Двигатели Стирлинга могут использоваться там, где требуются простые, компактные теплообменники или где эффективность других типов тепловых двигателей низка. Например, когда разница температур в газовой или паровой турбине недостаточна.
Мощный двигатель Стирлинга
Новые двигатели в современной автомобильной промышленности почти достигли своего пика, и, похоже, нет других областей для совершенствования. Установка турбокомпрессора на двигатель внутреннего сгорания увеличивает выходную мощность, но сокращает срок службы двигателя. Логично, что двигатель меньше и потребляет столько же энергии, сколько и более крупный двигатель без турбины. Автомобильные инженеры начинают рассматривать все возможные направления в разработке двигателей. Одни разрабатывают супертопливо, другие ищут нетрадиционные конструкции двигателей, третьи планируют создать современный двигатель на основе двигателя Роберта Стирлинга, созданного в 19 веке. В настоящее время камеры внутреннего сгорания доступны для продажи, а двигатели Стирлинга можно приобрести на aliexpress.
Двигатель Стирлинга — это устройство, преобразующее внешнюю энергию в полезную механическую энергию. Это достигается путем изменения температуры жидкости или газа, циркулирующего в замкнутой системе двигателя.
Любой человек, понимающий законы физики, может легко понять, как работает двигатель. В случае с этим силовым агрегатом его геометрия выглядит следующим образом. В нижней части устройства находится воздух или другой газ, который нагревается и расширяется, толкая плунжер. Затем горячий воздух поступает в верхнюю часть двигателя и охлаждается радиатором. Когда избыточное давление, толкающее плунжер вниз, уменьшается и плунжер опускается, воздух снова нагревается и плунжер поднимается. Таким образом, цикл повторяется.
Три основных варианта двигателя Стирлинга
Альфа-коррекция.
Конструкция двигателя предусматривает наличие поршня горячего цилиндра и поршня холодного цилиндра. Горячий плунжер толкается расширением воздуха, а холодный плунжер находится в системе охлаждения и перемещается охлаждающим воздухом.
Бета-модификация.
Эта конструкция предполагает, что цилиндр и поршень нагреваются с одной стороны и охлаждаются с другой. Поршень толкает в холодную сторону, а расширитель толкает в теплую сторону. Регенератор передает холодный воздух в горячий рабочий объем цилиндра.
Гамма-коррекция.
Эта версия состоит из двух цилиндров и поршня. Он оснащен регенератором рециркуляции газа. Один цилиндр является горячим с одной стороны и холодным с другой и содержит поршень и жиклер. Второй цилиндр полностью холодный и содержит только поршень.
Плюсы двигателя Стирлинга
Главное преимущество этого типа силовой установки в том, что она может работать на различных видах топлива. Следующие были проверены на практике. Сначала во внешнюю камеру установки подавался бензин, затем дизельное топливо, затем метан, затем сырая нефть и растительное масло. Все это было сделано без остановки двигателя, который продолжал работать в нормальном режиме.
Еще одно важное преимущество по сравнению с обычными двухтактными или четырехтактными двигателями внутреннего сгорания заключается в том, что двигатели Стирлинга не требуют дополнительных компонентов, таких как механизмы синхронизации, коробки передач или стартеры.
Двигатели Стирлинга могут работать более 100 000 часов без остановки.
Важным преимуществом является их бесшумная работа. Такие двигатели не требуют удаления выхлопных газов. Двигатель никогда не воспламеняется, вибрация очень слабая.
Бета-конструкция двигателя
Экологическое преимущество заключается в том, что двигатель является экологически чистым. Другими словами, они являются экологически чистыми.
Если после прочтения нашей статьи вы захотите купить двигатель внешнего сгорания, не бегите в ближайший магазин, к сожалению, он не продается…
История создания
В 1816 году шотландец Роберт Стирлинг запатентовал тепловой двигатель. Тепловой двигатель теперь носит имя своего создателя. Однако он не знал о тепловых воздушных двигателях. Однако Стирлинг был первым сознательным проектировщиком, создавшим такую машину. Он усовершенствовал систему, добавив очиститель, известный в технической литературе как теплообменник. Это значительно улучшило работу двигателя и сохранило его более теплым. Поскольку он никогда не взрывался, его считали самой долговечной моделью своего времени.
Несмотря на столь быстрый успех в продвижении модели, в начале 20 века от дальнейшей разработки двигателя внешнего сгорания отказались из-за его дороговизны в пользу двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации
Принцип работы тепловых двигателей заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии требуется значительное механическое усилие. В качестве практического примера можно привести эксперимент с двумя емкостями, наполненными соответственно холодной и горячей водой. Бутылку с завинчивающейся крышкой погружают в холодную воду. Затем бутылка переносится в горячую воду. При перемещении цилиндра газы в цилиндре совершают механическую работу и выталкивают пробку из горлышка. Первые двигатели внешнего сгорания работали точно по такому же принципу. Однако позже создатели поняли, что часть вырабатываемого тепла можно использовать для отопления. Это только увеличило производительность машины. Чуть позже шведский инженер Эрикссон усовершенствовал конструкцию, внедрив идею охлаждения и нагрева газа при постоянном давлении, а не по объему. Это позволило машине «подняться в иерархии» и использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажа и машины установка оказалась очень тяжелой.
Эта диаграмма наглядно показывает рабочий цикл двигателя Стирлинга.
Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует подводимую извне тепловую энергию в полезную механическую работу. Этот процесс происходит путем изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в герметичном объеме. Гидравлическая жидкость нагревается в нижней части устройства, увеличивая свой объем и толкая поршень вверх. Горячий воздух поступает в верхнюю часть двигателя и охлаждается радиатором. Давление гидравлической жидкости снижается, поршень опускается, и весь цикл повторяется. Поскольку система полностью герметична, гидравлическая жидкость не расходуется и перемещается только в пределах цикла.
Существуют также двигатели с открытым циклом, в которых управление потоком осуществляется с помощью клапанов. Эти модели называются двигателями Ericsson. В целом, принцип работы двигателя внешнего сгорания аналогичен принципу работы двигателя внутреннего сгорания. При низких температурах он сжимается и наоборот. Однако способ, которым осуществляется нагрев, различен. Тепло в двигателе внешнего сгорания поступает извне через стенку цилиндра. Стирлинг предположил, что периодические изменения температуры используются в поршне вытеснителя. Этот поршень перемещает газ из одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживается низкая температура, а с другой — высокая. При движении поршня вверх газ перемещается из более горячей полости в более холодную. Вытеснительная система двигателя соединена с рабочим поршнем. Рабочий поршень сжимает газ при низких температурах и расширяет газ при высоких температурах. Сжатие при низких температурах — единственная удобная операция. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Между стадиями цикла нет особых границ. Это гарантирует, что эффективность двигателя Стирлинга не снижается.
Детали двигателя.
Теоретически, любой источник тепла (солнце, электричество, топливо) может обеспечить энергией двигатель внешнего сгорания. Принцип работы корпуса двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Идеальный цикл имеет максимально возможную тепловую эффективность. В этом случае эффективность составляет 30-40%. Эффективные регенераторы могут обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, замену и охлаждение в современных двигателях. Их преимущество — работа без масла. Как правило, двигатели практически не требуют смазки. Среднее давление в цилиндре составляет от 10 до 20 МПа. Они требуют отличной системы уплотнения и исключают возможность попадания масла в рабочую полость.
Преимущества двигателя внешнего сгорания
Этот тип двигателя неприхотлив к топливу, так как основой его работы является разница температур. Причина этой разницы температур не имеет значения. Двигатели Стирлинга просты по конструкции и не требуют дополнительных систем или навесного оборудования (стартер, редуктор). Несколько особенностей системы двигателя гарантируют длительный срок службы. Двигатель может непрерывно работать в течение примерно 100 000 часов. Еще одним существенным преимуществом двигателей внешнего сгорания является их бесшумность. Это объясняется тем, что в цилиндрах не происходит взрывов и не нужно выводить отработанные газы. Модификация ‘Beta’ особенно выделяется по этому параметру. В его конструкции предусмотрен ромбовидный кривошипный механизм, который обеспечивает отсутствие вибраций во время работы. И, наконец, экологические соображения. В цилиндре двигателя нет процессов, которые могли бы оказать негативное воздействие на окружающую среду.
Выбирая альтернативный источник тепла (солнечную энергию), двигатель Стирлинга становится своего рода экологически чистой силовой установкой.
Благодаря тому, что этот принцип внешнего сгорания сам по себе настолько интересен, сегодня лучшие инженеры и любители в США, Японии и Швеции работают над созданием новых моделей …
Как работает двигатель Стирлинга
Первое, что бросается в глаза, — это простота дизайна. Двигатель Стирлинга (бета-типа) состоит из двух поршней с рабочим объемом и приводом, маховика, охлаждающей рубашки (ребра) и теплообменного цилиндра. Для работы DS требуется источник тепла.
Операционный цикл проходит в четыре этапа
第一段階。 Воздух (или другой газ) у основания баллона нагревается. Нагретый воздух внутри создает давление, которое толкает рабочий поршень вверх. Вытесняющий поршень имеет одну важную особенность — неплотное прилегание к стенкам цилиндра.
Второй этап. Маховик приводится в действие (благодаря чему два поршня строго синхронизированы) и с помощью толкателя «посылает» вытеснительный поршень вниз, который, в свою очередь, выталкивает нагретый воздух вверх в камеру охлаждения.
Третий этап. Воздух в камере охлаждается и сжимается, позволяя рабочему поршню двигаться вниз.
Четвертый этап. Нагнетательный поршень движется вверх, одновременно выталкивая охлажденный воздух к основанию цилиндра, таким образом, цикл продолжается.
Плюсы и минусы
Первые промышленные DC использовались в качестве водяных насосов и литейных машин. К началу XX века на предприятиях Европы эксплуатировалось более 250 000 мотор-вентиляторов DS. Их КПД достигал 18%, что было почти на 10% выше, чем у паровозов.
И это не единственное преимущество двигателей Стирлинга. Как и все двигатели внешнего сгорания, они всеядны. Их топливное меню включает буквально «все, что горит» — от угля, древесины, мазута, мазута, природного газа до солнечного, геотермального и ядерного топлива.
Дизайн DS чрезвычайно прост. Он не требует дополнительных систем и стартера, так как двигатель запускается сам. Это обеспечивает длительный срок службы, который иногда измеряется сотнями тысяч часов непрерывной работы.
Двигатели Стирлинга очень экономичны и бесшумны, что впоследствии было использовано для создания двигателей подводных лодок.
Недостатком является то, что они очень требовательны к материалам. Кроме того, чтобы сделать двигатели Стирлинга конкурентоспособными с двигателями внутреннего сгорания, им необходимо «добавить» высокое (более 100 атмосфер — ред. Techcult.ru) давление и водород или гелий в качестве рабочего тела.
КПД ДК значительно снижается из-за того, что рабочее тело «получает» тепло через стенки теплообменника. Поскольку сам теплообменник должен работать в экстремальных условиях высокого давления и температуры, для его производства используются очень дорогие термостойкие материалы.
Управление скоростью довольно сложное. В частности, чтобы отрегулировать скорость вращения коленчатого вала, необходимо изменить температурный режим.
Виды двигателей
Семейство двигателей Стирлинга состоит из четырех типов — Альфа, Бета (описанный выше), Гамма и Роторный. Каждый из них имеет свои конструктивные особенности.
Alpha имеет два цилиндра, один из которых оснащен радиатором охлаждения, а нижний используется для нагрева. Поршни установлены в рабочих камерах обоих цилиндров. Усилия от поршневой группы передаются на коленчатый вал, который связан с поршнем и расширителем.
Конструкция двигателя Gamma характеризуется наличием двух цилиндров: один с радиатором охлаждения, поршнем и расширителем подвергается нагреву и охлаждению, а другой постоянно «охлаждается».
Роторно-поршневой дизельный двигатель не имеет камеры сгорания, что позволяет уменьшить габаритные размеры системы привода. Благодаря такой конструкции значительно повышается герметичность рабочей камеры.
Однако в начале двадцатого века на смену ДК пришел серьезный конкурент — двигатель внутреннего сгорания, который смог надолго «отправить на пенсию» своего предшественника благодаря более высокому КПД.
