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

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, созданный в начале XIX века, сохраняет актуальность благодаря высокой эффективности и экологической чистоте. В этой статье рассмотрим устройство и принципы работы этого двигателя, а также три его модификации, которые могут быть применены в современных технологиях. Понимание работы двигателя Стирлинга и его возможностей поможет оценить перспективы его использования в различных отраслях, включая автомобилестроение, что важно в условиях растущих требований к экологичности и энергоэффективности.

История создания

В 1816 году шотландец Роберт Стирлинг получил патент на тепловую машину, которая впоследствии стала известна под его именем. Однако концепция двигателей, работающих на горячем воздухе, была разработана задолго до него. Тем не менее, именно Стирлинг осуществил первый целенаправленный проект по созданию такого устройства.

Он улучшил конструкцию, добавив в неё очиститель, который в технической терминологии называется теплообменником. Это нововведение значительно повысило эффективность работы мотора, так как позволяло ему сохранять тепло. Данная модель была признана самой надежной своего времени, так как не имела случаев взрывов.

Несмотря на стремительный успех этой модели, в начале XX века от дальнейшего развития двигателей внешнего сгорания отказались, предпочтя более экономичные двигатели внутреннего сгорания.

https://youtube.com/watch?v=4iR0fC3ROuU

Двигатель Стирлинга представляет собой уникальное устройство, использующее принцип внешнего сгорания для преобразования тепловой энергии в механическую работу. Эксперты отмечают, что его конструкция включает два цилиндра, заполненных рабочим газом, который перемещается между ними, нагреваясь и охлаждаясь. Это позволяет двигателю работать на различных источниках тепла, включая солнечную энергию и биомассу.

Среди модификаций двигателя выделяются α-тип, β-тип и γ-тип. α-тип отличается простотой конструкции и высокой мощностью, что делает его идеальным для маломощных приложений. β-тип, в свою очередь, обеспечивает более компактные размеры и высокую эффективность, что делает его популярным в системах отопления. γ-тип, обладая сложной конструкцией, позволяет достичь высокой производительности и используется в промышленных установках. Эксперты подчеркивают, что двигатели Стирлинга имеют большой потенциал для устойчивого развития и могут сыграть важную роль в переходе к экологически чистым технологиям.

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.

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.

Интересные факты

Вот несколько интересных фактов о двигателе Стирлинга:

1. Принцип работы: Двигатель Стирлинга работает по циклу, который включает в себя нагрев и охлаждение газа, что приводит к его расширению и сжатию. Этот процесс позволяет двигателю преобразовывать тепловую энергию в механическую работу с высокой эффективностью. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, в двигателе Стирлинга нет процесса сгорания топлива внутри цилиндров, что делает его более экологически чистым.

2. Разнообразие модификаций: Существует несколько модификаций двигателя Стирлинга, включая:

   • α-тип: имеет два цилиндра, один из которых служит для нагрева, а другой — для охлаждения. Это наиболее распространённая конфигурация.
   • β-тип: использует один цилиндр и один поршень, который перемещается в одном направлении, а второй поршень (или мембрана) перемещается в другом направлении. Это позволяет упростить конструкцию.
   • γ-тип: сочетает в себе элементы α- и β-типов, имея два поршня и один цилиндр, что позволяет достичь хорошей производительности и компактности.

3. Применение в альтернативной энергетике: Двигатели Стирлинга находят применение в солнечных энергетических системах, где они используют солнечное тепло для генерации электроэнергии. Такие системы могут быть очень эффективными и экологически чистыми, что делает их привлекательными для использования в условиях, где доступ к традиционным источникам энергии ограничен.

Некоторые детали работы двигателя

В теории любой источник тепла, будь то солнечная энергия, электричество или топливо, способен обеспечить работу двигателя внешнего сгорания. Основной принцип функционирования таких двигателей заключается в использовании гелия, водорода или воздуха в качестве рабочего тела. Идеальный термический цикл демонстрирует максимальную эффективность, достигая коэффициента полезного действия (КПД) в диапазоне от 30 до 40 %. Использование эффективного регенератора может повысить этот показатель. В современных двигателях встроенные теплообменники обеспечивают процессы регенерации, обмена и охлаждения. Одним из их преимуществ является возможность работы без масел, хотя небольшое количество смазки все же требуется. Среднее давление в цилиндрах колеблется от 10 до 20 МПа, что требует надежной уплотнительной системы и возможности попадания масла в рабочие камеры.

Согласно теоретическим расчетам, эффективность двигателя Стирлинга значительно зависит от температуры и может достигать 70 %. Первые образцы этого двигателя, изготовленные из металла, имели низкий КПД из-за неэффективных теплоносителей, которые ограничивали максимальную температуру нагрева, а также отсутствия материалов, способных выдерживать высокое давление. В середине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний показал КПД более 35 % при использовании водного теплоносителя и температуре 55 градусов по Цельсию. Дальнейшее усовершенствование конструкции в некоторых экспериментальных моделях позволило достичь почти 39 % КПД. Современные бензиновые двигатели аналогичной мощности, как правило, имеют КПД в пределах 28 — 30 %, в то время как турбированные дизели достигают около 35 %. Наиболее современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, демонстрируют эффективность до 43 %.

С освоением жаропрочной керамики и других инновационных материалов открываются новые возможности для повышения температуры рабочей среды, что может привести к достижению КПД до 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 данном типе двигателя цилиндр, в котором находится поршень, с одной стороны подвергается нагреву, а с другой — охлаждению. Внутри цилиндра перемещаются вытеснитель и силовой поршень. Вытеснитель отвечает за изменение объёма рабочего газа, в то время как регенератор осуществляет возврат остывшего рабочего вещества в нагретую часть 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.

https://youtube.com/watch?v=Kw0g8qT3lwM

Преимущества двигателя внешнего сгорания

Этот тип двигателей отличается неприхотливостью в отношении топлива, так как его работа основана на температурных колебаниях. Причины этих колебаний не имеют особого значения. Двигатель Стирлинга обладает простой конструкцией и не требует дополнительных систем или вспомогательного оборудования, таких как стартер или трансмиссия. Некоторые характеристики этого устройства обеспечивают его длительный срок службы: он способен функционировать без перерыва на протяжении около ста тысяч часов. Ещё одним значительным плюсом двигателя внешнего сгорания является его бесшумная работа. Это связано с тем, что в цилиндрах отсутствует детонация, и нет необходимости в удалении отработанных газов. Особенно выделяется модификация «Бета», которая оснащена ромбовидным кривошипно-шатунным механизмом, что позволяет избежать вибраций во время работы. И, наконец, стоит отметить его экологичность. В цилиндрах двигателя не происходят процессы, способные негативно сказаться на окружающей среде.

При использовании альтернативных источников тепла, таких как солнечная энергия, двигатель Стирлинга становится примером 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.

https://youtube.com/watch?v=mYy1rloNjGc

Примеры реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Рабочие модели данного типа двигателя были созданы, несмотря на все трудности, связанные с их производством. В 50-х годах XX века автопроизводители начали проявлять интерес к этому виду силовых агрегатов. В основном, разработкой и внедрением двигателей Стирлинга в автомобилях занимались компании Ford Motor Company и Volkswagen Group. Шведская фирма UNITED STIRLING разработала двигатель, в котором акцент был сделан на использование серийных компонентов и узлов, таких как коленчатый вал и шатуны. В результате был создан четырёхцилиндровый V-образный двигатель с удельной массой 2,4 кг/кВт, что сопоставимо с массой компактного дизельного двигателя. Этот двигатель пробовали устанавливать на семитонные грузовые фургоны.

Одним из наиболее заметных успешных образцов стал Philips 4-125DA, который можно было устанавливать на легковые автомобили. Его рабочая мощность достигала 173 лошадиных сил, а размеры были схожи с традиционными бензиновыми двигателями.

Компания General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель с внешним сгоранием, использующий серийный кривошипно-шатунный механизм. В 1972 году ограниченная серия автомобилей Ford Torino была оснащена таким двигателем, что позволило снизить расход топлива на 25% по сравнению с предыдущими моделями. В настоящее время несколько зарубежных компаний продолжают работать над улучшением конструкции этого двигателя, стремясь адаптировать его 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!

Перспективы развития и применения двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга, благодаря своей уникальной конструкции и принципу работы, обладает значительным потенциалом для применения в различных областях. В последние годы наблюдается возрождение интереса к этому типу двигателя, что связано с глобальными тенденциями в области устойчивого развития и поиска альтернативных источников энергии.

Одним из ключевых направлений развития двигателя Стирлинга является его использование в качестве источника энергии для возобновляемых источников, таких как солнечная энергия. Солнечные установки, использующие двигатели Стирлинга, могут эффективно преобразовывать солнечную теплоту в механическую энергию, что делает их привлекательными для применения в солнечных электростанциях. Такие системы способны работать даже при низких температурах, что расширяет их область применения.

Кроме того, двигатели Стирлинга находят применение в области когенерации, где одновременно производится электрическая и тепловая энергия. Это особенно актуально для промышленных предприятий и жилых комплексов, где существует потребность в обоих типах энергии. Использование двигателя Стирлинга в когенерационных системах позволяет значительно повысить общую эффективность использования топлива и снизить выбросы углекислого газа.

В последние годы также наблюдается рост интереса к использованию двигателей Стирлинга в транспортных средствах. Хотя на данный момент они не получили широкого распространения, некоторые компании разрабатывают прототипы автомобилей, работающих на основе этого типа двигателя. Преимущества, такие как высокая эффективность и низкий уровень выбросов, делают их перспективными для использования в гибридных и электрических транспортных средствах.

Не менее важным направлением является использование двигателей Стирлинга в маломощных генераторах и автономных системах. Они могут служить источником энергии для удалённых объектов, таких как метеостанции, научные станции или даже жилые дома в отдалённых районах. Благодаря своей способности работать на различных источниках тепла, включая биомассу и отходы, двигатели Стирлинга могут стать важным элементом в системе распределённой генерации энергии.

Несмотря на все преимущества, двигатели Стирлинга сталкиваются с определёнными вызовами, такими как высокая стоимость производства и сложность конструкции. Однако с развитием технологий и материалов, а также с увеличением интереса к устойчивым источникам энергии, можно ожидать, что в будущем двигатели Стирлинга займут более значительное место на рынке энергетических технологий.

Таким образом, перспективы развития и применения двигателя Стирлинга выглядят многообещающе. С учетом глобальных изменений в энергетическом ландшафте и растущего спроса на экологически чистые технологии, этот тип двигателя может стать важным инструментом в переходе к более устойчивым и эффективным системам энергоснабжения.

Вопрос-ответ

Каковы основные принципы работы двигателя Стирлинга?

Двигатель Стирлинга работает по циклу, который включает в себя нагрев и охлаждение рабочего газа, что приводит к изменению его объема и давления. Основные этапы работы включают нагрев газа в горячем пространстве, его расширение, перемещение в холодное пространство, охлаждение и сжатие, после чего цикл повторяется. Это позволяет двигателю эффективно преобразовывать тепловую энергию в механическую.

Какие преимущества имеет двигатель Стирлинга по сравнению с другими типами двигателей?

Двигатель Стирлинга обладает несколькими преимуществами, включая высокую эффективность, низкий уровень выбросов и возможность работы на различных источниках тепла, таких как солнечная энергия, биомасса или отходы. Кроме того, он работает бесшумно и требует минимального обслуживания, что делает его привлекательным для использования в различных приложениях.

Каковы основные модификации двигателя Стирлинга?

Существует несколько модификаций двигателя Стирлинга, среди которых наиболее распространены: одноцилиндровый, многопоршневой и регенеративный двигатели. Одноцилиндровый двигатель прост в конструкции и подходит для небольших приложений, многопоршневой обеспечивает большую мощность и эффективность, а регенеративный двигатель использует тепло, выделяющееся при работе, для повышения общей эффективности цикла.

Советы

СОВЕТ №1

Изучите основные принципы работы двигателя Стирлинга, чтобы лучше понять его преимущества и недостатки по сравнению с другими типами двигателей. Это поможет вам оценить его эффективность в различных приложениях.

СОВЕТ №2

Обратите внимание на различные модификации двигателя Стирлинга, такие как α, β и γ-тип. Каждая из них имеет свои особенности и области применения, что может быть полезно при выборе подходящей модели для ваших нужд.

СОВЕТ №3

Если вы планируете использовать двигатель Стирлинга в своих проектах, рассмотрите возможность создания прототипа. Это даст вам практическое понимание его работы и поможет выявить возможные проблемы на ранних этапах.

СОВЕТ №4

Следите за новыми разработками и исследованиями в области двигателей Стирлинга. Технологии постоянно развиваются, и новые решения могут значительно улучшить эффективность и производительность этих двигателей.