Двигун Стірлінга (двигун зовнішнього згоряння)

Принцип роботи [ правити ]

• Основний принцип роботи двигуна Стірлінга полягає в постійно чередуемих нагріванні і охолодженні робочого тіла в закритому циліндрі. Зазвичай в ролі робочого тіла виступає повітря, але також використовуються водень і гелій.

Двигун Стірлінга використовує цикл Стірлінга, який по термодинамічної ефективністю не поступається циклу Карно, і навіть має перевагу. Цикл Стірлінга складається з чотирьох фаз і розділений двома перехідними фазами: нагрів, розширення, перехід до джерела холоду, охолодження, стиснення і перехід до джерела тепла. Таким чином, при переході від теплого джерела до холодного джерела відбувається розширення і стиснення газу, що знаходиться в циліндрі. При цьому змінюється тиск, за рахунок чого можна отримати корисну роботу. Нагрівання і охолодження робочого тіла (ділянки 4 і 2) проводиться рекуператором. В ідеалі кількість тепла, що віддається і відбирається рекуператором, однаково. Корисна робота проводиться тільки за рахунок ізотерм, тобто залежить від різниці температур нагрівача і охолоджувача, як в циклі Карно.

де: a - витіснювальний поршень; b - робочий поршень; з - маховик; d - вогонь (область нагрівання); e - область охолодження. Зовнішнє джерело тепла нагріває газ в нижній частині теплообмінного циліндра. Створюваний тиск штовхає робочий поршень вгору (зверніть увагу, що витіснювальний поршень нещільно прилягає до стінок). Маховик штовхає витіснювальний поршень вниз, тим самим переміщаючи розігрітий повітря з нижньої частини в охолоджувальну камеру. Повітря охолоджується і стискається, поршень опускається вниз. Витіснювальний поршень піднімається вгору, тим самим переміщаючи охолоджене повітря в нижню частину. І цикл повторюється. У машині Стірлінга рух робочого поршня зрушено на 90 ° щодо руху поршня-витискувача. Залежно від знака цього зсуву машина може бути двигуном або тепловим насосом. При зсуві 0 машина не робить ніякої роботи (крім втрат на тертя) і не виробляє її.

Класифікація двигунів Стірлінга [ правити ]

• Альфа-Стірлінг - містить два роздільних силових поршня в роздільних циліндрах. Один поршень - гарячий, інший - холодний. Циліндр з гарячим поршнем знаходиться в теплообміннику з більш високою температурою, в той час як циліндр з холодним поршнем знаходиться в більш холодному теплообміннику. У даного типу двигуна відношення потужності до обсягу досить велике, але, на жаль, висока температура «гарячого» поршня створює певні технічні проблеми.

Регенератор знаходиться між гарячою частиною сполучної трубки і холодної.

• Бета-Стірлінг - циліндр всього один, гарячий з одного кінця і холодний з іншого. Усередині циліндра рухаються поршень (з якого знімається потужність) і «витіснювач», що змінює обсяг гарячої порожнини. Газ перекачується з холодної частини циліндра в гарячу через регенератор. Регенератор може бути зовнішнім, як частина теплообмінника, або може бути поєднаний з поршнем-витіснювачем.

• Гамма-Стірлінг - теж є поршень і «витіснювач», але при цьому два циліндра - один холодний (там рухається поршень, з якого знімається потужність), а другий гарячий з одного кінця і холодний з іншого (там рухається «витіснювач»). Регенератор може бути зовнішнім, в цьому випадку він з'єднує гарячу частину другого циліндра з холодною і одночасно з першим (холодним) циліндром. Внутрішній регенератор є частиною витіснювача.

• ККД двигуна Стірлінга може досягати 65-70% ККД від циклу Карно при сучасному рівні проектування і технології виготовлення. Крім того крутний момент двигуна майже не залежить від швидкості обертання коленвала. У двигунах внутрішнього згоряння навпаки максимальний крутний момент досягається в вузькому діапазоні частот обертання.
• В конструкції двигуна відсутня система високовольтного запалювання, клапанна система і, відповідно, распредвал. Грамотно спроектований і технологічно виготовлений двигун Стірлінга не вимагає регулювання і настройки в процесі всього терміну експлуатації.
• У ДВС згоряння томліво-повітряної суміші в циліндрі двигуна є, по суті, вибухом зі швидкістю поширення вибухової хвилі 5-7 км / сек. Цей процес дає жахливі пікові навантаження на шатуни, колінчастий вал і підшипники. Стирлинги позбавлені цього недоліку.
• Двигун не буде "вередувати" через втрату іскри, що засмітився карбюратора або низького заряду акумулятора, оскільки не має цих агрегатів. Поняття "двигун заглох" не має сенсу для Стірлінга. Стірлінг може зупинитися, якщо навантаження перевищує розрахункову. Повторно запуск здійснюється одноразовим проворотом маховика колінчастого вала.
• Простота конструкції дозволяє тривало експлуатувати Стірлінг в автономному режимі.
• Двигун Стірлінга може використовувати будь-яке джерело теплової енергії, починаючи з дров і закінчуючи ядерним паливом!
• Згоряння палива відбувається поза внутрішнього об'єму двигуна (на відміну від ДВС), що дозволяє забезпечити рівномірне горіння палива і повне його дожигание (тобто відбір максимуму міститься в паливі енергії і мінімізація викиду токсичних компонентів).

• Матеріаломісткість - основний недолік двигуна. У двигунів зовнішнього згоряння взагалі, і двигуна Стірлінга зокрема, робоче тіло необхідно охолоджувати, і це призводить до істотного збільшення масо-габаритних показників силової установки за рахунок збільшених радіаторів.
• Для отримання характеристик, порівнянних з характеристиками ДВС, доводиться застосовувати високі тиску (понад 100 атм) і спеціальні види робочого тіла - водень, гелій.
• Тепло не підводиться до робочого тіла безпосередньо, а тільки через стінки теплообмінників. Стінки мають обмежену теплопровідність, через що ККД виявляється нижче, ніж можна було очікувати. Гарячий теплобменнік працює в дуже напружених умовах теплопередачі, і при дуже високому тиску, що вимагає застосування високоякісних і дорогих матеріалів. Створення теплообмінника, який задовольняв би суперечливим вимогам, вельми важко. Чим вище площа теплообміну, тим менше втрати тепла. При цьому зростає розмір теплообмінника і обсяг робочого тіла, який не бере участі в роботі. Оскільки джерело тепла розташований зовні, двигун повільно реагує на зміну теплового потоку, що підводиться до циліндра, і не відразу може видати потрібну потужність при запуску.
• Для швидкої зміни потужності двигуна використовуються методи, відмінні від тих, які застосовувалися в двигунах внутрішнього згоряння: буферна ємність змінюваного обсягу, зміна середнього тиску робочого тіла в камерах, зміна фазного кута між робочим поршнем і витіснювачем. В останньому випадку реакція двигуна на котра управляє вплив водія є практично миттєвою.

Робоча версія двигуна [ правити ]

Опис, принцип, збірка, плюси і мінуси Визначення, Принцип