5. Принцип работы двигателя Стирлинга

Работы, направленные на поиск альтернативных поршневому двигателю энергетических установок, ведутся во всех развитых странах и обусловлены стремлением к наиболее рациональному расходованию энергии топлива и уменьшению загрязнения окружающей среды продуктами его сгорания. С этой точки зрения весьма перспективен двигатель внешнего сгорания Стирлинга, который может работать практически в сочетании с любым тепловым источником.

Принцип действия такого двигателя разработал и в 1861 г. запатентовал шотландский священник Роберт Стирлинг, именем которого в дальнейшем и стали называть тепловой двигатель внешнего сгорания с замкнутой циркуляцией газообразного рабочего тела. Практическая реализация такого двигателя была осуществлена, однако, только в середине 20-х годов прошлого века, а всесторонние исследования и совершенствование конструкции далеки еще от завершения и в наши дни. Некоторые технологические особенности и используемые материалы не позволяют пока двигатель Стирлинга уверенно применять в качестве транспортной силовой установки, хотя достигнуты уже хорошие результаты и налажено широкое его применение для привода систем на космических объектах и в стационарных силовых агрегатах специального назначения.

Принцип действия двигателя Стирлинга рассмотрим на примере одноцилиндрового двухпоршневого варианта, который был исходным для последующего совершенствования конструкции (рисунок 8.1).

Рисунок 8.1 - Принцип действия двигателя Стирлинга: а, б, в, г — такты двигателя; д — индикаторная диаграмма; I — сжатие (г—а—б - в полости Б; в—г—а - в полости А); П — подвод теплоты; II — расширение (а—б—в - в полости А; б—в—г - в полости Б); IV - отвод теплоты

Двигатель состоит из цилиндра 13, в котором совершают возвратно-поступательное движение два поршня, условно называемые вытеснительным 1 и рабочим 2. Взаимное перемещение поршней и передача крутящего момента на кривошипные валы 9 осуществляется с помощью ромбовидного шатунного механизма 10 и соосных штока 12, вытеснительного поршня и штока 11 рабочего поршня.

Рабочее тело находится в полости А между верхним рабочим поршнем и головкой цилиндра и в полости Б между поршнями, а в процессе перемещения поршней оно проходит холодильник 3, регенератор 4 и теплообменник-нагреватель 6, где воспринимает теплоту продуктов сгорания топлива, подаваемого в зону горения форсункой 5. Отходящие газы 8 подогревают воздух, подводимый по каналу 7 к горелке.

В положении (рисунок 8.1, а) рабочий поршень 2 подошел к верхней мертвой точке, а вытеснительный поршень 1 сжимает рабочее тело в полости Б (процесс изображен на нижней ветви I индикаторной диаграммы, рисунок 8.1, д), откуда оно поступает через холодильник в регенератор и к нагревателю (ветвь И). В регенераторе рабочее тело предварительно нагревается, используя для этого теплоту предыдущего рабочего цикла. При повороте кривошипов вала в направлении стрелок поршни взаимно сближаются (рисунок 8.1, б), и объем полости Б еще более уменьшается, но к тому времени происходит уже рабочий ход— расширение нагретого рабочего тела в полости А (верхняя ветвь III индикаторной диаграммы). При последующем повороте кривошипов (рисунок 8.1, в) завершается расширение в полости А, и начинается расширение в полости Б, куда и устремляется рабочее тело, проходя через регенератор 4 и отдавая ему свою теплоту, и далее охлаждаясь в холодильнике 3 (ветвь IV). В положении (рисунок 8.1, г) объем рабочего тела максимальный. При дальнейшем повороте кривошипов верхний поршень завершает движение к в.м.т., а нижний начинает ход сжатия.

В качестве рабочего тела может быть использован воздух, но чаще применяют более легкие газы — водород или гелий, обладающие меньшей вязкостью, что снижает гидравлические потери на газообмен. Повышение термического КПД двигателей Стерлинга связано с повышением давления рабочего тела, поэтому обычно они работают с давлениями до 15,0–20,0 МПа при температуре в верхней части цилиндра 650—-700°С, а в нижней (подпоршневом пространстве) — 70–80°С. Рассмотренная схема, реализованная фирмами «Филлипс» (Голландия) для зарядных станций, «ДАФ» (Дания) для автобуса (четырехцилиндровый двигатель) и некоторыми другими, имеет ряд недостатков. Сложный и громоздкий кривошипный механизм подвержен высоким нагрузкам, а надежное уплотнение взаимно перемещающихся штоков и поршней в цилиндре связано с большими трудностями.

В начале 70-х годов был разработан четырехцилиндровый двигатель Стерлинга с одинарными- поршнями в каждом цилиндре. На рисунке 8.2 показана конструктивная схема (а). На функциональной схеме (рисунок 8.2, б) этот двигатель представлен в виде рядного, со смещением кривошипов коленчатого вала под 90°, при этом полости А и Б здесь образованы в надпоршневом и подпоршневом пространствах смежных цилиндров. В рассматриваемом двигателе Стерлинга (рисунок 8.2, а) усилия поршней б передаются штоками 4 на наклонную шайбу 2, связанную с выходным валом 1. Боковые усилия воспринимаются направляющими 3 штоков. Подпоршневая полость уплотняется резиновой манжетой. Мощность двигателя регулируется перепуском части рабочего тела из зоны рабочего хода в зону расширения или откачкой рабочего тела в специальный ресивер высокого давления. Для повышения термического КПД двигателя поступающий в камеру сгорания воздух предварительно нагревают от медленно вращающегося дискового керамического регенератора.

Рисунок 8.2 - Двигатель Стерлинга фирмы «Форд»: а) конструктивная схема; б) схема работы двигателя

Теплообменник 7 образован рядом бесшовных тонкостенных капиллярных трубок, способных выдерживать высокие давления. Развитая поверхность множества трубок позволяет осуществлять эффективную теплопередачу от продуктов сгорания к рабочему телу.

Именно технологическая сложность изготовления теплообменника является основным препятствием для освоения двигателя Стерлинга в массовом производстве. Не решена пока и проблема оптимального регулирования мощности. Вместе с тем основным его достоинством является возможность работы с любым источником теплоты, в том числе, например, с тепловым аккумулятором, заряжаемым «сбросовой» теплотой ядерных электростанций, и т. п. На космических объектах также двигатели используют энергию солнечного излучения.