Екологія потребленія.Наука і техніка: Мотор Стірлінга найчастіше застосовується в ситуаціях, коли потрібно апарат для перетворення теплової енергій, що відрізняється простотою і ефективністю.
Менш ста років тому двигуни внутрішнього згоряння намагалися завоювати своє законне місце в конкурентній боротьбі серед інших наявних машин і механізмів, що рухаються. При цьому в ті часи перевагу бензинового двигуна не було настільки очевидним. існуючі машини на парових двигунах відрізнялися безшумністю, чудовими для того часу характеристиками потужності, простотою обслуговування, можливістю використання різного виду палива. У подальшій боротьбі за ринок двигуни внутрішнього згоряння завдяки своїй економічності, надійності і простоті взяли верх.
Подальша гонка за вдосконалення агрегатів і рушійних механізмів, в яку в середині 20 століття вступили газові турбіни та роторні різновиди двигунів, привела до того, що незважаючи на верховенство бензинового двигуна були зроблені спроби ввести на «ігрове поле» абсолютно новий вид двигунів - теплової, вперше винайдений в далекому 1861 році шотландським священиком на ім'я Роберт Стірлінг. Двигун отримав назву свого творця.
Двигун Стірлінга: ФІЗИЧНА БІК ПИТАННЯ
Для розуміння, як працює настільна електростанція на Стірлінг, слід розуміти загальні відомості про принципи роботи теплових двигунів. Фізично принцип дії полягає в використанні механічної енергії, яка виходить при розширенні газу при нагріванні і його подальшому стисненні при охолодженні. Для демонстрації принципу роботи можна привести приклад на основі звичайної пластикової пляшки і двох каструль, в одній з яких знаходиться холодна вода, в іншій гаряча.
При опусканні пляшки в холодну воду, Температура якої близька до температури утворення льоду при достатньому охолодженні повітря всередині пластикової ємності її слід закрити пробкою. Далі, при приміщенні бутлі в окріп, через деякий час пробка з силою «вистрілює», оскільки в даному випадку нагрітим повітрям була здійснена робота в багато разів більша, ніж відбувається при охолодженні. При багаторазовому повторенні досвіду результат не змінюється.
Перші машини, які були побудовані з використанням двигуна Стірлінга, з точністю відтворювали процес, що демонструються в досвіді. Природно механізм вимагав удосконалення, що полягає в застосуванні частини тепла, яке втрачав газ в процесі охолодження для подальшого підігріву, дозволяючи повертати тепло газу для прискорення нагрівання.
Але навіть застосування цього нововведення не могло врятувати стан справ, оскільки перші «Стірлінг» відрізнялися великими розмірами при малій потужності, що виробляється. Надалі не раз робилися спроби модернізувати конструкцію для досягнення потужності в 250 к.с. приводили до того, що при наявності циліндра діаметром 4,2 метра, реальна вихідна потужність, яку видавала електростанція на Стірлінг (Stirling) в 183 кВт на ділі становила всього 73 кВт.
Всі двигуни Стірлінга працюють за принципом циклу Стірлінга, що включає в себе чотири основні фази і дві проміжні. Основними є нагрів, розширення, охолодження і стиснення. Як стадії переходу розглядаються перехід до генератора холоду і перехід до нагрівального елементу. Корисна робота, що здійснюються двигуном, будується виключно на різниці температур нагревающей і охолоджуючої частин.
СУЧАСНІ конфігурації Стірлінга
Сучасна інженерія розрізняє три основних види подібних двигунів:
- альфа-стірлінг, відмінність якого в двох активних порушених, розташованих в самостійних циліндрах. З усіх трьох варіантів дана модель відрізняється самої високою потужністю, Володіючи найвищою температурою нагрівається поршня;
- бета-стірлінг, що базується на одному циліндрі, одна частина якого гаряча, а друга холодна;
- гамма-стірлінг, що має крім поршня ще й витіснювач.
Виробництво електростанції на Стірлінг буде залежати від вибору моделі двигуна, що дозволить врахувати всю позитивні і негативні сторони подібного проекту.
ПЕРЕВАГИ І НЕДОЛІКИ
завдяки своїм конструктивними особливостями дані двигуни мають ряд переваг, але при цьому не позбавлені недоліків.
Настільна електростанція Стірлінга, купити яку неможливо в магазині, а тільки у любителів, самостійно здійснюють збір подібних пристроїв, відносяться:
- великі розміри, які викликані потребою до постійного охолодження працюючого поршня;
- використання високого тиску, що потрібно для поліпшення характеристик і потужності двигуна;
- втрата тепла, яка відбувається за рахунок того, що виділяється тепло передається не на саме робоче тіло, а через систему теплообмінників, чий нагрів призводить до втрати ККД;
- різке зниження потужності вимагає застосування особливих принципів, що відрізняються від традиційних для бензинових двигунів.
Поряд з недоліками, у електростанцій, які функціонують на агрегатах Стірлінга, є незаперечні плюси:
- будь-який вид палива, оскільки як будь-які двигуни, що використовують енергію тепла, даний двигун здатний функціонувати при різниці температур будь-якого середовища;
- економічність. Дані апарати можуть стати прекрасною заміною парових агрегатів у випадках необхідності переробки енергії сонця, видаючи КПДна 30% вище;
- екологічна безпека. Оскільки настільна електростанція кВт не створює вихлопного моменту, то вона не виробляє шуму і не викидає в атмосферу шкідливих речовин. У вигляді джерела отримання потужності виступає звичайне тепло, а паливо вигоряє практично повністю;
- конструктивна простота. Для своєї роботи Стірлінг не потребуватиме додаткових деталей або пристосувань. Він здатний самостійно запускатися без використання стартера;
- підвищений ресурс працездатності. Завдяки своїй простоті, двигун може забезпечити не одну сотню годин безперервної експлуатації.
ОБЛАСТІ ЗАСТОСУВАННЯ двигуна Стірлінга
Мотор Стірлінга найчастіше застосовується в ситуаціях, коли потрібно апарат для перетворення теплової енергій, що відрізняється простотою, при цьому ефективність інших видів теплових агрегатів істотно нижче за аналогічних умов. Дуже часто подібні агрегати застосовуються в харчуванні насосного обладнання, холодильних камер, підводних човнів, батарей, які акумулюють енергію.
Одним з перспективних напрямків галузі використання двигунів Стірлінга є сонячні електростанції, оскільки даний агрегат може успішно застосовуватися для того, щоб перетворювати енергію сонячних променів в електричну. Для здійснення цього процесу двигун поміщається в фокус дзеркала, який акумулює сонячні промені, що забезпечує перманентне освітлення області, що вимагає нагріву. Це дозволяє сфокусувати сонячну енергію на малій площі. Паливом для двигуна в даному випадку служить гелії або водень. опубліковано
Всього близько ста років тому двигунів внутрішнього згоряння довелося в жорстокій конкурентній боротьбі завойовувати те місце, яке вони займають в сучасному автомобілебудуванні. Тоді їх перевага аж ніяк не представлялося настільки очевидним, як в наші дні. Дійсно, парова машина - головний суперник бензинового мотора - мала в порівнянні з ним величезними перевагами: безшумністю, простотою регулювання потужності, прекрасними тяговими характеристиками і вражаючою «всеїдністю», що дозволяє працювати на будь-якому виді палива від дров до бензину. Але в кінцевому підсумку економічність, легкість і надійність двигунів внутрішнього згоряння взяли верх і змусили примиритися з їх недоліками, як з неминучістю.
У 1950-х роках з появою газових турбін і роторних двигунів почався штурм монопольного становища, займаного двигунами внутрішнього згоряння в автомобілебудуванні, штурм, до сих пір не увінчався успіхом. Приблизно в ті ж роки робилися спроби вивести на сцену новий двигун, В якому вражаюче поєднується економічність і надійність бензинового мотора з безшумністю і "всеїдністю" парової установки. Це - знаменитий двигун зовнішнього згоряння, Який шотландський священик Роберт Стірлінг запатентував 27 вересня 1816 роки (англійський патент № 4081).
фізика процесу
Принцип дії всіх без винятку теплових двигунів заснований на тому, що при розширенні нагрітого газу відбувається велика механічна робота, ніж потрібно на стиск холодного. Щоб продемонструвати це, досить пляшки і двох каструль з гарячою і холодною водою. Спочатку пляшку опускають в крижану воду, а коли повітря в ній охолоне, шийку затикають пробкою і швидко переносять в гарячу воду. Через кілька секунд лунає бавовна і нагрівається в пляшці газ виштовхує пробку, здійснюючи механічну роботу. Пляшку можна знову повернути в крижану воду - цикл повториться.
в циліндрах, порушених і хитромудрих важелях першої машини Стірлінга майже в точності відтворювався цей процес, поки винахідник не збагнув, що частина тепла, забирає в газу при охолодженні, можна використовувати для часткового підігріву. Потрібна лише якась ємність, в якій можна було б запасати тепло, забране у газу при охолодженні, і знову віддавати йому при нагріванні.
Але, на жаль, навіть це дуже важливе вдосконалення не врятувало двигун Стірлінга. До 1885 року досягнуті тут результати були дуже посередні: 5-7 відсотків к.к.д., 2 л. с. потужності, 4 тонни ваги і 21 кубометр займаного простору.
Двигуни зовнішнього згоряння не були врятовані навіть успіхом іншої конструкції, розробленої шведським інженером Еріксоном. На відміну від Стірлінга, він запропонував нагрівати і охолоджувати газ не при постійному обсязі, а при постійному тиску. 8 1887 році дещо тисяч невеликих Еріксоновському двигунів відмінно працювало в друкарнях, в будинках, на шахтах, на судах. Вони наповнювали водонапірні баки, приводили а дія ліфти. Еріксон намагався навіть пристосувати їх для приводу екіпажів, але вони виявилися надто важкими. У Росії до революції велику кількість таких двигунів випускалося під назвою «Тепло і сила».
Однак спроби збільшити потужність до 250 л. с. закінчилися повним провалом. Машина з циліндром діаметром 4,2 метра розвивала менше 100 л. е., вогневі камери прогоріли, і судно, на якому були встановлені двигуни, загинуло.
Інженери без жалю розпрощалися з цими слабосилими мастодонтами як тільки з'явилися потужні, компактні і легкі бензомотор і дизелі. І раптом, в 1960-і, через майже 80 років про «Стірлінг» і «Еріксон» (будемо умовно називати їх так за аналогією з дизелем) заговорили як про грізних суперників двигунів внутрішнього згоряння. Розмови ці не вщухають і понині. Чим же пояснюється такий крутий поворот у поглядах?
Ціна методичності
Коли дізнаєшся про стару технічної ідеї, Що відродилася в сучасній техніці, Відразу ж виникає питання: що ж перешкоджало її здійснення раніше? У чому полягала та проблема, та «зачіпка», без вирішення якої вона не могла прокласти собі дорогу в життя? І майже завжди з'ясовується, що своїм відродженням стара ідея зобов'язана або нового технологічного методу, або нової конструкції, до якої не додумалися попередники, або новим матеріалом. Двигун зовнішнього згорання можна вважати рідкісним винятком.
Теоретичні розрахунки показують, що к.к.д. «Стирлингов» і «Еріксонів» можуть досягати 70 відсотків - більше, ніж у будь-якого іншого двигуна. А це означає, що невдачі попередників пояснювалися другорядними, в принципі усуненими факторами. Правильний вибір параметрів і областей застосування, скрупульозне дослідження роботи кожного вузла, ретельна обробка і доведення кожної деталі дозволили реалізувати переваги циклу. Уже перші експериментальні зразки дали ККД 39 відсотків! (К.к.д. бензинових двигунів і дизелів, які відпрацьовувалися роками, відповідно 28-30 і 32-35 відсотків.) Які ж можливості «переглянули» свого часу і Стірлінг і Еріксон?
тієї самої ємності, в якій поперемінно то запасається, то віддається тепло. Розрахунок регенератора в ті часи був просто неможливий: науки про теплопередачі не існувало. Його розміри приймалися на вічко, а як показують розрахунки, ККД двигунів зовнішнього згоряння дуже сильно залежить від якості регенератора. Правда, його погану роботу можна певною мірою компенсувати підвищенням тиску.
Друга причина неуспіху була в тому, що перші установки працювали на повітрі при атмосферному тиску: їх розміри виходили величезними, а потужності - малими.
Довівши к.к.д. регенератора до 98 відсотків і заповнивши замкнутий контур стисненим до 100 атмосфер воднем або гелієм, інженери наших днів збільшили економічність і потужність «стирлингов», які навіть в такому вигляді показали к.к.д. вищий, ніж у двигунів внутрішнього згоряння.
Вже одного цього було б достатньо, щоб говорити про встановлення двигунів зовнішнього згоряння на автомобілях. Але тільки високою економічністю аж ніяк ще не вичерпуються достоїнства цих відроджених із забуття машин.
Як працює Стірлінг
Принципова схема двигуна зовнішнього згоряння:
1 - паливна форсунка;
2 - випускний патрубок;
3 - елементи воздухоподогревателя;
4 - підігрівач повітря;
5 - гарячі гази;
6 - гаряче простір циліндра;
7 - регенератор;
8 - циліндр;
9 - ребра охолоджувача;
10 - холодний простір;
11 - робочий поршень;
12 - ромбічний привід;
13 - шатун робочого поршня;
14 - синхронизирующие шестерні;
15 - камера згоряння;
16 - трубки нагрівача;
17 - гаряче повітря;
18 - поршень-витіснювач;
19 - воздухоприемник;
20 - підведення охолоджуючої води;
21 - ущільнення;
22 - буферний об'єм;
23 - ущільнення;
24 - штовхач поршня-витискувача;
25 - штовхач робочого поршня;
26 - ярмо робочого поршня;
27 - палець ярма робочого поршня;
28 - шатун поршня-витискувача;
29 - ярмо поршня-витискувача;
30 - колінчаті вали.
Червоний фон - контур нагріву;
точковий фон - контур охолодження
У сучасній конструкції «стірлінга», що працює на рідкому паливі, - три контури, що мають між собою лише теплової контакт. Це контур робочого тіла (зазвичай водню або гелію), контур нагріву і контур охолодження. Головне призначення контуру нагрівання - підтримувати високу температуру у верхній частині робочого контуру. Контур охолодження підтримує низьку температуру в нижній частині робочого контуру. Сам контур робочого тіла замкнутий.
Контур робочого тіла. У циліндрі 8 рухаються два поршня - робочий 11 і поршень-витіснювач 18. Рух робочого поршня вгору призводить до стиснення робочого тіла, рух його вниз викликається розширенням газу і супроводжується вчиненням корисної роботи. Рух поршня-витискувача вгору вичавлює газ в нижню, охлаждаемую порожнину циліндра. Рух же його вниз відповідає нагріванню газу. Ромбічний привід 12 повідомляє поршням переміщення, відповідне чотирьом тактам циклу ((на схемі показані ці такти).
такт I - охолодження робочого тіла. Поршень-витіснювач 18 рухається вгору, вичавлюючи робоче тіло через регенератор 7, в якому запасається тепло нагрітого газу, в нижню, охлаждаемую частина циліндра. Робочий поршень 11 знаходиться в НМТ.
такт II - стиснення робочого тіла. Енергія, запасені в стиснутому газі буферного об'єму 22, повідомляє робочому поршню 11 рух вгору, що супроводжується стисненням холодного робочого тіла.
такт III - нагрівання робочого тіла. Поршень-витіснювач 18, майже приєднавшись до робочого поршня 11, витісняє газ в гаряче простір через регенератор 7, в якому до газу повертається тепло, запасеної при охолодженні.
такт IV - розширення робочого тіла - робочий такт. Нагріваючись в гарячому просторі, газ розширюється і робить корисну роботу. Частина її запасається в стиснутому газі буферного об'єму 22 для подальшого стискання холодного робочого тіла. Решта знімається з валів двигуна.
контур нагріву. Повітря вентилятором нагнітається в повітрозабірник 19, проходить через елементи 3 підігрівача, нагрівається і потрапляє в паливні форсунки. Утворені гарячі гази нагрівають трубки 16 нагрівача робочого тіла, обтікають елементи 3 підігрівача і, віддавши своє тепло повітрю, що йде на спалювання палива, викидаються через випускний патрубок 2 в атмосферу.
контур охолодження. Вода через патрубки 20 подається в нижню частину циліндра і, огинаючи ребра 9 охолоджувача, безперервно охолоджує їх.
"Стірлінг" замість ДВС
Перші ж випробування, проведені пів-століття тому, показали, що «стірлінг» майже ідеально безшумний. У нього немає карбюратора, форсунок з високим тиском, системи запалювання, клапанів, свічок. Тиск в циліндрі, хоча і підвищується майже до 200 атм, але не вибухом, як в двигуні внутрішнього згоряння, а плавно. На двигуні не потрібні глушники. Ромбоподібний кінематичний привід поршнів повністю урівноважений. Ніяких вібрацій, ніякого деренчання.
Кажуть, що, навіть приклавши руку до двигуна, не завжди вдається визначити, працює він чи ні. ці якості автомобільного двигуна особливо важливі, бо в великих містах гостро стоїть проблема зниження шуму.
А ось інша якість - «всеїдність». По суті справи, немає такого джерела тепла, який не годився б для приводу «стірлінга». Автомобіль з таким двигуном може працювати на дровах, на соломі, на вугіллі, на гасі, на ядерному паливі, навіть на сонячних променях. Він може працювати на теплоті, запасеної в розплаві який-небудь солі або оксиду. Наприклад, розплав 7 літрів окису алюмінію замінює 1 літр бензину. Подібна універсальність не тільки зможе завжди виручити водія, який потрапив в біду. Вона дозволить гостро стоїть проблему задимлення міст. Під'їжджаючи до міста, водій включає пальник і розплавляє сіль в баку. В межах міста паливо не спалюється: двигун працює на розплаві.
А регулювання? Щоб зменшити потужність, досить випустити з замкнутого контуру двигуна в сталевий балон потрібну кількість газу. Автоматика відразу ж зменшує подачу палива так, щоб температура залишалася постійною незалежно від кількості газу. Для підвищення потужності газ нагнітається з балона знову в контур.
Ось тільки за вартістю і за вагою «стирлинги» поки поступаються двигунам внутрішнього згоряння. На 1 л. с. у них припадає 5 кг, що набагато більше, ніж у бензинового і дизельного моторів. Але не слід забувати, що це ще перші, не доведені до високого ступеня досконалості моделі.
Теоретичні розрахунки показують, що при інших рівних умовах "стирлинги" вимагають менших тисків. Це - важлива перевага. І якщо у них знайдуться ще й конструктивні переваги, то не виключено, що саме вони виявляться найбільш грізним суперником двигунів внутрішнього згоряння в автомобілебудуванні. А зовсім не турбіни.
"Стірлінг" від компанії GM
Серйозна робота по удосконаленню двигуна зовнішнього згоряння, що почалася через 150 років після його винаходу, вже принесла свої плоди. Запропоновано різні конструктивні варіанти двигуна, що працює за циклом Стірлінга. Є проекти моторів з похилою шайбою для регулювання ходу поршнів, запатентований роторний двигун, В одній з роторних секцій якого відбувається стиснення, в іншій - розширення, а підведення і відведення тепла здійснюється в з'єднують порожнини каналах. Максимальний тиск в циліндрах окремих зразків доходить до 220 кг / см 2, а середнє ефективне тиск - до 22 і 27 кг / см 2 і більше. Економічність доведена до 150 г / л / годину.
Найбільшого прогресу досягла компанія General Motors, яка в 1970-ті роки побудувала V-подібний «стірлінг» зі звичайним кривошипно-шатунним механізмом. Один циліндр у нього робочий, інший - компресійний. У робочому знаходиться тільки робочий поршень, а поршень-витіснювач - в компресійному циліндрі. Між циліндрами розташовані підігрівач, регенератор і охолоджувач. Кут зсуву фаз, інакше кажучи кут відставання одного циліндра від іншого, у цього «стірлінга» дорівнює 90 °. Швидкість одного поршня повинна бути максимальною в той момент, коли швидкість іншого дорівнює нулю (у верхній і нижній мертвих точках). Зсув фаз в русі поршнів досягається розташуванням циліндрів під кутом 90 °. Конструктивно це найпростіший «стірлінг». Але він поступається двигуну з ромбічним кривошипним механізмом в врівноваженості. Для повного урівноваження сил інерції в V-образному двигуні число його циліндрів повинно бути збільшено з двох до восьми.
Принципова схема V-образного «стірлінга»:
1 - робочий циліндр;
2 - робочий поршень;
3 - підігрівач;
4 - регенератор;
5 - теплоізолююча муфта;
6 - охолоджувач;
7 - компресійний циліндр.
Робочий цикл в такому двигуні протікає в такий спосіб.
У робочому циліндрі 1 газ (водень або гелій) нагрітий, в іншому, компрессионном 7 - охолоджений. При русі поршня в циліндрі 7 вгору газ стискається - такт стиснення. У цей час починає рухатися вниз поршень 2 в циліндрі 1. Газ з холодного циліндра 7 перетікає в гарячий 1, проходячи послідовно через охолоджувач 6, регенератор 4 і підігрівач 3 - такт нагрівання. Гарячий газ розширюється в циліндрі 1, здійснюючи роботу, - такт розширення. При русі поршня 2 в циліндрі 1 вгору газ перекачується через регенератор 4 і охолоджувач 6 в циліндр 7 - такт охолодження.
Така схема «стірлінга» найбільш зручна для реверсування. В об'єднаному корпусі підігрівача, регенератора і охолоджувача (про їх пристрої мова піде пізніше) для цього зроблені заслінки. Якщо перевести їх з одного крайнього положення в інше, то холодний циліндр стане гарячим, а гарячий - холодним, і двигун буде обертатися у зворотний бік.
Підігрівач являє собою набір трубок з жаростійкої нержавіючої сталі, за якими проходить робочий газ. Трубки нагріваються полум'ям пальника, пристосованої для спалювання різних рідких палив. Тепло від нагрітого газу запасається в регенераторі. Цей вузол має велике значення для отримання високого ККД. Він виконає своє призначення, якщо буде передавати приблизно в три рази більше тепла, ніж в підігрівачі, і процес займе менше 0,001 секунди. Словом, це швидкодіючий акумулятор тепла, причому швидкість теплопередачі між регенератором і газом становить 30 000 градусів в секунду. Регенератор, ККД якого дорівнює 0,98 одиниці, складається з циліндричного корпусу, в якому послідовно розташовані кілька шайб, виготовлених з дротяної путанки (діаметр дроту 0,2 мм). Щоб тепло від нього не передавалося холодильника, між цими агрегатами встановлена \u200b\u200bтеплоизолирующая муфта. І нарешті, охолоджувач. Він виконаний у вигляді водяної сорочки на трубопроводі.
Потужність «стірлінга» регулюється зміною тиску робочого газу. Для цієї мети двигун обладнується газовим балоном і спеціальним компресором.
Гідності й недоліки
Щоб оцінити перспективи застосування «стірлінга» на автомобілях, проаналізуємо його переваги і недоліки. Почнемо з одного з найважливіших для теплового двигуна параметрів, так званого теоретичного ККД Для «стірлінга» він визначається наступною формулою:
η \u003d 1 - Тх / Тг
Де η - ККД, Тх - температура «холодного» обсягу і Тг - температура «гарячого» обсягу. Кількісно цей параметр у «стірлінга» - 0,50. Це значно більше, ніж у найкращих газових турбін, бензинових і дизельних двигунів, у яких теоретичний ККД відповідно дорівнює 0,28; 0,30; 0,40.
Як двигун зовнішнього згоряння. стірлінг »може працювати на різних паливах: бензині, гасі, дизельному, газоподібному і навіть на твердому. Такі характеристики палива, як цетанове і октанове числа, Зольність, температура википання при горінні поза циліндра двигуна, для «стірлінга» не мають значення. Щоб він працював на різних паливах, не потрібно великих переробок - досить лише замінити пальник.
Двигун зовнішнього згорання, в якому горіння протікає стабільно з постійним коефіцієнтом надлишку повітря, що дорівнює 1.3. виділяє значно менше, ніж двигун внутрішнього згоряння, окису вуглецю, вуглеводнів та оксидів азоту.
Мала гучність «стірлінга» пояснюється низьким ступенем стиснення (від 1,3 до 1,5). Тиск в циліндрі підвищується плавно, а не вибухом, як в бензиновому або дизельному двигуні. Відсутність коливань стовпа газів у випускному тракті визначає безшумність вихлопу, що підтверджено випробуваннями двигуна, розробленого фірмою «Філіпс» спільно з фірмою Ford для автобуса.
«Стірлінг» відрізняється малою витратою масла і високу зносостійкість завдяки відсутності в циліндрі активних речовин і відносно низькій температурі робочого газу, а надійність його вище, ніж у відомих нам двигунів внутрішнього згоряння, так як в ньому немає і складного газорозподільного механізму.
Важлива перевага «стірлінга» як автомобільного двигуна - підвищена пристосовність до змін навантаження. Вона, наприклад, на 50 відсотків вище, ніж у карбюраторного мотора, за рахунок чого можна зменшити число ступенів в коробці передач. Однак зовсім відмовитися від зчеплення і коробки передач, як в паровому автомобілі, не можна.
Але чому ж двигун з такими очевидними перевагами досі не знайшов практичного застосування? Причина проста - у нього чимало ще неліквідованих недоліків. Найголовніші серед них - велика складність в управлінні та регулюванні. Існують і інші «рифи», які не так просто обійти і конструкторам і проізводственнікам.- зокрема, поршням потрібні дуже ефективні ущільнення, які повинні витримувати високий тиск (до 200 кг / см2) і перешкоджатиме потраплянню масла в робочу порожнину. У всякому разі, 25-річна робота фірми «Філіпс» з доведення свого двигуна поки не змогла зробити його придатним для масового застосування на автомобілях. Важливе значення має характерна особливість «стірлінга» - необхідність відводити з охолоджувальною водою велику кількість тепла. У двигунах внутрішнього згоряння значна частина тепла викидається в атмосферу разом з відпрацьованими газами. У «стерлінг» ж в вихлоп йде тільки 9 відсотків тепла, одержуваного при згорянні палива. Якщо в бензиновому двигуні внутрішнього згоряння з охолоджувальною водою відводиться від 20 до 25 відсотків тепла, то в «Стірлінг» - до 50 відсотків. Це означає, що автомобіль з таким двигуном повинен мати радіатор приблизно в 2-2.5 рази більше, ніж у аналогічного бензинового мотора. Недоліком «стірлінга» є і його висока питома вага в порівнянні з поширеним ДВС. Ще досить істотний мінус - складність підвищення швидкохідності: вже при 3600 об / хв значно зростають гідравлічні втрати і погіршується теплообмін. І наприкінці. «Стірлінг» поступається звичайному двигуну внутрішнього згоряння в приемистости.
Роботи зі створення і доведення автомобільних «стирлингов», в тому числі для легкових машин, Тривають. Можна вважати, що в даний час принципові питання вирішені. Однак ще багато справ по доведенню. Застосуванням легких сплавів можна знизити питому вагу двигуна, але він все одно буде вище. ніж у двигуна внутрішнього згоряння, через більш високого тиску робочого газу. Ймовірно, двигун зовнішнього згоряння знайде застосування в першу чергу на вантажних автомобілях, Особливо військових - завдяки своїй невимогливість до палива.
Двигуни зовнішнього згорання
важливим елементом реалізації програми енергозбереження є забезпечення автономними джерелами електроенергії і тепла невеликих житлових утворень і віддалених від централізованих мереж споживачів. Для вирішення цих завдань якнайкраще підходять інноваційні установки для генерації електроенергії і тепла на основі двигунів зовнішнього згоряння. В якості палива може використовуватися як традиційні види палива, так і нафтовий газ, біогаз, що отримується з деревних стружок і ін.
Протягом останніх 10 років відзначалися підвищення цін на викопне паливо, підвищена увага до викидів СО 2, а також зростаюче бажання перестати залежати від викопного палива і повністю забезпечувати себе енергією. Це стало наслідком розвитку величезного ринку технологій, здатних виробляти енергію з біомаси.
Двигуни зовнішнього згорання були винайдені майже 200 років тому, в 1816 році. Разом з паровим двигуном, дво- і чотиритактним двигуном внутрішнього згоряння, двигун зовнішнього згоряння вважаються одними з основних типів двигунів. Вони були розроблені з метою створення двигунів, які були б більш безпечними і продуктивними, ніж паровий двигун. На самому початку 18-го століття відсутність відповідних матеріалів призводило до численних випадків зі смертельними наслідками у зв'язку з вибухами парових двигунів, які перебувають під тиском.
Значний ринок для двигунів зовнішнього згоряння сформувався в другій половині 18-го століття, зокрема, в зв'язку з більш дрібними сферами застосування, де їх можна було безпечно експлуатувати без необхідності в послугах кваліфікованих операторів.
Після винаходу двигуна внутрішнього згоряння в кінці 18-го століття ринок для двигунів зовнішнього згоряння зник. Вартість виробництва двигуна внутрішнього згоряння в порівнянні з вартістю виробництва зовнішнього згоряння нижче. Основний недолік двигунів внутрішнього згоряння полягає в тому, що для їх роботи необхідно чисте, викопне паливо, що збільшує викиди СО2, паливо. Однак, до недавнього часу вартість викопного палива була низькою, а викидів СО2 не приділялося належної уваги.
Принцип роботи двигуна зовнішнього згоряння
На відміну від широко відомого процесу внутрішнього згоряння, при якому паливо спалюється всередині двигуна, двигун зовнішнього згоряння, приводиться в дію зовнішнім джерелом тепла. Або, точніше кажучи, вона приводиться в дію різницями температур, що створюються зовнішніми джерелами нагрівання та охолодження.
Цими зовнішніми джерелами нагрівання та охолодження можуть служити відпрацьовані гази біомаси і охолоджуюча вода відповідно. Процес призводить до обертання генератора, монтованої на двигуні, за допомогою чого проводиться енергія.
Всі двигуни внутрішнього згоряння приводяться в дію різницями температур. бензинові, дизельні двигуни і двигуни зовнішнього згоряння засновані на тій особливості, що для стиснення холодного повітря необхідно менше зусиль, ніж для стиснення гарячого повітря.
Бензинові і дизельні двигуни всмоктують холодне повітря і стискають це повітря, перш ніж він підігрівається в процесі внутрішнього згоряння, який відбувається всередині циліндра. Після підігрівання повітря над поршнем поршень переміщається вниз, за \u200b\u200bдопомогою чого повітря розширюється. Так як повітря гарячий, сила, що діє на шток поршня, велика. Коли поршень доходить до низу, клапани відкриваються і гарячі вихлопи замінюються новим, свіжим, холодним повітрям. При русі поршня вгору холодне повітря стискається, причому сила, що діє на шток поршня, менше, ніж при його русі вниз.
Двигун зовнішнього згорання працює відповідно до трохи іншим принципом. У ньому немає клапанів, він герметично запаяний, а повітря підігрівається і охолоджується за допомогою теплообмінних апаратів гарячого і холодного контуру. Вбудований насос, що приводиться в дію рухом поршня, забезпечує рух повітря туди і назад між цими двома теплообмінними апаратами. Під час охолодження повітря в теплообмінному апараті холодного контуру поршень стискає повітря.
Після стиснення повітря потім підігрівається в теплообмінному апараті гарячого контуру, перш ніж поршень починає рухатися в зворотному напрямку і використовувати розширення гарячого повітря для приведення в дію двигуна.
В минулому році журналу, в першому номері якого читачів привітав А. Ейнштейн, виповнилося 85 років.
Нечисленний колектив Редакції продовжує видавати ІР, Читачами якого ви маєте честь бути. Хоча робити це стає з кожним роком все важче. Вже давно, на початку нового століття, Редакції довелося покинути рідне місце проживання на Мясницькій вулиці. (Ну, справді, це місце для банків, а не для якогось органу винахідників). Нам допоміг проте Ю.Маслюков (В той час голова Комітету ГД ФС РФ по промисловості) перебратися в НІІА у метро "Калузької". Незважаючи на точне дотримання Редакцією умов договору та своєчасну оплату оренди, і надихаюче проголошення курсу на інновації Президентом і Урядом РФ, новий директор в НІІА повідомив нам про виселення Редакції "в зв'язку з виробничою необхідністю". Це при зменшенні чисельності працюючих в НІІА майже в 8 разів і відповідному вивільненні площ і, при тому, що займана редакцією площу не становила і одну соту відсотків неозорих площ НІІА.
Нас прихистив МІРЕА, де ми знаходимось останні п'ять років. Двічі переїхати, що один раз погоріти, говорить прислів'я. Але редакція тримається і буде триматися, скільки зможе. А зможе вона існувати до тих пір, поки журнал "Винахідник і раціоналізатор" читають і виписують.
Намагаючись охопити інформацією більше число зацікавлених людей ми оновили сайт журналу, зробивши його, на наш погляд, більш інформативним. Ми займаємося оцифруванням видань минулих років, починаючи з 1929 року - часу заснування журналу. Випускаємо електронну версію. Але головне - це паперове видання ІР.
На жаль, число передплатників, єдиною фінансової основи існування ІР, І організацій, і окремих осіб зменшується. А мої численні листи про підтримку журналу до державних керівників різного рангу (обом президентам РФ, прем'єр-міністрам, обом московським мерам, обом губернаторам Московської області, губернатору рідної Кубані, керівникам найбільших російських компаній) результату не дали.
У зв'язку з вищевикладеним Редакція звертається з проханням до вас, наші читачі: підтримайте журнал, зрозуміло, по можливості. Квитанція, по якій можна перерахувати гроші на статутну діяльність, чи то пак видання журналу, опублікована нижче.
Одним з перспективних джерел механічної енергії для автомобілів є двигун зовнішнього згоряння, розроблений уродженцем Шотландії Робертом Стірлінгом пару століть назад. Двигун зовнішнього згорання Стірлінга за принципом роботи сильно відрізняється від звичного для всіх ДВС. Але на якийсь час після розробки про нього благополучно забули.
Історія створення
У 1816 році уродженець Шотландії Роберт Стірлінг запатентував теплову машину, яку сьогодні називають на честь свого творця. Однак сама ідея двигунів гарячого повітря була придумана зовсім не їм. Але перший усвідомлений проект зі створення такого агрегату реалізував саме Стірлінг.
Він удосконалив систему, додавши в неї очищувач, в технічній літературі називався теплообмінником. Завдяки цьому сильно зросла продуктивність мотора завдяки утриманню його в теплі. Ця модель для того часу була визнана найміцнішою, оскільки ніколи не вибухала.
Незважаючи на такий швидкий успіх просування моделі, на початку двадцятого століття від подальшого розвитку двигуна зовнішнього згоряння відмовилися через його собівартості на користь двигуна внутрішнього згоряння.
Двигун Стірлінга: принцип роботи і модифікації
Принцип роботи будь-якого теплового двигуна полягає в тому, що для отримання газу в розширеному стані потрібні чималі механічні зусилля. В якості наочний приклад можна навести досвід з двома каструлями, згідно з яким їх наповнюють холодною і гарячою водою. Опускають в холодну воду пляшку з закрученою пробкою. Після цього пляшку переносять в гарячу воду.
При такому переміщенні газ в пляшці здійснює механічну роботу і виштовхує пробку з горлечка. Перша модель двигуна зовнішнього згоряння працювала по точно таким же принципом. Однак пізніше творець усвідомив, що частина тепла, що виділяється можна використовувати для підігріву. Продуктивність агрегату від цього тільки зросла.
Трохи пізніше інженер зі Швеції Еріксон удосконалив конструкцію, висунувши ідею про охолодження і нагрівання газу при постійному тиску замість обсягу. Це дозволило двигуну «просунутися по кар'єрних сходах» і почати використовуватися в шахтах і друкарнях. Для екіпажів і транспортних засобів агрегат виявився занадто важким.
На малюнку наочно відображається робочий цикл двигуна Стірлінга.
Як працює двигун Стірлінга? Він перетворює теплову енергію, що підводиться ззовні, в корисну механічну роботу. Цей процес відбувається за рахунок зміни температури газу або рідини, що циркулюють в замкнутому об'ємі. У нижній частині агрегату робоча речовина нагрівається, збільшується в об'ємі і виштовхує поршень вгору.
Гаряче повітря надходить у верхню частину мотора і охолоджується за допомогою радіатора. Тиск робочого тіла знижується, а поршень опускається для повторення всього циклу. Система повністю герметична, завдяки чому робоча речовина не витрачається, а лише переміщається всередині циклу.
Крім того, існують мотори з відкритим циклом, в яких регулювання потоком реалізується за допомогою клапанів. Ці моделі називають двигуном Еріксона. В цілому принцип роботи двигуна зовнішнього згоряння схожий з ДВС. при низьких температурах в ньому відбувається стиснення і навпаки. Нагрівання же здійснюється по-різному.
Тепло в двигуні зовнішнього згорання підводиться через стінку циліндра ззовні. Стірлінг здогадався застосовувати періодична зміна температури з витіснювальний поршнем. Цей поршень переміщує гази з однієї порожнини циліндра в іншу. При цьому з одного боку постійно підтримуються низькі температури, а з іншого - високі. При переміщенні поршня вгору газ переміщається з гарячої в холодну порожнину.
Система витискує в двигуні з'єднана з робочим поршнем, який стискає газ в холоді і дозволяє розширюватися в теплі. Корисна робота відбувається якраз завдяки стисненню в більш низьких температурах. Безперервність забезпечується кривошипно-шатунним механізмом. Особливих кордонів між стадіями циклу не спостерігається. Завдяки цьому ККД двигуна Стірлінга не зменшується.
Деякі деталі роботи двигуна
В теорії підводити енергію в двигун зовнішнього згоряння може будь-яке джерело тепла (сонце, електрику, паливо). Принцип роботи тіла двигуна полягає в використанні гелію, водню або повітря. Термічним максимально можливим ККД має ідеальний цикл. ККД при цьому становить від 30 до 40%. Ефективний регенератор може забезпечити більш високий ККД. Вбудовані теплообмінники забезпечують регенерацію, обмін і охолодження в сучасних двигунах. Їх перевагою є робота без масел. В цілому мастила двигуна необхідно трохи. Середній тиск в циліндрі варіюється від 10 до 20 МПа. Необхідна хороша ущільнювальна система і можливість попадання масла в робочі порожнини.
Згідно з теоретичними розрахунками ефективність двигуна Стірлінга сильно залежна від температури і може досягати навіть 70%. Найперші реалізовані в металі зразки двигуна володіли низьким ККД, оскільки варіанти теплоносія були неефективні і обмежували максимальну температуру нагрівання, були відсутні конструкційні матеріали, стійкі до високого тиску. У другій половині XX століття двигун з ромбічним приводом під час випробувань перевищив показник 35% ККД на водному теплоносії і з температурою 55 градусів за Цельсієм. Удосконалення конструкції в деяких експериментальних зразках дозволило досягти практично 39% ККД. Майже всі сучасні бензинові двигуни, Що мають аналогічну потужність, мають ККД 28 - 30%. Турбовані дизелі досягають близько 35%. Найсучасніші зразки двигунів Стірлінга, розроблені компанією Mechanical Technology Inc в США, показують ефективність до 43%.
Після освоєння жароміцної кераміки та інших інноваційних матеріалів з'явиться можливість ще сильніше збільшити температуру середовища. ККД може за таких умов досягти навіть 60%.
Існує кілька модифікацій двигуна зовнішнього згоряння Стірлінга.
Модифікація «Альфа»
Такий двигун складається з гарячого і холодного роздільних силових поршнів, що знаходяться у власних циліндрах. До циліндру з гарячим поршнем надходить тепло, а холодний розташовується в охолодному теплообміннику.
Модифікація «Бета»
У цьому варіанті двигуна циліндр, в якому розташувався поршень, з одного боку нагрівається, а інший охолоджується. Усередині циліндра рухаються витіснювач і силовий поршень. Витіснювач призначений для зміни обсягу робочого газу. Регенератор ж виконує повернення остиглого робочої речовини в нагріту порожнину двигуна.
Модифікація «Гамма»
Вся нехитра конструкція модифікації «Гамма» виконана з двох циліндрів. Перший з них повністю холодний. У ньому робить рух силовий поршень. А другий - холодний тільки з одного боку, а з іншого - нагрітий. Він служить для переміщення механізму витіснювача. Регенератор циркуляції холодного газу в цій модифікації може бути загальним для обох циліндрів і бути включеним в конструкцію витіснювача.
Переваги двигуна зовнішнього згоряння
Цей вид двигунів невибагливий в плані палива, оскільки основою його роботи є перепад температур. Чим викликаний цей перепад - особливого значення не має. Двигун Стірлінга має просту конструкцію і не потребує додаткових системах і навісному обладнанні (Стартер, коробка передач). Деякі особливості пристрою двигуна є гарантією довгого терміну експлуатації: двигун може працювати безперервно протягом приблизно ста тисяч годин. Ще одним серйозним перевагою двигуна зовнішнього згоряння є безшумність. Вона обумовлена \u200b\u200bтим, що в циліндрах відсутня детонація і немає необхідності у висновку відпрацьованих газів. Особливо виділяється за цим параметром модифікація «Бета». Її конструкція оснащена ромбоподібним кривошипно-шатунним механізмом, який забезпечує відсутність вібрацій під час роботи. І, нарешті, екологічність. В циліндрах двигуна відсутні процеси, здатні негативно впливати на навколишнє середовище.
При виборі альтернативних джерел тепла (енергії сонця) двигун Стірлінга перетворюється в різновид екологічно чистого силового агрегату.
Недоліки двигуна зовнішнього згоряння
Масовий випуск таких двигунів в даний час неможливий. Основна проблема - це матеріаломісткість конструкції. Охолодження робочого тіла двигуна вимагає установку радіаторів з великими обсягами. Внаслідок цього збільшуються розміри. Використання складних видів робочого тіла на зразок водню або гелію піднімає питання про безпеку двигуна. Теплопровідність і температурна стійкість повинні бути на високому рівні. Тепло до робочого об'єму надходить через теплообмінники. Таким чином, частина тепла втрачається по дорозі. При виготовленні теплообмінники доводиться використовувати термостійкі метали. При цьому метали повинні бути стійкі до високого тиску. Всі ці матеріали коштують дорого і довго обробляються. Принципи зміни режимів двигуна зовнішнього згоряння сильно відрізняються від традиційних. Потрібна розробка спеціальних пристроїв, що управляють. Зміна потужності викликається зміною тиску в циліндрах і кута фаз між витіснювачем і силовим поршнем. Також можна змінити ємність порожнини з робочим тілом.
Приклади реалізації двигунів зовнішнього згоряння на автомобілях
Працездатні моделі такого двигуна були випущені у світ, незважаючи на всі складності виготовлення. У 50 роки XX століття у автомобілебудівних компаній з'явилася зацікавленість в цьому різновиді силового агрегату. В основному реалізацією двигунів Стірлінга на автомобілях займалися Ford Motor Company і Volkswagen Group. Шведська компанія UNITED STIRLING розробила такий двигун, в якому розробники намагалися частіше використовувати серійні агрегати і вузли (колінвал, шатуни). Був розроблений чотирициліндровий V-подібний двигун, який володів питомою масою 2,4 кг / кВт. Аналогічної масою володіє компактний дизель. Двигун спробували встановлювати на семитонні вантажні фургони.
Найбільш виділяється успішним зразком став Philips 4-125DA, доступний для установки на легкові автомобілі. Робоча потужність двигуна становила 173 кінських сили. Розміри несильно відрізнялися від звичайного бензинового ДВС.
Компанія General Motors розробила восьмициліндровий V-подібний двигун зовнішнього згоряння з серійним кривошипно-шатунним механізмом. У 1972 році обмежена версія автомобілів Ford Torino оснащувалася таким двигуном. Причому витрата палива знизилася на цілих 25% в порівнянні з попередніми моделями. Сьогодні кілька зарубіжних компаній намагаються удосконалювати конструкцію цього двигуна з метою адаптації для серійного виробництва і установки на легкові автомобілі.
