В начале XIX столетия шотландец Роберт Стирлинг (Robert Stirling) изобрел двигатель, работающий на нагретом газе. Такой двигатель впервые был построен в 1817 году, но не смог конкурировать с паровыми машинами и появившимися позже двигателями внутреннего сгорания из-за недостаточной отработанности конструкции и несовершенства термодинамических процессов.
В 1938 году компания «Philips» из Голландии вновь обратилась к идее двигателя Стирлинга. В ходе разработок сначала был создан двигатель, работающий на холодном газе. В конце 60-х годов прошлого века работу над двигателем Стирлинга продолжили компании «MAN» и «Motorenwerke Mannheim».
Рис. 11.4. Принцип работы двигателя Стирлинга
Принцип работы двигателя Стирлинга показан на рис. 11.4. Идеальные циклы, представленные на диаграммах в координатах p, V и Т, S, состоят из двух изотермических и двух изохорических изменений состояния. Для осуществления данных циклов два поршня движутся в одном цилиндре, а рабочее тело циркулирует через охладитель, регенератор и подогреватель между холодной и горячей полостями. При этом протекают следующие теоретические процессы:
Положение I; состояние 1 на диаграмме
Рабочее тело находится в холодной полости. Рабочий поршень находится в нижней мертвой точке (НМТ), а поршень-вытеснитель — в верхней мертвой точке (ВМТ).
Изотермическое сжатие (1-2)
Поршень-вытеснитель остается в ВМТ, в то время как рабочий поршень передвигается в положение ВМТ, и рабочее тело сжимается. Рабочий поршень действует на рабочее тело, выполняя абсолютную удельную работу, величина которой равна площади b-1-2-а на диаграмме p, V, и равноценное тепло (площадь b-1-2-а на диаграмме Т, S) направляется в охладитель.
Положение II; состояние 2 на диаграмме
Рабочее тело находится сжатым в холодной полости. Оба поршня находятся в положении ВМТ.
Изохорическое подведение тепла в регенераторе (2-3)
Поршень-вытеснитель движется в направлении НМТ, в то время как рабочий поршень остается в ВМТ. Рабочая среда поглощает тепло в регенераторе при постоянном объеме (площадь а-2-3-с на диаграмме Т, S).
Положение III; состояние 3 на диаграмме
Рабочее тело находится сжатым в горячей полости. Рабочий поршень остается в ВМТ, а поршень-вытеснитель — между ВМТ и НМТ.
Изотермическая разгрузка (3-4)
Оба поршня двигаются к НМТ, и давление рабочего тела понижается. При этом абсолютная удельная работа газов соответствует по величине площади а-3-4-b на диаграмме p, V. Для того, чтобы температура рабочего тела оставалась постоянной, к нему подается равнозначное количество тепла в подогревателе (площадь с-3-4-d на диаграмме Т, S).
Положение IV; состояние 4 на диаграмме
Рабочее тело находится в горячей полости. Оба поршня находятся в положении НМТ.
Изохорическое отведение тепла в регенераторе (4-1)
Поршень-вытеснитель движется в направлении ВМТ, в то время как рабочий поршень остается в НМТ. Рабочее тело отдает при постоянном объеме в регенераторе тепло (площадь d-4-1-b на диаграмме Т, S). Площади а-2-3-с и d-4-1-b на диаграмме Т, S идентичны (изохоры имеют одинаковую кривизну). Термический коэффициент полезного действия двигателя Стирлинга совпадает с циклом Карно:
Схема устройства двигателя Стирлинга представлена на рис. 11.5. Оба поршня связаны между собой ромбовидной передачей. С помощью противовесов осуществляется полноценная балансировка. Охладитель работает с помощью циркуляции охлаждающей жидкости. В регенераторе, который состоит из стальных пакетов, рабочее тело, гелий, подогревается от 70°C до примерно 600°C, а на обратном пути охлаждается вновь до 70°C. Отработавшие газы, исходящие из камеры сгорания, отдают тепло рабочему телу в подогревателе.
Рис. 11.5. Схема устройства двигателя Стирлинга
Они покидают подогреватель с температурой приблизительно 700°C и подогревают в подогревателе воздух, необходимый для сгорания. При температуре около 250°C отработавшие газы выталкиваются наружу. Буферная полость имеет уплотнители в местах стыковки с корпусом, поэтому не теряется гелий, который служит рабочим телом, так как способствует хорошему теплообмену. Поршни работают в цилиндре без смазки и оснащены поршневыми кольцами из тефлона.
Фактический рабочий процесс двигателя Стирлинга изображен на рис. 11.6. Вид кривых обусловлен непериодическим движением поршня и особенностями изотермического подведения и отвода тепла.
Рис. 11.6. Фактический рабочий процесс двигателя Стирлинга на диаграмме р, V
Регулировка мощности двигателя Стирлинга осуществляется путем изменения массы гелия и мощности горелки. Таким образом, например, при уменьшении мощности горелки одновременно сокращаются мощность двигателя и масса гелия. Вследствие этого в области частичных нагрузок уровень температуры становится высоким, а термический коэффициент полезного действия остается практически постоянным.
Общий коэффициент полезного действия двигателя Стирлинга составляет около 35%. Удельная масса двигателя и частота вращения приводного вала имеют приблизительно те же значения что и в дизельном двигателе.
Кривая крутящего момента указывает на благоприятное для работы транспортного средства протекание с максимальными значениями момента при очень низкой частоте вращения приводного вала. Двигатель Стирлинга запускается с помощью электрического стартера, после чего поджигается горелка.
Работа двигателя очень тихая. Посредством внешнего сгорания можно легко удерживать токсичность отработавших газов ниже установленных предельных значений. Двигатель Стирлинга может использовать любое топливо для обеспечения работы горелки.