2.7.6. Двигуни зовнішнього згоряння

Поршневі двигуни зовнішнього згоряння з постійним робочим тілом у циліндрі і регенерацією теплоти називають двигунами Стірлінга (ДС або стірлінгами). Р. Стірлінг - шотландський пастор - винайшов цей двигун у 1816 р. Внаслідок ряду причин ДС спочатку не одержав поширення, однак у другій половині XX в. він знову став предметом досліджень і тепер розглядається як перспективний. Розробці Р. Стірлінга передують роботи ряду винахідників - Аментона 1699 р., Г. Вуда 1759 р., Глейзбрука 1797 р. Стірлінг винайшов двигун із незамкненим циклом і зовнішнім нагріванням у циліндрі атмосферного повітря для почергового одержання в ньому тиску або розрідження, що забезпечувало рух поршня.

ДС не могли конкурувати з паровими машинами, але, незважаючи на це, у XІХ в. в невеликих кількостях будувались малопотужні (до 5 к.с.) зразки двигунів даного типу. ДС показав себе надійним і досить ефективним. Спроба зробити ДС більшої потужності (близько 200 к.с. при 9 об/хв.) виявилася невдалою, внаслідок великих розмірів двигуна - діаметр циліндра 4,2 м, хід поршня 1,5 м (розробка Д. Еріксона, 1853 р.). Поява ДВЗ на деякий час закрила питання про удосконалювання ДС.

У 40-і рр. XX в. фірма "Філіпс" почала розробку ДС на базі сучасних знань і досягнень техніки. Їй удалося створити двигун із замкненим циклом. Стірлінг фірми "Філіпс" має циліндр, у якому знаходиться гелій або водень під тиском 10...20 МПа. Під час роботи робоче тіло не замінюється, а лише змінює свій об’єм в результаті почергового нагрівання та охолодження. Корисна енергія виробляється за рахунок того, що на стиск холодного газу витрачається менше енергії, ніж на розширення гарячого. Регенератор розділює циліндр на гарячу (верхню) і холодну (нижню) зони. До гарячої зони іззовні підводиться теплота від нагрівача, у якому безупинно згоряє паливо, від нижньої зони теплота відводиться охолоджувачем, що має відповідний розмір. У циліндрі знаходяться два механічно зв'язані поршні - робочий і витискальний. Газ стискається в холодній зоні і надходить у гарячу. Тут він нагрівається, після чого подається у холодну зону, де розширюється і виконує корисну роботу. Регенератор відбирає частину теплоти при проходженні гарячого газу і віддає її газу при зворотному русі після охолодження і стиску. Поступальний рух поршнів перетворюється у обертальний за допомогою кривошипно-повзунного (або іншого) механізму. Внутрішній об’єм двигуна повністю герметизується для уникнення витоків робочого тіла, а обертання вала виводиться за допомогою герметичної муфти. Робочий цикл здійснюється за чотири такти. У зв’язку із тим, що паливо горить безупинно, токсичних речовин у вихлопних газах мало. Стірлінг працює тихо і плавно.

Проблема герметизації енергії і передачі обертання вала двигуна була вирішена у 50-х рр. за допомогою металевої діафрагми, що деформується. У 60-х рр. для ущільнення була використана діафрагма із високотемпературної гуми "вітон", що має ресурс 25000 год. при температурі 100°С. Можливо також використання магнітних герметичних муфт.

У 60-80-х рр. дослідження стірлінгів розпочали великі автомобільні та електротехнічні фірми - "Дженерал моторс", "Форд", "МАН", "Дженерал електрик" і інші. Були виконані розробки ДС з ядерним і сонячним джерелами енергії для космічних апаратів. Сучасні стірлінги за технічним ККД і ресурсом не поступаються дизелям, температурні навантаження в них нижчі ніж в газових турбінах. Крім того, в ДС при роботі на рідкому паливі використовується регенеративне нагрівання внутрішнього і зовнішнього регенераторів повітря, що надходить у камеру згоряння.

Окрім циклу нагрівання та регенерації, можлива реалізація зворотного (холодильного) циклу Стірлінга. У 1834 р. Д. Гершель описав його теоретично, а в 1866 р. А. Кірк виготовив холодильну машину, в якій був реалізований зворотний цикл.

У 1953 р. згідно з принципом Стірлінга був створений зріджувач повітря, а пізніше – побудований ряд криогенних машин різної продуктивності (машини Колінза і Джиффорда - Мак- Магона).

Різновидом стірлінга є вільнопоршневий двигун У. Біла. Аналогічний двигун розроблявся для апарата штучного кровообігу, торпедного озброєння і т.д.

Застосування стірлінгів можливо у достатньо широкому діапазоні потужностей. Вони можуть бути використані в холодильній техніці, в якості двигунів автомобілів, енергетичних установок різного виду, криокомпресорів і т.д. Запропонований ряд перспективних проектів ДС різного призначення, однак поки не вдається зменшити їх розміри, спростити конструкцію і знизити вартість.