СТИРЛИНГА ДВИГАТЕЛЬ. Многоцилиндровый двигатель стирлинга
СТИРЛИНГА ДВИГАТЕЛЬ
Стирлинга двигатель — двигатель внешнего сгорания. Был изобретен в 1816 г. в Англии изобретателем Р. Стирлингом, затем внедрен в 1840 г. Свое название двигатель получил по его имени. Двигатель имел внешний подвод и преобразовывал тепловую энергию в механическую работу, незамкнутый цикл и работал на подогреваемом воздухе. У него были несовершенный теплообменник, большие габариты и масса. Этот двигатель не получил дальнейшего распространения. Но впоследствии были созданы двигатели внешнего сгорания, использующие в своей работе так называемый цикл Стирлинга. Это замкнутый регенеративный цикл последовательно чередующихся процессов — двух изохорических и двух изотермических. Конструкция двигателя внешнего сгорания включает нагреватель, охладитель, поршни (вытеснитель и рабочий), регенератор, горячую и холодную полости, зубчатые колеса для регулировки работы поршней, ромбический механизм.
Двигатель внешнего сгорания отводит воду от нижней холодной полости. Вода циркулирует в охладителе. Каналы, проходящие через охладитель, нагреватель и регенератор, соединяют между собой холодную и горячую полости. Два поршня (один рабочий, другой вытеснитель) находятся в цилиндре двигателя. Работа двигателя внешнего сгорания состоит в цикле из четырех тактов. Первый такт: рабочий поршень движется вверх и в нижней полости сжимает рабочее тело, вытеснитель пока неподвижен.
Когда рабочий поршень выполнит сжатие газа, он останавливается. Второй такт: вытеснитель движется вниз, при этом из нижней полости в верхнюю перемещается сжатый газ, регенератор и нагреватель нагревают газ. Третий такт: газ расширяется в верхней полости, совершая полезную работу, и оба поршня направляются вниз. Четвертый такт: вытеснитель движется вверх, рабочий поршень не движется, газ направляется в нижнюю полость из верхней и отдает регенератору часть тепла. Охлаждается газ в охладителе. Ромбический механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное.
Модификация двигателя внешнего сгорания — это многоцилиндровый двигатель с одним только поршнем в каждом цилиндре. Этот поршень выполняет расширение, сжатие, вытеснение газа. Рабочий цикл этого двигателя выполняется за один оборот кривошипа. Этот двигатель имеет меньшую массу и габариты. Двигатели внешнего сгорания способны работать на различном топливе, даже ядерном, его сжигание происходит в форсунках, и пламя идет в трубы нагревателя. Продукты сгорания топлива двигателей внешнего сгорания содержат намного меньше токсичных примесей, чем продукты сгорания поршневых двигателей внутреннего сгорания. Поэтому «двигатели Стирлинга» очень экологически выгодны,а также надежны в эксплуатации и экономичны по расходу топлива. Но их существенные недостатки — это большая стоимость, масса, размеры, трудность в управлении и регулировке, сложность конструкции. Современные двигатели внешнего сгорания используются на грузовых автомобилях и судах. Дальнейшее использование таких двигателей перспективно и направлено на снижение габаритов, массы, стоимости, использование рациональных способов их изготовления из жаростойких материалов, увеличение их мощности и производительности.
enciklopediya-tehniki.ru
Two Cylinder Stirling
Двухцилиндровый двигатель Стирлинга
Преподобный Роберт Стирлинг из Шотландии в 1816 году предложил двигатель ВНЕШНЕГО сгорания,
гораздо более безопасный, чем паровой. В двигателе Стирлинга не было бойлера со сжатым паром, и поэтому взрываться было нечему.
Кроме того, двигатель Стирлинга был проще, чем паровой, так как в нём не было двигающегося клапана. К
сожалению, до сих пор двигатель Стирлинга не нашёл широкого применения, так как был вытеснен недорогими
электрическими моторами. Однако, двигателю Стирлинга несомненно принадлежит будущее, так как для
его работы нужна только разность температур, и поэтому он
может работать на альтернативных источниках энергии - солнечной энергии, геотермальных водах и т.д.
Двигатель Стирлинга является полностью закрытой системой, в которой рабочий газ (обычно воздух)
попеременно нагревается и охлаждается, двигаясь между неодинаково нагретыми частями системы.
В данной модели один цилиндр поддерживается горячим, а другой - холодным.
Рассмотрим 4 такта (фазы) работы двигателя Стирлинга.
Расширение. В начальный момент большая часть газа системы находится в горячем
цилиндре. Поэтому газ нагревается и оба поршня движутся к оси вращения. Почему?
Перетекание газа. К этому моменту
газ расширился (приблизительно в 3 раза). Большая часть газа (около 2/3) всё ещё находится в
горячем цилиндре. Момент инерции маховика коленчатого вала прокручивает его на следующие
90 градусов, перемещая практически весь газ в холодный цилиндр.
Сжатие. Большая часть нагретого
газа была перемещена в холодный цилиндр. Газ охлаждается и сжимается, двигая оба поршня
от оси вращения.
Перетекание газа. Сжавшийся газ всё ещё находится
в холодном цилиндре. Момент инерции маховика коленчатого вала прокручивает его на следующие
90 градусов, перемещая весь газ из холодного цилиндра в горячий, завершая цикл двигателя.
kaf-fiz-1586.narod.ru
Классификация двигателей Стирлинга - Энциклопедия по машиностроению XXL
из "Двигатели Стирлинга
"
Двигатели Стирлинга по принципу действия могут быть классифицированы на двигатели одностороннего (простого) и двойного действия.
[c.83]
В двигателях одностороннего действия две полости (сжатия и расширения), соединяемые теплообменниками, могут находиться в одном или в двух цилиндрах. В одноцилиндровых двигателях предусмотрены два поршня — рабочий и вытеснительный, а в двухцилиндровых — два рабочих или рабочий и вытеснительный. Каждая из рассмотренных компоновок представляет собой самостоятельные модули, из которых могут быть собраны многоцилиндровые двигатели с передачей мощности на общий коленчатый вал или другой механизм.
[c.83]
Наибольшую известность получили одноцилиндровые двигатели одностороннего действия вытеснительного типа с ромбическим приводным механизмом фирмы Филипс . Цилиндровая мощность таких двигателей составляет от нескольких ватт До нескольких десятков киловатт. Такие двигатели могут быть выполнены и в многоцилиндровом исполнении с общим коленчатым валом и картером. Характерным примером может служить четырехцилиндровый рядный двигатель мощностью 75 кВт типа 4-235. Один из таких двигателей был установлен на автобусе фирмы ДАФ, а другой — на моторном катере (более подробно об этом изложено в гл. 10).
[c.83]
Двигатель одностороннего действия был изобретен в 1815 г. Позднее появились и другие варианты двигателей одностороннего действия.
[c.84]
Дальнейшее развитие двигатели Стирлинга двойного действия получили в р аботах, проводимых рядом фирм. Так, фирмы Филипс и Форд разработали вариант четырехцилиндрового двигателя Сименса с приводом от косой шайбы для автомобиля. Шведская фирма Юнайтед Стирлинг имеет различные, выполненные по схеме рис. 13.7 четырехцилиндровые двигатели Сименса с обычным кривошипно-шатунным механизмом, а фирма MAN/MWM рядные и V-образные двигатели двойного действия.
[c.84]
Работы над свободнопоршневыми двигателями Сименса начал проводить с 1978 г, и автор Данной книги, а Финкельштейн разработал новые схемы для многоцилиндровых свободнопоршневых двигателей Сименса с совмещенными Ц1 кл,ами [122].
[c.84]
В некоторых двигателях вытеснитель заполняется (частично или полностью) пористой металлической насадкой в этом случае вытеснитель является регенеративным теплообменником и называется регенеративным вытеснителем.
[c.85]
Одноцилиндровые двигатели вытеснительного типа. Схемы различных вариантов одноцилиндровых двигателей одностороннего действия вытеснительного типа (рабочий и вытеснительные поршни находятся в одном цилиндре) приведены на рис. 4.3, Впервые такая схема была применена Робертом Стирлингом в 1816 г. (рис. 4.4). Впоследствии эта же схема нашла широкое применение в двигателях и криогенных газовых машинах, разработанных фирмой Филипс .
[c.85]
И В будущем их можно будет использовать в солнечных преобразователях энергии, в кондиционерах воздуха и как тепловые насосы (см. гл. 9).
[c.86]
Схемы различных вариантов двухпоршневых модулей одностороннего действия, три из которых с неподвижными цилиндрами, а один с враш аюш,имися, показаны на рис. 4.7. Из всего разнообразия двигателей этого типа лишь в небольшом количестве выпускались в конце прошлого века машины Ридера с параллельными цилиндрами, поршни которых соединялись с коленчатым валом.
[c.88]
Сравнение двигателей (вытеснительного и многопоршневого). Как было показано выше, возможны самые разнообразные варианты компоновочных схем двигателей двух типов, некоторые из которых уже доведены до коммерческого воплощения. Однако нет ни одного двигателя, обладающего явными преимуществами по отношению ко всем остальным имеется лишь ряд определяющих факторов, указывающих на предпочтительный выбор одноцилиндровых двигателей вытеснительного типа небольших размеров. Для мощных двигателей выбор колеблется между многоцилиндровыми, скомпонованными из одноцилиндровых двигателей вытеснительного типа с общим коленчатым валом, и многоцилиндровыми двигателями двойного действия Сименса, имеющими простую конструкцию, меньшее число поступательно-движущихся элементов, что обеспечивает снижение производственных затрат.
[c.89]
Выходная мощность двигателя (в первом приближении) линейно зависит от давления рабочего тела. Поэтому повышение удельной мощности непосредственно связано с увеличением давления. Для небольших двигателей целесообразно применять картер под давлением. Это не только обеспечивает уменьшение нагрузки на поршневые кольца, но и снижает требования к прочности, предъявляемые к узлам рабочего поршня, шатуна и подшипников. Такой результат достигается тем, что при использовании картера под давлением действующий на рабочий поршень перепад давления уменьшается до величины (/ цикл — Ркарт) взамен давления (рцикл атм) при атмосферном давлении в картере. Поэтому масса двигателя может быть снижена и уменьшены механические потери в подшипниках и уплотнениях, и преимущества в какой-то степени должны быть скомпенсированы повышенными требованиями к прочности конструкции картера, так как в этом случае он представляет собой некий резервуар под давлением. При необходимости вывода коленчатого вала из картера требуется, по крайней мере, еще одно дополнительное уплотнение.
[c.90]
Проблема уплотнения вращающегося вала решается относительно проще по сравнению с проблемой уплотнения для возвратнопоступательно движущегося рабочего поршня, так как можно разместить электрогенератор внутри самого картера. Однако для двигателя с высоким давлением рабочего тела такое решение может привести к значительному увеличению механических потерь.
[c.90]
Возможности использования картера под давлением присущи небольшим двигателям для двигателей большой мощности картер с минимальным давлением цикла имеет значительную массу.
[c.91]
Сравнение одноцилиндровых и двухцилиндровых двигателей вытеснительного типа. Одноцилиндровый двигатель вытеснительного типа обладает двумя преимуществами по сравнению с двухцилиндровым. Первое из них — меньший мертвый объем, определяемый конструктивной схемой двигателя. В двухцилиндровом двигателе (см. рис. 4.3, б) полость сжатия разделена на части, находящиеся в вытеснительном и рабочем цилиндрах, включая и соединительный канал. Объем этой полости не может быть уменьшен до нуля, поэтому полость сжатия имеет больший нерабочий объем, который необходимо учитывать в общем относительном мертвом объеме X двигателя следует отметить, что любое его увеличение приводит к снижению полезной мощности двигателя.
[c.91]
Второе преимущество одноцилиндрового двигателя вытеснительного типа заключается в том, что вытеснительный и рабочий поршни имеют общую часть рабочего объема цилиндра, перемещения поршней в которой происходит в разные периоды времени. Частичное перекрытие ходов поршней видно из рис. 4.9 такая компоновка позволяет обеспечить наиболее эффективное использование имеющегося рабочего объема цилиндра.
[c.91]
К преимуществам двухцилиндровых двигателей вытеснительного типа можно отнести большую гибкость при проектировании узлов коленчатого вала и шатунов, а также различные варианты размещения уплотнения для штока вытеснителя в неподвижном цилиндре (в одноцилиндровом двигателе такое уплотнение расположено в рабочем поршне, что вызывает дополнительные трудности при обслуживании).
[c.92]
На рис. 4.10 приведена одна из схем У-образного двухцилиндрового двигателя. Промышленное производство таких двигателей мощностью 10 кВт запланировано на ближайшее время шведской фирмой Ф. Ф. В., относящейся к фирме Юнайтед Стирлинг [174].
[c.92]
