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

Содержание

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.

История создания двигателя Стирлинга

До появления силовых агрегатов Стерлинга использовались моторы, работающие на водяном пару. Такие агрегаты могут работать на твердом топливе. Паровые двигатели имеют сложную конструкцию и требуют особого обслуживания. Двигатели Стирлинга имеют простейшую конструкцию. Выполнять ремонт силовой установки можно, не имея технических знаний и особого оборудования.

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

Конструкция была запатентована в 1816 году. По сравнению с паровыми двигателями мотор был безопасен в использовании и имел простую конструкцию. Главным преимуществом силового агрегата является возможность использования любого вида топлива. Мотор работает от перепадов температуры.

СПРАВКА: При одинаковом объеме рабочей камеры двигатель внутреннего сгорания обладает более высокими показателями мощности.

Виды двигателей

Существует несколько видов моторов Стирлинга отличающихся по своей конструкции:

  1. Альфа;
  2. Бета;
  3. Гамма;
  4. Роторный.

Ниже будет подробно рассмотрена конструкция каждого из видов силового агрегата.

Альфа

Конструктивно состоит из двух цилиндров. На один из цилиндров установлен охлаждающей радиатор. Второй край этого цилиндра подвергается нагреву. В каждой рабочей камере установлен отдельный поршень. Передача усилия от поршневой группы осуществляется на коленчатый вал. Коленчатый вал с поршнем и вытеснителем  соединены шарнирно.

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

Бета

В конструкцию входит одна рабочая камера. Она одновременно подвергается нагреву и охлаждению.  Нагреву подвергается один край рабочей камеры, охлаждению – второй. Под действием изменения давления воздуха или газа находящегося в рабочей камере перемещается поршень.

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

Гамма

Отличием конструкции являются два рабочих цилиндра отдельно стоящие друг от друга. Одна рабочая камера постоянно подвергается нагреву. На нее устанавливают радиатор охлаждения. Вторая камера постоянно охлаждённая.

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

Роторный двигатель Стирлинга

Отличается отсутствием кривошипно-шатунного механизма. Это уменьшает габаритно массовые параметры силового агрегата. Конструкция роторного двигателя позволяет улучшить герметичность рабочей камеры.

Принцип работы двигателя Стирлинга

Мотор преобразует энергию, получаемую от источника тепла в механическую силу. В рабочей камере находится воздух или газ. Одна часть рабочей камеры оснащена радиатором охлаждения или водяной рубашкой. Это необходимо для охлаждения воздушной массы находящейся в полости цилиндра. Вторая часть подвергается нагреву.

СПРАВКА: Для нормальной работы силового агрегата подойдет любое жидкое, твёрдое или газообразное топливо.

Работа двигателя осуществляется следующим образом:

  • Под действием высокой температуры воздуха в полости рабочей камеры нагревается и увеличивается в объеме. Увеличение объема воздуха воздействует на поршень, перемещая его в верхнюю мертвую точку;
  • Под воздействием радиатора или рубашки охлаждения воздушная масса охлаждается. Поршень возвращается в обратном направлении. После этого цикл повторяется.

  Двигатель 1 NZ FE: Обзор и технические характеристики

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

Нагревание и охлаждение воздуха в рабочей камере осуществляется при помощи вытеснителя. Он смещает воздушную массу от горячей части цилиндра к холодной и наоборот. Вытеснитель занимает большую часть объема рабочей камеры.

Область применения

Двигатели Стирлинга, работающие от внешнего источника тепла, могут применяться для изготовления:

  • Генераторов. При помощи силового агрегата можно преобразовать тепловую энергию в электрическую. Это очень удобно в местах, где подача электричества осуществляется с перебоями или отсутствует;
  • Насосов для перекачки различных жидкостей.мощности силовой установки достаточно для перекачивания различных жидкостей;
  • Климатического оборудования;
  • Автомобилей и самоходной техники.

Простота конструкции позволяет использовать силовые агрегаты для создания автомобилей и различного оборудования. Работа на любом топливе позволяет использовать такие моторы в местах, где подача электроэнергии осуществляется с перебоями или отсутствует.

Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга внешнего сгорания имеет ряд достоинств и недостатков.

Преимущества

  • Возможность работы на разном топливе. Для нормальной работы может быть использован абсолютно любой источник тепла.  В некоторых случаях применяется солнечная энергия. Для этого солнечный свет концентрируется на поверхности цилиндра;
  • Простота конструкции. В силовом агрегате нет большого количества комплектующих. Это делает мотор простым в эксплуатации и ремонте. Обслуживание двигателя может проводить человек, имеющий минимальные технические знания;
  • Минимальный уровень шума. Двигатель Стирлинга при работе издает минимальный уровень шума. Это возможно благодаря отсутствию большого количества вращающихся деталей и воспламенения топлива в рабочей камере;
  • Моторесурс. Минимальное количество комплектующих позволяет использовать мотор длительное время без ремонта и дополнительного обслуживания;
  • Экологичность. При использовании источника тепла не загрязняющего окружающую среду мотор будет экологически чист.

Недостатки

  • Большие габаритно массовые параметры. Для увеличения мощности необходимо использовать рабочую камеру и поршень большого диаметра. Это требует применения охлаждающего радиатора увеличенных размеров;

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

  • Сложность в регулировке оборотов. Для регулировки частоты вращения коленчатого вала необходимо изменять показатели температуры;
  • Необходимость в использовании жаропрочных материалов. Увеличение моторесурса возможно при применении материалов устойчивых к высоким температурам.

Двигатель Стирлинга своими руками

Некоторые люди задаются вопросом, как сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях? Существует большое количество разновидностей самодельных двигателей Стирлинга. Для того чтобы создать двигатель Стирлинга не обязательно иметь чертежи и специализированные материалы. Создать силовой агрегат дома, можно из подручных материалов, не применяя специализированное сложное оборудование.

Перед сборкой необходимо определиться какой мощности будет силовая установка. Как правило, умельцы создают изделия небольшой мощности, которой хватает для вращения маленького вентилятора. Мотор изготавливается в следующей последовательности:

Рабочая камера

Создавая двигатель Стирлинга своими руками в первую очередь, изготавливают большой цилиндр. В полости этой камеры будет перемещаться вытеснитель воздуха. Он необходим для смещения воздушной массы в рабочей камере.

Камеру изготавливают из термоустойчивых материалов. Это может быть как цельная металлическая ёмкость, так и сосуд, составленный из двух частей. Соединение частей должно быть герметичным. В верхней части камеры необходимо просверлить отверстие.

ВАЖНО: Отсутствие герметичности в рабочей камере приведет к нарушению работоспособности силового агрегата. Во избежание этого необходимо герметизировать места соединения термоустойчивым герметизирующим составом.

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

Если камера изготавливается из двух частей, то для соединения выбирают клей или пайку. Внутренняя поверхность камеры в месте соединения не должна иметь заусенец или выпирающих частей. Это необходимо для того, чтобы не было препятствий для движения вытеснителя воздушной массы.

  Двигатель 2jz: Обзор двигателя и технические характеристики

Вытеснитель

Перед окончательным соединением частей рабочей камеры необходимо самостоятельно изготовить вытеснитель. Это устройство, которое будет смещать воздушную массу в камере. Размеры вытеснителя должны быть меньше диаметра рабочей камеры. Между стенками камеры и вытеснителем должен быть зазор позволяющий изделию свободно перемещаться.

Для изготовления применяется поролон или другой лёгкий материал. Толщина материала выбирается исходя из внутреннего объема камеры.

После изготовления вытеснителя необходимо закрепить на нём шток. Он изготавливается из металлической проволоки диаметром 0.5 мм. Хорошо подойдет разогнутая канцелярская скрепка. Проволоку крепят к втулке из резины или другого эластичного материала. Втулку крепят к поролоновому диску. Такая конструкция позволяет создать прочное соединение.

Перед сборкой рабочей камеры необходимо продвинуть шток вытеснителя в заранее просверленное, в верхней части камеры, отверстие. Шток должен свободно перемещаться в отверстии. После установки поролонового диска герметизируется рабочая камера.

Подставка

Изготовление подставки является необязательным. Она необходима для установки силового агрегата. В подставке предусматривается место для закладки топлива. Это может быть свеча, сухое горючее, или любой другой источник тепловой энергии.

Подставка изготавливается из термостойких материалов. Хорошо подходит металлическая банка от напитков. Верхнюю часть банки срезают. В боковой части вырезают окно для загрузки топлива. Во избежание травмирования на острые срезы банки устанавливают резиновые уплотнения.

СПРАВКА: При использовании в качестве топлива сухого горючего на дно банки устанавливают металлическую площадку. Хорошо подойдет металлическая шайба толщиной 0.5 – 1 мм. Шайба крепится ко дну банки при помощи самореза или болта.

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

Цилиндр

Цилиндр используется для установки у него силового поршня. Полость рабочего цилиндра сообщается с полостью камеры через просверленное отверстие в верхней крышке. Соединение цилиндра с рабочей камерой должно быть герметичным. Это необходимо для предотвращения утечки воздуха из полости рабочей камеры в атмосферу.

ВНИМАНИЕ: Герметизация осуществляется путём пайки или нанесения на место соединения герметизирующих составов.

Для изготовления цилиндра используют тонкий лист металла. Из листа вырезают полосу шириной 30-35 мм. Сворачивая полосу, изготавливают цилиндр. Место соединения стенок цилиндра герметизируют при помощи пайки.

Поршень

Поршень изготавливается из пластмассы, дерева или пробки. Для исключения утечки воздуха через зазор между поршнем и цилиндром изделие оснащают мембраной. Мембрану изготавливают из полиэтиленового пакета, воздушного шара, или медицинской перчатки.

Поршень приклеивают к мембране при помощи клея. К цилиндру мембрана крепится при помощи резинки или прочной нити. В верхней части поршня устанавливают крепление для шатуна. Его изготавливают из тонкой проволоки. Крепление выполнено в виде петли с винтом, который вкручивается в поверхность поршня. К петле при помощи болта крепится шатун.

  Двигатель 4s fe: Характеристики двигателя и тюнинг

Маховик

Работа свободнопоршневого двигателя собранного своими руками будет нестабильной. Для стабилизации оборотов силового агрегата изготавливают маховик. Он стабилизирует частоту вращения за счёт силы инерции.

Маховик изготавливают из прочного материала. Хорошо подходит  металлическая крышка для консервации или CD диск. В центре маховика необходимо закрепить коленчатый вал.

ВАЖНО: Коленчатый вал необходимо крепить точно в центре маховика. Смещение точки крепления приведет к разбалансировке в работе силового агрегата.

Коленчатый вал и шатун

Коленвал изготавливают из толстой металлической или медной проволоки. На коленчатом валу выполняют два изгиба. Угол между коленами должен составлять 90 градусов. На одно колено шарнирно устанавливается шатун, второй конец которого  крепится к поршню. На второе колено шарнирно устанавливается  шток вытеснителя.

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

В качестве шарниров можно использовать клеммы для соединения проводов. Для этого необходимо предварительно удалить с них зажимающие винты. Для того чтобы провести расчёт глубины колена необходимо разделить на 2 ход поршня от верхней до нижней мертвой точки.

Держатель коленчатого вала

Держатель изготавливают из металла или пластика. Можно использовать стальную, медную проволоку, стержни, трубки и т.д. Нижняя часть держателя жёстко устанавливается на корпус рабочей камеры. Для этого его приклеивают или припаивают к поверхности. В верхней части держатель шарнирно соединяется с коленчатым валом.

Вентилятор

Вместо вентилятора может быть изготовлено любое другое устройство, которому будет передаваться крутящий момент от коленчатого вала. Вентилятор изготавливают из листа металла или пластика. Перед изготовлением вентилятора на материал наносят чертеж.

После этого вырезают деталь. Во избежание получения травм острые края, полученной детали обрабатывают наждачной бумагой.

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

В центре вентилятора сверлят отверстие. В него устанавливают резиновую, пробковую, или любую эластичную втулку.  Изготовленную деталь крепят на коленчатый вал.

ВНИМАНИЕ: Во избежание разбалансировки необходимо крепить  коленчатый вал точно по центру вентилятора. Найти центр можно при помощи циркуля.

Запуск двигателя

После проверки рабочей камеры на герметичность и сборки двигателя необходимо проверить его работоспособность. Для этого:

  • Подобрать источник тепловой энергии. Это может быть свеча или любое другое топливо. Можно использовать сосуд с горячей водой. Для этого нижнюю поверхность рабочей камеры необходимо установить на емкость с жидкостью;
  • Установить изделия на подставку. На дно подставки поместить источник тепловой энергии;
  • На верхнюю поверхность рабочей камеры поместить кубики льда;
  • Раскрутить маховик вручную.

После раскручивания маховика двигатель должен начать работу. Поршень и шток вытеснителя будут попеременно воздействовать на коленчатый вал установки. Стабильную работу будет обеспечивать сила инерции маховика.

Из вышеперечисленного следует, что двигатель Стирлинга это силовой агрегат, работающий от разницы температур рабочего тела. Мотор может работать на любом виде топлива.

Модель силовой установки можно собрать самостоятельно в домашних условиях. Для этого не потребуется специализированных материалов и оборудования.

В качестве источника питания для модели силовой установки может использоваться свеча, сухое горючее и т.п.

У какого двигателя стирлинга лучшая конструкция с максимальным кпд

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 внешнего сгорания стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

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»

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

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»

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

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.

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

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.

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

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%.

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.

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

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.

Двигатель внешнего сгорания: 3 модификации двинателя Стирлинга

В наше время индустрия автомобилестроения достигла такого уровня развития, при котором без базовых научных принципов сложно достичь улучшения конструкции традиционных двигателей внутреннего сгорания.

Это вынудило конструкторов всё больше обращать внимание на проекты альтернативных силовых установок. Инженерные центры и автоконцерны подошли к этому вопросу по-разному. Одни сосредоточились на создании адаптации к серийному выпуску электрических и гибридных моделей силовой установки.

Другие делают вложения в разработку двигателей, потребляющих топливо из возобновляемых источников.

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

Одним из перспективных источников механической энергии для автомобилей является двигатель внешнего сгорания, разработанный уроженцем Шотландии Робертом Стирлингом пару веков назад. Двигатель внешнего сгорания Стирлинга по принципу работы сильно отличается от привычного для всех ДВС. Но на какое-то время после разработки о нём благополучно забыли.

История создания

В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг.

Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.

Несмотря на такой быстрый успех продвижения модели, в начале двадцатого столетия от дальнейшего развития двигателя внешнего сгорания отказались из-за его себестоимости в пользу двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации

Принцип работы любого теплового мотора заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии нужны немалые механические усилия. В качестве наглядного примера можно привести опыт с двумя кастрюлями, согласно которому их наполняют холодной и горячей водой. Опускают в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку переносят в горячую воду.

При таком перемещении газ в бутылке совершает механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель осознал, что часть выделяемого тепла можно использовать для подогрева. Производительность агрегата от этого только возросла.

Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею об охлаждении и нагревании газа при постоянном давлении вместо объёма. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажей и транспортных средств агрегат оказался слишком тяжёлым.

  • Также советуем прочитать статью нашего специалиста, в которой он рассказывает о принципе работы и особенностях двигателя Ибадуллаева.
  • Дополнительно советуем внимательно изучить статью нашего автора, в которой подробно описывается роторно-поршневой двигатель Ванкеля.
  • 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.

Советуем также прочитать статью нашего специалиста в которой он рассказывает о КПД двигателя внутреннего сгорания.

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.

Модификация «Альфа»

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.

Модификация «Бета»

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.

Модификация «Гамма»

Вся нехитрая конструкция модификации «Гамма» выполнена из двух цилиндров. Первый из них полностью холодный. В нём совершает движение силовой поршень.

А второй — холодный только с одной стороны, а с другой — нагретый. Он служит для перемещения механизма вытеснителя.

Регенератор циркуляции холодного газа в этой модификации может быть общим для обоих цилиндров и быть включённым в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя внешнего сгорания

Этот вид двигателей неприхотлив в плане топлива, поскольку основой его работы является перепад температур. Чем вызван этот перепад особого значения не имеет. Двигатель Стирлинга имеет простую конструкцию и не нуждается в дополнительных системах и навесном оборудовании (стартер, коробка передач).

Некоторые особенности устройства двигателя являются гарантией долгого срока эксплуатации: двигатель может работать непрерывно в течении примерно ста тысяч часов. Ещё одним серьёзным преимуществом двигателя внешнего сгорания является бесшумность.

Она обусловлена тем, что в цилиндрах отсутствует детонация и нет необходимости в выводе отработавших газов. Особенно выделяется по этому параметру модификация «Бета». Её конструкция оснащена ромбовидным кривошипно-шатунным механизмом, который обеспечивает отсутствие вибраций во время работы. И, наконец, экологичность.

В цилиндрах двигателя отсутствуют процессы, способные негативно влиять на окружающую среду.

При выборе альтернативных источников тепла (энергии солнца) двигатель Стирлинга превращается в разновидность экологически чистого силового агрегата.

Недостатки двигателя внешнего сгорания

Массовый выпуск таких двигателей в настоящее время невозможен. Основная проблема — это материалоёмкость конструкции. Охлаждение рабочего тела двигателя требует установку радиаторов с большими объёмами. Вследствие этого увеличиваются размеры.

Использование сложных видов рабочего тела вроде водорода или гелия поднимает вопрос о безопасности двигателя. Теплопроводность и температурная стойкость должны быть на высоком уровне. Тепло к рабочему объёму поступает через теплообменники. Таким образом, часть тепла теряется по дороге.

При изготовлении теплообменники приходится использовать термостойкие металлы. При этом металлы должны быть устойчивы к высокому давлению. Все эти материалы стоят дорого и долго обрабатываются. Принципы изменения режимов двигателя внешнего сгорания сильно отличаются от традиционных. Требуется разработка специальных управляющих устройств.

Изменение мощности вызывается изменением давления в цилиндрах и угла фаз между вытеснителем и силовым поршнем. Также можно изменить ёмкость полости с рабочим телом.

Примеры реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Работоспособные модели такого двигателя были выпущены в свет, несмотря на все сложности изготовления. В 50 года XX века у автомобилестроительных компаний появилась заинтересованность в этой разновидности силового агрегата. В основном реализацией двигателей Стирлинга на автомобилях занимались Ford Motor Company и Volkswagen Group.

Шведская компания UNITED STIRLING разработала такой двигатель, в котором разработчики старались чаще использовать серийные агрегаты и узлы (коленвал, шатуны). Был разработан четырёхцилиндровый V-образный двигатель, обладавший удельной массой 2,4 кг/кВт. Аналогичной массой обладает компактный дизель.

Двигатель попробовали устанавливать на семитонные грузовые фургоны.

Наиболее выделяющимся успешным образцом стал Philips 4-125DA, доступный для установки на легковые автомобили. Рабочая мощность двигателя составляла 173 лошадиных силы. Размеры несильно отличались от обычного бензинового ДВС.

Компания General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель внешнего сгорания с серийным кривошипно-шатунным механизмом. В 1972 году ограниченная версия автомобилей Ford Torino оснащалась таким двигателем.

Причём расход топлива снизился на целых 25 % по сравнению с предыдущими моделями.

Сегодня несколько зарубежных компаний пытаются совершенствовать конструкцию этого двигателя с целью адаптации для серийного производства и установки на легковые автомобили.

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

Выводы

В случае, если недостатки двигателя внешнего сгорания будут устранены, то этот вид силового агрегата придёт на смену ДВС и даже электромоторам.

Но ввиду высокой стоимости материалов, сложности их обработки и громоздкости конструкции, двигатель внешнего сгорания пока не может выпускаться массово.

Возможно, когда-нибудь будут разработан дешёвый жаростойкий и устойчивый к давлению материал, который будет использоваться при изготовлении двигателя Стирлинга, а пока вся конструкция обходится производителям гораздо дороже, чем обычный ДВС. Удачи и лёгких дорог!

(Пока оценок нет) Загрузка…

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.
  • Сверхнизкие температуры. Для сжижения газов такие моторы очень эффективны. Их использование более выгодное, чем турбинные устройства. Также двигатель Стирлинга применяется в устройствах для охлаждения датчиков точных приборов.
  • Солнечные электростанции. Электрическую энергию можно получать путем преобразования энергии солнца. Для этого могут применяться двигатели Стирлинга, которые устанавливают в фокус зеркала так, чтобы место нагрева непрерывно освещалось лучами солнца. Отражатель управляется по мере перемещения солнца, энергия которого концентрируется на малой площади. При этом происходит отражение излучения зеркалами около 92%. Рабочим телом двигателя служит чаще всего гелий или водород.
  • Аккумуляторы тепла. С помощью устройства Стирлинга можно резервировать тепловую энергию, используя теплоаккумуляторы на основе расплавов солей. Такие устройства имеют запас энергии, превосходящий химические аккумуляторы, и имеют меньшую стоимость. Применяя для регулировки мощности увеличение и уменьшение угла фазы между двумя поршнями, можно накапливать механическую энергию, осуществляя торможение двигателя. При этом двигатель служит тепловым насосом.
  • Автомобилестроение. Несмотря на сложности, существуют действующие модели мотора Стирлинга, использующиеся для автомобилей. Заинтересованность в таком двигателе, подходящем для автомобиля, возникла еще в прошлом веке. Разработки в этом направлении проводили английские и немецкие автоконцерны. В Швеции также был разработан двигатель Стирлинга, в котором применялись унифицированные серийные агрегаты и узлы. В результате получился 4-цилиндровый мотор, параметры которого сравнимы с характеристиками небольшого дизельного двигателя. Этот двигатель был успешно испытан в качестве силового агрегата для многотонного грузовика.

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.

Похожие темы:

Помогла статья? Оцените её
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд
Загрузка...
Добавить комментарий