10.2. Двигун зовнішнього згоряння

Ці двигуни названі іменем Роберта Стірлінга, який в 1816 р. одер­жав патент на "машину, яка виробляє рушійну силу за допомогою нагрі­того повітря".

Двигуни Стірлінга є двигунами зовнішнього згоряння, у яких робоче тіло не змінюється, а підведення теплоти може здійснюватись від будь-якого джерела енергії, у тому числі сонячної і ядерної. Однак навіть у випадку використання палив нафтового походження викид токсичних речовин у таких двигунах значно нижчий порівняно з поршневими дви­гунами внутрішнього згоряння у результаті кращого сумішоутворення і безперервного горіння палива при достатній кількості кисню. Цим і по­яснюється підвищений інтерес до цих двигунів.

Принцип роботи двигуна зовнішнього згоряння такий же, як і двигу­на внутрішнього згоряння. Для одержання корисної роботи необхідно виконувати процес стиснення робочого тіла при низькій температурі (тобто і при меншому тискові), а процес розширення - при високій тем­пературі (високому тискові). Для здійснення цих процесів у двигуні Стір­лінга (рис. 10.1) є дві порожнини - гаряча 5 і холодна 1. Для переміщен­ня робочого тіла із однієї порожнини в іншу використовується спеціаль­ний витискувач 6. При переміщенні робочого тіла із холодної порожнини в гарячу до нього в нагрівнику 4 підводиться теплота, при зворотному переміщенні в холодильнику 2 від нього відводиться теплота. Регенера­тор 3 застосовується для кращого використання теплоти і працює таким чином: при переміщенні робочого тіла з гарячої порожнини в холодну частина теплоти віддається в регенераторі, при зворотному переміщен­ні - від регенератора теплота повертається робочому тілу. Для стиску робочого тіла і сприйняття зусиль при його розширенні викори­стовується робочий поршень 7.

Розглянемо робочий цикл двигуна Стірлінга (рис. 10.1).

У положенні а робоче тіло повністю витиснене з гарячої порожнини в холодну. В положенні б закінчується стиснення робочого тіла в холод­ній порожнині робочим поршнем. Далі витискувач 6 переміщує робоче тіло з холодної порожнини в гарячу, при цьому температура і тиск тіла підвищуються у результаті підведення до нього теплоти в регенераторі і нагрівачі (положення в). Робоче тіло переміщує витискувач і поршень вниз, виконуючи роботу за значенням більшу, ніж робота стиску (по­ложення г). Потім витискувач переміщує робоче тіло з гарячої порожни­ни в холодну з відведенням теплоти в регенераторі і холодильнику і процес повторюється. На рис. 10.1, 5 показана схема двигуна Стірлінга з найбільш розповсюдженим ромбічним приводним механізмом, який забезпечує необхідні закони переміщення витискувача і робочого порш­ня. Крім того, такий механізм виключає виникнення бокових сил і дозво­ляє уникнути прориву газів під високим тиском в картер шляхом ство­рення під робочим поршнем буферної порожнини із підвищеним тиском. Як робоче тіло в двигунах Стірлінга найбільш широко використовують водень і гелій, хоча останнім часом перевіряється можливість викорис­тання повітря і вуглекислого газу. Регулювання потужності двигунів здійснюється зміненням маси робочого тіла.

В наш час перспективними вважаються багатоциліндрові двигуни Стірлінга подвійної дії, у яких з'єднані гарячі і холодні порожнини різних циліндрів.

Переваги двигуна Стірлінга при використанні на автомобілях: високі ККД і питома потужність; високий (до 80% номінального) від'ємний крутний момент при гальмуванні; сприятливе протікання крутного моменту, що дозволяє спростити трансмісію; низька токсичність відпрацьованих газів; незначні вібрації і рівень шуму; можливість роботи на різних оли­вах і т.д.

Як вади двигунів Стірлінга, що стримують його широке розповсю­дження, можуть бути названі висока вартість виготовлення, складність конструкції, невисока надійність ущільнень, недовговічність деяких вузлів. Ці недоліки поступово усуваються в процесі досліджень і розробки нових конструкцій.