История и основы работы
Двигатель Стирлинга представляет собой тепловую машину с внешним подводом энергии. Его изобрел в 1816 году шотландский священник и инженер Роберт Стирлинг, чьим именем он и назван. Первые модели, работавшие на подогреваемом воздухе по незамкнутому циклу, были громоздкими, тяжелыми и имели несовершенный теплообменник, что не позволило им получить широкое распространение в XIX веке. Однако позже были созданы более совершенные двигатели внешнего сгорания, работающие по так называемому циклу Стирлинга. Это замкнутый регенеративный цикл, состоящий из двух изохорных (при постоянном объеме) и двух изотермических (при постоянной температуре) процессов.Конструкция и принцип действия
Типичный двигатель Стирлинга включает в себя несколько ключевых компонентов: нагреватель, охладитель, два поршня (рабочий и вытеснитель), регенератор (теплоаккумулятор), а также горячую и холодную рабочие полости. Для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное часто используется ромбический механизм. Охлаждающая жидкость циркулирует через охладитель, отводя тепло от холодной полости, в то время как каналы соединяют горячую и холодную зоны через нагреватель и регенератор.Рабочий цикл двигателя состоит из четырех тактов. Первый такт (сжатие): рабочий поршень движется вверх, сжимая газ в холодной полости, в то время как вытеснитель неподвижен. Второй такт (перемещение и нагрев): вытеснитель перемещает сжатый газ через регенератор и нагреватель в горячую полость, где газ нагревается. Третий такт (расширение и работа): нагретый газ расширяется, толкая оба поршня вниз и совершая полезную работу. Четвертый такт (перемещение и охлаждение): вытеснитель движется вверх, возвращая газ через регенератор (где он отдает часть тепла) и охладитель в холодную полость, завершая цикл.
Модификации, преимущества и недостатки
Существуют более компактные модификации, например, многоцилиндровые двигатели, где каждый поршень в своем цилиндре совмещает функции рабочего и вытеснителя, выполняя полный цикл за один оборот кривошипа. Главные преимущества «стирлингов» — это топливная универсальность (они могут работать на любом топливе, включая ядерное, которое сжигается в форсунках и нагревает теплообменник), высокая экологичность (минимальное количество токсичных выбросов по сравнению с ДВС), надежность и экономичность.Однако этим преимуществам противостоят существенные недостатки: высокая стоимость производства, большие масса и габариты, сложность конструкции, управления и регулировки. Несмотря на это, современные двигатели Стирлинга находят применение на грузовом транспорте и судах. Перспективы их развития связаны с поиском новых жаростойких материалов, снижением стоимости, массы и размеров, а также с увеличением мощности и общего КПД.