Долгое время такие недостатки двигателей внутреннего сгорания (ДВС), как жесткие требования к топливу и маслам, загрязнение атмосферы, шум на выхлопе, резкое ухудшение экономичности и других характеристик при отклонении от оптимального режима работы и, наконец, не возможность использования источников тепла, не связанных с горением, не имели существенного значения. Однако с ростом числа и мощности эксплуатируемых ДВС проблемы токсического и шумового загрязнения окружающей среды приобрели жизненно важное значение.

Быстрое исчерпание разведанных запасов нефти в мире привело к тому, что в последние десять лет происходит переход из эры дешевой нефти в эру высоких цен на энергию в целом. С другой стороны, в новых отраслях техники возникла острая необходимость в специальных тепловых двигателях (например, для работы в космосе, в подводных условиях), не нуждающихся в атмосферном кислороде, но способных работать от любого высокотемпературного источника тепла.

Эти проблемы повысили интерес специалистов к альтернативному двигателю с внешним подводом тепла предложенному еще в 1816 г. шотландским изобретателем Робертом Стирлингом. Принцип работы двигателя Стирлинга (ДС), краткая историческая справка о его развитии и описание некоторых конструкций таких двигателей были опубликованы (см. статью Г. Б. Либефорта «Двигатель внешнего сгорания»).

По прогнозам ведущих специалистов крупных фирм США, Японии, Швеции, Голландии ДС, возможно, станет доминирующим двигателем в следующем столетии.

Почему же ДС прочат такие блистательные перспективы? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо вспомнить историю тепловых двигателей.

К пределу экономичности

В 1824 г. французский инженер С. Карно четко сформулировал условия, необходимые для наиболее эффективного превращения тепла в работу. Он предложил идеальный цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат . С тех пор данный цикл является термодинамическим эталоном совершенства тепловых двигателей. Но в цикле Карно при большой разности температур нагревателя и холодильника расширение и сжатие рабочего тела необходимо вести в очень большом интервале давлений, в связи с чем его практическая реализация настолько сложна, что оказывается нецелесообразной.

Еще до выхода в свет работы С. Карно Р. Стирлинг удачно обошел эту трудность, введя в цикл тепловой машины регенерацию тепла. Однако низкий уровень технологии в начале XIX в. не позволил создать достаточно совершенные конструкции двигателей этого типа, и они были надолго забыты.

Расчеты, проведенные в 1938 г. специалистами фирмы «Филипс», показали, что оба цикла - и Стирлинга, и Карно - термодинамически равно ценны. Цикл Стирлинга, состоящий из двух изотерм и двух изохор . может служить таким же термодинамическим эталоном, как цикл Карно. Более того, регенерация тепла в этом цикле позволяет работать в большом интервале темпера тур, а следовательно, с высоким КПД при малых соотношениях давления сжатия и расширения рабочего тела. Эта особенность цикла Стирлинга делает реальной его практическую реализацию в двигателях, имеющих КПД, близкий к максимально возможному при данной разности температур нагревателя и холодильника.

Рассмотрим несколько идеализированный рабочий процесс двигателя Стирлинга вытесни тельного типа на наглядной компоновочной схеме с расположением цилиндров под углом 90° и обычным кривошипно-шатунным механизмом (рис. 3).

Термический КПД идеального цикла Стирлинга, как и цикла Карно, определяется формулой

Однако практически термический КПД этих двигателей заметно ниже.

В реальных двигателях Стирлинга энергия расходуется на трение и теплопроводность, а так же отходит с продуктами горения и т. д. Тем не менее, благодаря принципиальным термодинамическим преимуществам цикла Стирлинга в уже созданных ДС достигнуты наибольшие значения эффективного КПД по сравнению с другими тепловыми двигателями одинаковой мощности (рис. 2).

В двигателе Стирлинга можно использовать любое дешевое топливо: газ, уголь, дрова и даже торф. При этом, в отличие от ДВС, топливо сжигается непрерывно при низком давлении и оптимальном избытке воздуха в камере сгорания, расположенной вне рабочего объема Содержание ядовитых веществ в продуктах сгорания при таких условиях уменьшается до минимума, а количество выделяемой энергии увеличивается. Кроме традиционных топлив, для ДС пригодны другие источники тепла, расплавы солей, радиоизотопы, а так же ядерная и солнечная энергия, тепло недр Земли и т. п.

Внутренний объем двигателя Стирлинга герметичен, поэтому в него не попадает абразивная пыль, масло не соприкасается с продуктами горения и не окисляется (следовательно, почти не расходуется). Благодаря плавности рабочего процесса снижаются вибрация и нагрузки на все трущиеся элементы двигателя.

Эти особенности делают ДС более надежным и долговечным по сравнению с ДВС, позволяют использовать его длительное время без обслуживания. Принцип внешнего подвода тепла обеспечивает быстрый и безотказный запуск при низких температурах.

В дополнение к этому уникальному набору качеств двигатель Стирлинга практически бесшумен, так как он работает без клапанов и не имеет резкого пульсирующего выхлопа.

Перспективность двигателей Стирлинга давно подтверждена практикой. Например, фирма «Филипс» в свое время продемонстрировала 16 тонный автобус с ДС мощностью 100 л. с., фирма «Юнайтед Стирлинг» 7-тонный грузовой фургон, а американцы - легковой автомобиль "Форд-Торонто".

В настоящее время за рубежом примерно 60 фирм работают над дальнейшим совершенствованием двигателей Стирлинга. Уже разработаны двигатели этого типа большой мощности для тепловозов и электростанций, работающих на каменном угле. ДС используются для привода тепловых насосов, передвижных электрогенераторов. Созданы образцы для работы на спутниках Земли. Большое количество работ посвящено интереснейшей проблеме - применению миниатюрных ДС с радиоизотопным источником тепла для привода искусственного сердца.

Использование в качестве рабочего тела водорода под давлением до 200 кГ/см 2 (вместо воздуха, на котором работали первые ДС) позволило снизить удельную массу последних образцов ДС до 2,6-3,4 кГ/кВт, а отдельных конструкций до 1,2 кГ/кВт.

Эффективный КПД ДС нового поколения фирмы "Механикл-Технолоджи" (США) достигает 43,5% (вместо 32÷35% у лучших образцов автомобильных дизелей). Успехи в области технологии получения жаропрочной керамики позволят в дальнейшем повысить максимальную температуру цикла и создать ДС с КПД до 60%.

В рамках программы экономии энергетических ресурсов в Японии осуществляется шестилетний план разработок ДС. Уже в 1987 г. должны быть разработаны многотопливные двигатели с высокой топливной экономичностью и экологическими характеристиками для различных целей. В некоторых типах разрабатываемых двигателей будет использован природный газ. Недавно в пустыне Мохова в США было успешно испытано гелиооборудование с двигателем Стирлинга, преобразующее солнечную энергию в электрическую. Его общий КПД составил 29 %. Солнечная энергия, концентрируемая при помощи параболического зеркала, приводит в действие установку, работающую по идее Стирлинга.

Основные эксплуатационные показатели - ДВС - КПД, моторесурс и надежность работы - при уменьшении мощности снижаются в значительно большей степени, чем у ДС. Это и неудивительно, так как при малом размере цилиндра ДВС трудно обеспечить полное сгорание рабочей смеси, а вот горелка двигателя Стирлинга и при малой мощности обеспечивает практически полное сгорание топлива.

Как видно из рис. 2. эффективный КПД ДС в широком диапазоне мощностей более чем в два раза превышает КПД бензинового ДВС. В то же время при мощности на валу меньше 1 кВт КПД двигателя Стирлинга превосходит КПД бензинового ДВС в 3-4 раза.

Как показали результаты сравнительных испытаний, проводившихся в США, область экономичных скоростных и нагрузочных характеристик ДС примерно в семь раз шире, чем у современных ДВС. Благодаря этому при работе на частичных нагрузках и неустановившихся режимах (например, при движении автомобиля в городских условиях) ДС обеспечивает экономию до 50 % топлива по сравнению с ДВС, имеющим тот же эффективный КПД в режиме максимальной экономичности Подобный эффект, несомненно, будет наблюдаться для лодочных и судовых двигателей.

Велики потенциальные возможности экономии топлива и смазочных материалов при эксплуатации ДС а будущем. Действительно, если учесть более высокий КПД ДС, в два раза более низкую стоимость топлива (газ) и экономичность при работе на частичных нагрузках, то получается, что для этого типа двигателя расходы на топливо в широком диапазоне мощностей сокращаются примерно в 4-5 раз, а при мощности меньше 1 кВт - в 6 8 раз.

Один из разработанных и изготовленных мною двигателей Стирлинга с воздушным охлаждением мощностью 0,1 кВт показан на рис. 1. Он работает почти бесшумно, токсичность выхлопных газов ниже предела чувствительности прибора "Инфпалит-8". топливом служит сжиженный пропан.

ДС мощностью до 1 кВт должны найти широкое применение на миниавтомобилях, картингах, культиваторах, газонокосилках и сенокосилках, мотоблоках, для привода водяных насосов различного назначения и т. п. Небывалая топливная экономичность была практически подтверждена автором при использовании ДС малой мощности на газонокосилке и для других целей. На сегодняшний день ДС - это, по существу, единственный тепловой двигатель, который может без вреда для здоровья людей использоваться в закрытых помещениях складах, теплицах, туннелях и т. п.

Способность ДС в течение длительного времени работать без обслуживания позволяет эффективно использовать его в качестве источника питания на маяках, радиобуях, автоматических метеостанциях и т. п.

Двигатель для судов

В ДС примерно 50% теплоты, участвующей в цикле, отводится через холодильник (у дизеля 20%), причем для достижения высокого термического КПД двигателя тепло должно отводиться при пониженной температуре (как правило, 60 °С). В обычных условиях это требует применения более мощной системы охлаждения с радиатором, имеющим в 2,5-3 раза большую поверхность, чем у дизеля.

Это существенное затруднение полностью отпадает при использовании ДС на водном транспорте, где охлаждающая среда - забортная вода - в неограниченном количестве. Сравнительно низкая ее температура (4-15° для средних широт) увеличивает разницу температур нагревателя и холодильника, следовательно, при этом КПД двигателя выше. Например, низкооборотные судовые дизели нового поколения мощностью порядка 1000-9000 кВт имеют эффективный КПД до 50%.

Значительно повысить экономичность эксплуатации судов позволит использование ДС, в котором будет сжигаться каменный уголь. Решающим доводом за такое решение является то, что стоимость угля в 6-10 раз ниже стоимости дизельного топлива. Одновременно, благодаря особенностям нового двигателя, повысится надежность силовой установки и готовность судна к эксплуатации, уменьшится объем работ по его техническому обслуживанию. Канадские ученые должным образом оценили эти преимущества и ведут исследования по переделке обычных судовых дизелей мощностью до 1700 кВт в двигатели Стирлинга, работающие на угле. Порошкообразный уголь предполагается подавать в камеру сгорания ДС при помощи форсунок и сжигать в распыленном состоянии

В последнее время к двигателю Стирлинга проявляют интерес даже некоторые фирмы, специализирующиеся на производстве судовых дизелей. Например, японская фирма «Мицубиси» недавно провела успешное испытание судового ДС мощностью 66 кВт. В период с 1980 по 1983 гг. в Шанхайском НИИ судовых дизелей был разработан двухцилиндровый ДС мощностью 7,5 кВт.

Большой интерес представляет возможность использования для судовых ДС тепловых аккумуляторов вместо топлива. Запас тепловой энергии в расплавах некоторых солей, например, фтористого лития, составляет примерно 0,5 кВт ч/л (500 кВт ч/м 3) Таким образом, энергоемкость тепловых аккумуляторов соизмерима с калорийностью обычных топлив и вполне достаточна для многих судов, совершающих не слишком длительные рейсы. В Николаевском кораблестроительном институте разработан проект судовой энергетической установки мощностью 100 кВт с тепловым аккумулятором, материалом для которого служит обыкновенный графит.

Зарядку тепловых аккумуляторов для судов можно производить при помощи сжигания угля, используя излишки электроэнергии в ночное время, а также от расположенных в портах высокотемпературных ядерных реакторов.

Двигатель Стирлинга весьма эффективен для установки на небольшие суда. Так фирма «Юнайтед Стирлинг» установила одноцилиндровый ДС мощностью 10 л. с. на серийно выпускаемом катере типа "Альбин" длиной 10 м, обеспечив скорость катера 7 уз. Двигатель был установлен в корме и снабжен реверс-редуктором. Уровень шума, который был измерен на расстоянии 1 м от двигателя, работающего на полной нагрузке без какого-либо глушителя, составлял всего 68 дБ, что на 20 дБ меньше, чем у ДВС.

Аналогичные испытания проведены на катере «Стирлинг Силенса» датской постройки. Катер развил скорость 13 уз, работа двигателя оказалась надежной, вибрации не ощущались. Можно полагать, что при серийном выпуске ДС вытеснят ДВС на малых судах.

Одно из специфических качеств двигателя Стирлинга - способность работать с тепловым аккумулятором без атмосферного воздуха может быть успешно реализовано на подводных аппаратах. Полное отсутствие загрязнения водной среды, возможность многократного и быстрого разогрева материала теплоаккумулятора на судне обеспечения позволяют эффективно использовать такой аппарат при любых видах подводных исследований и работ.

Энергозапас силовой установки с ДС и тепловым аккумулятором (с расплавом фтористого лития) в 8-10 раз больше, чем у обычной системы со свинцовокислотными аккумуляторами и электродвигателем постоянного тока.

Двигатель Стирлинга, в отличие от электро двигателя, даже при самом высоком КПД выделяет в окружающую среду много тепла. Поэтому подводный буксировщик с ДС легко приспособить для одновременного обогрева водолаза.

Согласно полученным автором экспериментальным данным, стандартного пятилитрового баллона с пропаном хватает для непрерывной работы самодельного ДС мощностью 0,1 кВт в течение 40 часов. Такой лодочный мотор удобен и надежен в эксплуатации, исключает загрязнение водоемов.

Итак, есть все технико-экономические предпосылки для того, чтобы двигатели Стирлинга мощностью до 1 кВт нашли применение на подводных буксировщиках и в качестве массового лодочного мотора. Дело в том, что при серийном производстве стоимость таких двигателей упрощенной конструкции, по моим предварительным расчетам, уже в настоящее время не может превышать стоимости обычных подвесных лодочных моторов с ДВС.

Перечислим основные особенности работы двигателя:

1. В двигателе Стирлинга происходит преобразование теп­ловой энергии в механическую посредством сжатия постоянно­го количества рабочего тела при низкой температуре и после­дующего (после периода нагрева) его расширения при высо­кой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень со­вершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабаты­вает полезную механическую энергию.

2. В принципе при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии.

3. Необходимое изменение температуры рабочего тела обес­печивается наличием разделенных холодной и горячей полос­тей, по соединительным каналам между которыми под дей­ствием поршней перемещается рабочее тело.

4. Изменения объема в этих двух полостях должны не сов­падать по фазе, а получающиеся в результате циклические из­менения суммарного объема в свою очередь не должны совпа­дать по фазе с циклическим изменением давления. Это - усло­вие получения механической энергии на валу двигателя.

Таким образом, принцип Стирлинга - это попеременный нагрев и охлаждение заключенного в изолированном простран­стве рабочего тела. Чтобы наглядно представить, как этот про­стой принцип реализуется на практике, рассмотрим сначала элементарную систему поршень - цилиндр, в которой рабочее тело изолировано от внешней среды жестким поршнем, меха­нически соединенным с кривошипом (рис. 1.4).

По мере подвода тепла к головке цилиндра давление рабо­чего тела возрастает, и поршень начинает перемещаться впра­во под действием расширяющегося рабочего тела (рис. 1.5).

При расширении рабочего тела давление в цилиндре па­дает. Для компенсации охлаждения рабочего тела при его рас­ширении подвод тепла продолжается, благодаря чему процесс

Протекает при постоянной температуре. Когда поршень дости­гает своего крайнего правого положения (нижней мертвой точки), подвод тепла прекращается и начинается охлаждение головки цилиндра с помощью какого-либо внешнего источника (рис. 1.6).

В процессе охлаждения давление продолжает падать. Затем поршень начинает перемещаться влево, сжимая газ. Процесс

Рис. 1.8. Завершение рабочего цикла.

Охлаждения при этом продолжается, чтобы компенсировать на­грев при сжатии, так что и сжатие протекает при постоянной температуре (рис. 1.7).

Когда поршень достигает своего крайнего левого положения (верхней мертвой точки) охлаждающее устройство заменяется источником тепла (рис. 1.8).

Эту последовательность можно изобразить на диаграммах термодинамического состояния (рис. 1.9).

Поскольку процесс расширения с нагревом протекает при более высоком среднем давлении, чем процесс сжатия с охла­ждением, двигатель совершает полезную работу Однако такой метод подвода и отвода тепла громоздок и непрактичен, так как теплоемкость материалов, из которых изготавливается го­ловка цилиндра, слишком велика для реализации требуемых
быстрых изменений температуры. Тем не менее основная кон­цепция попеременного нагрева и охлаждения изолированного рабочего тела при различных давлениях для получения меха­нической работы изложена здесь вполне точно.

Объем А

Возникает проблема воплощения этой концепции на практи­ке. Очевидным решением было бы поддерживать на одном тор­це цилиндра постоянную высокую температуру, а на другом - постоянную низкую. Однако в этом случае невозможно было бы использовать систему поршень - цилиндр, упомянутую при описании рабочего цикла, поскольку рабочее те­ло одновременно и получало, и отдава­ло бы тепло в сменяющих друг друга фазах процесса. Роберт Стерлинг пре­одолел эту трудность, введя вытеснн­тельный поршень, или вытеснитель, расположенный последовательно с пер­воначальным поршнем, получившим

Теперь название «рабочий поршень». Вытесннтельный поршень предназначен для перемещения рабочего тела между локально расположенными горячей и холодной полостями (рис. 1.10).

Вытесннтельный поршень свободно размещен в цилиндре, так что рабочее тело может обтекать его со всех сторон, как показано на рис. 1.11, где действие вытеснительного поршня иллюстрируется безотносительно к рабочему поршню.

При движении вытеснителя вверх, к горячему концу ци­линдра, нагретое рабочее тело поступает в холодную полость через кольцевой зазор у боковых стенок вытеснительного
поршня. При этом давление рабочего тела вследствие охлажде­ния понижается. В цилиндре отсутствуют клапаны, поэтому, если не принимать во внимание небольшого, практически пре - небрежимого падения давления в кольцевом зазоре вокруг вы - теснительного поршня, давление во всех зонах цилиндра будет одинаковым. При движении к нижней мертвой точке вытесни - тельный поршень заставляет рабочее тело перемещаться через холодную полость и кольцевой зазор вокруг боковой поверхно­сти поршня в горячую полость для подогрева. Поскольку при

Движении вытеснительного поршня давление у обоих его тор - цев всегда одинаково, на это движение работа не затрачива­ется.

Движение вытеснительного и рабочего поршней не совпа­дает по фазе. Объяснение этого с позиций термодинамики бу­дет дано ниже. Однако уже сейчас нетрудно понять, что если все рабочее тело в какой-то фазе цикла должно быть в горя­чей полости, а в другой фазе цикла - в холодной, то оба порш­ня не могут находиться в одной фазе. Чтобы получить такое не совпадающее по фазе движение поршней, необходим. меха­низм привода, отличный от общепринятого. Пример механизма, использованного самим Стирлингом, показан на рис. 1.12.

Необходим еще один элемент, чтобы получить двигатель Стирлинга в том виде, в каком он известен сейчас. Это реге­нератор, или «экономайзер», как его первоначально назвал Стирлинг. Когда вытеснительный поршень перемещает расши­ряющееся рабочее тело в холодную полость (рис. 1.11), оно должно пройти через горячую полость где из-за продолжаю­
щегося нагрева получает избыточное тепло, которое необходи­мо отвести в холодильник. После того как рабочее тело сжато, оно перемещается в горячую полость через холодную, дополни­тельно охлаждаясь. Следовательно, рабочее тело поступает в горячую полость более холодным, чем требуется, а в холод­ную - более горячим.

Если в кольцевом зазоре вокруг вытеснительного поршня, по которому перетекает рабочее тело, установить сетку из стальной проволоки, то рабочее тело, проходя через этот зазор из горячей полости в холодную, будет иметь бо­лее высокую температуру, чем сетка, и, следовательно, будет отдавать теп­ло этой сетке. В этом случае сетка действует как предварительный холо­дильник, снижая термическую нагруз­ку основного холодильника. После процесса сжатия рабочее тело будет перетекать в горячую полость, нагре­ваясь при прохождении через сетку, т. е. будет вновь получать тепло, ра­нее отданное сетке. Теперь регенера­тор действует как предварительный нагреватель, уменьшая требуемое ко­личество подводимой энергии. Описанная система в целом по­казана на рис. 1.13.

Хотя схема, показанная на рис. 1.13, находит практическое применение во многих двигателях, проблема быстрой передачи энергии остается нерешенной, поскольку необходимо еще пре­одолеть тепловую инерцию стенок цилиндра. При проведении работ по усовершенствованию двигателя Стирлинга фирмой «Филипс» были применены трубчатые теплообменники для на­гревателя и холодильника, и, хотя при этом потребовалось уплот­нить вытесннтельный поршень, основная цель была достигнута. Полный рабочий цикл теперь можно описать с помощью рис. 1.14. На рис. 1.14 легко различаются составляющие процессы рабо­чего цикла, изображенного на диаграмме давление - объем (рис. 1.9, а).

На рис. 1 14, а рабочий поршень находится в крайнем ниж­нем положении, вытеснитель - в крайнем верхнем положении, и все рабочее тело заключено в холодной полости. Затем под действием внешних сил рабочий поршень начинает переме­щаться вверх, сжимая рабочее тело в холодной полости, при­чем температура рабочего тела поддерживается на минималь­ном уровне. В точке 2 (рис. 1.15) вытесннтельный поршень все еще находится в крайнем верхнем положении, рабочий
поршень заканчивает свое движение вверх, и процесс сжатия за­вершается (рис. 1.14,6). Рабочий поршень остается в своей верхней мертвой точке, а вытеснительный поршень начинает движение вниз, перемещая рабочее тело в систему холодиль­ник - регенератор - нагреватель и далее в горячую полость. Объем рабочего тела в этом процессе остается постоянным, а давление возрастает. В процессе между точками 2 и 3 рабоче­му телу передается тепло от регенератора. Точка 3 соответ­ствует пребыванию всего рабочего тела в горячей полости, при

Этом рабочий поршень все еще остается в своей верхней мерт­вой точке. Следует отметить, что вытеснительный поршень в точке 3 еще не достиг своего крайнего нижнего положения.

Теперь рабочее тело, находясь в горячей полости, получает тепло от трубчатого нагревателя и расширяется. Воздействуя на вытеснительный и рабочий поршни, расширяющееся рабочее тело заставляет их совместно перемещаться вниз, пока они не займут свое крайнее нижнее положение. В процессе между точ­ками 3 и 4 совершается положительная работа. Точка 4 соот­ветствует пребыванию обоих поршней в своих нижних мертвых точках. Рабочий поршень продолжает оставаться в этом поло­жении, а вытеснительный поршень перемещается вверх, вытес­няя расширившееся рабочее тело через систему нагреватель - регенератор - холодильник в холодную полость. При этом ра­бочее тело отдает остаток своего тепла регенератору. В процес­се 4 - 1 объем остается неизменным, а давление падает. Так осуществляется цикл Стирлинга в том виде, как он показан на двух диаграммах состояния (рис. 1.15).

Сравнивая движение поршней относительно друг друга в последовательных процессах (рис. 1.14), легко заметить, что их движение на протяжении всего цикла не совпадает по фазе.

Для обеспечения протекания такого цикла в соответствии с его описанием, приведенным выше, необходимо прерывистое перемещение поршней. Этот вывод можно наглядно проиллю­стрировать диаграммой перемещений поршней (рис. 1.16).

Рис. 1.15. Термодинамические диаграммы состояния идеального цикла Стир­линга.

Горячая полость расширения определяется переменным объемом VE между головкой цилиндра и верхним торцем вы­теснительного поршня. Она об­разуется исключительно благо­даря перемещению вытесни­тельного поршня. Холодная по­лость сжатия определяется пе­ременным объемом Vc между нижним торцем вытеснитель­ного поршня и верхним тор­цем рабочего поршня. Объем нагревателя, холодильника, ре­генератора и примыкающих к ним патрубков является не­рабочим объемом и называет­ся объемом мертвого простран­ства (мертвым объемом) V D . Любой мертвый объем умень­шает мощность, вырабатывае­мую двигателем, и его необходимо сводить к минимуму, допу­скаемому конструктивными особенностями двигателя. Однако в некоторых условиях путем увеличения мертвого объема можно увеличить КПД двигателя.

Теперь следовало бы рассмотреть проблемы термодинами­ки, газодинамики и теплообмена, которые необходимо решить для реализации принципа Стирлинга. Не ппеодолены также
трудности, связанные с высокой сложностью механизма при­вода и необходимостью обеспечить достаточную балансировку двигателя.

На рис. 1.16 показана зависимость изменения объема от угла поворота кривошипа, при выполнении которой реализует­ся идеальный цикл Стирлинга. Основной функцией механизма привода является наиболее точное воспроизведение этой зави­симости. Однако полное удовлетворение требований термоди­намики возможно только при прерывистом движении поршней, а механическое устройство не в состоянии точно воспроизвести такое движение. Хотя в принципе и можно создать механизм, воспроизводящий закон изменения объема, близкий к идеаль­ному, при его проектировании необходимо учитывать и другие факторы, а именно: простоту конструкции, компактность, дина­мические факторы и возможность установки системы уплот­нения.

Чем больше в механизме привода движущихся частей, тем меньше, как правило, механический КПД; при этом преимуще­ства, обусловленные воспроизведением закона изменения объ­ема, близкого к идеальному, могут быть сведены на нет низ­ким общим КПД двигателя. Кроме того, большое число дета­лей приводит к повышению стоимости изготовления механизма привода, общей стоимости агрегата и затрат на эксплуатацию, а также к снижению надежности по сравнению с механизмами привода обычных двигателей внутреннего сгорания. Простран­ство, в которое должен «вписываться» двигатель Стирлинга, также может быть определяющим фактором, а это поставит конструктора перед выбором, что предпочесть: громоздкий ме­ханизм привода, обеспечивающий почти идеальный закон изме­нения объема, или более компактный механизм, но воспроизво­дящий закон изменения объема с меньшей точностью.

Динамические факторы, которые необходимо принимать во внимание при конструировании, можно разделить на две груп­пы: связанные с динамической нагруженностью и связанные с динамической балансировкой движущихся частей двигателя. Динамические нагрузки оказывают решающее влияние на оп­ределение основных размеров двигателя Стирлинга. Термоди­намический анализ работы двигателя предъявляет определен­ные требования к рабочему объему, длине шатуна и др., одна­ко количественно эти требования выражены безразмерными параметрами и, следовательно, не устанавливают каких-либо реальных размеров. Определение размеров этих компонентов основывается на последующих динамических расчетах, включа­ющих определение нагрузок на подшипники, величины изгиба­ющего момента на шатуне и т. п. Двигатель Стирлинга благо­даря используемому в нем замкнутому циклу по своей приро­
де является бесшумным, и если в нем предусмотреть свобод­ный от вибраций (а следовательно, динамически уравновешен­ный) механизм привода, то потенциальные возможности его практического применения существенно расширятся. Некото­рые механизмы привода, разработанные для двигателей Стир­линга, удовлетворяют этим требованиям.

И наконец, в двигателях Стирлинга большого литража воз­никает проблема уплотнений, отделяющих цилиндры двигате­ля от картера и изолирующих картер от избыточного давле­ния. Таким образом, мы перечислили основные факторы, влия­ющие на выбор механизма привода двигателя Стирлинга.

В двигателях Стирлинга чаще всего используются: криво - шипно-балансирный механизм, ромбический привод, косая шайба и кривошипно-шатунный механизм.

Первым в двигателе Стирлинга был использован криво - шипно-балапсирпый механизм привода (рис. 1.17), в котором балансир сочленяется посредством двух рычагов с рабочим и вытеснительным поршнями, а рабочий поршень приводится не­посредственно от коленчатого вала. При таком типе привода неизбежно избыточное давление в картере, и поэтому он при­годен только для небольших двигателей. Такой привод не обес­печивает также динамической балансировки одноцилиндрового двигателя.

Увеличение мощности двигателя Стирлинга в процессе его совершенствования привело к необходимости изолировать ци­линдры от картера, чтобы избежать избыточного давления в картере. Эту проблему решает установка ромбического приво­да (рис. 1.18), разработанного фирмой «Филипс» в 50-е годы. Преимуществом такого привода является также возможность динамической балансировки даже в случае одноцилиндрового двигателя. Основными его недостатками являются сложность ме­ханизма, поскольку он состоит из большого числа движущихся частей, трущихся по­верхностей и т. п., и наличие в механизме двух находящихся в зацеплении зубчатых колес.

Косая шайба (рис. 1.19) применяется главным образом в двигателях, предназна­ченных для установки на автомобилях, где решающим фактором является компакт­ность силового агрегата. Такой механизм динамически сбалансирован при определен­ном угле наклона шайбы. Он также позво­ляет легко изолировать цилиндры от кар­тера. Однако в случае установки двигателя на автомобиль возникает проблема надеж­ности уплотнений в условиях быстрой сме­ны большого количества циклов. Косая шайба позволяет также управлять мощно­стью двигателя изменением угла наклона шайбы, что ведет в свою очередь к изме­нению величины хода поршней двигателя. В этом случае двигатель динамически сба­лансирован только при одном значении угла наклона шайбы.

Кривошипно-шатунный механизм (рис. 1.20) в течение мно­гих лет используется в двигателях внутреннего сгорания. Он исключительно надежен, и к настоящему времени накоплен большой опыт его эксплуатации. Этот механизм широко при­меняется в двигателях Стирлинга двойного действия как с крейцкопфом, так и без него. Преимуществами механизма явля­ются его надежность и простота изготовления, однако динами­ческая балансировка двигателя с таким механизмом привода практически недостижима.

Кривошипно-шатунный механизм, как мы могли убедиться, не является простым решением проблемы привода в случае, когда рабочий и вытеснительный поршни последовательно рас­положены в одном цилиндре. Однако такой механизм широко

Применяют в компоновочной модификации двигателя Стирлин­га со сдвоенными цилиндрами. Первоначально в такой модифи­кации использовали рабочий и вытесннтельный поршни, распо­ложенные в двух цилиндрах, соединенных коротким патрубком (рис. 1.21).

В XIX в. такой двигатель был построен Хенричи и Робин­соном . В литературе по двигателям Стирлинга, начиная с (>0-х годов нашего века и позднее, этот вариант часто назы­вают гамма-конфигурацией. Дальнейшие усовершенствования

Двигателя со сдвоенными цилиндрами были предложены Рай - дером , что привело к существенному увеличению удельной мощности по сравнению с другими модификациями двигателя Стирлинга, созданными к тому времени. С этого времени дви­гатели со сдвоенными цилиндрами получили всеобщее призна­ние. В модификации Райдера применены два полностью уплот­ненных в цилиндрах поршня вместо системы поршень - вытес­нитель. Теплообменники типа «нагреватель - регенератор - холодильник» встроены между двумя цилиндрами, образуя со­единительный канал (рис. 1.22).

Такая компоновка расширила возможности создания раз­личных конфигурации двигателя, реализующих принцип Стир­линга; например, цилиндры могут располагаться один против другого горизонтально или вертикально, параллельно один другому, в форме буквы V (рис. 1.23) и по другим схемам.

Все двигатели, о которых говорилось выше, по своему об­щему принципу действия являются двигателями простого дей­ствия. Следует подчеркнуть, что это название относится к дви­гателю, а не к поршню, поскольку, несмотря на то что
вытеснительныи поршень может производить двойное действие, когда его верхняя и нижняя поверхности управляют перемеще­нием газа, двигатель в целом при этом все еще может опреде­ляться как двигатель простого действия. Термины «двигатель

Простого действия»» и «двигатель двойного действия» примени­тельно к двигателям Стирлинга используются для характери­стики двигателя в целом. Например, как показано ниже, не-

Сколько агрегатов простого действия можно объединить в дви­гатель двойного действия. Этот способ мы проиллюстрируем на примере расположения цилиндров, предложенного Райдером и называемого также компоновочной модификацией альфа (рис. 1.24).

Цикл простого действия обеспечивается совместным дей­ствием верхней поверхности одного поршня и нижней поверх-

Ности другого поршня в соседних цилиндрах. Рабочее тело цир­кулирует между этими двумя цилиндрами. Оно не перемещает­ся через всю систему - от первого цилиндра до четвертого. Таким образом, поршень в каждом цилиндре выполняет функ­ции как рабочего, так и вытеснительного поршня, и при этом

Каждый поршень одновременно участвует в двух рабочих циклах. Следовательно, в четырехцилиндровой компоновке (рис. 1.24) одновременно протекают четыре отдельных цикла:

Этот тип двигателя Стирлинга был первоначально предло­жен английским инженером Сименсом и независимо от него голландскими инженерами Рини и Ван-Вееном в период их работы в фирме «Филипс», где он был усовершенствован. Двигатель двойного действия особенно эффективен среди ■устройств, вырабатывающих механическую энергию, из-за своей высокой удельной мощности, получаемой благодаря тому, что при каждом обороте коленчатого вала в каждом цилиндре поршень совершает полный рабочий ход.

Сказанное означает, что в двигателе двойного действия пор­шень выполняет две функции (или имеет двойную функцию):

1) заполнение рабочим телом двух полостей переменного объема и вытеснение рабочего тела из этих полостей;

2) передачу усилия на выходной вал.

Двигатели Стирлинга двойного действия неизбежно должны быть многоцилиндровыми, поскольку для получения сдвинутых по фазе процессов расширения и сжатия (необходимость тако­го сдвига отмечалась ранее) требуется не менее трех порш­ней. На практике же применяются обычно не менее четырех поршней, соединенных с одним коленчатым валом, причем соседние поршни дей­ствуют совместно в паре, чем и до­стигается двойное действие. Меха­низмы привода двигателей двойного действия должны. выполнять упомя­нутые выше две функции. Наибо­лее подходящим для этого представ­ляется обычный многоопорный ко­ленчатый вал рядного двигателя

Рис. 1.26. Соосная конфигурация ]РИС" L25)- Этот тип механизма осо - двигателя двойного действия. бенно подходит для крупногабарит­ных силовых агрегатов.

Лучшую компактность обеспечивает расположение ци­линдров в квадрате, так называемое соосное расположение (рис. 1.26), которое позволяет не только использовать общую систему сгорания, но и применять различные типы механизмов привода. Большинство пригодных для таких двигателей типов механизмов привода представляет собой модификации криво - шипно-шатунного механизма, однако фирмы «Филипс», «Дже­нерал моторе» и «Форд» потратили значительные усилия на со­вершенствование механизма с косой шайбой. Оптимальная кон­струкция привода этого типа обеспечивает механический КПД. превышающий 90 %.

Конфигурации двигателя Стирлинга в сочетании с различ­ными механизмами привода показаны на рис. 1.27. Разумеется, основанием для выбора того или иного механизма привода яв­ляется не только его компактность, но и другие факторы. Эти факторы подробно рассмотрены в разд. 2.5.

Во всех до сих пор рассмотренных двигателях использова­лись механизмы привода, в которых поршни жестко соединены друг с другом с помощью различных кинематических звеньев, а эти звенья в свою очередь жестко связаны с выходным ва­лом, служащим для передачи механической энергии от двига­теля. Двигатель Стирлинга может работать и без механической
. ииHi между поршнями. В этом случае рабочий и вытеснитель - iii. iii поршни называются свободными поршнями. Эта концеп­Ции может быть использована не только в двигателях Стар­инна, однако только применительно к таким двигателям ее п. чоп. успешно реализовать. Впервые ее воплотил в реально

I "m I Ч Mi.............. и.Im приводи, применяемые в двигателях Стирлинга. ||||||||"||||||ми<| ни rviniuil; t> ромбический; в - дезаксиалышй крнвошипно-шатунный; | . inn nil iii. itiiiiuV, l кршшшшшо-кулисный; e- крнвошипно-балансирный (механизм г. . .1 связанных с поршнями. Шток вытеснительного поршня - по­лый, открытый со стороны своего нижнего торца, так что ра­бочее тело, находящееся внутри вытеснительного поршня, по­стоянно сообщается с рабочим телом в так называемой буфер­ной полости, где все время поддерживается постоянное давле­ние. Эта полость служит газовой пружиной и, как будет пока­зано ниже, выполняет функцию, аналогичную функции коленча­того вала в обычном двигателе Стирлинга. Положение вытеснительного и рабочего поршней в начальный момент рабочего цикла показано на рис. 1.29, а весь цикл последо­вательно показан на рис. 1.30- 1.32. В начальном положении давление и температура рабоче­го тела во всем агрегате одина­ковы, причем давление равно его величине в буферной полости рв По мере передачи энергии рабо­чему телу в расширительной по­лости от трубок нагревателя тем­пература рабочего тела возрас­тает, что влечет за собой воз­растание давления до величины Pi (состояние 1). Это в свою оче­редь заставляет вытеснительный и рабочий поршни начать свое движение вниз. Чтобы двигатель развивал полезную мощность, необходимо обеспечить сдвиг по фазе движений обоих возвратно-поступа­тельных элементов. Поэтому вытеснительный поршень имеет меньшую массу, чем рабочий. Воздействие рабочего тела на рабочий и вытеснительный поршни приблизительно одинаково, однако из-за меньшей массы вытеснительный поршень движет­ся с большим ускорением. Благодаря этому рабочее тело вы­тесняется из полости сжатия и по соединительному каналу (в котором может находиться регенератор) перемещается в го­рячую полость, вызывая дальнейшее повышение давления; со­ответственно увеличивается разность давлений относительно давления в буферной полости, создающая движущую силу. В конечном счете вытеснительный поршень вступает в контакт с рабочим поршнем (состояние 2), и дальнейшее движение вниз оба поршня совершают совместно. Очевидно, что, как только оба поршня соединились, вытес - m мне рабочего газа из холодной полости сжатия прекращает - » я п соответственно прекращается поступление газа в расши - 1 Давление в буферной полости I"m I "I I Id. iu/ki fiih - поршнем н начальный момент рабочего цикла свободно- II |1|||||> lull и НИИ ИГ.1Я < "г1111."11111[ .1. I | Г1 I I II мп II. 1 MI"HI lll. nl III) МП и. Л буферная полость. 1>и It - Ц. м Hi Пи 1"и Ii . | ■ I Mi I момента давление в двигателе на­Чиним н.| I . Mi . In I . I | I . Ii - Iii Ii Pcini Рабочего тела Однако это ми мчим in I i mi" iiprni. iiii. ier давление в буферной полости, и Рис. 1.32. Полный рабочий цикл свободнопоршневого двигателя Стирлинга. 1 - горячая полость; 2- холодная полость; 3 - буферная полость. Сначала лишь замедляет направленное вниз движение возврат­но-поступательно движущихся элементов. Поскольку вытеснн­тельный поршень легче рабочего, он останавливается быстрее, отделяясь от рабочего поршня; при этом вновь начинает обра­зовываться полость сжатия. Рабочий поршень продолжает дви­гаться вниз и после остановки вытеснительного поршня (со­стояние 5), при этом рабочее тело начинает перетекать из рас - Ширшелмюи полости в полость сжатия, вызывая дальнейшее imi. hi" быстрое падение давления в рабочих полостях и соот - III-11-1 nyioni. ee увеличение направленной вверх силы, действую­Щем на поршни. # Иы геенн гельный поршень теперь очень быстро перемещает - » » и in рмиою часть цилиндра, вытесняя дополнительное коли - 411 ню рабочего тела из расширительной полости в полость I /К, м и» Наконец, вытесннтельный поршень достигает своего конечного положения (состояние 6) и остается в этом положе­нии нее время, пока давление в буферной полости превышает ми. ieНпе рабочего тела. Тем временем рабочий поршень, дой - III in своего крайнего нижнего положения (состояние 7), начи - и. h i перемещаться вверх, сжимая рабочее тело, заключенное Mi I i верхней поверхностью рабочего поршня и нижней по - ||| pMnu"ii. ii) in, I гее нательного поршня. В процессе сжатия дав - II щи раоочею тела возрастает по сравнению с давлением в ||п piiiiiiПо. кнмп п в результате возникает сила, перемещаю - 1н, in miieeiini(.цапли поршень вниз. Изолированное в рабочем ним ме рабочее тело перетекает в полость расширения, сооб - IIIни ими мппе п. ному поршню дополнительное ускорение, под Lelii |пнем ыиорого он догоняет рабочий поршень (состоя - IIiii М| la им |>,|(нI"niii цикл повторяется. IniiiiM ini|iii him, рабочий цикл сноболпоноршневого двигате - hi < шр ими I ночш полностью идентичен циклу двигателя, в I. пиром p. ioiiMim и ныкчииге. и.иын поршни механически свя - I. MII. I upuiioiiiiiiiiiuMMi xaiiiiImom обычного типа. Этот вывод не I пинком иео/китан Ун и. ям hil l, изучая ромбический привод, м 1.1 и .1 Ii И 1М. т привода, а один из студентов Била впервые построил птп пщощпп свободнопоршневой двигатель . Конфигурация ныитшпельпый поршень - рабочий поршень» в свободно - iiiipiiiiienoM двигателе, по существу, является колебательной си - iieMi. H масса - пружина, и эта система настраивается на ра­ню г резонансной частотой, которая и является рабочей ча - I иной ишгателя. Однако необходимо заметить, что двигатель liii ia может работать и в таком режиме, при котором вытесни - h и. in, hi поршень будет совершать не простые гармонические (| пни-пичальные) колебания, вызываемые резонансом, а коле- оання. график которых имеет более прямоугольную форму. I". ном случае двигатель работает в так называемом режиме наш банг». Это название, может, и не строго научное, очень П. И.1ЯДИО отражает физическую природу работы двигателя. Как и двигатель Стирлинга с обычным кривошипным при­ми юм, свободнопоршневой двигатель Стирлинга имеет различ­ные модификации, определяемые методами отбора мощности, ра ншваемой двигателем. Классификация этих модификаций часто вызывает затруднения, так как, несмотря на название, в некоторых случаях свободным является только вытеснитель­ный поршень, а в других - движущийся цилиндр. Во всех слу­чаях рабочий цикл одинаков, однако динамика движущихся ча­стей различна, что связано с различными модификациями си­стемы масса - пружина. Попытаемся обойти эти затруднения двумя путями: во-первых, используя определение, которое про­сто констатирует, что свободнопоршне - вым двигателем Стирлинга называется двигатель, в котором отсутствует механи­ческая связь между элементами, совер­шающими возвратно-поступательное дви­жение; во-вторых, мы дадим краткое опи­сание трех существующих модификаций свободнопоршневых двигателей. Первые две - это двигатели Била, третья пред­ставляет собой двигатель со свободным вытеснителем, известный также как «ха­руэллская машина». Если считать схему на рис. 1.28 и 1.29 основной формой двигателя Била, то главной проблемой такого двигателя ста­новится отбор и использование развивае­мой им мощности. Один метод представ­ляется особенно эффективным. Он заклю­чается в превращении рабочего поршня в постоянный магнит. Если разместить вокруг цилиндра обмотку, то при пере­мещении поршня внутри обмотки будет генерироваться электри­ческий ток. Фактически устройство в этом случае будет линей­ным генератором переменного тока (рис. 1.33), и его можно классифицировать как двигатель Била, буквально соответствую­щий названию свободнопоршневой. Цилиндр двигателя также можно использовать в качестве элемента, передающего мощность, если сделать цилиндр исклю­чительно легким, а поршень - исключительно массивным. Поршень в этом случае будет действовать как опора, оставаясь практически неподвижным, а вытеснитель и цилиндр станут свободно перемещаться. Тогда цилиндр можно использовать в качестве постоянного магнита или в более привычном вариан­те присоединить к рычагу привода гидравлического насоса (рис. 1.34). Гидронасос в свою очередь можно использовать для привода гидромотора, что делает возможным установку свободнопоршневого двигателя на автомобиле . Однако, несмотря на множество возможных вариантов применения сво­боднопоршневых двигателей, наиболее перспективным являет- I ii использование такого двигателя в качестве привода гидро - иагпга. 15 эгом направлении и проводятся многочисленные и 1 ппипмг разработки. I im одним типом свободноноршневого двигателя является ирмолкхапический генератор (ТМГ). Этот вариант - один из 11 vi i. i ммм пени, | i. i ip. iiiiiT. niiiUN группой сотрудников Центра im iiiiMiiun >iic111 им и Харуэлле (Англия) под руководством Км Яроори. 1МГ, 1МИ харуэллском машине, как его иногда мл ii. iuaioi. иомлощена идея свободных поршней, однако рабочий inipiiiem, здесь заменен металлической диафрагмой, и упругость Mcia. i.ia усиливает действие газовой пружины. Схема этой мо - пп||||кац|ш показана на рис. 1.35. Вместо поршня, перемещающегося в цилиндре вверх и вниз, в ТМГ установлена металлическая диафрагма, обычно изготав­ливаемая из нержавеющей стали. Эта диафрагма колеблется под действием изменяющегося давления рабочего тела. С диаф­рагмой жестко связан постоянный магнит, который колеблется в обмотке генератора, возбуждая электрический ток. Действие пружины, соединенной с вытеснителем, дает возможность си­стеме совершать резонансные колебания при частоте, равной I-радиатор; 2 - охлаждающий змеевик; 3-вытеснитель; 4 - якорь; 5 - диафрагма; 6 - пружина; 7-горелка. Частоте собственных колебаний системы. Частота колебаний легко регулируется подбором пружины и движущихся масс, что позволяет «подстроиться» под любую частоту в системе элек­троснабжения. Первоначально ТМГ предполагалось использо­вать в сочетании с источником тепла на радиоактивных изото­пах, но в настоящее время в таких двигателях используют про - пановые горелки (рис. 1.36). Замкнутый металлический цилиндр, содержащий рабочее тело, нагревается со стороны днища пропановой горелкой и охлаждается с внешней стороны диафрагмы, расположенной в верхней части цилиндра, охлаждающим змеевиком. Рабочий цикл полностью идентичен циклу двигателя с рабочим и вы - теснительным поршнями, за исключением того, что здесь вытес­нитель приводится в действие пружиной, расположенной между ним и корпусом цилиндра. Диафрагма совершает колебания с амплитудой, не превышающей нескольких миллиметров, ноэто- м (. 1я приведения в действие вытеснителя появилась необхо - I и мое I ь установки пружины. Все спободнопоршневые устройства легко герметизируются, ииски. п.ку из них не выступают движущиеся детали, например 111.11 мы п т. п. Можно обойтись и без поршневых колец, сведя к минимуму зазоры между движущимися частями за счет жест­ких ишусков. Отпадает необходимость в трубчатых нагревате - 1я, мня они и могут быть использованы. Появляется возмож - Ц|» и. использования регенерирующего действия кольцевого за- шра никрм вытеснителя, так называемой щелевой регенера­ции lli ск. иапного следует, что свободнопоршневые устройства I "ll! I I/ " м мп пии III II "I" III iii I. Illll I i << |i»i "i-ttt ii Im mihhiim in минным ap. iMi рпешкам сходны с двигателями 1 iup nun, I и 11 in ршшача. п.пых вариантах. It и pi н[г(ч с район, I над устройствами, действующими по и и к. I < I пр. шпга, группа ученых из Харуэлла помимо ТМГ | I . I ipaiuiI ала новый тепловой двигатель «Флюидайн», относя - пиин я к классу двигателей Стирлинга с двумя поршнями (дви - I л 11Iям Райдера). Отличительной особенностью нового двига - имя является изменение рабочего объема вследствие пере - мг i не 11 п я столбов жидкости, а не поршней, изготовленных из nirpiux материалов (рис. 1.37). < >i повой двигателя «Флюидайн» являются две U-образные |рпы (которые могут быть изготовлены из стекла), связанные < фсмя рабочими полостями, соединенными между собой. Что - iii. i понять принцип работы этого двигателя, допустим, что жид - Mirib в нем невязкая. Допустим также, что U-образной трубы < D не существует и что холодная полость герметизирована. Когда жидкость в U-образной трубе А - В (трубе вытесните - 1я) перемещается по часовой стрелке, левый столб жидкости поднимается, горячий газ перемещается в холодную полость, и явление рабочего газа понижается. Когда же столб жидкости движется против часовой стрелки, холодный газ возвращается в горячую рабочую полость, и давление газа возрастает. Та­ким образом происходят циклические изменения объема и дав­ления, но полезной работы в этом процессе не производится. Однако при наличии выходной трубы появляется эффект изме­нения суммарного объема газа при его колебаниях и так же, как и в других двигателях Стирлинга, при наличии меньшего чем 180° сдвига по фазе колебаний вытеснителя относительно колебаний выходного элемента возникает термодинамический цикл, в котором вырабатывается полезная работа. Эта полез­ная работа передается на мениск С столба жидкости в выход­ной трубе. Колебания столба жидкости в выходной трубе яв­ляются вынужденными и вызываются разностью давлений в двух рабочих полостях - С и D, в то время как колебания столба жидкости в трубе вытеснителя являются свободными, поскольку на мениски А и В действует одно и то же давление. Нетрудно заметить, что в случае вязкой жидкости ее колеба­ния в трубе вытеснителя постепенно бы затухали. Причиной стабильной непрерывной работы двигателя «Флюидайн» явля­ется «перекачка» энергии вынужденных колебаний в выходной трубе к свободным колебаниям в трубе вытеснителя. Эта энер­гия компенсирует действие вязкого трения и поддерживает устойчивые колебания. Существует по меньшей мере три наи­более распространенных способа перекачки энергии: 1) с помощью разности давлений (рис. 1.38, а); 2) с помощью качающегося стержня (рис. 1.38,6); 3) с помощью реактивной струи (рис. 1.38,в). В двигателе «Флюидайн», использующем способ перекачки энергии с помощью разности давлений, в отличие от схемы, рассмотренной выше, холодная полость выходной U-образной трубы совмещена с холодной полостью вытеснителя. Столбы жидкости, связанные с холодной и горячей полостями, разли­чаются по длине и, следовательно, имеют разные частоты соб­ственных колебаний. Рабочая частота всей системы заключена между частотами собственных колебаний горячего и холодного столбов жидкости. Возбуждающая сила, поддерживающая ста­бильные колебания, обусловлена разностью давлений на от­крытом торце выходной трубы и в рабочем газе. Система с качающимся стержнем имеет пружину, с по­мощью которой поддерживается равновесие системы относи­тельно фиксированного шарнира. В процессе работы колебания в выходной трубе вызывают смещение центра тяжести систе­мы относительно его первоначального положения и поворот си­стемы относительно шарнира. При сжатии и растяжении пру­жины возникает восстанавливающая сила, действующая на си-

I"m". 1.38. Варианты двигателя «Флюидайн» с различными способами «пере­дки» энергии.

Ра. шость давлений; б качающийся стержень; в - реактивная струя; 1 - горячая теть; 2 - холодная полость; 3 -шарнир; 4- восстанавливающая пружина.

«■тему. Система совершает угловые перемещения, и, поскольку темпа» конструкция является жесткой, эти угловые перемеще­ния передаются столбам жидкости вытеснителя, где они ней­трализуют вязкие потери и поддерживают устойчивые коле­бания.

В двигателе «Флюидайн» с реактивной струей, так же как ii и двигателе, использующем разность давлений, имеется объ - (чиненная холодная полость. Холодная и выходная трубы со­единяются с горячей трубой у ее основания. Такое соединение обеспечивает эффект реактивной струи. При перемещении вниз
мениска в горячей полости часть жидкости отводится по на­правлению к холодной полости, что заставляет столб жидкости в холодной трубе перемещаться вверх, а при обратном ходе жидкость, направляющаяся в горячую трубу, заставляет поток из холодной трубы двигаться в вытеснителе с ускорением. Тем самым как при ходе вверх, так и при ходе вниз достигается

	V //////>/ J

Рис. 1.39. Последовательные этапы «самозапуска» двигателя «Флюидайн».

А - начальное положение перед пуском; б - фаза расширения; в -первичное перерегули­рование: г-вторичное перерегулирование; д - фаза самовозбуждения.

Эффект реактивной с, труи. Однако реальные процессы, проте­кающие в этом гидравлическом соединении, исследованы еще недостаточно . Несмотря на это, модификация с реактив­ной струей является наиболее распространенной среди двига­телей «Флюидайн». Рабочий цикл двигателя с реактивной струей будет рассмотрен ниже.

Теперь же подробнее рассмотрим процессы, последователь­но протекающие при пуске двигателя «Флюидайн», поскольку одна из важнейших его особенностей - возможность «самоза­пуска».

Последовательность процессов при самозапуске показана на рис. 1.39. В положении предпускового равновесия уровни жидкости hu h 2 и h 3 определяются величинами статического давления в трубах. Если давление в рабочих полостях пере-
мсиного объема равно атмосферному, то все уровни одинако­вы (отметим, что уровни hi и h2 в этот момент всегда одина­ковы). При подведении тепловой энергии к правой трубе 1емпература рабочего тела возрастает, и оно расширяется. Дав - и"ние в рабочих полостях также возрастает, и из-за этого уров­ни жидкости в горячей и холодной трубах также начинают снижаться. Одновременно повышается уровень жидкости в вы­ходной трубе. Следует отметить, что все изменения уровня жид­кости весьма незначительны. Первичное расширение приводит к самозапуску устройства только по достижении критического шачения параметра Tss , зависящего от основных значений па­раметров, определяющих условия работы двигателя:

Эта формула основана на анализе явления, подробно рассмат­риваемого в разд. 1.6. Для большинства двигателей «Флюи - 1айн» Tss ~ 0,1.

По окончании фазы первичного расширения уровень жидко­сти в выходной трубе продолжает повышаться благодаря инер­ции движущейся жидкости. Уровень жидкости на горячей сто­роне продолжает падать, пока не будет достигнуто равнове­сие между жидкостью и рабочим телом. В этот момент уровень жидкости в трубе с холодной стороны выше, чем в трубе с горя­чей стороны. Это состояние, заключающееся в последователь­ности фаз, сменяющих друг друга при пуске двигателя, полу­чило название «первичное перерегулирование».

Как только под действием силы тяжести прекращается дви­жение жидкости вверх в выходной трубе, стабилизируется и ровень жидкости на горячей стороне; одновременно появляется тенденция к выравниванию уровней жидкости на горячей и хо­лодной сторонах. Следовательно, уровень жидкости в горячей трубе повышается, а в выходной понижается. Одновременно объем нагретого газа и его давление в рабочей полости умень­шаются из-за понижения температуры в этой полости, обуслов­ленного повышением уровня жидкости в горячей трубе и соответствующим уменьшением количества рабочего газа, под­вергающегося нагреву. Этим процессам способствует продолжаю - цееся движение вниз уровня жидкости в выходной трубе, вызы­вающее существенный динамический напор в гидравлическом соединении и дополнительное повышение уровня в трубе на го­рячей стороне. Действуя совместно, эти процессы вызывают возрастание уровня жидкости в трубе на горячей стороне до величины, превышающей уровни в других двух трубах. Это состояние называют вторичным перерегулированием. Оно приво­дит к дальнейшему возрастанию гравитационного потенциала между менисками.

В этот момент система находится в состоянии неустойчиво­го равновесия, и уровни жидкости начинают перемещаться в направлении к состоянию устойчивого равновесия. Уровень жид­кости на горячей стороне понижается, что позволяет большему количеству рабочего тела получать энергию от источника энер­гии. Рабочее тело расширяется, и процесс начинается вновь,

Однако теперь колебания становятся самовозбуждающимися и устойчивыми.

Рабочий цикл, описанный выше, имеет ту же физическую основу, что и цикл системы с двумя U-образными трубами.

«Флюидайн» может работать как в «мокром», так и в «су­хом» режиме. В первом случае существует контакт между вы­тесняемой жидкостью и рабочим телом. Во втором поверхности жидкости и рабочего газа разделены либо слоем «инертного» газа, либо механическим поплавком. Энергия в «Флюидайне» вырабатывается в виде колебаний жидкости в выходной трубе, и это особенно удобно для использования двигателя в качестве нагнетательного устройства. (История техники знает очень по­хожее устройство - насос Хэмфри с незамкнутым рабочим цик­лом.) Нагнетательный эффект достигается двумя основными способами, известными как прямое и косвенное нагнетание . В первом случае выходная, или резонансная, труба полностью преобразована в нагнетательную часть насоса, в то время как при косвенном нагнетании резонансная труба остается в перво­начальном виде, а нагнетательный эффект достигается с по­мощью отдельного канала, соединенного с холодной полостью (рис. 1.40, 1.41).

В случае косвенного нагнетания трудно осуществить «само - tanycK» и необходимы специальные дополнительные устройства, такие, как сливной тракт, встроенный параллельно выходной грубе и действующий как первичное нагнетающее устрой­ство .

Необходимо отметить также, что в «мокром» «Флюидайне» невозможно установить регенераторы с насадками, поскольку они не слишком эффективны в атмосфере тумана, образуемого

Парами жидкости. Отсутствием регенератора в «мокром» «Флюи - 1айне», вероятно, можно объяснить, почему такие двигатели имеют очень низкий КПД. Однако следует принять во внима­ние и то, что «мокрый» «Флюидайн» может работать только при температурах порядка 350 К (77°С) и разности температур при подводе и отводе тепла не более 25°С. При таких условиях КПД цикла Карно меньше 10 %.

15 двигателях Стирлинга, рассмотренных выше, использова­лось газообразное рабочее тело; даже в «мокром» «Флюидайне» рабочее тело в подавляющем большинстве случаев газообраз­ное. В настоящее время выдвигают предложения по использо­ванию рабочих тел с изменяющимся фазовым состоянием, на­пример таких, которые применяют в паровых машинах и па­ровых турбинах, однако пока нет сведений о том, что такие устройства успешно работают или по крайней мере разработа­ны. Английский инженер Мелоун еще в 30-е годы построил пшгатель возвратно-поступательного действия с замкнутым никлом, используя в качестве рабочего тела жидкость . Уокер предполагает, что двигатель Мелоуна в действитель­ности является двигателем Стирлинга, и единственная публи­кация Мелоуна как будто бы дает дополнительные основания

4 Зак. 839 для такого предположения. Однако более внимательный анализ и последовавшее детальное обсуждение этого вопроса в коллек­тиве исследователей, работающем в этой области под руковод­ством проф. Уитли в Калифорнийском университете (Сан-Ди­его, США), привели к выводу, что скорее всего двигатель Мелоуна работает по циклу, напоминающему цикл двигателя Стирлинга, однако имеющему существенные отличия. В то же время двигатель Мелоуна после небольшой модификации может в точности соответствовать двигателю Стирлинга. Тем не ме­нее остается невыясненным ряд вопросов относительно принци­пов работы двигателя Мелоуна даже в его первоначальном виде, поэтому мы считаем преждевременной попытку описания его рабочего цикла.

Рабочие циклы различных форм двигателя Стирлинга, пре­образующих тепловую энергию в механическую, уже нами описаны. Все эти двигатели имеют одни и те же основные принципы работы, однако есть и некоторые различия в конст руктивном воплощении, особенно там, где дело касается спо­собов использования вырабатываемой энергии. Схематические диаграммы и детальные описания, хотя и весьма полезные для облегчения понимания основных принципов, на которых осно­ваны эти двигатели, не всегда облегчают дело, когда надо определить, относится ли рассматриваемое устройство к двига­телям Стирлинга. В следующем разделе приводятся фотогра­фии и описания уже построенных двигателей Стирлинга раз­личных видов, что позволит устранить эти трудности.

Важным новым источником механической энергии для привода автомобиля является двигатель Стирлинга. Он почти неизвестен, существуют только его прототипы , поэтому можно дать лишь беглое описание его принципа действия и конструкции. В первоначальном виде он существовал как тепловая расширительная машина, в цилиндре которой рабочее тело, например, воздух, перед сжатием охлаждался, а перед расширением - нагревался. Схема и принцип действия такого двигателя показаны на рис. 1.

В верхней части цилиндра 1 имеется водяная охлаждающая рубашка 2 , а дно цилиндра постоянно нагревается пламенем. В цилиндре размещен рабочий поршень 3 уплотненный поршневыми кольцами и соединенный шатуном с коленчатым валом (на рисунке коленчатый вал не показан). Между дном цилиндра и рабочим поршнем находится поршень-вытеснитель 4 , который перемещается в цилиндре с большим зазором. Заключенный в цилиндре воздух через этот зазор перекачивается вытеснителем 4 либо к днищу рабочего поршня, либо к нагреваемому дну цилиндра. Вытеснитель приводится в движение штоком 5 , проходящим через уплотнение в поршне, и приводимым эксцентриковым механизмом, который вращается с углом запаздывания около 90° по сравнению с механизмом привода рабочего поршня.

В положении а поршень находится в НМТ (нижняя мертвая точка) и охлаждаемый стенками цилиндра воздух заключен между ним и вытеснителем. В следующей фазе б вытеснитель движется вверх, а поршень остается в НМТ. Воздух между ними выталкивается через зазор между вытеснителем и цилиндром к дну цилиндра и при этом охлаждается стенками цилиндра. Фаза в является рабочей, в течение которой воздух нагревается горячим дном цилиндра, расширяется и выталкивает оба поршня вверх к ВМТ (верхняя мертвая точка).

После совершения рабочего хода вытеснитель возвращается в нижнее положение к дну цилиндра и выталкивает воздух через зазор между стенками цилиндра в камеру под поршнем, воздух при этом охлаждается стенками. В положении г холодный воздух подготовлен к сжатию, и рабочий поршень движется от ВМТ к НМТ. Поскольку работа, затрачиваемая на сжатие холодного воздуха, меньше работы, совершаемой при расширении горячего воздуха, то возникает полезная работа. Аккумулятором энергии, необходимой для сжатия воздуха, служит маховик.

В описанном исполнении двигатель Стирлинга имел низший КПД, так как теплоту, содержащуюся в воздухе после совершения рабочего хода, необходимо было отводить в охлаждающую жидкость через стенки цилиндра. Воздух в течение одного хода поршня не успевал охлаждаться в достаточной степени, и требовалось увеличить время охлаждения, вследствие чего частота вращения двигателя также была небольшой. , который зависит, как говорилось ранее, от разницы максимальной и минимальной температур рабочего цикла, был также небольшим. Теплота отработавшего воздуха отводилась в охлаждающую воду и полностью терялась.

Двигатель Стирлинга был значительно усовершенствован фирмой «Филипс» («Philips» – Нидерланды). Прежде всего, был применен внешний регенератор теплоты, через который осуществлялась перекачка воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю под действием вытеснителя. Последовательно к регенератору во внешнем контуре был подключен радиатор. Регенератор аккумулирует теплоту воздуха, поступающего после расширения в холодную камеру. При течении воздуха в обратном направлении аккумулятор вновь отдает ему теплоту. Тем самым возрастает разница максимальной и минимальной температур цикла и теплоту необходимо отводить системой охлаждения. Радиатор, размещенный за регенератором, отводит только часть этой теплоты, остальная сохраняется в аккумуляторе и используется вновь. Вследствие этого не только улучшается КПД двигателя, но и увеличивается его максимальная частота вращения, что влияет на мощность и удельную массу двигателя. Теплота отработавших газов подогревателя используется для повышения температуры свежего воздуха, подаваемого в его камеру сгорания. Описанная конструктивная схема двигателя показана на рис. 2.

2 является рабочим, он передает давление воздуха на кривошипно-шатунный механизм, а вытеснитель 1 предназначен для перемещения воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю. В положении а воздух из пространства между двумя поршнями поступает через радиатор 3 и регенератор 4 в трубки подогревателя 6 и затем в верхнюю часть цилиндра. Трубки подогревателя размещены в камере сгорания, куда свежий воздух для сгорания подается по каналам 7 и затем, проходя через теплообменник, поступает в зону распылителя форсунки 5 ; отработавшие газы из подогревателя отводятся через выпускной трубопровод 8 .

В положении а воздух сжат и при движении в верхнюю часть цилиндра нагревается сначала в регенераторе, а затем в подогревателе. В положении б весь воздух вытеснен из пространства между двумя поршнями и выполняет работу, перемещая оба поршня в нижнее положение. В положении в после совершения работы рабочий поршень остается в нижнем положении, а вытеснитель 1 начинает выталкивать воздух из верхней части цилиндра в пространство между поршнями через регенератор, в котором воздух отдает значительную часть своей теплоты, и радиатор, где воздух охлаждается еще глубже. В последней фазе цикла г воздух охлажден и вытеснен из верхней части цилиндра в пространство между поршнями, где происходит его сжатие.

Сжатие холодного воздуха, поступление его через регенератор и радиатор в верхнюю часть цилиндра, последующее расширение и охлаждение воздуха представляют рабочий цикл. В цилиндре сохраняется постоянная масса воздуха, поэтому цилиндр работает без выхлопа. Для подогрева можно использовать любой источник тепла. В рассмотренной схеме применен котел на жидком топливе; содержание вредных веществ зависит от полноты сгорания топлива в камере сгорания котла. Поскольку при этом создается режим непрерывного сгорания при относительно низкой температуре и большом избытке воздуха, можно достичь полного сгорания и небольшого .

Преимущество двигателя Стирлинга заключается также в том, что он может работать не только на разнообразных топливах, но дает возможность применять различные виды источников теплоты. Это означает, что работа двигателя не зависит от наличия атмосферы. Он может одинаково хорошо работать в замкнутом пространстве как на подводных лодках, так и на спутниках. При использовании теплового аккумулятора с LiF теплота подводится к двигателю по теплопроводу, как это показано на рис. 3.

В нижней части рис. 2 показан ромбический механизм привода, который управляет движением обоих поршней. Для привода используются два коленчатых вала, соединенных парой шестерен и вращающихся в противоположных направлениях. Концы штока вытеснителя 1 и пустотелого штока поршня 2 через отдельные шатуны соединены с обоими коленчатыми валами. Если кривошипы обоих коленчатых валов находятся в верхнем положении и движутся из положения а в положение б , то шатуны рабочего поршня 2 находятся вблизи ВМТ и он немного перемещается около ВМТ. Шатуны вытеснителя, перемещающегося в этой фазе цикла, движутся вниз и поршень также движется с наибольшей скоростью из положения а в положение б .

Противоположное направление вращения двух коленчатых валов позволяет разместить на них противовесы, необходимые для уравновешивания сил инерции первого порядка и их моментов от возвратно-поступательно движущихся масс, которые существуют у одноцилиндрового и рядных двигателей.

Ромбический механизм имеет еще и то преимущество, что шатуны симметрично передают усилия от штоков поршней на коленчатые валы, а в подшипниках и уплотнениях поршней не возникают боковые силы. Последнее очень важно, так как для работы двигателя с хорошим КПД необходимо высокое рабочее давление.

У обычных кривошипно-шатунных механизмов при высоком давлении на поршень и больших углах отклонения шатуна возникают большие боковые силы, действующие на поршень и являющиеся причиной больших потерь на трение и большого износа. При применении крейцкопфа или же ромбического механизма это отрицательное явление устраняется и можно достичь хорошего уплотнения поршней.

Чтобы штоки не передавали большие усилия на коренные и шатунные подшипники коленчатых валов, под рабочим поршнем поддерживается противодавление, равное среднему рабочему давлению в цилиндре, оно составляет около 20 МПа.

Значительные трудности возникают при регулировании мощности двигателя Стирлинга. Изменение мощности, происходящее в результате изменения количества подаваемого в подогреватель топлива, незначительно. Более заметного результата можно добиться при изменении давления или количества рабочего тела. Этот способ регулирования мощности используется в автомобильном двигателе Стирлинга. Для уменьшения мощности часть газа из цилиндров перепускается в резервуар низкого давления; для увеличения мощности газ подается в цилиндры из резервуара высокого давления, куда он предварительно перекачивается специальным компрессором из резервуара низкого давления. У двигателей с поршнем двойного действия для снижения мощности газ перепускается из верхней части поршня в нижнюю через специальный канал. Переход от полной мощности к холостому ходу длится 0,2 с; обратный процесс занимает около 0,6 с.

Чтобы потери на трение газа при прохождении его через узкие каналы регенератора и радиатора были небольшими, применяют гелий, а также пытаются использовать водород. Для уменьшения размеров и массы четыре цилиндра с поршнями двойного действия в двигателе второго поколения размещаются как показано на рис. 9. Вместо коленчатого вала применен привод с помощью наклонных шайб. Наличие высокого давления газов по обе стороны поршня обеспечивает передачу на приводную шайбу только небольшой разницы давлений. Поскольку в двигателе Стирлинга вся отводимая теплота передается в охлаждающую жидкость, то радиатор этого двигателя должен быть в 2 раза больше, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания.

В качестве примера рассмотрим два автомобильных двигателя Стирлинга. Четырехцилиндровый двигатель первого поколения с ромбическим механизмом, изображенный на рис. 10, имеет диаметр цилиндра 77,5 мм, ход поршня 49,8 мм (рабочий объем 940 см 3), развивает мощность 147 кВт при 3000 мин -1 и среднем давлении в цилиндре порядка 22 МПа. Температура головки цилиндра поддерживается около 700 °C, а охлаждающей жидкости - на уровне 60 °C. Масса сухого двигателя составляет 760 кг. Холодный пуск и прогрев двигателя до достижения температуры головки цилиндра 700 °C длятся около 20 с. При температуре воды 55 °C индикаторный КПД двигателя на испытательном стенде достиг 35 %. Удельная мощность 156 кВт/дм 3 , а удельная масса на единицу мощности 5,2 кг/кВт.

Схематический разрез двигателя Стирлинга второго поколения модели «Филипс 4-215 DA», предназначенного для легкового автомобиля, изображен на рис. 9. Двигатель имеет примерно такие же размеры и массу, как и обычный бензиновый двигатель, и его мощность равна 127 кВт. Четыре цилиндра с поршнями двойного действия расположены вокруг оси приводного вала с наклонной шайбой. Котел подогревателя, общий для всех четырех цилиндров, имеет одну форсунку. На автомобиле «Форд Торино» (США) расход топлива с этим двигателем был на 25 % ниже, чем с бензиновым V-образным 8-цилиндровым двигателем. Содержание NOx в отработавших газах системы подогрева благодаря применению их рециркуляции было намного меньше установленной нормы.

Диаметр цилиндра двигателя «Филипс 4-215 DA» - 73 мм, ход поршня 52 мм. Мощность двигателя 127 кВт при частоте вращения 4000 мин -1 . Температура в подогревателе (температура головок цилиндров) равна 700 °C, а охлаждающей жидкости - 64 °C.

Шведская фирма «Юнайтед Стерлинг» создала свой двигатель Стирлинга таким образом, чтобы можно было в наибольшей степени использовать детали, серийно выпускаемые автомобильной промышленностью. Используются обычный коленчатый вал и шатун, который совместно с крейцкопфом преобразует во вращательное движение вала поступательное движение поршня двойного действия. Разрез этого четырехцилиндрового V-образного двигателя изображен на рис. 11. Ряды цилиндров расположены под небольшим углом, головки цилиндров образуют общую группу, подогреваемую одной горелкой.

Предполагаемая удельная масса этого двигателя равна 2,4 кг/кВт, что можно сравнить с показателями очень хорошего малоразмерного высокооборотного дизеля. Удельная масса двигателей Стирлинга уменьшилась с 6,1–7,3 кг/кВт до 4,3 кг/кВт и постоянно снижается.

Производство двигателя Стирлинга требует технологии, совершенно отличной от технологии производства двигателей внутреннего сгорания, что будет тормозить его внедрение в производство. Однако разработки таких двигателей продолжаются, поскольку традиционные бензиновый и дизельный двигатели не будут отвечать перспективным требованиям необходимой чистоты отработавших газов, а созданные двигатели Стирлинга дают основание надеяться, что эту проблему удастся решить. Так как изменение давления газов в цилиндре двигателя Стирлинга носит плавный характер, то он работает стабильно и тихо, напоминая паровую машину. Однако большое количество отводимой теплоты требует новых решений в области систем охлаждения.

Большой прогресс в двигателях Стирлинга достигнут при создании двигателя «Филипс 4-215 DA». Двигатель предназначен для применения в легковых автомобилях и занимает в них столько же места, сколько и обычный бензиновый V-образный двигатель равной мощности. Масса двигателя «Филипс 4-215 DA» равна 448 кг и при максимальной мощности 127 кВт его удельная масса составляет 3,5 кг/кВт. Индикаторный КПД этого двигав теля при использовании е качестве рабочего тела водорода под давлением 20 МПа равен 35 %.

Холодный пуск двигателя длится 15 с, расход топлива автомобилем в условиях городского движения на 25 % меньше, чем в случае обычного бензинового двигателя. Регулирование мощности двигателя производится изменением количества и давления рабочего тела.

Плотность водорода в 14 раз ниже плотности воздуха, а его теплоемкость также в 14 раз выше теплоемкости воздуха. Это положительно сказывается на гидравлических потерях, особенно в регенераторе, и в целом ведет к росту КПД двигателя (см. рис. 4).

Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий.

Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно . Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного. Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники . К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа

Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.

Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.

Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.

Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.

В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга

На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.

Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.

Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.

В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).

Рисунок 3 - График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.

Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление.

Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной

Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?

Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.

Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.

Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.

Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.

Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.

В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору .

Рисунок 6 – Схема импульсной турбины

Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине.
А так турбина выглядит у них в реальности:

Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины

Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами.

Что ж, будем продолжать пристально следить за развитием термоакустических двигателей.

Список использованных источников

М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977.
Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986.
Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.

Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.

Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.

Устройство и принцип работы

Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.

В первое время после изобретения такой двигатель существовал в виде машины, действующей на принципе теплового расширения.

В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Вверху цилиндра 1 находится водяная рубашка 3, дно цилиндра непрерывно нагревается огнем. В цилиндре расположен рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, передвигающийся в цилиндре со значительным зазором.

Воздух, находящийся в цилиндре, перекачивается вытеснителем 2 к дну поршня или цилиндра. Вытеснитель движется под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток в свою очередь приводится в действие эксцентриковым устройством, вращающимся с запаздыванием на 90 градусов от привода поршня.

В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.

В следующей позиции «б» вытеснитель перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, находящийся между ними, выталкивается ко дну цилиндра, охлаждаясь.

Позиция «в» — рабочая. В ней воздух нагревается дном цилиндра, расширяется и поднимает два поршня к верхней мертвой точке. После выполнения рабочего хода вытеснитель опускается ко дну цилиндра, выталкивая воздух под поршень, и охлаждаясь.

В позиции «г» охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается от верхней точки к нижней. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше, чем работа расширения нагретого воздуха, то образуется полезная работа. Маховик при этом служит своеобразным аккумулятором энергии.

В рассмотренном варианте двигатель Стирлинга обладает малым КПД, так как теплота воздуха после рабочего хода должна отводиться через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость. Воздух за один ход не успевает снизить температуру на необходимую величину, поэтому необходимо было продлить время охлаждения. Из-за этого скорость мотора была маленькой. Термический КПД был также незначительным. Тепло отработанного воздуха уходило в охлаждающую воду и терялось.

Разные конструкции

Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.

Конструкция исполнения «Альфа»

Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.

Конструкция исполнения «Бета»

Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.

Конструкция исполнения «Гамма»

Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.

Преимущества

• Как и множество двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, так как для него важно наличие перепада температуры. При этом не важно, каким топливом он вызван.
• Двигатель имеет простое устройство, и не нуждается во вспомогательных системах и навесных устройствах (коробка передач, ремень ГРМ, стартер и т.д.).
• Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
• Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива, и отсутствует выпуск отработанных газов.
• Исполнение «Бета», снабженное кривошипно-шатунным устройством в виде ромба, является наиболее сбалансированным механизмом, который при функционировании не создает вибрацию.

• В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.

Недостатки

• При значительных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга нереально по некоторым причинам. Основной вопрос в материалоемкости устройства. Чтобы охлаждать рабочее тело, необходим большой радиатор, что значительно увеличивает габариты и вес оборудования.
• Сегодняшний уровень технологий дает возможность двигателю Стирлинга конкурировать по свойствам с новыми бензиновыми двигателями за счет использования сложных типов рабочего тела (водород или гелий), находящихся под очень большим давлением. Это значительно повышает опасность использования таких двигателей.
• Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температурной стойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло подходит к рабочему пространству с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Также теплообменник должен производиться из термоустойчивых сплавов, которые также должны быть устойчивы к повышенному давлению. Соответствующие этим условиям материалы очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
• Принципы перехода двигателя Стирлинга на другие режимы функционирования также существенно отличаются от привычных принципов. Для этого необходимо создание специальных устройств управления. Например, для изменения мощности нужно менять угол фаз между силовым поршнем и вытеснителем, давление в цилиндрах, либо изменить емкость рабочего объема.

Двигатель Стирлинга и его использование

При необходимости создания преобразователя тепла компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.

• Универсальные источники электричества. Моторы Стирлинга могут преобразовывать тепло в электричество. Существуют проекты солнечных электроустановок с применением таких двигателей. Их используют как автономные электростанции для туристов. Некоторые производители изготавливают генераторы, действующие от газовой конфорки. Существуют также проекты генераторов, которые работают от радиоизотопных источников тепла.
• Насосы . Если в контуре системы отопления установлен насос, то эффективность отопления значительно возрастает. В системах охлаждения также устанавливают насосы. Электрический насос может выйти из строя, к тому же, он потребляет электрическую энергию. Насос, действующий по принципу Стирлинга, решает этот вопрос. Двигатель Стирлинга для перекачивания жидкостей будет проще обычной схемы, так как вместо поршня может применяться сама перекачиваемая жидкость, служащая также для охлаждения.
• Холодильное оборудование . В конструкции всех холодильников используется принцип тепловых насосов. Некоторые производители холодильников планируют устанавливать на свои изделия двигатель Стирлинга, которые будут очень экономичны. Рабочим телом будет выступать воздух.
• Сверхнизкие температуры . Для сжижения газов такие моторы очень эффективны. Их использование более выгодное, чем турбинные устройства. Также двигатель Стирлинга применяется в устройствах для охлаждения датчиков точных приборов.
• . Электрическую энергию можно получать путем преобразования энергии солнца. Для этого могут применяться двигатели Стирлинга, которые устанавливают в фокус зеркала так, чтобы место нагрева непрерывно освещалось лучами солнца. Отражатель управляется по мере перемещения солнца, энергия которого концентрируется на малой площади. При этом происходит отражение излучения зеркалами около 92%. Рабочим телом двигателя служит чаще всего гелий или водород.
• Аккумуляторы тепла . С помощью устройства Стирлинга можно резервировать тепловую энергию, используя теплоаккумуляторы на основе расплавов солей. Такие устройства имеют запас энергии, превосходящий химические , и имеют меньшую стоимость. Применяя для регулировки мощности увеличение и уменьшение угла фазы между двумя поршнями, можно накапливать механическую энергию, осуществляя торможение двигателя. При этом двигатель служит тепловым насосом.
• Автомобилестроение . Несмотря на сложности, существуют действующие модели мотора Стирлинга, использующиеся для автомобилей. Заинтересованность в таком двигателе, подходящем для автомобиля, возникла еще в прошлом веке. Разработки в этом направлении проводили английские и немецкие автоконцерны. В Швеции также был разработан двигатель Стирлинга, в котором применялись унифицированные серийные агрегаты и узлы. В результате получился 4-цилиндровый мотор, параметры которого сравнимы с характеристиками небольшого дизельного двигателя. Этот двигатель был успешно испытан в качестве силового агрегата для многотонного грузовика.

Сегодня исследования установок Стирлинга для подводных, космических и других установок, а также проектирование основных двигателей проводятся во многих зарубежных странах. Такой высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников.