тела — рабочий такт. Нагреваясь в горячем пространстве, газ расширяется и совершает полезную работу. Часть ее запасается в сжатом газе буферного объема 22 для последующего сжатия холодного рабочего тела. Остальное снимается с валов двигателя.
Контур нагрева
. Воздух вентилятором нагнетается в воздухоприемник 19, проходит через элементы 3 подогревателя, нагревается и попадает в топливные форсунки. Получившиеся горячие газы нагревают трубки 16 нагревателя рабочего тела, обтекают элементы 3 подогревателя и, отдав свое тепло воздуху, идущему на сжигание топлива, выбрасываются через выпускной патрубок 2 в атмосферу.
Контур охлаждения
. Вода через патрубки 20 подается в нижнюю часть цилиндра и, обтекая ребра 9 охладителя, непрерывно охлаждает их.

Сфера применения двигателей внешнего сгорания

В результате последующих усовершенствований конструкции мотора, газ нагревается/охлаждается при постоянном давлении в системе (вместо сохранения объема). Это изобретение инженера из Швеции по имени Эриксон, позволило создавать двигатели, предназначенные для использования работниками шахт, типографий, судов и пр. В пассажирских экипажах того времени тепловые двигатели не применялись, т. к. обладали сравнительно большим весом.

Двигатели внешнего сгорания часто использовались для приведения в действие генераторов в районах, где отсутствовала подача электроэнергии.

Интересно: В 1945 году изобретатели-энтузиасты компании Philips придумали обратное применение тепловых устройств. При раскручивании вала электрическим двигателем, головка цилиндра охлаждается до минус 190°С. Это дало возможность использовать усовершенствованный поршневой двигатель внешнего сгорания Стирлинга в холодильных агрегатах.

Двигатели внешнего сгорания

Внимание к двигателям внешнего сгорания объясня­ется главным образом двумя причинами: тем, что сжи­гание топлива вне камеры сгорания позволяет резко снизить количество вредных примесей в отработавших газах и тем, что КПД таких двигателей может быть су­щественно выше, чем у прочих.

Интересно отметить, что оба двигателя появились в эпоху расцвета паровых машин и вплоть до начала на­шего века выпускались в значительных количествах. Однако реализовать их преимущества в то время нико­му не удалось и в первую очередь по причине крайней громоздкости, они были полностью вытеснены ДВС.

Второе рождение двигателя Стирлинга состоялось в 50-х годах. И уже первый опытный образец ошело­мил создателей небывало высоким КПД, равным 39% (теоретически до 70%). Рассмотрим принцип его дей­ствия (рис. 14).

Рис. 13. Циклы тепловых машин:
/ — цикл Карно; // — цикл Стирлинга; /// — цикл Эриксона; IV — цикл Стирлинга в Р—V координатах; / и 3 — изотермы; 2 и 4 — изохоры

В двигателе имеются два поршня и две камеры: сжа­тия (между поршнями) и нагрева (над верхним порш­нем). Через центр основного рабочего поршня / прохо­дит шток, на котором укреплен второй поршень 2, наг зываемый поршнем-вытеснителем.

Благодаря конструкции параллелограммного меха­низма движение поршня-вытеснителя отстает по фазе от движения основного поршня. Поршни то максималь­но сближаются, то отдаляются друг от друга. Измене­ние объема газа между поршнями на рисунке отобра­жено двумя пунктирными кривыми. Площадь между ними соответствует изменению объема защемленного пространства, а нижняя кривая характеризует измене­ние объема над рабочим поршнем. Когда поршни дви­жутся навстречу друг другу, рабочий газ в камере сжа­тия сжимается (только за счет движения поршня 1 вверх) и одновременно вытесняется в холодильник 3 и далее через регенератор 4 в камеру нагрева. Регенери­ровать— значит восстанавливать. В регенераторе газ воспринимает тепло, которое регенератор принял от порции газа, до этого прошедшей через него в обрат­ном направлении. После этого газ попадает в головку машины (камеру нагрева), постоянно обогреваемую внешним источником тепла. Здесь газ быстро нагре­вается до температуры 600—800° С и начинает расши­ряться. Расширяющийся газ пойдет через регенератор и холодильник, в котором его температура еще пони­зится, в камеру сжатия, где он совершит механическую работу.

Поршень-вытеснитель, двигаясь вверх, вытолкнет весь газ из камеры нагрева в камеру сжатия. После этого цикл повторяется. Итак, машина перекачивает

тепло из камеры нагрева с высокой температурой в ка­меру сжатия с температурой окружающего простран­ства. Энергия, приобретенная газом в камере нагрева, превращается в механическую работу, снимаемую с ва­ла двигателя.

Ухудшение процесса объясняется тем, что реальный цикл существенно отличается от теоретического. На рис. 13 (в координатах Т—S) внутри идеального парал­лелограмма, характеризующего цикл Стирлинга, пока­зан овал — он-то и отображает реальные процессы. На рисунке (схема IV) представлен тот же цикл в более привычных двигателистам координатах Р—V. Задача

привода — максимально приблизить овал к идеальным очертаниям, не ухудшая механических качеств двига­теля.

Параллелограммный привод, примененный голланд­скими инженерами для усовершенствованной модели, соответствовал этому условию лишь частично. Гораздо лучшее решение (рис. 15) предложили узбекские уче­ные и инженеры Т. Я. Умаров, В. С. Трухов, Ю. Е. Клю­чевский, Н. В. Борисов, Л. Д. Меркушев — сотрудники отдела гелиофизики Физико-технического института АН Узбекской ССР.

В старом приводе (рис. 15, а) траектория точек кри­вошипа, определяющих движение поршней, — окруж­ность. В новом приводе (рис. 15, б) для поршня-вытес­нителя— окружность, для рабочего — эллипс. Это по­зволяет, сохранив все преимущества параллелограммно-го привода, добиться лучшего согласования движения поршней и приблизить реальный цикл к идеальному. Решение защищено авторским свидетельством № 273583.

это благодаря тому, что рабочий поршень размещен внутри поршня-вытеснителя. То же самое происходит в момент расширения — рабочего хода. В итоге более равномерно нагружен привод, увеличивается доля ра­бочего хода в общем цикле, сокращены габариты и, следовательно, вес машины.

Двигатели с циклами внешнего сгорания таят в се­бе удивительные возможности. И можно смело сказать, что внимание изобретательских и инженерных кругов

Трубки позволили изобретателям найти правильное решение одной из проблем двигателей внешнего сгора­ния— неравномерного отбора тепла. В тепловых цик­лах обычных ДВС подвод тепла проводится в строго определенное время. А в двигателях внешнего сгорания нагрев головки идет постоянно. В результате в момен­ты, когда отбора тепла нет, головки перегреваются. При­ходится снижать температуру нагрева, а это прямо ска­зывается на КПД: чем ниже температура, тем он ни­же. Обидно, но ничего не поделаешь: применение тер­мостойких материалов снижает коэффициент теплопе­редачи, применение теплопроводных — требует снизить допустимую температуру нагрева головки.

На схеме, иллюстрирующей принцип действия одно­

За рубежом испытывали двигатель внешнего сгора­ния для легкового автомобиля. Оказалось, что концент­рация СО в выхлопных газах понизилась в 17—25 раз, окислов азота — почти в 200 (!), углеводородов — в 100 раз.

Несомненно, что от таких преимуществ грех отказы­ваться и на Земле. Поэтому тем, чья деятельность свя­зана с тепловыми машинами, можно порекомендовать внимательнейшим образом изучить работы белорусских ученых. В них таятся и возможность создания крупных

тепловых машин с КПД, близким к 100%, и база для постройки автомобильных двигателей внешнего сгора­ния невиданной экономичности.

Первые положительные результаты уже имеются. Голландские инженеры заставили рабочее тело холо­дильной машины, работающей по циклу Стирлинга, со­вершать фазовые превращения и вдвое увеличили ее холодопроизводительность. Теперь дело за двигатели-стами!

Паровые двигатели. Повествуя о двигателях внеш­него сгорания, нельзя не упомянуть о паровых машинах. Этот вид привода, еще 100 лет назад бывший самым распространенным, сегодня расценивается как экзоти­ческий. А объясняется это лишь тем, что ДВС практи­чески вытеснили паровые машины с автомобилей, хотя мелкосерийное производство паромобилей существовало вплоть до… 1927 г.

Принципиальная схема одноконтурного варианта автомобильного парового двигателя приведена на

Через распределительный механизм 3 пар поступает в собственно паровой двигатель 4. Отработанный пар конденсируется потоком воздуха от вентилятора 5 в конденсаторе 6, предварительно отдав часть тепла жид­кости в рекуперативном теплообменнике 7. В теплооб­менник и далее в котел жидкость подается насосом 8. Такие элементы схемы, как двигатель 4, конденсатор £ (радиатор) и насос 8, входят в состав любого автомо­биля. Добавляются только котел 2 с нагревателем / и теплообменник 7.

В качестве двигателя 4 могут быть использованы практически любые как поршневые, так и ротационные машины или даже турбины. Поэтому к паровому при­

воду применимы почти все технические решения, опи­санные в настоящей брошюре.

Преимущества описанных механизмов в сочетании с особенностями паровых машин позволят создать высо­коэффективные приводы транспортных средств. Ведь азбучные достоинства современных автомобилей — бес­шумность, приемистость, плавность хода — относитель­ны. Истинному смыслу этих слов в полной мере соот­ветствуют как раз паромобили. В них нет резкой смены давления при выхлопе, а следовательно, нет главного источника шума, а заодно и системы глушения звука выхлопа. Мало кто мог в последнее время видеть паро­мобиль. А вот паровозы помнят, наверное, все. Вспом­ним, что даже с тяжелым составом трогались с места они абсолютно бесшумно и исключительно плавно.

Плавность хода и необыкновенная приемистость па­ромобилей объясняются тем, что характеристика паро­вой машины качественно отличается от характеристики ДВС. Даже при минимальном числе оборотов в минуту ее крутящий момент не менее чем в 3—5 раз выше кру­тящего момента ДВС с сопоставимой мощностью при оптимальном числе оборотов. Высокий крутящий момент обеспечивает великолепную динамику разгона паромо­биля. Если карбюраторные ДВС мощностью 50 л. с. обеспечивают разгон автомобиля до скорости 100 км/ч приблизительно за 20 с, то паровой машине для этого нужно вдвое меньше времени.

Немаловажно и то, что никакого переключения пе­редач при разгоне не требуется, высокий крутящий мо­мент у парового двигателя сохраняется во всем диапа­зоне числа оборотов — от нуля до максимальных. Ко­робки передач тут просто не нужны. Вспомните: у тех же паровозов их никогда не было. Достоинством паро­вого двигателя является и относительно низкое число оборотов, что, в свою очередь, обусловливает повышен­ную долговечность. Даже при передаточном отношении от колес к двигателю, равном единице, обороты не пре­высят 2000—3000 в минуту при скорости экипажа до 200 км/ч (!), а обычный интервал оборотов ДВС — 3000—6000 об/мин.

Но несмотря на низкое число оборотов, удельные мощностные показатели парового двигателя превосхо­дят аналогичные показатели ДВС. Например, получить у парового двигателя удельную мощность в 400—

600 л. с./л (при 2500—3000 об/мин) совсем не трудно. Удел обычных ДВС всего 50—100 л. с./л и только от­дельные двигатели с механизмом С. Баландина имеїрт похожие показатели.

Ну и, наконец, надежность паровых машин занимает отнюдь не последнее место в ряду их достоинств. Цще и сейчас можно встретить на запасных путях работаю­щие паровозы постройки начала века. И их паровые двигатели в полной исправности. Причины тому — Низ­кое число оборотов, постоянство температурного режи­ма (температуры пара), низкий уровень максимальных температур — в 5—6 раз меньше, чем в ДВС, полное отсутствие таких неприятных процессов, как нагарооб-разование и закоксование, и абсолютная чистота рабо­чего агента, циркулирующего в замкнутом контуре (в ДВС полную очистку воздуха осуществить не удается).

Естественно, возникает вопрос, какие же причины мешают паровой машине вновь занять достойное место в ряду современных двигателей?

Вторая причина — это высокая стоимость силовой установки. Третьей причиной считается большой вес па­

ровой машины. Однако уже из вышеизложенного сле­дует, что общий вес сравниваемых экипажей будет практически одинаков. Таким образом, в настоящее время нет никаких серьезных причин, мешающих паро­вой машине вновь занять достойное место в ряду не­обычных двигателей.

Можно ли использовать двигатели Стирлинга вместо ДВС

Компания General Motors со второй половины ХХ века начала заниматься внедрением в производство V-образных стирлингов для кривошипно-шатунных механизмов. При испытаниях двигателей внешнего сгорания было замечено, что они идеально работают без звуков и шума. Здесь отсутствуют карбюратор, система зажигания, форсунки, требующие высокое давление, свечи, клапаны и пр. Для создания достаточного давления в цилиндрах двигателя не нужно взрывать топливо, как в ДВС. При использовании автомобилей, оснащенных двигателями внешнего сгорания, можно решить проблему, связанную со снижением шума в больших городах.

Двигатель Стирлинга

История развития двигателей внешнего сгорания


Благодаря появлению в конструкции двигателя регенерирующего элемента, тепло надолго сохраняется в зоне действия при охлаждении рабочего тела, что способствует значительному повышению производительности двигателя. Изобретение позволило увеличить эффективность механизмов, его стали широко применять в промышленном производстве.

С течением времени, устройства Стирлинга утратили популярность, но по инерции продолжали применяться на некоторых немногочисленных производствах. Паровые двигатели уступили лидирующую ступеньку механизмам нового поколения:

  • двигателям внутреннего сгорания;
  • паровым машинам;
  • электрическим двигателям.

О достоинствах тепловых устройств снова стали вспоминать только в двадцатом веке. Внедрением двигателей Стирлинга в современные разработки занимаются лучшие инженерные коллективы известных производителей Америки, Швеции, Японии и пр.

Двигатель внешнего сгорания- Принцип работы и достоинства

На представленной схеме в доступной форме проиллюстрировано устройство поршневого механизма и порядок его работы.

Двигатель Стирлинга

Для приведения в действие машин и механизмов используются силовые агрегаты различной конструкции. Двигатель Стирлинга является одним из силовых агрегатов внешнего сгорания. Для того чтобы понять как работает двигатель Стирлинга необходимо разобраться в его устройстве.

Происхождение устройств

В то время изобретение использовалось достаточно широко и находилось на подъеме своей популярности, однако со временем его перестали использовать, и о нем забыли. На смену оборудованию внешнего сгорания пришли паровые установки и двигатели, но уже привычные, с внутренним сгоранием. Вновь о них вспомнили лишь в 20 веке.

Двигатель Стирлинга



Работа установки

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в том, что в нем постоянно чередуются два этапа: нагревание и охлаждение рабочего тела в замкнутом пространстве и получение энергии. Данная энергия возникает из-за того, что постоянно изменяется объем рабочего тела.

Чаще всего рабочим веществом в таких устройствах становится воздух, однако возможно использование еще и гелия или водорода. В то время пока изобретение находилось на стадии разработки, в качестве опытов использовались такие вещества, как двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан. В некоторых образцах пытались применять даже обычную воду. Стоит отметить, что двигатель внешнего сгорания, который запускали с водой в качестве рабочего вещества, отличался тем, что у него была достаточно высокая удельная мощность, высокое давление, а сам он был достаточно компактным.

Двигатель с двумя цилиндрами

Основными преимуществами теплового двигателя внешнего сгорания стало то, что они имели высокую мощность и объем. Однако температура горячей пары при этом была слишком велика. Из-за этого возникали некоторые технические трудности в процессе изготовления таких изобретений. Регенератор данного устройства находится между горячей и холодной соединительными трубками.

Рабочий двигатель внешнего сгорания

Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

На рисунке наглядно отображается рабочий цикл двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит за счёт изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объёме. В нижней части агрегата рабочее вещество нагревается, увеличивается в объёме и выталкивает поршень вверх. Горячий воздух поступает в верхнюю часть мотора и охлаждается с помощью радиатора. Давление рабочего тела понижается, а поршень опускается для повторения всего цикла. Система полностью герметична, благодаря чему рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла.

Кроме того, существуют моторы с открытым циклом, в которых регулирование потоком реализуется с помощью клапанов. Эти модели называют двигателем Эриксона. В целом принцип работы двигателя внешнего сгорания схож с ДВС. При низких температурах в нём происходит сжатие и наоборот. Нагрев же осуществляется по-разному. Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра извне. Стирлинг догадался применять периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Этот поршень перемещает газы с одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой — высокие. При перемещении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость. Система вытеснителя в двигателе соединена с рабочим поршнем, который сжимает газ в холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа совершается как раз благодаря сжатию в более низких температурах. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между стадиями цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Это интересно: История появления автомобильных знаков

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

Некоторые детали работы двигателя

В теории подводить энергию в двигатель внешнего сгорания может любой источник тепла (солнце, электричество, топливо). Принцип работы тела двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Термическим максимально возможным КПД обладает идеальный цикл. КПД при этом составляет от 30 до 40 %. Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимуществом является работа без масел. В целом смазки двигателю необходимо немного. Среднее давление в цилиндре варьируется от 10 до 20 МПа. Необходима хорошая уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Согласно теоретическим расчётам эффективность двигателя Стирлинга сильно зависима от температуры и может достигать даже 70 %. Самые первые реализованные в металле образцы двигателя обладали низким КПД, поскольку варианты теплоносителя были неэффективны и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению. Во второй половине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель 35 % КПД на водном теплоносителе и с температурой 55 градусов по Цельсию. Совершенствование конструкции в некоторых экспериментальных образцах позволило достичь практически 39 % КПД. Почти все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 — 30 %. Турбированные дизели достигают около 35 %. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, показывают эффективность до 43 %.

После освоения жаропрочной керамики и других инновационных материалов появится возможность ещё сильнее увеличить температуру среды. КПД может при таких условиях достичь даже 60 %.

Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.

Такой двигатель состоит из горячего и холодного раздельных силовых поршней, находящихся в собственных цилиндрах. К цилиндру с горячим поршнем поступает тепло, а холодный располагается в охлаждающем теплообменнике.

В этом варианте двигателя цилиндр, в котором расположился поршень, с одной стороны нагревается, а другой охлаждается. Внутри цилиндра двигаются вытеснитель и силовой поршень. Вытеснитель предназначен для изменения объёма рабочего газа. Регенератор же выполняет возвращение остывшего рабочего вещества в нагретую полость двигателя.

Первые модели двигателя

Три основных варианта двигателя Стирлинга

Модификация Альфа

Мотор устроен таким образом, что он имеет и горячий цилиндр-поршень, и холодный цилиндр-поршень. Горячий поршень толкается от расширения воздуха, а холодный расположен в системе охлаждения и движется от остывания воздуха.


Модификация Бета

Данная конструкция предполагает, что цилиндр и поршень нагреваются с одной стороны и охлаждаются с другой. Поршень толкает в сторону холодной части, а вытеснитель толкает в сторону горячей. Регенератор перемещает остывший воздух в горячий рабочий объем цилиндра.


Модификация Гамма

Устройство данной модификации состоит из двух цилиндров и поршней. Имеет регенератор циркуляции газа. Один цилиндр горячий с одной стороны и холодный с другой, в нем поршень и вытеснитель. Второй цилиндр полностью холодный, там только поршень.


Использование Стирлингов обосновано в том случае, если необходим простой и небольшой преобразователь тепловой энергии. Также его можно использовать в том случае, если разница температур недостаточно велика, чтобы использовать газовые или же паровые турбины. Стоит отметить, что на сегодняшний день такие образцы стали использоваться чаще. К примеру, используются автономные модели для туристов, которые способны работать от газовой конфорки.

Современная модель двигателя внешнего сгорания

Применение устройств в настоящее время

Казалось бы, что такое старое изобретение не может использоваться в наши дни, однако это не так. NASA заказало двигатель внешнего сгорания типа Стирлинга, однако в качестве рабочего вещества должны использоваться ядерные и радиоизотопные источники тепла. Кроме этого, он также успешно может быть использован в следующих целях:

Двигатель с ротором

Двигатель эриксона принцип работы

Популярный детский и юношеский журнал.
Выходит один раз в месяц.

Издается с сентября 1956 года.

СЛЕДИМ ЗА СОБЫТИЕМ

Позже болезнь обострилась и стало как-то не до гонок. Так и пошло: то денег не было, то с политической обстановкой в мире было не все ладно…

И как память о былых проектах остались лишь бумажные чертежи с красиво нарисованными виражами да газетные заметки, живописующие превращение то ли Москвы, то ли Ярославля, то ли Тулы в процветающие столицы автогоночного спорта.

В ближайшие месяцы Тилке приедет в Москву и на месте ознакомится с условиями, где предстоит разместить новое гоночное кольцо, трибуны на 160 тысяч мест, а также всю инфраструктуру. В проекте предусмотрено строительство детских гоночных автошкол, развлекательных центров и многое другое.

Место для трассы выбрано довольно удачно — рядом пройдет третье транспортное кольцо, недалеко станции метро. Южный речной порт. А со свалкой отходов производства ЗИЛа — короче говоря, помойкой, расположенной в этом месте, город расстанется без сожалений.

Для строительства самой трассы требуется 100 миллионов долларов. А общая стоимость проекта около 1 миллиарда долларов — ведь здесь же, на Нагатинском полуострове, предполагается построить еще яхт-клуб, отели, рестораны…

Чтобы разместить все эти сооружения, площадь Нагатинской поймы будет расширена. Сюда добавят грунт, который вынимают при строительстве Лефортовского тоннеля.


Проект трассы в Нагатинской пойме выглядит очень красиво. А пока на этом месте — свалка.


разрастается до 15 кв. м. И тем не менее в конечном итоге установка со стирлингом оказывается на 108 кг легче, чем установка с ртутной турбиной, и на 84 кг легче солнечных батарей. Полная взаимная уравновешенность вращающихся частей такого стирлинга, отсутствие вибраций особенно важны для космоса, где любая вращающаяся деталь создает трудности для ориентации спутника.

ДВИГАТЕЛЬ „АТОМНОГО СГОРАНИЯ”

в отличие от космических атомные стирлинги еще не существуют. Но кое-какие наброски уже сделаны.

Это сравнительно мощные машины — 2,5 тыс л. е., 8 цилиндров с V-образным расположением. Область применения — судовые установки, где очень важны простота регулирования мощности и реверсирование, достигаемое простым поворотом двух заслонок. В качестве рабочего тела собираются испробовать не только водород и гелий, но и треххло-ристый алюминий. Этот газ при охлаждении полимеризуется с выделением как теплоты плавления, так и энергии химических связей. При нагревании же он снова распадается на мономеры и его теплоемкость и теплопроводность резко возрастают. Эти свойства могут оказаться выгодными с точки зрения размеров и эффективности генератора.

Особое достоинство такой установки: простота переходе с ядерного горючего на обычное топливо. Например, при заходе судна в порт реактор отключается, а двигатель продолжает работать на жидком топливе. Морские специалисть. считают, что стирлинги окажутся самыми надежными установками на флоте.

Преимущества использования двигателя

Если во время конструирования и сборки применить современные методы, то удастся поднять коэффициент полезного действия двигателя внешнего сгорания до 70%. Использование таких образцов сопровождается следующими положительными качествами:

Самодельный двигатель внешнего сгорания

Преимущества

Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

Недостатки

Естественно, что любое изобретение не лишено недостатков. Если говорить о минусах таких двигателей, то они заключаются в следующем:

  1. Из-за того что сгорание осуществляется вне двигателя, отвод получаемого тепла происходит через стенки радиатора. Это вынуждает увеличивать габариты устройства.
  2. Материалоемкость. Для того чтобы создать компактную и эффективную модель двигателя Стирлинг, необходимо иметь качественную жаропрочную сталь, которая сможет выдержать большое давление и высокую температуру. Кроме того, должна быть низкая теплопроводность.
  3. В качестве смазки придется покупать специальное средство, так как обычное коксуется при высоких температурах, которые достигаются в двигателе.
  4. Для получения достаточно высокой удельной мощности придется использовать либо водород, либо гелий в качестве рабочего вещества.

История двигателя Стирлинга

Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.

Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.

Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:

P*V=n*R*T

  • P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
  • V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
  • n – молярное количество газа в двигателе;
  • R – постоянная газа;
  • T – степень нагрева газа в двигателе К,

Модель двигателя Стирлинга:

Модель двс Стирлинга

За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.

Водород и гелий в качестве топлива

Получение высокой мощности, конечно же, необходимо, однако нужно понимать, что использование водорода или гелия достаточно опасно. Водород, к примеру, сам по себе достаточно взрывоопасен, а при высоких температурах он создает соединения, которые называются металлогидритами. Это происходит, когда водород растворяется в металле. Другими словами, он способен разрушить цилиндр изнутри.

Кроме того, и водород, и гелий – это летучие вещества, которые характеризуются высокой проникающей способностью. Если говорить проще, то они достаточно легко просачиваются сквозь практически любые уплотнения. А потери вещества означают потери в рабочем давлении.

Двигатель внешнего сгорания Лукьянова

Юрий Лукьянов – это научный сотрудник Псковского политехнического института. Он уже достаточно давно занимается разработкой новых моделей двигателей. Ученый старался сделать так, чтобы в новых моделях отсутствовали такие элементы, как коробка передач, распредвал и выхлопная труба. Основной недостаток устройств Стирлинга заключался в том, что они имели слишком большие габариты. Именно этот недостаток ученому и удалось устранить за счет того, что лопасти были заменены на поршни. Это помогло уменьшить размер всей конструкции в несколько раз. Некоторые говорят о том, что можно сделать двигатель внешнего сгорания своими руками.

Можно ли использовать двигатели Стирлинга вместо ДВС

Компания General Motors со второй половины ХХ века начала заниматься внедрением в производство V-образных стирлингов для кривошипно-шатунных механизмов. При испытаниях двигателей внешнего сгорания было замечено, что они идеально работают без звуков и шума. Здесь отсутствуют карбюратор, система зажигания, форсунки, требующие высокое давление, свечи, клапаны и пр. Для создания достаточного давления в цилиндрах двигателя не нужно взрывать топливо, как в ДВС. При использовании автомобилей, оснащенных двигателями внешнего сгорания, можно решить проблему, связанную со снижением шума в больших городах.

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 тепловая машина, 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 стирлинга принцип работы

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.

двигатель внешнего сгорания

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.

роторный двигатель стирлинга

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.

чертежи двигателя стирлинга

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 КПД двигателя 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.

двигатель стирлинга с генератором

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

Преимущества

Любая модель двигателя Стирлинга имеет много плюсов:

Недостатки

  • Главным минусом конструкции является ее материалоемкость.
  • Рабочее тело нужно охлаждать, из-за чего габариты существенно увеличиваются.
  • Для получения равных с ДВС характеристик необходимо использовать высокое давление.

кпд двигателя стирлинга

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 легковых автомобилях.

линейный двигатель стирлинга

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 роторный двигатель 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.

Читайте также: