Стирлинга двигатель

        двигатель внешнего сгорания, двигатель с внешним подводом и регенерацией тепловой энергии, преобразуемой в полезную механическую работу. С. д. назван по имени английского изобретателя Р. Стирлинга (R. Stirling; 1790—1878), который в 1816—40 создал двигатель с незамкнутым циклом, работавший на подогреваемом воздухе. Двигатель имел несовершенный регенератор (теплообменник), был громоздким и тяжёлым, вследствие чего не нашёл применения. Современый С. д. работает по замкнутому регенеративному циклу (циклу Стирлинга), состоящему из последовательно чередующихся двух изотермических и двух изохорических процессов. Рабочее тело С. д. — гелий или водород под давлением 10—14 Мн/м² (100—140 кгс/см²) — находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется, а лишь изменяет объём при нагревании и охлаждении. Регенератор как бы разделяет это пространство на верхнюю (горячую) и нижнюю (холодную) полости (рис. 1). К верхней полости тепло подводится от нагревателя, от нижней отводится охладителем, в котором циркулирует вода. В цилиндре С. д. находятся 2 поршня — рабочий и вытеснитель. Горячая и холодная полости соединяются между собой каналами, проходящими через нагреватель, регенератор и охладитель. Рабочий цикл С. д. осуществляется за 4 такта (рис. 2). В 1-м такте вытеснитель неподвижен, а рабочий поршень перемещается вверх и сжимает холодное рабочее тело в нижней полости. В конце сжатия рабочий поршень останавливается, а вытеснитель движется вниз, холодное сжатое рабочее тело перетекает из нижней полости в верхнюю, подогреваясь сначала в регенераторе, а затем в нагревателе — 2-й такт. 3-й такт — рабочий ход, в течение которого рабочее тело, расширяясь в верхней полости, совершает полезную работу. Во время рабочего хода оба поршня совместно движутся вниз. В 4-м такте рабочий поршень остаётся неподвижным, а вытеснитель движется вверх; рабочее тело из верхней полости поступает в нижнюю, отдавая сначала часть теплоты регенератору, а затем окончательно охлаждаясь в охладителе. Теоретически кпд С. д. вследствие регенерации теплоты может быть равен кпд двигателя внутреннего сгорания, работающего по Карно циклу, в действительности же только приближается к кпд дизеля (См. Дизель). Преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение осуществляется ромбическим механизмом (см. рис. 1).

         Разработан многоцилиндровый рядный или V-образный С. д. двойного действия, в каждом цилиндре которого находится только 1 поршень, обеспечивающий сжатие, расширение и вытеснение рабочего тела. Рабочий процесс осуществляется одновременно в двух полостях, расположенных по обеим сторонам поршня. Рабочий поршень каждого цилиндра одновременно является вытеснителем для соседнего цилиндра. Полный рабочий цикл осуществляется за один оборот кривошипа, как в двухтактном двигателе внутреннего сгорания. Такие С. д. обладают уменьшенными габаритами и массой.

         В С. д. топливо сжигается в форсунках (горелках), пламя которых направлено на трубки нагревателя. Горение происходит с большим избытком воздуха, вследствие чего в продуктах сгорания содержится: значительно меньше токсичных веществ, чем в продуктах сгорания поршневых двигателей внутреннего сгорания. С. д. может работать на любом топливе, включая ядерное.

         Работа С. д. отличается бесшумностью, мягкостью (из-за отсутствия взрывного сгорания), высокой надёжностью и экономичностью (удельный расход топлива приближается к удельному расходу топлива дизеля). Основные недостатки С. д.: большие габариты и масса, высокая стоимость по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания, трудность повышения быстроходности, сложность регулирования и управления, конструктивная сложность уплотнений, которые должны выдерживать большие давления рабочего тела.

         Работы по совершенствованию С. д. направлены на уменьшение массы и габаритов, применение более дешёвых жаростойких материалов и рациональных методов производства, на повышение мощности и экономичности. Наиболее отработаны С. д. для грузовых автомобилей и судов.

         Лит.: Смирнов Г. В., Двигатели внешнего сгорания, М., 1967; Белов П. М., Бурячко В. Р., Акатов Е. И., Двигатели армейских машин, ч. 1, М., 1971.

         Н. Ф. Кайдаш

        

        Рис. 1. Схема двигателя внешнего сгорания: 1 — горячая полость; 2 — нагреватель; 3 — поршень-вытеснитель; 4 — регенератор; 5 — охладитель; 6 — холодная полость; 7 — рабочий поршень; 8 — наружное уплотнение; 9 — зубчатые колеса, синхронизирующие работу поршней; 10 — ромбический механизм.

        

        Рис. 2. Схема работы двигателя Стирлинга: I — такт сжатия; II — такт нагревания; III — рабочий ход; IV — такт охлаждения; 1 — рабочий поршень; 2 — холодная полость; 3 — регенератор; 4 — форсунки (горелки); 5 — поршень-вытеснитель; 6 — горячая полость; 7 — охладитель.