ВСЕ НОВОЕ – ЭТО ДАВНО ЗАБЫТОЕ СТАРОЕ

Рыжкин В.В.
аспирант кафедры «Автомобили и транспортно-технологические системы», Университет машиностроения (МАМИ), Россия, г. Москва
Человечество ХХI века, смотрит вперед с оптимизмом и ждет от науки
все новые разработки, которые направлены на улучшение жизни. Действительно на сегодняшний день идет внедрение в нашу жизнь все более экономичных, экологически безопасных и перспективных технологий.
Одно из главных направлений современной науки, о которых пойдет речь в этой статье, об альтернативном двигателестроении. Альтернативные двигатели называются так, потому, что они преобразуют в механическую работу, альтернативные источники энергии, такие как ветер, солнце, вода и т.д., либо традиционные топлива керосин, бензин, дизель, спирт, и т.д.
Двигатели, всевозможных типов, дают нам энергию, свет, тепло и информацию. На сегодняшний день, двигатели являются той частью нашей современной цивилизации, без которой нормальное существование и развитие, будет невозможно. Двигатели обеспечивают рост производства, сокращают расстояние и вообще берут на себя всю основную тяжелую работу. В настоящее время, широко распространены двигатели внутреннего сгорания, но они
имеют ряд недостатков: шум, вибрация, вредные отработанные газы, которые еще и уносят 30% неиспользуемой тепловой энергии. Все это пагубно влияет на нашу с вами природу. Но уже сегодня существует альтернатива. Класс двигателей, от которых вред минимален – это двигатели Стирлинга им и посвящена эта статья.
Двигатель Стирлинга, был запатентован еще в начале XIX века, а точнее 27 сентября 1816 года Шотландским священником Робертом Стирлингом (1790-1878 гг.) который с детства проявлял интерес к механики. Да действительно в этом году в сентябре двигателю Стирлинга исполниться уже 200 лет. И в то далекое время, двигатель Стирлинга, появился как альтернатива, небезопасной паровой машине Джеймса Уатта (1736-1819 гг.). Роберт Стирлинг был священником в местечке Лайф Кирк, в то время многие работали в шахтах, не исключением были даже шестилетние дети. Основным источником энергии для откачки воды из шахт, была паровая машина, котел которой часто взрывался, унося много жизней. Роберту Стирлингу это было известно не понаслышке, и на фоне этого он решил, создать более безопасную альтернативу, паровой машине. Ему были известны первые элементарные “ двигатели горячего воздуха” появившиеся еще в конце XVIII века. Они работали при наименьшем давлении, чем паровая машина, и поэтому не взрывались, что в свою очередь делала их безопаснее. Главным достижением Роберта Стирлинга, являлось добавление регенератора. Регенератор, увеличил производительность двигателя, за счет сохранения тепла в горячей части, в то время когда рабочее тело охлаждалось. Этот процесс намного повысил производительность всей системы.
В 1843 году брат Роберта Стирлинга, Джеймс Стирлинг использовал двигатель брата на заводе, где он работал инженером. Там выяснилось, что в отличие от паровой машины, двигатель Стирлинга не только безопаснее, но и намного экономичнее. Но на тот момент времени, двигатель Стирлинга имел
свой главный недостаток: большой удельный вес на единицу выработанной мощности, но это не мешала ему быть широко распространённым. Хотя если мы посмотрим историю всего двигатели строения, то увидим, что в начале своего появления все поршневые двигатели, будь то внутреннего или внешнего сгорания, были громоздкими и маломощными. И только благодаря долгой и упорной работе тысяч ученных и инженеров, двигатели стали такими,
какими мы их знаем сейчас. Двигатель Стирлинга хоть и был забыт на фоне появившихся двигателей Николауса Августа Отто и Рудольфа Дизеля, о нем все же вспоминали, когда требовалась механическая энергия в труднодоступных местах земного шара. В 1938 году фирма Филипс инвестировала в разработку двигателя Стирлинга не малые средства и получила компактный двигатель мощностью более 174 кВт и КПД более 30 процентов. Вот и доказательство того, что когда в разработку вкладывают средства, силы и время она начинает приносить свои плоды.
Принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемом нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом пространстве (цилиндр, полость). Рабочим телом в основном является обычный воздух, но для максимальной эффективности используют водород или гелий. Так же в роли рабочего тела, использовалась вода или иная жидкость со схожими
свойствами. Характерной чертой двигателя Стирлинга с жидким рабочим телом являются небольшой размер, но высокая удельная мощность и большое давление. Стоит отметить, что рассматривалась двигатели Стирлинга использующий двухфазным рабочим телом. В основе работы двигателя Стирлинга лежит закон идеальных газов PV=nRT, это означает, что при нагревании газа его объем увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно и даже обладает преимуществом. Цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация цикла Карно малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.
Двигатели Стирлинга делятся на три типа альфа, бета, гамма. Самые распространенные и эффективные это альфа и бета типы. Но стоит также отметить, что и сейчас двигатель Стирлинга имеет недостатки, которые требуется исправить:
- Система охлаждения имеет объем в два раза больше чему двигателя
внутреннего сгорания.
- Для получения высоких характеристик применяется высокое давление
свыше 100 атмосфер, что приводит к проблеме удержания рабочего тела.
- Высокая температура и давление вынуждают применять высококачественные и дорогие материалы, но если взять во внимание стоимость современного дизельного двигателя с системой common rail сводит этот недостаток к норме.
Не смотря на имеющие недостатки двигатель Стирлинга, в сравнение с
традиционными двигателями внутреннего сгорания он так же и имеет значительные преимущество над ними.
- Всеядность и не прихотливость к качеству топлива.
- Способен оставаться работоспособным в таких условиях, в которых
традиционный двигатель внешнего сгорания будет обычным железом.
- Двигатель конструктивно очень прост, он не требует таких сложных
систем как газораспределительный механизм, что приводит к большому моторесурсу и делает его сверх надежным.
- Способен запускаться самостоятельно, следовательно, не нуждается в тяжелом стартере и аккумуляторной батареи.
- Меньший расход топлива.
- Является наиболее экологически безопасным, так как работает в замкнутом цикле и не имеет выхлопа, что делает его еще и бесшумным. Экологичность двигателя обусловлена, прежде всего, экологичностью источника тепла. Также стоит отметить, что полноту сгорания в двигатели внешнего сгорания обеспечить на много проще чем в двигатели внутреннего сгорания.
- Применяя ромбический механизм в двигатели Стирлинга, делает его
идеально сбалансированным амплитуда вибрации менее 0,0038 мм.
Так же стоит отметить, что двигатель Стирлинга имеет интересную и
полезную особенность, за которую он получил прозвище “оборотень”. Особенность заключается в том, что если привести двигатель Стирлинга в движения другим двигателем то горячий цилиндр начнет охлаждаться и температура достигнет -200 С. Мы уже получаем не двигатель, а криогенную установку, вот такая особенность.
После того как в 1816 году двигатель Стирлинга был изобретен он пережил первый период своего массового распространения в конце XIX века после чего был практически забыт. Возможно сейчас настало самое время снова начать массово использовать экологически безопасный и эффективный двигатель Шотландского священника Роберта Стирлинга.