1.31. Принцип роботи двигуна Стирлінга

Двигун запатентовано пастором Стирлінгом у 1816 році, а вже у 1818 році виготовлено роботоздатний двигун. Він являє собою двигун зовнішнього згоряння, який може працювати на будь-якому паливі, і навіть без палива – від тепла сонячного випромінювання.

У основу його конструкції покладено той факт, що для роботи поршневого двигуна потрібно якимось чином організувати імпульси тиску, які б періодично діяли на поршень. У двигуні внутрішнього згоряння це досягається спалюванням паливно-повітряної суміші, згоряння якої і дає періодичні імпульси тиску відпрацьованих газів.

Стирлінг запропонував виготовляти генератор імпульсів тиску газу окремо від поршневого двигуна, у вигляді герметично закритого циліндра з поршнем усередині – див. рис.

Ц иліндр складається з двох частин, одна з яких весь час охолоджується (на рис. – ліва частина, яка обладнана ребрами), а друга частина весь час утримується у розжареному стані – на рис. зображено, що вона підігрівається відкритим полум’ям.

Всередині циліндра розміщено поршень, який може вільно переміщуватись вздовж циліндра. Зазор між поршнем і стінками циліндра не ущільнений, щоб газ, яким заповнено циліндр, міг при переміщеннях поршня вільно перетікати з одного його боку у інший бік.

На зображеному вище рисунку поршень знаходиться у правій, гарячій частині циліндра. Практично весь об’єм газу, яким заповнено циліндр, знаходиться у лівій, холодній частині циліндра. Він контактує з холодними стінками циліндра, охолоджується, внаслідок чого стискається, і тиск у циліндрі зменшується.

Я кщо ж поршень перемістити у ліву, холодну частину циліндра, то газ перетече у праву, гарячу частину, нагріється, розшириться, і тиск всередині циліндра зросте.

Перемістивши поршень назад у праву частину, отримаємо зниження тиску.

Т аким чином даний пристрій являє собою генератор імпульсів тиску газу, які можна через трубопровід передати у надпоршневу порожнину двигуна.

А для того, щоб імпульси тиску діяли на поршень двигуна у строго визначені моменти часу (коли згаданий поршень знаходиться поблизу верхньої мертвої точки) шток поршня генератора імпульсів за допомогою другого шатуна приєднано до шатунної шийки колінчастого валу – див. рис вище.

Реальна конструкція двигуна Стирлінга істотно відрізняється в ід наведеної на даному рисунку – див. рис. поряд. Основна відмінність полягає у тому, що обидва поршні розміщено співвісно – поршень генератора імпульсів зверху, а під ним основний, силовий поршень, який сприймає імпульси тиску. Двигун має два колінчасті вали, які обертаються у різних напрямках, шатуни і штоки, які передають рух від шатунів до поршнів. Але принцип роботи абсолютно не відрізняється від наведеного на спрощеній схемі.

Двигун Стирлінга має наступні переваги перед двигунами внутрішнього згоряння:

• можливе застосування будь-якого палива – твердого, рідкого, газоподібного, атомного, сонячної енергії тощо;

• процес згоряння палива не обмежений у часі, що збільшує повноту згоряння і спрощує розв’язання задачі підвищення екологічності двигунів;

• мала шумність двигуна через відсутність звуку «вихлопу» з циліндрів;

• висока економічність, сумірна з економічністю дизелів;

• здатність до подолання тимчасових перевантажень до 80 %, що у кілька разів більше, ніж у двигунів внутрішнього згоряння.

Двигун також має наступні недоліки:

• середнє значення тиску газів у циліндрах дуже високе, що вимагає дуже досконалої конструкції і високої якості ущільнень;

• тепловіддача у охолодну рідину удвічі більша, ніж у двигунів внутрішнього згоряння, це вимагає більш потужної системи охолодження.

Двигуни Стирлінга виготовляють у Швеції, Німеччині, США для застосування на катерах, яхтах, пересувних електростанціях. Один з таких двигунів, який має робочий об’єм 1,0 л і масу 760 кг, розвиває потужність 147 кВт, тобто 200 к.с. при 3000 об/хв. Температура розжареної частини циліндра – до 800 ⁰С. Час запуску – 20 с.