Двигатель с внешним подводом тепла ("внешнего сгорания")

Наиболее распространены два типа этих источников энергии: паровые котлы и двигатели Стирлинга. В отличие от двигателей внутреннего сгорания источник нагрева здесь может быть любой: нефть, газ, дрова, уголь, солнечная, геотермальная или ядерная энергия. Кроме независимости от типа топлива есть и ещё один козырь: топливо сгорает в стационарном режиме при невысоком давлении, благодаря чему содержание окислов углерода и азота в выхлопных газах крайне мало.

Классические варианты использования «внешников» на транспорте – паровоз и пароход. Паровые автомобили в конце 19-го / начале 20-го веков также выпускались, но проиграли бензиновым автомобилям. Основная причина этого – большие габариты и масса паровой силовой установки по сравнению с двигателями внутренего сгорания той-же мощности.

В настоящее время паровые котлы в связке с паровыми турбинами применяются только на судах. Дело в том, что паровая турбина имеет высокие показатели экономичности только на стационарных режимах работы, что препятствует её применению на легковом и железнодорожном транспорте (даже без учёта массо-габаритных показателей). А вот на судах, где режим движения может не меняться сутками и нет ограничений по массе и размерам, такой тип силовой установки пришёлся как нельзя кстати. Топливом для парового котла служит топочный мазут или другие нефтяные фракции. Но при необходимости котёл вполе можно переоборудовать на сжигание водно-угольной суспензии.

Б олее перспективным двигателем внешнего сгорания является двигатель Стирлинга. Изобретённый в 1816 году, он переживает сейчас второе рождение. Связано это прежде всего с энергосбережением и альтернативной энергетикой: источником тепла может служить не только сжигаемое органическое топливо, но и концентрированный солнечный свет. Также, двигатель Стирлинга обеспечивает максимальный практический КПД при заданной разнице нагревателя и холодильника, что важно при использовании низкопотенциальных источников тепла (например, геотермальная энергия). Кроме того, колоссальные деньги в разработку двигателей Стирлинга сейчас вкладывают военные. Дело в том, что двигатели этого типа идеально подходят для подводных лодок. В отличие от дизельных подводных лодок они могут находиться в подводном положении больше месяца, но стоят при этом в 5 раз дешевле атомных. Сейчас серийно строятся лодки такого типа в Швеции, Японии, Франции и Австралии, за ними вдогонку ринулись Германия и США.

 

Двигатель Стирлинга имеет следующие преимущества:

• практически всё тепло нагревателя проходит через двигатель, совершая работу, что позволяет извлечь максимум энергии из перепада температур

• высокий практический КПД – в уже существующих моделях достигается 40%, а при изготовлении двигателей из керамики ожидается его увеличение до 60

• практическая многотопливность двигателя – ему, в отличие от ДВС, подойдёт в буквальном смысле слова «всё что горит»

• двигателю важен перепад температур, а не её значения – он будет работать и в том случае, если охлаждается холодный цилиндр, а не нагревается горячий

• двигатель герметичен, что предотвращает попадание в него пыли и абразивный износ

• поскольку сгорание происходит вне рабочего объёма, масло не соприкасается с продуктами горения и не окисляется

• в отличие от ДВС, двигатель работает без взрывных процессов в цилиндрах, т.е плавно, без особых вибраций и шума.

• двигатель не имеет выпускных клапанов и резко расширяющихся выхлопных газов, что опять-же делает двигатель почти бесшумным и исключает необходимость в глушителе

• может работать вообще без сжигания топлива – на тепловых аккумуляторах

• большой моторесурс и надёжнось двигателя

 

Недостатки также имеются:

• для эффективной теплопередачи (а она осуществляется переносом нагретого газа) необходимы давления 40-200 атмосфер

• в двигателе должно обеспечиваться малое гидродинамическое сопротивление, для чего применяют в качестве рабочего тела обладающие малой вязкостью водород или гелий; однако, благодаря этому они также имеют способность просачиваться в малейшую трещинку и необходимо применять очень надёжные уплотнения

• в отличие от ДВС, тепло подводится к рабочему телу «издалека», через стенку цилиндра, поэтому двигатель Стирлинга медленнее изменяет режим работы

• поскольку через двигатель проходит вся тепловая энергия, необходимо обеспечить эффективный отвод тепла от холодного цилиндра (в ДВС с выхлопными газами уходит 80% тепла), для чего нужен большой радиатор

 

Таким образом, самым очевидным местом применения двигателей Стирлинга является водный транспорт, где забортная вода для охлаждения имеется в неограниченном количестве и нет резких разгонов/остановок.

На автомобильном транспорте применение этого двигателя рационально только в составе гибридной силовой установки – в качестве постоянно работающего маломощного двигателя, подзаряжающего тяговые аккумуляторы. Но подходящих для этой роли ДВС и так имеется в избытке, так что пока есть нефть - никто экспериментировать не будет. А когда она закончится, возможно мы увидим на транспорте стирлинги, работающие на водно-угольной суспензии или любом другом виде топлива, которое будет распространено в то время.