Двигатель Эриксона - это тепловой двигатель внешнего сгорания, работающий по циклу, названному в честь его изобретателя Джона Эриксона. Принцип работы основан на последовательном выполнении четырёх процессов: сжатие, нагрев, расширение и охлаждение рабочего тела (обычно воздуха)
Принцип работы
Основные компоненты двигателя:
- поршневая группа (поршень, который осуществляет сжатие и расширение воздуха);
- пневматический бак (для хранения сжатого воздуха);
- регенератор (специальный теплообменник для повышения эффективности);
- двухходовой клапан (управляет потоками воздуха между компонентами);
- камера расширения (пространство под поршнем, где происходит нагрев и расширение воздуха).
Принцип действия:
- Сжатие воздуха. Холодный воздух поступает через обратный клапан в цилиндр, где сжимается движущимся вверх поршнем. Сжатый воздух направляется в пневматический бак.
- Нагрев и расширение. Через двухходовой клапан сжатый воздух проходит через регенератор, где предварительно нагревается. Затем воздух попадает в подогреваемую камеру расширения под поршнем, где расширяется, совершая работу.
- Охлаждение. После расширения двухходовой клапан меняет положение, открывая выхлопное отверстие. Поршень движется вниз, выталкивая горячий воздух через регенератор, который забирает большую часть тепла.
- Выпуск. Охлаждённый воздух выходит через выхлопное отверстие, завершая цикл.
Особенности конструкции:
- внешний нагрев - тепло подводится через стенки камеры расширения;
- регенератор позволяет использовать тепло отработанного воздуха для нагрева новой порции;
- возможность работы в открытом или закрытом цикле;
- параллельность процессов - сжатие и расширение происходят одновременно на разных сторонах поршня.
Количество построенных двигателей
Точное количество построенных двигателей Эриксона неизвестно. Известно, что инженер разработал несколько вариантов двигателей внешнего сгорания. В 1833 году он представил свою калорическую машину (Caloric Engine). В 1851 году двигатель с циклом Эриксона использовался на судне «Эриксон». Также двигатели малой мощности (порядка 10–20 л. с.) выпускались массово и применялись в различных странах.
Применение
Двигатели Эриксона использовались в разных сферах, например:
- на фабриках и в типографиях;
- в шахтах и рудниках;
- для привода станков;
- для накачки воды;
- в лифтах;
- в качестве судовых двигателей.
В России такие двигатели были известны под названием «тепло и сила».
Попытка использовать двигатель Эриксона на судне «Эриксон» (1851 год) не оправдала ожиданий: хотя двигатель работал хорошо, мощности корабля оказалось недостаточно. После крушения судна двигатель демонтировали и заменили паровым.
Также Эриксон пытался адаптировать свои двигатели для привода экипажей, но из-за большого веса конструкции эта идея не была реализована.
В итоге более лёгкие, экономичные и надёжные двигатели внутреннего сгорания вытеснили двигатели Эриксона с транспортного рынка.
Сложность конструкции.
Двигатель содержит механизм газораспределения (клапаны, золотники), что существенно усложняет его по сравнению с аналогами (например, с двигателем Стирлинга, где нет ГРМ в привычном понимании). Необходимы:
- клапаны с уплотнениями, выдерживающими высокое давление;
- ресивер низкого давления для сброса отработанного рабочего тела;
- ресивер высокого давления для обеспечения изобарности процессов;
- регенератор (например, пакет металлических сеток или кожухотрубный теплообменник).
Высокая металлоёмкость и большой вес.
Для надёжной работы при высоких температурах и давлениях требуются:
- массивные теплообменные поверхности котла;
- прочные стенки ресиверов, выдерживающие давление;
- качественные материалы для горячих частей двигателя.
Большие габариты.
Конструкция включает несколько крупных узлов:
- котёл;
- охладитель (котёл‑утилизатор);
- ресиверы низкого и высокого давления;
- регенератор/теплообменник.
Трудности реализации повышенного давления.
В отличие от двигателя Стирлинга, простое нагнетание давления в цилиндры недостаточно. Требуется:
- замкнутый цикл работы;
- дополнительный ресивер для хранения охлаждённого рабочего тела;
- система управления давлением, чтобы избежать лишних затрат энергии на сжатие.
Потери механической энергии.
Неэффективность компрессора и расширителя (экспандера) приводит к потерям энергии. Для минимизации потерь необходимо:
- размещать компрессор и экспандер на одном штоке;
- использовать механически управляемые клапаны (не самодействующие);
- тщательно рассчитывать рабочие циклы для исключения скачков давления.
Требования к качеству изготовления.
Для высокой эффективности нужны:
- минимальные утечки через поршни;
- сниженное трение в подвижных частях;
- точная подгонка деталей (на уровне двигателей Стирлинга).
Ограниченная конкурентоспособность по КПД.
При сопоставимых условиях двигатель Эриксона зачастую уступает двигателю Стирлинга по КПД из‑за:
- большего числа узлов и сопряжённых потерь;
- необходимости изотермического подогрева газа в цилиндре расширения;
- дополнительных затрат энергии на работу клапанов и ресиверов.
Проблемы с уплотнениями и смазкой.
Горячие части двигателя (цилиндр, поршень) работают при высоких температурах (свыше 200 °C), что:
- усложняет создание надёжных уплотнений;
- требует специальных смазочных материалов, устойчивых к перегреву.
Трудоёмкость обслуживания.
Из‑за множества компонентов и высоких требований к герметичности двигатель нуждается в:
- регулярном контроле клапанов и уплотнений;
- поддержании давления в ресиверах;
- очистке регенератора от загрязнений (сажа, пепел).
Низкая распространённость и ограниченная база решений.
Несмотря на потенциальные преимущества для стационарных установок, двигатель Эриксона:
- не получил массового применения;
- имеет меньше наработанных инженерных решений, чем ДВС или двигатели Стирлинга;
- требует индивидуальных разработок для конкретных задач.
В двигателях Эриксона применялись разные уровни давления - в зависимости от конкретной конструкции и периода разработки.
Ключевые данные по давлению
- Ранние модели (атмосферное давление)
Первые двигатели Эриксона работали на атмосферном давлении (около 1 атм или 101,3 кПа). Это упрощало конструкцию, но ограничивало мощность и КПД:
размеры получались огромными;
удельная мощность оставалась низкой. - Модели с повышенным давлением
Позже для повышения эффективности стали использовать сжатый воздух:
в ресивере низкого давления - порядка 10 бар (≈1 МПа);
после сжатия в компрессоре - 20–30 бар (2–3 МПа).Это требовало:
герметичных узлов;
дополнительных ресиверов;
систем охлаждения сжатого воздуха. - Судовой двигатель 1851 года
В двигателе корабля «Эрикссон» (2000 тонн) при 6,5 об/мин давление ограничивали 8 psi (фунтов на квадратный дюйм), что составляет:8 psi≈55 кПа(или 0,55 бар).Это было компромиссное решение для надёжности и управляемости. - Закрытые циклы с высокими давлениями
В поздних модификациях, перешедших на замкнутый цикл (с гелием или водородом), давление могло достигать 100 атм (≈10 МПа) для роста КПД и мощности.
Почему давление варьировалось?
- Атмосферное давление подходило для маломощных установок (насосы, лифты), где простота важнее эффективности.
- Повышенное давление (10–30 бар) использовалось в промышленных двигателях для увеличения удельной мощности.
- Высокие давления (до 100 атм) применялись в экспериментальных замкнутых системах, где критичны КПД и компактность.
Итог:
- Диапазон давлений в двигателях Эриксона - от 1 атм (атмосферное) до 100 атм (в поздних закрытых циклах).
- Типичные рабочие значения для промышленных моделей - 10–30 бар.