Двигатель Стирлинга – это силовой агрегат внешнего сгорания. Это двигатель, работающий на нагретом газе. Принцип его конструкции заключается в том, что само по себе рабочее тело не сгорает, как рабочая смесь в поршневом двигателе. Здесь тепло к рабочему телу подводится снаружи, из теплообменника. Двигатель Стирлинга работает по принципу замкнутой циркуляции, то есть рабочее тело остается в машине и поочередно подогревается и охлаждается в теплообменнике.
В начале 19-го столетия шотландец Роберт Стирлинг изобрел двигатель, работающий на нагретом газе. Он построил его в 1817 году, но не смог внедрить, из-за недостаточной проработанности конструкции и несовершенства термодинамических процессов.
В 1938 году голландская компания «Philips» обратилась к идее производства двигателя Стирлинга. В ходе разработок был создан двигатель, работающий на холодном газе. В конце 60-х годов прошлого века работу над двигателем Стирлинга продолжили компании «MAN» и «Motorenwerke Mannheim».
Чертеж двигателя Стирлинга
Чертеж двигателя Стирлинга можно посмотреть на рисунке ниже. Здесь оба поршня связаны между собой ромбовидной передачей. С помощью противовесов осуществляется полноценная балансировка. Охладитель работает с посредством циркуляции охлаждающей жидкости. В регенераторе, который состоит из стальных пакетов, рабочее тело, в данном случае гелий, подогревается от 70 °С до 600 °С, а на обратном пути охлаждается до 70 °С. Отработавшие газы, исходящие из камеры сгорания, отдают тепло рабочему телу в подогревателе. Они покидают подогреватель с температурой приблизительно 700 °С и подогревают в подогревателе воздух, необходимый для сгорания. При температуре около 250 °С отработавшие газы выталкиваются наружу. Буферная полость имеет уплотнители в местах стыковки с корпусом, поэтому не теряется гелий, который служит рабочим телом, так как способствует хорошему теплообмену. Поршни работают в цилиндре без смазки и оснащены поршневыми кольцами из тефлона.
Цикл двигателя Стирлинга
Цикл двигателя Стирлинга изображен на рисунке ниже. Вид кривых обусловлен не периодическим движением поршня и особенностями изотермического подведения и отвода тепла. Регулировка мощности двигателя Стирлинга осуществляется путем изменения массы гелия и мощности горелки. Таким образом, например, при уменьшении мощности горелки одновременно сокращаются мощность двигателя и масса гелия. Вследствие этого в области частичных нагрузок уровень температуры становится высоким, а термический коэффициент полезного действия остается практически постоянным.
Общий КПД двигателя Стирлинга составляет около 35%. Удельная масса двигателя и частота вращения приводного вала имеют приблизительно те же значения, что и в дизельном двигателе.
Кривая крутящего момента указывает на благоприятное для работы транспортного средства протекание с максимальными значениями момента при очень низкой частоте вращения приводного вала. Двигатель Стирлинга запускается с помощью электрического стартера, после чего поджигается горелка.
Двигатель Стирлинга работает достаточно тихо. С помощью внешнего сгорания можно легко удерживать токсичность отработавших газов ниже установленных предельных значений. Двигатель Стирлинга может использовать любое топливо для обеспечения работы горелки.