Наша сеть партнеров Banwar
Доля двигуна, про який піде мова, характерна для багатьох винаходів. Часом вони надовго зникають з передових позицій техніки, але через десятиліття їх гідності, коли щось не грали першорядну роль, знову привертають увагу і дають імпульс нових пошуків, часто - другого народження ідеї. Так сталося з тепловим двигуном Роберта Стірлінга, побудованим вперше ще в 1816 році. У різних варіантах він широко застосовувався в минулому столітті, проте до початку першої світової війни його практично витіснили швидко вдосконалювати мотори внутрішнього згоряння і електродвигуни. Але в кінці 30-х років їм зацікавилася голландська радіотехнічна корпорація «Філіпс», а починаючи з 60-х, в ряді країн досить інтенсивно ведуться розробки і дослідження двигуна Стірлінга для транспортних засобів.
Перш ніж говорити про нинішній стан справ і причини нового інтересу до мотору Стірлінга, опишемо коротко принцип його дії і пристрій. Як відомо, в двигунах внутрішнього згоряння (ДВЗ) корисна робота здійснюється в процесі розширення нагрітих газів. У роботу переходить частина енергії, отриманої газами при стисненні і згорянні палива. Цей принцип використаний і в двигуні Стірлінга: стиснення робочого тіла при низькій температурі і розширення - при більш високій. Однак в ньому робоче тіло отримує тепло ззовні (в найпростішому випадку через стінку циліндра). Тому теплову машину Стірлінга іноді називають двигуном зовнішнього згоряння.
Циліндр реального двигуна Стірлінга розділений на дві частини, в одній з яких постійно висока температура, в іншій - низька. Між ними - допоміжний поршень-витіснювач. Він служить тільки для перекачування робочого тіла з гарячою порожнини в холодну через охолоджувач і назад через нагрівач. Щоб зменшити втрати енергії при перетікання газу, застосовують ще один теплообмінник - регенератор. Це камера з пористим наповнювачем, якого робоче тіло віддає тепло шляхом в охолоджувач. Коли ж газ тече назад, регенератор повертає йому запасеної тепло.
Мал. 1. Принцип дії двигуна Стірлінга. Для простоти припускаємо руху поршня і витискувача переривчастими. Тоді цикл можна розділити на чотири частини: а - поршень в ВМТ, витіснювач в НМТ, весь газ - в холодній порожнини; б - витіснювач залишається в ВМТ, поршень стискає газ при низькій температурі; в - поршень в ВМТ, витіснювач проштовхує газ з холодної порожнини в гарячу; г - нагрітий газ розширився, поршень і витіснювач в крайніх нижніх положеннях. Поки поршень залишається на місці, витіснювач переводить газ в холодну порожнину, потім цикл повторюється.
Інший поршень - робочий: він стискає холодний газ і виконує корисну роботу при розширенні нагрітого. Стадії робочого процесу показані на рис. 1. Витіснювач не робить корисної роботи, так як при робочому ході (див. Рис. 1в) тиск газу по обидві його сторони практично однаково.
Робочий поршень (надалі будемо називати його просто поршнем) і витіснювач в сучасних конструкціях пов'язані через ромбічний приводний механізм з двома колінчатими валами, що обертаються в протилежних напрямках. Вали з'єднані шестернями, що дозволяє знімати потужність з будь-якого з них.
В процесі вдосконалення був винайдений двигун подвійної дії (рис. 2), в якому гаряча і холодна порожнини сусідніх циліндрів з'єднані через теплообмінники (нагрівач, регенератор, охолоджувач).
Мал. 2. Схема двигуна подвійної дії: V1 - порожнину стиснення; V2 - порожнину розширення; Н - нагрівач; Р - регенератор; Про - охолоджувач. Кінець трубки справа внизу повинен бути з'єднаний з відкритим кінцем зліва від першого циліндра. Порожнина розширення одного циліндра через нагрівач, регенератор і охолоджувач повідомляється з порожниною стиснення іншого.
Обсяги відповідних порожнин максимальні, коли в пов'язаних між собою циліндрах один поршень знаходиться в ВМТ, інший в НМТ. Витискувачів в такому двигуні немає. Корисна робота відбувається в кожному циліндрі як при ході поршня вгору, так і при ході вниз.
Щоб камера під поршнем була герметичною, його з'єднали з колінчастим валом через крейцкопфний механізм, що дозволяє шатуну рухатися тільки поступально. У «Стірлінг» подвійної дії циліндри можуть розташовуватися в ряд по колу або V-образно.
Останній варіант схематично зображено на рис. 3.
Навіть побіжне опис двигуна Стірлінга наводить на думку, що конструктивно він не простіше поршневих ДВС. Це підтверджують і викладки дослідників. У чому ж переваги, які дозволяють прихильникам «стірлінга» вважати його цілком реальним суперником поршневого ДВС, нехай не в найближчому майбутньому?
Таких плюсів в світлі сучасних оцінок чимало, і всі вони істотні. Токсичність відпрацьованих газів в п'ять-десять разів менше, ніж у порівнянних по потужності ДВС, а рівень шуму нижче на 10-15 дБ. Економічність краще, ніж у бензинового, а на малих швидкостях (25-55 км / ч) - навіть ніж у дизеля. Додамо невимогливість до виду і якості палива, іншими словами, можливість роботи на самому різному пальному - від бензину до рослинних масел, від газу до деревних чурок. Причому, на відміну від ДВС, погіршення якості палива не веде до істотного падіння ККД і потужності. Ми не назвали ще врівноваженість і високу плавність роботи, сприятливі (дозволяють спростити трансмісію) характеристики крутного моменту, хорошу прийомистість.
Дізнавшись все це, важко не задатися питанням: чому ж досі не «бита карта» традиційного ДВС? Можливо ми промовчали про якісь непереборних недоліках двигуна Стірлінга?
Безперечно, у нього є слабкі місця. Він важкий: маса, яка припадає на одиницю потужності, більше, ніж у бензинового мотора, і близька до показників дизеля. Складніше, а значить, дорожче механізм перетворення руху (кривошипно-шатунний). Умови протікання робочого циклу вимагають радіатора в два-три рази більшого обсягу, ніж для традиційних ДВС. Чимало проблем пов'язано з матеріалами теплообмінників, зокрема нагрівача, де температура близько 750 ° С, з ущільненням робочих порожнин. Нарешті, для отримання високих показників в якості робочого тіла «Стірлінг» потрібні водень або гелій.
Мал. 3. Схема двигуна для досвідченого автомобіля «Дженерал Моторс»: 1 - форсунка; 2 - камера згоряння з завіхрітелем; 3 - трубки нагрівача; 4 - регенератор; 5 - впускний патрубок; 6 - герметично ізольований робочий газ; 7 - водяна сорочка (охолоджувач); 8 - поршневі кільця.
Перераховані мінуси істотні, але переборні. А найвразливіше місце цього двигуна, як дотепно зауважив один фахівець, в тому, що існують ... інші двигуни (звичайно, в першу чергу поршневі ДВС). Та не просто існують: над їх вдосконаленням - поліпшенням робочого процесу, підвищенням економічності, зниженням шумності, токсичності, металоємності, трудомісткості виготовлення і обслуговування - постійно працює безліч людей, точне число яких навіть важко підрахувати. Відомий дослідник двигунів Стірлінга канадський вчений Г. Уокер зазначає: «Те, що фірма« Філіпс »у відносно короткий час (35 років - прим. Авт.) І з відносно малим штатом співробітників змогла створити двигуни Стірлінга з високими характеристиками, представляється для інших фірм неймовірним; приймаючи все це до уваги, було б ризиковано передбачити майбутній розвиток ». Міркуючи так, Уокер більше 10 років тому робив обережний прогноз: «... до 1980 року двигуни Стірлінга на вантажівках можуть бути вже не новиною».
Але прогноз не збувся. Армія захисників ДВС діє поки в цілому успішніше, ніж нечисленний загін прихильників «стірлінга». Після 10 років науково-дослідних робіт автомобільні компанії «Дженерал Моторс» і «Форд» припинили власні розробки по двигунах Стірлінга, не бачачи досить близьких перспектив їх використання. Але корпорації не вийшли з гри, просто основну частину програми взяли на себе шведська фірма «Юнайтед Стірлінг» і американська «Мекенікел Текнолоджі», до речі, широко використовують патенти «Філіпс».
Повідомлялося, що в нинішньому році «Дженерал Моторс» буде відчувати легковий автомобіль з двигуном МОД-1, розробленим «Юнайтед Стірлінг» і вдосконаленим в ході дворічних експериментів компанією «Мекенікел Текнолоджі». Він має два колінчастих валу і вертикально розташовані циліндри. Попередні випробування показали, що пробіг машини з таким двигуном на 15% більше, ніж з ДВС, при рівному витраті палива. Зауважимо, що мова йде про типовому американському автомобілі, економічність якого за сучасними поняттями невисока. Компанія прагне довести цю різницю до 30%.
Є проект мотора з одним колінчастим валом і V-подібним розташуванням чотирьох циліндрів. Розвиваючи 80 л. с. / 59 кВт, він дозволить автомобілю проходити на 1 літрі бензину 17 кілометрів, а на літрі дизельного палива - 19,6 кілометра. У прийнятих у нас одиницях це відповідає 5,9 і 5,1 л / 100 км. Такі розрахунки конструкторів.
Відомо про застосування нових матеріалів, більш стійких до високих температур. Доброю герметичністю володіють, зокрема, тефлонові кільця, що ущільнюють поршень в циліндрі.
Продовження випробувань не говорить, однак, про плани серійного виробництва двигунів Стірлінга. Як заявив представник «Дженерал Моторс», програма залишається «надзвичайно експериментальної». Причини: сьогодні і в найближчому майбутньому двигун Стірлінга для автомобіля менш вигідний, ніж, скажімо, дизель.
Чи буде так завжди? Або можуть виникнути умови, які змусять платити за переваги «стирлингов» більш високу ціну, ніж прийнятна зараз? Ми маємо на увазі критичний рівень загазованості і шуму, можливий дефіцит палива. Поки відповідь на це питання до кінця не ясний, тим більше що ДВС, в свою чергу, стають не тільки економічніше і тихіше, але одночасно складніше і дорожче, обростаючи турбокомпресорами , Електронними системами регулювання і т. Д. У такій ситуації можна очікувати нових цікавих результатів доведення двигунів Стірлінга.
В. БРУСНИЦиН ( «За кермом», №9, 1984)
література
Двигуни Стірлінга. Під ред. М. Г. Круглова. М., Машинобудування, 1977.
Двигуни Стірлінга. Збірник статей під ред. В. М. Бродянского. М., Мир, 1975.
Г. Уокер. Машини, що працюють по циклу Стірлінга. М. Енергія, 1978.
Автомобільна промисловість. 1983, № 1, с. 6-8.
Дізнавшись все це, важко не задатися питанням: чому ж досі не «бита карта» традиційного ДВС?
Можливо ми промовчали про якісь непереборних недоліках двигуна Стірлінга?
Чи буде так завжди?
Або можуть виникнути умови, які змусять платити за переваги «стирлингов» більш високу ціну, ніж прийнятна зараз?