Двигуни Стірлінга

 

ДвигунСтірлінга (17.1) – теплова машина, що працює за замкнутим термодинамічним

циклом, у якому ізотермічні процеси стиску і розширення відбуваються при різних рівнях

температур, а керування переносом робочого тіла у робочих порожнинах здійснюється шляхом

зміни його об`єму (патент шотландського пастора Роберта Стірлінга (1790-1878 рр.) 1816 року

№ 4081 на "машину, що виробляє рушійну силу за допомогою нагрітого повітря". У 1827 і 1840

р. він одержав ще два патенти (№№ 5456 і 8652) на удосконалені варіанти своєї машини, а у 1845

р. на ливарному заводі у Данді було запущено першу машину Стірлінга потужністю 50

індикаторних кінських сил). Цикл Стірлінга значно більшою мірою, ніж цикли ДВЗ та ГТД,

наближений до ідеального циклу теплової машини – циклу Карно. Важливою їхньою

особливістю є глибока регенерація теплоти, що дозволила створити реальні двигуни різного

призначення.

 

 

Основною перевагою двигунів є високий ККД, який для дослідних екземплярів двигунів

Стірлінга досягає ККД кращих дизелів. Як робоче тіло у циклі використовують гази, що мають

високі значення теплоємності і теплопровідності (водень, гелій і ін.). Найбільш ефективним є

водень, однак його застосування стримується дифузією водню в металах при високих

температурах і тиску, тому частіше використовується гелій. Можливе застосування повітря як

найбільш дешевого робочого тіла, хоча і з трохи меншими значеннями ККД.

Інтерес до двигунів безупинно зростає в зв'язку з низьким забрудненням навколишнього

середовища цими двигунами. Двигун Стірлінга працює практично на будь-яких видах палива і

від будь-яких джерел теплоти. При спалюванні органічних палив процес згоряння в двигуні

вдається організувати з набагато більшою повнотою, ніж у ДВЗ і ГТД. Тому навіть при

використанні традиційних для транспорту нафтопродуктів шкідливих викидів в атмосферу

набагато менше, ніж у ДВЗ. Іншою важливою перевагою двигунів Стірлінга варто вважати

низький рівень шуму при роботі внаслідок повної зрівноваженості механізму і відсутності

вихлопу газів під тиском. До переваг можна віднести зростання крутного моменту зі

зменшенням частоти обертання, простоту пуску, що дуже важливо для автомобілів.

Усі розроблені на сьогодні конструкції двигуна Стірлінга можна підрозділити на три

модифікації:

- альфа-модифікація. Ця група включає V-подібні двигуни. Робочий об'єм розподілений

між двома циліндрами, в одному з яких перебуває гаряча порожнина, а в іншому – холодна. У

двигуні є регенератор, що розташований між циліндрами;

- бета-модифікація. У цьому типі двигунів є тільки один циліндр. Зміна об'єму гарячої

порожнини здійснюється за допомогою витиснювального поршня. Зміна об'єму холодної

порожнини відбувається за допомогою руху як витиснювального поршня, так і робочого

поршня. Ходи цих поршнів перекриваються;

- гамма-модифікація. Тут, так само як й у бета-модифікаціях, є і робочий поршень, і

витиснювальний. Однак вони перебувають в окремих циліндрах. Холодна порожнина розділена

на два циліндри, і, отже, її мінімальний об'єм завжди позитивний.

Спочатку двигун Стірлінга був створений за схемою з розширенням і стиском у тому

самому циліндрі (β-модифікація). На цьому двигуні ефективний ККД удалося довести до 39%.

Число сучасних конструкцій двигунів є достатньо великим, однак найбільш поширені

багатоциліндрові (4ч9 циліндрів) двигуни з ромбічним механізмом приводу, а також подвійної

дії, тобто β-модифікація (рис. 17.3). Випробувалися також двигуни з похилою (косою) шайбою і

деякі інші.

Найбільший інтерес до двигунів Стірлінга спостерігався в останній чверті минулого

століття. Тоді майже всіма провідними компаніями-виробниками автомобілів проводилися

широкомасштабні дослідження, пов'язані з оцінкою можливості заміни двигунів внутрішнього

згоряння двигуном Стірлінга. Було пророблено великий обсяг науково-дослідних робіт із цих

двигунів. Були розроблені і випробувані різні конструкції двигуна: одноциліндрові і

багатоциліндрові витиснювального типу зі звичайним кривошипно-шатунним і ромбічним

механізмом, багатоциліндрові подвійної дії з похилою шайбою, вільно-поршневі з різними

приводами. Фірма Daimler-Benz одержала патент на схему роторного двигуна, що працює за

циклом Стірлінга.

Але, незважаючи на те, що були створені двигуни потужністю від 6 до 900 к.с., що мають

ефективний ККД від 26 до 43 %, і малі двигуни потужністю 0,014ч0,4 к.с. з ККД від 7,9 до 14 %,

широкомасштабне серійне виробництво так і не почалося.

У США дослідницька експлуатація двигунів Стірлінга здійснювалася на легкових

автомобілях, автобусах, катерах, потужність складала 30ч125 кВт. Двигуни зарекомендували

себе як дуже економічні, зручні в експлуатації. Випробувалися також системи з тепловими

акумуляторами. До недоліків двигунів Стірлінга, що стримують їхнє поширення, відносять

більш високу вартість у порівнянні з ДВЗ, однак у міру вдосконалювання конструкцій і

технології виробництва варто очікувати зниження вартості. Боротьба за чистоту навколишнього

 

 

середовища, особливо у великих містах, безсумнівно підсилить тенденцію до більшого

поширення цих двигунів на транспорті, у першу чергу автомобільному.

 

Рисунок 17.3. Схема роботи двигуна Стірлінга (β-модифікація):

1 – робочий поршень; 2 – витиснювальний поршень; 3 – „холодна” зона; 4 – „гаряча” зона; 5 –

теплообмінник; 6 – регенератор; 7 – нагрівач