Двигатели стирлинга принципы работы

Двигатель стирлинга. 100 000 часов непрерывной работы.

Всем привет. Из своих личных наблюдений я заметил, что людей, знающих основы работы 4-ёх тактного двигателя внутреннего сгорания больше, чем людей, знающих принципы окислительных реакций в организме человека. Но почему-то о таком мастодонте двигательной индустрии как двигатель Стирлинга или двигатель внешнего сгорания, знает мало кто. Сегодня мы этот пробел и восполним. А для ленивых как всегда есть видео.

Для начала совсем немного истории. Патент на данный двигатель принадлежит Шотландскому священнику Роберту Стирлингу, и получил он его более двухсот лет назад в 1816-м году. Идея подобных двигателей была не нова. Но именно Стирлинг дополнил его особым приспособлением, которое сам называл «Эконом», а в современной литературе его обзывают «регенератор».

Идея сделать двигатель мучала Роберта из-за альтруистических побуждений. Ему было жалко рабочих, которые гибли словно мухи при взрывах распространённых на тот момент паровых двигателей. А взрывались они достаточно часто и сильно, да ещё и паром обжигали всех подряд. Вот такой был хороший дядечка. Ну а теперь давайте попробуем разобраться в принципе работы двигателя Стирлинга. (на этом моменте всё же порекомендовал бы посмотреть видео, там наверно понятней будет)

Для начала возьмём цилиндр схожий с консервной банкой, запаянный снизу, а сверху поместим в него плотно прилегающий поршень. Затем начнём этот цилиндр нагревать, огнём например. Температура воздуха повышается, давление растёт, и начинает толкать поршень вверх.

Казалось бы что всё хорошо, но мы понимаем, что для обеспечения цикличности работы, нужно воздух охладить и снова сжать. Поэтому поднимаясь, поршень оголяет место подальше от источника огня, в котором мы поставим вокруг цилиндра радиаторы.

Но вот загвоздка, Воздух циркулирует слишком медленно внутри цилиндра, и не хочет подниматься вверх сам по себе, чтобы там охладится. Для этого в двигателях Стирлинга, есть второй поршень. Он не герметично расположен внутри цилиндра, а его цель просто перемешать воздух.

Когда внешний поршень максимально оголяет радиаторы, внутренний поршень занимает полость внизу – поближе к источнику огня, заставляя воздух перемещаться к радиаторам и охлаждаться. После этого внешний поршень сжимает уже охлаждённый газ, а внутренний поршень поднимается и освобождает место у огня. Далее цикл повторяется.

Этот самый радиатор и есть придумка Стирлинга, которая называется регенератор.

В целом это всё. Остальное частности. Конечно, есть много других модификаций двигателя Стирлинга, но для понимания принципа его работы этого достаточно.

В XIX веке двигатель активно использовали, а труды Роберта продолжил его брат Джеймс Стирлинг. Создав в 1843 году, на заводе Philips двигатель мощностью в 200 лошадиных сил. Затем, к началу ХХ века, одеяло первенство перетянули окончательно и бесповоротно двигатели внутреннего сгорания, которыми мы с вами сейчас и пользуемся.

Но многие компании, в том числе Philips и General Motors, продолжали создавать как прототипы, так и действующие модели этих двигателей, а шведы так и вообще наладили их производство и все подводные лодки ВМФ Швеции оборудованы именно «стирлингами». Давайте попробуем разобраться, почему их забросили в начале века, и для чего к ним возвращаются вновь.

Почему на замену «стирлингам» пришли двигателя внутреннего сгорания понять нетрудно, просто на тот момент они были более экономичные и выдавали большую мощность. Но технологии не стояли на месте, выдумывались новые сплавы и материалы. Это положительно сказывалось на производительности двигателей. Но все как-то уже привыкли к ДВС, и не хотели возвращаться к «стирлингам».

А вот компания Philips решила вернуться, и с 40 годов прошлого века вела довольно активные разработки в этом направлении. Их двигатели были установлены в общественном транспорте в Швеции. Ну а теперь давайте посмотрим, чем же двигатель Стирлинга лучше, чем старый добрый ДВС.

1. Двигатель работает без вибрации. Точнее она есть но её амплитуда в современных моделях составляет меньше 0,0000038 м (3,8 мкм). Говорят, что трудно понять работает двигатель или нет, даже если прикоснутся к нему ладонью.

2. Современные «стирлинги» имеют потенциальный и практический КПД выше, чем ДВС. Да что там говорить, вы только представьте, современный бензиновый двигатель, имеет КПД, 20-25 процентов. Это значит, что из каждых 10 заправленных вами литров бензина, только 2 литра работают, остальные просто греют воздух. А Джеймс Стирлинг смог достигнуть фантастического КПД в 30% почти 200 лет назад, в 1834.

Читайте также:  Схемы подключения трехфазных двигателей в однофазную цепь

3. Двигатель имеет широкий диапазон изменения частоты вращения, что позволяет использовать более простую коробку передач. 2-3 передачи.

4. Практически отсутствует расход масла, необходимость в его замене появляется крайне редко.

5. Из-за того, что внутри двигателя ничего не взрывается, у него гораздо выше ресурс работы. Простота конструкции и отсутствие многих «нежных» узлов позволяет «стирлингу» обеспечить небывалый для других двигателей запас работоспособности в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.

6. Двигатель неприхотлив, и не боится грязи, пыли или любых солей в воздухе.

7. Ну и конечно всеядность двигателя. От сушёного навоза до урана. Неважно что в него заправлять. Главное, чтобы температура у нагревателя была больше, чем у охладителя.

Так же отдельно отмечу такую вещь как экологичность двигателя. В «стирлингах» проще выжечь всё топливо, тогда как в ДВС, этого сделать нельзя, приходится использовать различного рода каталитические нейтрализаторы (автолюбители их называют катализаторы).

Ну и почему же тогда при всех этих невероятных достоинствах, мы все ещё до сих пор не используем «стирлинги», спросите вы. Ну, потому что у них, конечно, есть недостатки, куда же без них. Первый и наверно самый главный недостаток — это их цена. В производстве они дороже, чем испытанные практикой ДВС. Они большие – это ещё один недостаток. Никак пока не получается сделать миниатюрную модель, с хорошим КПД, и высокой мощностью. Да и вообще отношение килограмма массы двигателя к выдаваемой мощности пока оставляет желать лучшего.

Так же очень спорный момент конструкции двигателя. Дело в том, что простую, но работающую модель «стирлинга» можно собрать дома в прямом смысле слова из консервных банок и воздушных шариков. Разумеется, КПД такой модели никогда не приблизится к промышленной, но всё же простота поражает. С другой стороны, конкурентоспособная модель двигателя собирается из очень дорогих сплавов и материалов, да и сам процесс довольно трудозатратен. Вместо воздуха, например используют водород или гелий под давлением более 100 атм.

Ну и пару слов в формате «чуть не случилось». В 60-70-е годы национальный институт сердца США спонсировал исследовательские работы по созданию искусственного сердца, в виде миниатюрного двигателя Стирлинга. В качестве источника питания выступал радиоактивный изотоп, излучающий в основном альфа-частицы (самый безвредный вид радиации). Но в последствии проект свернули.

NASA, всё заявляет о том что разработали двигатель Стирлинга на изотопах плутония 238. Установка весом всего в 1,3 кг, способна работать несколько лет. Правда мощность этого прототипа постоянно меняется. В 2012 году они говорили о 140 ватах. Теперь только 80. В качестве основного источника питания этот двигатель не используется, а вот как дополнительный уже не раз бывал на орбите.

На этом у меня всё, спасибо что дочитали. Всем бобра.

Источник

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

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.

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.

Читайте также:  Двигатель работает автомобиль не трогается

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.

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.

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.

Читайте также:  Какой двигатель поставить на лодку 380

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.

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!

Источник

Adblock
detector