Современное автомобилестроение вышло на такой уровень развития, при котором без фундаментальных научных исследований практически невозможно достигнуть кардинальных улучшений в конструкции традиционных моторов внутреннего сгорания. Такая ситуация вынуждает конструкторов обратить внимание на альтернативные проекты силовых установок . Одни инженерные центры сосредоточили свои силы на создании и адаптации к серийному выпуску гибридных и электрических моделей, другие автоконцерны вкладывают средства в разработку двигателей на топливе из возобновляемых источников (например, биодизель на рапсовом масле). Существуют и другие проекты силовых агрегатов, которые в перспективе могут стать новым стандартным движителем для транспортных средств.
Среди возможных источников механической энергии для автомобилей будущего следует назвать двигатель внешнего сгорания, который был изобретен в середине XIX века шотландцем Робертом Стирлингом в качестве тепловой расширительной машины.
Схема работы
Двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу за счет изменения температуры рабочего тела (газа или жидкости), циркулирующего в замкнутом объеме.
В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.
Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга.
Стирлинг модификации «Альфа»
Двигатель состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.
Стирлинг модификации «Бета»
Цилиндр, в котором находится поршень, нагревается с одной стороны и охлаждается с противоположного конца. В цилиндре двигается силовой поршень и вытеснитель, предназначенный для изменения объема рабочего газа. Обратное перемещение остывшего рабочего вещества в горячую полость двигателя выполняет регенератор.
Стирлинг модификации «Гамма»
Конструкция состоит из двух цилиндров. Первый - полностью холодный, в котором движется силовой поршень, а второй, горячий с одной стороны и холодный с другой, служит для перемещения вытеснителя. Регенератор для циркуляции холодного газа может быть общим для обоих цилиндров или входить в конструкцию вытеснителя.
Преимущества двигателя Стирлинга
Как и большинство моторов внешнего сгорания, Стирлингу присуща многотопливность : двигатель работает от перепада температуры, независимо от причин его вызвавших.
Интересный факт! Однажды была продемонстрирована установка, которая функционировала на двадцати вариантах топлива. Без остановки двигателя во внешнюю камеру сгорания подавались бензин, дизельное топливо, метан, сырая нефть и растительное масло - силовой агрегат продолжал устойчиво работать.
Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач).
Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы.
Двигатель Стирлинга бесшумен , так как в цилиндрах не происходит детонация и отсутствует необходимость вывода отработанных газов. Модификация «Бета», оснащенная ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, является идеально сбалансированной системой, которая в процессе работы не имеет вибраций.
В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. При выборе подходящего источника тепла (например, солнечная энергия) Стирлинг может быть абсолютно экологически чистым силовым агрегатом.
Недостатки конструкции Стирлинга
При всем наборе положительных свойств немедленное массовое применение двигателей Стирлинга невозможно по следующим причинам:
Основная проблема заключается в материалоемкости конструкции. Охлаждение рабочего тела требует наличия радиаторов большого объема, что существенно увеличивает размеры и металлоемкость изготовления установки.
Нынешний технологический уровень позволит двигателю Стирлинга сравниться по характеристикам с современными бензиновыми моторами только за счет применения сложных видов рабочего тела (гелий или водород), находящихся под давлением более ста атмосфер. Этот факт вызывает серьезные вопросы как в области материаловедения, так и обеспечения безопасности пользователей.
Немаловажная эксплуатационная проблема связана с вопросами теплопроводности и температурной стойкости металлов. Тепло подводится к рабочему объему через теплообменники, что приводит к неизбежным потерям. Кроме того, теплообменник должен быть изготовлен из термостойких металлов, устойчивых к высокому давлению. Подходящие материалы очень дороги и сложны в обработке.
Принципы изменения режимов двигателя Стирлинга также кардинально отличаются от традиционных, что требует разработки специальных управляющих устройств. Так, для изменения мощности необходимо изменить давление в цилиндрах, угол фаз между вытеснителем и силовым поршнем или повлиять на емкость полости с рабочим телом.
Один из способов управления скоростью вращения вала на модели двигателя Стирлинга можно увидеть на следующем видео:
Коэффициент полезного действия
В теоретических расчетах эффективность двигателя Стирлинга зависит от разницы температур рабочего тела и может достигать 70% и более в соответствии с циклом Карно.
Однако первые реализованные в металле образцы обладали крайне невысоким КПД по следующим причинам:
- неэффективные варианты теплоносителя (рабочего тела), ограничивающие максимальную температуру нагрева;
- потери энергии на трение деталей и теплопроводность корпуса двигателя;
- отсутствие конструкционных материалов, устойчивых к высокому давлению.
Инженерные решения постоянно совершенствовали устройство силового агрегата. Так, во второй половине XX века четырехцилиндровый автомобильный двигатель Стирлинга с ромбическим приводом показал на испытаниях КПД равный 35% на водном теплоносителе с температурой 55 °C.Тщательная проработка конструкции, применение новых материалов и доводка рабочих узлов обеспечили КПД экспериментальных образцов в 39%.
Примечание! Современные бензиновые двигатели аналогичной мощности обладают коэффициентом полезного действия на уровне 28-30%, а турбированные дизели в пределах 32-35%.
Современные образцы двигателя Стирлинга, такие как созданный американской компанией Mechanical Technology Inc, демонстрируют эффективность до 43,5%. А с освоением выпуска жаропрочной керамики и аналогичных инновационных материалов появится возможность значительного повышения температуры рабочей среды и достижения КПД в 60%.
Примеры успешной реализации автомобильных Стирлингов
Несмотря на все сложности, известно немало работоспособных моделей двигателя Стирлинга, применимых для автомобилестроения.
Заинтересованность в Стирлинге, подходящем для установки в автомобиль, появилась в 50-е годы XX века. Работу в данном направлении вели такие концерны, как Ford Motor Company, Volkswagen Group и другие.
Компания UNITED STIRLING (Швеция) разработала Стирлинг, в котором максимально использовались серийные узлы и агрегаты, выпускаемые автопроизводителями (коленчатый вал, шатуны). Получившийся в результате четырехцилиндровый V-образный мотор обладал удельной массой 2,4 кг/кВт, что сравнимо с характеристиками компактного дизеля. Данный агрегат был успешно опробован в качестве силовой установки семитонного грузового фургона.
Одним из успешных образцов является четырехцилиндровый двигатель Стирлинга нидерландского производства модели «Philips 4-125DA», предназначавшийся для установки на легковой автомобиль. Мотор имел рабочую мощность 173 л. с. в размерах, аналогичных классическому бензиновому агрегату.
Значительных результатов добились инженеры компании General Motors, построив в 70-х годах восьмицилиндровый (4 рабочих и 4 компрессионных цилиндра) V-образный двигатель Стирлинга со стандартным кривошипно-шатунным механизмом.
Аналогичной силовой установкой в1972 году оснащалась ограниченная серия автомобилей Ford Torino , расход топлива у которой снизился на 25% по сравнению с классической бензиновой V-образной восьмеркой.
В настоящее время более полусотни зарубежных компаний ведут работы по совершенствованию конструкции двигателя Стирлинга в целях его адаптации к массовому выпуску для нужд автомобилестроения. И если удастся устранить недостатки данного типа двигателей, в то же время сохранив его преимущества, то именно Стирлинг, а не турбины и электромоторы, придет на смену бензиновым ДВС.
Двигатель Стирлинга - это такой двигатель, который может работать от тепловой энергии. При этом источник тепла абсолютно не важен. Главное, чтобы существовала разница температур, в таком случае этот двигатель будет работать. Автор придумал, как можно сделать модель такого двигателя из банки от «Кока-колы».
Материалы и инструменты
- один воздушный шарик;
- 3 банки от колы;
- электрические клеммы, пять штук (на 5А);
- ниппели для крепления велосипедных спиц (2 штуки);
- металлическая вата;
- кусок стальной проволоки длиной 30 см и сечением 1 мм;
- кусок толстой проволоки из стали или меди диаметром от 1.6 до 2 мм;
- штырь из дерева диаметром 20 мм (длина 1 см);
- крышка от бутылки (пластиковая);
- электропроводка (30 см);
- суперклей;
- вулканизированная резина (порядка 2 квадратных сантиметров);
- рыболовная леска (длина порядка 30 см);
- пару грузил для балансировки (к примеру, никелевые);
- CD-диски (3 штуки);
- канцелярские кнопки;
- еще одна жестяная банка для изготовления топки;
- теплоустойчивый силикон и консервная банка для создания водяного охлаждения.
Шаг первый. Подготовка банок
В первую очередь нужно взять две банки и отрезать у них верхушки. Если верхушки будут вырезаться ножницами, образовавшиеся зазубрины нужно будет сточить с помощью напильника.
Далее нужно вырезать дно банки. Это можно делать при помощи ножа.
Шаг второй. Создание диафрагмы
В качестве диафрагмы автор использовал воздушный шарик, который был усилен вулканизированной резиной. Шарик нужно разрезать и натянуть на банку, как указано на картинке. Затем на центр диафрагмы приклеивается кусок вулканизированной резины. После застывания клея по центру диафрагмы пробивается отверстие для установки проволоки. Проще всего это сделать при помощи канцелярской кнопки, которую можно оставить в отверстии до момента сборки.
Шаг третий. Резка и создание отверстий в крышке
В стенках крышки нужно просверлить два отверстия по 2 мм, они нужны для установки поворотной оси рычагов. Еще одно отверстие нужно просверлить в донышке крышки, через него будет проходить проволока, которая будет связана с вытеснителем.
На заключительном этапе крышку нужно обрезать так, как указано на картинке. Это делается для того, чтобы проволока вытеснителя не цепляла за края крышки. Для таких работ подходят хозяйственные ножницы.
Шаг четвертый. Сверлим
В банке нужно просверлить два отверстия для подшипников. В данном случае это было сделано сверлом 3.5 мм.
Шаг пятый. Создание смотрового окна
В корпусе двигателя нужно вырезать смотровое окно. Теперь можно будет наблюдать, как функционируют все узлы устройства.
Шаг шестой. Доработка клемм
Нужно взять клеммы и удалить с них пластиковую изоляцию. Затем берется дрель, и делаются сквозные отверстия на краях клемм. Всего нужно просверлить 3 клеммы, при этом две должно остаться не просверленных.
Шаг седьмой. Создание рычагов
В качестве материала для создания рычагов используется медная проволока, диаметр которой составляет 1.88 мм. Как именно гнуть спицы, показано на картинках. Можно использовать и стальную проволоку, просто с медной приятнее работать.
Шаг восьмой. Создание подшипников
Чтобы изготовить подшипники понадобятся два велосипедных ниппеля. Диаметр отверстий нужно проверить. Автор просверлил их насквозь при помощи сверла на 2 мм.
Шаг девятый. Установка рычагов и подшипников
Рычаги можно установить прямо через смотровое окно. Один конец проволоки должен быть длинным, на нем будет находиться маховое колесо. Подшипники должны плотно сесть на свои места. Если будет присутствовать люфт, их можно приклеить.
Шаг десятый. Создаем вытеснитель
Вытеснитель изготавливается из стальной ваты ля полировки. Для создания вытеснителя берется стальная проволока, на ней изготавливается крючок, а затем на проволоку наматывается нужно количество ваты. Вытеснитель должен быть таким по размеру, чтобы он свободно перемещался в банке. Общая высота вытеснителя не должна быть более 5 см.
В итоге на одной стороне ваты нужно образовать спираль из проволоки, чтобы она не вылезла из ваты, а на другой стороне из проволоки делается петля. Далее к этой петле привязывается леска, которая впоследствии протягивается через центр диафрагмы. Вулканизированная резина должна находиться в середине емкости.
Шаг 11. Создание резервуара под давлением
Нужно вырезать дно банки таким образом, чтобы осталось примерно 2.5 см от ее основания. Вытеснитель вместе с диафрагмой нужно поместить в резервуар. После этого весь этот механизм устанавливается в конец банки. Диафрагму нужно немного натянуть, чтобы она не провисала.
Затем нужно взять клемму, которая не была просверлена и протянуть через нее леску. Узелок нужно приклеить так, чтобы он не двигался. Проволоку нужно хорошо смазать маслом и при этом убедится, что вытеснитель без труда тянет за собой леску
Шаг 12. Создание толкательных тяг
Толкательные тяги соединяют диафрагму и рычаги. Это делается с куска медной проволоки длиной 15 см.
Шаг 13. Создание и установка маховика
Для создания маховика используется 3 старых СД-диска. В качестве центральной части используется деревянный стержень. После установки маховика, стержень коленчатого вала загибается, так маховик уже не спадет.
На заключительном этапе весь механизм собирается воедино.
Экология потребления.Наука и техника:Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой и эффективностью.
Менее ста лет назад двигатели внутреннего сгорания пытались завоевать свое законное место в конкурентной борьбе среди прочих имеющихся машин и движущихся механизмов. При этом в те времена превосходство бензинового двигателя не являлось столь очевидным. Существующие машины на паровых двигателях отличались бесшумностью, великолепными для того времени характеристиками мощности, простотой обслуживания, возможностью использования различного вида топлива. В дальнейшей борьбе за рынок двигатели внутреннего сгорания благодаря своей экономичности, надежности и простоте взяли верх.
Дальнейшая гонка за совершенствования агрегатов и движущих механизмов, в которую в середине 20 века вступили газовые турбины и роторные разновидности двигателей, привела к тому, что несмотря на верховенство бензинового двигателя были предприняты попытки ввести на «игровое поле» совершенно новый вид двигателей - тепловой, впервые изобретенный в далеком 1861 году шотландским священником по имени Роберт Стирлинг. Двигатель получил название своего создателя.
ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА: ФИЗИЧЕСКАЯ СТОРОНА ВОПРОСА
Для понимания, как работает настольная электростанция на Стирлинге, следует понимать общие сведения о принципах работы тепловых двигателей. Физически принцип действия заключается в использовании механической энергии, которая получается при расширении газа при нагревании и его последующем сжатии при охлаждении. Для демонстрации принципа работы можно привести пример на основе обычной пластиковой бутыли и двух кастрюль, в одной из которых находится холодная вода, в другой горячая.
При опускании бутылки в холодную воду, температура которой близка к температуре образования льда при достаточном охлаждении воздуха внутри пластиковой емкости ее следует закрыть пробкой. Далее, при помещении бутыли в кипяток, спустя некоторое время пробка с силой «выстреливает», поскольку в данном случае нагретым воздухом была совершена работа во много раз большая, чем совершается при охлаждении. При многократном повторении опыта результат не меняется.
Первые машины, которые были построены с использованием двигателя Стирлинга, с точностью воспроизводили процесс, демонстрирующийся в опыте. Естественно механизм требовал усовершенствования, заключающееся в применении части тепла, которое терял газ в процессе охлаждения для дальнейшего подогрева, позволяя возвращать тепло газу для ускорения нагревания.
Но даже применение этого новшества не могло спасти положение дел, поскольку первые «Стирлинги» отличались большими размерами при малой вырабатываемой мощности. В дальнейшем не раз предпринимались попытки модернизировать конструкцию для достижения мощности в 250 л.с. приводили к тому, что при наличии цилиндра диаметром 4,2 метра, реальная выходная мощность, которую выдавала электростанция на Стирлинге (Stirling) в 183 кВт на деле составляла всего 73 кВт.
Все двигатели Стирлинга работают по принципу цикла Стирлинга, включающего в себя четыре основные фазы и две промежуточные. Основными являются нагрев, расширение, охлаждение и сжатие. В качестве стадии перехода рассматриваются переход к генератору холода и переход к нагревательному элементу. Полезная работа, совершаемая двигателем, строится исключительно на разнице температур нагревающей и охлаждающей частей.
СОВРЕМЕННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ СТИРЛИНГА
Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:
- альфа-стирлинг, отличие которого в двух активных поршнях, расположенных в самостоятельных цилиндрах. Из всех трех вариантов данная модель отличается самой высокой мощностью, обладая самой высокой температурой нагревающегося поршня;
- бета-стирлинг, базирующийся на одном цилиндре, одна часть которого горячая, а вторая холодная;
- гамма-стирлинг, имеющий кроме поршня еще и вытеснитель.
Производство электростанции на Стирлинге будет зависеть от выбора модели двигателя, что позволит учесть всю положительные и отрицательные стороны подобного проекта.
ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ
Благодаря своим конструктивным особенностям данные двигатели обладают рядом преимуществ, но при этом не лишены недостатков.
Настольная электростанция Стирлинга, купить которую невозможно в магазине, а только у любителей, самостоятельно осуществляющих сбор подобных устройств, относятся:
- большие размеры, которые вызваны потребностью к постоянному охлаждению работающего поршня;
- использование высокого давления, что требуется для улучшения характеристик и мощности двигателя;
- потеря тепла, которая происходит за счет того, что выделяемое тепло передается не на само рабочее тело, а через систему теплообменников, чей нагрев приводит к потере КПД;
- резкое снижение мощности требует применения особых принципов, отличающихся от традиционных для бензиновых двигателей.
Наряду с недостатками, у электростанций, функционирующих на агрегатах Стирлинга, имеются неоспоримые плюсы:
- любой вид топлива, поскольку как любые двигатели, использующие энергию тепла, данный двигатель способен функционировать при разнице температур любой среды;
- экономичность. Данные аппараты могут стать прекрасной заменой паровым агрегатам в случаях необходимости переработки энергии солнца, выдавая КПДна 30% выше;
- экологическая безопасность. Поскольку настольная электростанция кВт не создает выхлопного момента, то она не производит шума и не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. В виде источника получения мощности выступает обычное тепло, а топливо выгорает практически полностью;
- конструктивная простота. Для своей работы Стирлинг не потребует дополнительных деталей или приспособлений. Он способен самостоятельно запускаться без использования стартера;
- повышенный ресурс работоспособности. Благодаря своей простоте, двигатель может обеспечить не одну сотню часов беспрерывной эксплуатации.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА
Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой, при этом эффективность прочих видов тепловых агрегатов существенно ниже при аналогичных условиях. Очень часто подобные агрегаты применяются в питании насосного оборудования, холодильных камер, подводных лодок, батарей, аккумулирующих энергию.
Одним из перспективных направлений области использования двигателей Стирлинга являются солнечные электростанции, поскольку данный агрегат может удачно применяться для того, чтобы преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую. Для осуществления этого процесса двигатель помещается в фокус зеркала, аккумулирующего солнечные лучи, что обеспечивает перманентное освещение области, требующей нагрева. Это позволяет сфокусировать солнечную энергию на малой площади. Топливом для двигателя в данном случае служит гелии или водород. опубликовано
В которой рабочее тело (газообразное или жидкое) двигается в замкнутом объёме, по сути это разновидность двигателя внешнего сгорания. Этот механизм основан на принципе периодического нагрева и охлаждения рабочего тела. Извлечение энергии происходит из возникающего объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга работает не только от энергии сгорающего топлива, но и от практически любого источника Запатентован этот механизм шотландцем Робертом Стирлингом в 1816 году.
Описанный механизм, несмотря на невысокий КПД, имеет ряд преимуществ, в первую очередь это простота и неприхотливость. Благодаря этому многие конструкторы-любители совершают попытки собрать двигатель Стирлинга своими руками. Некоторым это удается, а некоторым нет.
В этой статье мы рассмотрим, Стирлинга своими руками из подручных материалов. Нам понадобятся следующие заготовки и инструменты: консервная банка (можно из-под шпрот), листовая жесть, канцелярские скрепки, поролон, резинка, пакет, кусачки, плоскогубцы, ножницы, паяльник,
Теперь приступим к сборке. Вот подробная инструкция к тому, как сделать двигатель Стирлинга своими руками. Сначала необходимо вымыть банку, зачистить наждачной бумагой края. Вырезаем из листовой жести круг таким образом, чтобы он лег на внутренние края банки. Определяем центр (для этого воспользуемся штангенциркулем или линейкой), делаем ножницами отверстие. Далее берем медную проволоку и канцелярскую скрепку, выпрямляем скрепку, на конце делаем кольцо. Наматываем на скрепку проволоку - четыре плотных витка. Далее паяльником пролудим полученную спираль небольшим количеством припоя. Потом необходимо аккуратно спираль припаять к отверстию в крышке таким образом, чтобы шток получился перпендикулярным крышке. Скрепка должна двигаться свободно.
После этого необходимо сделать в крышке сообщающееся отверстие. Из поролона делаем вытеснитель. Его диаметр должен быть немного меньше диаметра банки, но при этом не должно быть большого зазора. Высота вытеснителя - немногим больше половины банки. Вырезаем в поролоне по центру отверстие для втулки, последнюю можно изготовить из резины или пробки. Вставляем в полученную втулку шток и все заклеиваем. Вытеснитель необходимо размещать параллельно крышке, это важное условие. Далее остается закрыть банку и запаять края. Шов должен быть герметичным. Теперь приступаем к изготовлению рабочего цилиндра. Для этого вырезаем из жести полосу длиной 60 мм и шириной 25 мм, загибаем плоскогубцами край на 2 мм. Формируем гильзу, после этого спаиваем край, далее необходимо припаять гильзу к крышке (над отверстием).
Теперь можно приступить к изготовлению мембраны. Для этого отрезаем от пакета кусок пленки, немного продавливаем его пальцем внутрь, резинкой прижимаем края. Далее необходимо проверить правильность сборки. Нагреваем на огне дно банки, тянем за шток. В результате мембрана должна выгибаться наружу, а если шток отпустить, вытеснитель под собственным весом должен опуститься, соответственно, мембрана возвращается на место. В том случае, если вытеснитель сделан неправильно или пайка банки не герметична, шток не вернется на место. После этого делаем коленвал и стойки (разнос кривошипов должен составить 90 градусов). Высота кривошипов должна составлять 7 мм, а вытеснителей 5 мм. Длина шатунов определена положением коленвала. Конец кривошипа вставляется в пробку. Вот мы и рассмотрели, как собрать двигатель Стирлинга своими руками.
Такой механизм будет работать от обычной свечки. Если прикрепить к маховику магниты и взять катушку аквариумного компрессора, то такое устройство способно заменить простой электродвигатель. Своими руками, как вы видите, сделать такой прибор совсем не сложно. Было бы желание.