Двигатель Стирлинга считается силовым агре­гатом внешнего сгорания; он является двигате­лем, работающем на нагретом газе. Суть кон­струкции заключается в том, что само по себе рабочее тело не сгорает, как рабочая смесь в привычном нам поршневом двигателе. Теп­ло к рабочему телу подводится снаружи, из теплообменника. Двигатель работает по прин­ципу замкнутой циркуляции, то есть рабочее тело остается в машине и поочередно подо­гревается и охлаждается в теплообменнике.

В начале XIX столетия шотландец Роберт Стирлинг (Robert Stirling) изобрел двигатель, работающий на нагретом газе. Такой двига­тель впервые был построен в 1817 году, но не смог конкурировать с паровыми маши­нами и появившимися позже двигателями внутреннего сгорания из-за недостаточной проработанности конструкции и несовершен­ства термодинамических процессов.

В 1938 году компания «Philips» из Голлан­дии вновь обратилась к идее двигателя Стир­линга. В ходе разработок сначала был создан двигатель, работающий на холодном газе. В конце 60-х годов прошлого века работу над двигателем Стирлинга продолжили ком­пании «MAN» и «Motorenwerke Mannheim».

 

Работа двигателя Стирлинга

 

 

Работа двигателя Стирлинга по­казана на рисунке выше. Идеальные циклы, представ­ленные на диаграммах в координатах р, V и Т, S, состоят из двух изотермических и двух изохорических изменений состояния. Для осущест­вления данных циклов два поршня движутся в одном цилиндре, а рабочее тело циркулирует через охладитель, регенератор и подогреватель между холодной и горячей полостями. При этом протекают следующие теоретические процессы:

 

Положение I; состояние 1 на диаграмме

 

Рабочее тело находится в холодной полости. Рабочий поршень находится в нижней мерт­вой точке (НМТ), а поршень-вытеснитель — в верхней мертвой точке (ВМТ).

Изотермическое сжатие (1 -2) — Поршень-вытеснитель остается в ВМТ, в то время как рабочий поршень передви­гается в положение ВМТ, и рабочее тело сжимается. Рабочий поршень действует на рабочее тело, выполняя абсолютную удель­ную работу, величина которой равна площа­ди Ь-1 -2-а на диаграмме р, V, и равноценное тепло (площадь Ь-1-2-а на диаграмме Т, S) направляется в охладитель.

 

Положение II; состояние 2 на диаграмме

 

Рабочее тело находится сжатым в холодной полости. Оба поршня находятся в положе­нии ВМТ.

Изохорическое подведение тепла в регенераторе (2-3) — Поршень-вытеснитель движется в направле­нии НМТ, в то время как рабочий поршень остается в ВМТ. Рабочая среда поглощает тепло в регенераторе при постоянном объ­еме (площадь а-2-З-с на диаграмме Т, S). Положение III; состояние 3 на диаграмме Рабочее тело находится сжатым в го­рячей полости. Рабочий поршень остается в ВМТ, а поршень-вытеснитель — между ВМТ и НМТ.

Изотермическая разгрузка (3-4) — Оба поршня двигаются к НМТ, и давление рабочего тела понижается. При этом абсо­лютная удельная работа газов соответствует по величине площади а-3-4-b на диаграмме р, V. Для того, чтобы температура рабочего тела оставалась постоянной, к нему подается равнозначное количество тепла в подогре­вателе (площадь с-3-4-d на диаграмме Т, S).

 

Положение IV; состояние 4 на диаграмме

 

Рабочее тело находится в горячей полости. Оба поршня находятся в положении НМТ.

Изохорическое отведение тепла в регенераторе (4-1) — Поршень-вытеснитель движется в на­правлении ВМТ, в то время как рабочий поршень остается в НМТ. Рабочее тело отда­ет при постоянном объеме в регенераторе тепло (площадь d-4-1-b на диаграмме Г, SJ. Площади а-2-3-с и d-4-1-b на диаграмме Т, S идентичны (изохоры имеют одинаковую кривизну). Термический коэффициент полез­ного действия двигателя Стирлинга совпада­ет с циклом Карно:

η_th = 1 — Т₁/Т₃

 

 

Чертеж двигателя Стирлин­га

 

Чертеж двигателя Стирлин­га представлена на рисунке ниже. Оба поршня связаны между собой ромбовидной пере­дачей. С помощью противовесов осущест­вляется полноценная балансировка. Охла­дитель работает с помощью циркуляции охлаждающей жидкости. В регенераторе, который состоит из стальных пакетов, ра­бочее тело, гелий, подогревается от 70 °С до примерно 600 °С, а на обратном пути охлаждается вновь 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. Вид кри­вых обусловлен непериодическим 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 коэффициент полезного дей­ствия 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.

Работа двигателя очень тихая. Посред­ством внешнего сгорания можно легко удер­живать токсичность отработавших газов ниже установленных предельных значений. Двига­тель Стирлинга может использовать любое топливо для обеспечения работы горелки.