Двигатель Стирлинга в авто и не только – еще не все сказано!
Если задуматься над расшифровкой аббревиатуры ДВС, хорошо знакомой автомобилистам, может возникнуть вопрос: раз есть двигатели с внутренним сгоранием, должны существовать агрегаты и с внешним? Именно такое устройство более двухсот лет назад запатентовал шотландский священник Роберт Стирлинг. И речь идет не о паровом агрегате.
Двигатель, названный именем его создателя, позже усовершенствовал изобретатель Эриксон. Разработанная модель в начале ХХ века успешно применялась для заполнения водонапорных баков, приведения в действие типографских машин и лифтов. Двигатели Стирлинга были хорошо известны в дореволюционной России – они производились под «брендом» «Тепло и сила».
Уже тогда предпринимались попытки приспособить сей агрегат к колесной технике. Однако успехов на данном поприще удалось добиться чуть позже. Но что же это за двигатель такой?
Возьмите пару кастрюль, в одной из которых холодная вода, во второй – горячая. Теперь понадобится закрытая пробкой бутылка. Опустите ее на некоторое время сначала в емкость с ледяной водой, потом – в кастрюлю с нагретой. Произойдет работа: спустя несколько секунд раздастся хлопок, и пробка вылетит из горлышка. Это и есть упрощенная суть действия двигателя Стирлинга. Правда, изобретатель внес некоторое усовершенствование: тепло, отбираемое у воздуха (газа), он решил накапливать для частичного повторного нагрева в отдельном резервуаре.
Внутри цилиндра – два поршня: внизу – рабочий, вверху – вытеснительный. В основании нагревается воздух (позже – водород, гелий), создающий давление. Из-за него рабочий поршень идет вверх: размещенный над ним его вытеснительный «коллега» тоже поднимается и вращает маховик. Здесь все, как в ДВС.
Далее через упрощенный коленвал штанга толкает верхний поршень вниз, нижний при этом поднимается вверх. Из-за неплотного прилегания к стенкам цилиндра горячий воздух идет выше.
Там он остывает, сжимается. В итоге этого процесса рабочий поршень опускается, нагревается снова, цикл возобновляется.
Увы, впечатляющими их назвать нельзя. Во времена Стирлинга удалось добиться не более 7 % КПД. И это для устройства, выдававшего всего пару лошадиных сил мощности при массе в 2 тонны и занимаемом пространстве в 21 куб. м. От краха двигатель Стирлинга не спасла даже модернизация, проведенная шведом Эриксоном, который при нагреве и охлаждении использовать одно и то же давление, а не объем. Агрегат подходил для практического применения разве что в стационарном виде.
Да, известно о попытке поставить несколько движков общей мощностью 250 л. с. с диаметром цилиндра в 4,2 м на корабль. Но топки прогорели, судно погибло, эксперимент окончился провалом и в ХХ веке бензиновый ДВС стал завоевывать лидирующие позиции, постепенно вытесняя паровые системы. И вот, внезапно, в 1960-е инженеры и автомобильные конструкторы вновь обратили свои взгляды к «эриксонами» и «стирлингам». С чего бы это? Ответ прост: агрегаты подобного типа имеют очень интересные преимущества. При этом, учитывая тогдашние достижения в области технологии, создания новых материалов, можно было минимизировать недостатки механизма.
Первое, что привлекает – относительная простота конструкции. Здесь нет инжекторной рампы, карбюратора, ГРМ, свечей, клапанов, выхлопной системы. Даже масла требуется гораздо меньше, чем в классическом ДВС. Да, в цилиндрах создается давление в 200 атм., но его нарастание происходит не взрывообразно, а очень плавно.
Вышеперечисленные плюсы «автоматически» формируют еще одно преимущество – бесшумность. Тот, кто имел возможность видеть работу двигателя Стирлинга говорят, что даже прикоснувшись к его корпусу, сразу невозможно понять: идет в нем какой-то процесс или нет. Последние модели агрегата достаточно совершенны – вибрации в них нет, т. к. горение идет плавно, а не со взрывами, как в ДВС.
Следующий серьезный плюс – всеядность. Мотор работает на всем, что горит и может нагревать. И неважно, что это: солома, керосин, ядерное топливо или солнечные лучи. Движок может функционировать, используя тепловую энергию, запасенную, например, в расплаве окисла, соли. И это очень привлекательно в плане экологии. Представьте себе: машина подъезжает к городу, водитель гасит горелку – мотор работает на энергии, запасенной в расплаве. Никаких выхлопов, задымления шумов! И последнее – агрегаты, работающие по принципу Стирлинга, надежнее ДВС, т. к. в цилиндрах отсутствуют такие агрессивные вещества, как, например, бензин.
Первый из них заключается в необходимости применения хороших уплотнителей. Лучшие результаты достигаются, если вместо воздуха использовать гелий или водород. А эти газы, особенно последний, обладают высокой «текучестью». К тому же уплотнитель должен держать давление в 200 атм. Следующий минус – необходимость отвода большого количества тепла, для чего потребуется громоздкая система охлаждения. А это уже «гарантирует» солидную массу агрегата.
Еще один недостаток – плохая приемистость: такой движок наверняка не понравится любителям «рвать со светофора». Есть и отрицательная сторона, связанная с нагревом. Он идет постоянно, следовательно, часть мотора будет всегда иметь температуру примерно в 700°. А это значит, что понадобятся жаропрочные материалы, которые недешевы. Кто-то скажет, что в ДВС тоже идет нагрев. Действительно, это так, но он длится очень короткое время. Затем все охлаждается через открывающиеся клапана. Тем не менее, практические попытки приспособить эту конструкцию к колесному транспорту все же были.
Наиболее удачным считается модель Chevrolet Celebrity. Разумеется, в серии она выпускалась с бензиновым ДВС. Провели эксперимент: на заводскую машину установили агрегат Стирлинга (это был созданный НАСА MOD II), уже серьезно доработанный.
Для последнего итоги были совсем неплохими – ниже приведены улучшения по сравнению со стандартным автомобилем:
✅ разгон до 60 миль в час уменьшился с 13 до 12,4 секунд
✅ расход горючего в смешанном цикле упал с 7,57 до 5,71 л/100 км
✅ затраты топлива на «сотню» за городом снизились с 5,85 до 4,04 л
Движок Стирлинга хорошо тянул на «низах», хотя и уступал в мощности. Масса автомобиля увеличилась ненамного: с 1,252 т до 1,297 т. При этом был достигнут КПД в 38,5 %. В 80-е и 90-е у бензинового мотора этот показатель был равен 25 %, дизельного – до 40 %.
Также удачным можно считать установку двигателя Стирлинга на авто AMC Spirit DL (модельный ряд 1979-го года). Эксперимент проводился NASA совместно с компанией United Stirling AB (Швеция).
Однако время шло и бензиновые ДВС тоже совершенствовались. В 2010-х их КПД китайцам и японцам удалось увеличить до 41 %! Талантливые инженеры лучше организовали газообмен, смесеобразование, сделали впрыск под более высоким давление и т. п. Но это не значит, что изобретение Стирлинга забросили. Вызывает интерес его использование в качестве не основного, а дополнительного агрегата. И первый шаг в этом направлении был сделан в 1969-м. Тогда на серийное авто Opel Kadett конструкторы GM поставили электродвигатель, вращавший заднюю ось. Его питали аккумуляторы, размещенные под капотом. А вот сзади установили двигатель Стирлинга, который раскручивал генератор, заряжавший АКБ.
Второй проект осуществил Дин Кеймен, известный, как создатель сегвея. Он поставил на норвежский электромобиль Ford TH!NK агрегат Стирлинга, чтобы увеличить запас хода.
Однако «конвейерного» развития проект не получил. Подводя итоги всему вышесказанному, стоит уверенно сказать: возможности двигателя Стирлинга пока еще до конца не изучены и на 100 % не реализованы.
Что ж, будем ждать результатов от мировой науки. Кстати: самодельщики-энтузиасты не ждут и вовсю экспериментируют с этим двигателем.
Двигатель, названный именем его создателя, позже усовершенствовал изобретатель Эриксон. Разработанная модель в начале ХХ века успешно применялась для заполнения водонапорных баков, приведения в действие типографских машин и лифтов. Двигатели Стирлинга были хорошо известны в дореволюционной России – они производились под «брендом» «Тепло и сила».
Так выглядели первые двигатели Стирлинга для практического применения. Фото: YouTube.com
Уже тогда предпринимались попытки приспособить сей агрегат к колесной технике. Однако успехов на данном поприще удалось добиться чуть позже. Но что же это за двигатель такой?
Физика процесса простыми действиями
Возьмите пару кастрюль, в одной из которых холодная вода, во второй – горячая. Теперь понадобится закрытая пробкой бутылка. Опустите ее на некоторое время сначала в емкость с ледяной водой, потом – в кастрюлю с нагретой. Произойдет работа: спустя несколько секунд раздастся хлопок, и пробка вылетит из горлышка. Это и есть упрощенная суть действия двигателя Стирлинга. Правда, изобретатель внес некоторое усовершенствование: тепло, отбираемое у воздуха (газа), он решил накапливать для частичного повторного нагрева в отдельном резервуаре.
Как функционирует агрегат Стирлинга
Внутри цилиндра – два поршня: внизу – рабочий, вверху – вытеснительный. В основании нагревается воздух (позже – водород, гелий), создающий давление. Из-за него рабочий поршень идет вверх: размещенный над ним его вытеснительный «коллега» тоже поднимается и вращает маховик. Здесь все, как в ДВС.
Горизонтальная модель двигателя Стирлинга: спиртовка горит, маховик крутится. Фото: YouTube.com
Далее через упрощенный коленвал штанга толкает верхний поршень вниз, нижний при этом поднимается вверх. Из-за неплотного прилегания к стенкам цилиндра горячий воздух идет выше.
Принцип действия двигателя Стирлинга в вертикальном виде. Фото: YouTube.com
Там он остывает, сжимается. В итоге этого процесса рабочий поршень опускается, нагревается снова, цикл возобновляется.
Реальные результаты прошлого
Увы, впечатляющими их назвать нельзя. Во времена Стирлинга удалось добиться не более 7 % КПД. И это для устройства, выдававшего всего пару лошадиных сил мощности при массе в 2 тонны и занимаемом пространстве в 21 куб. м. От краха двигатель Стирлинга не спасла даже модернизация, проведенная шведом Эриксоном, который при нагреве и охлаждении использовать одно и то же давление, а не объем. Агрегат подходил для практического применения разве что в стационарном виде.
Сегодня двигатель Стирлинга, работающий на дровах, заряжает аккумулятор. Фото: YouTube.com
Да, известно о попытке поставить несколько движков общей мощностью 250 л. с. с диаметром цилиндра в 4,2 м на корабль. Но топки прогорели, судно погибло, эксперимент окончился провалом и в ХХ веке бензиновый ДВС стал завоевывать лидирующие позиции, постепенно вытесняя паровые системы. И вот, внезапно, в 1960-е инженеры и автомобильные конструкторы вновь обратили свои взгляды к «эриксонами» и «стирлингам». С чего бы это? Ответ прост: агрегаты подобного типа имеют очень интересные преимущества. При этом, учитывая тогдашние достижения в области технологии, создания новых материалов, можно было минимизировать недостатки механизма.
О достоинствах
Первое, что привлекает – относительная простота конструкции. Здесь нет инжекторной рампы, карбюратора, ГРМ, свечей, клапанов, выхлопной системы. Даже масла требуется гораздо меньше, чем в классическом ДВС. Да, в цилиндрах создается давление в 200 атм., но его нарастание происходит не взрывообразно, а очень плавно.
Самодельный двигатель Стирлинга из двух шприцев. Фото: YouTube.com
Вышеперечисленные плюсы «автоматически» формируют еще одно преимущество – бесшумность. Тот, кто имел возможность видеть работу двигателя Стирлинга говорят, что даже прикоснувшись к его корпусу, сразу невозможно понять: идет в нем какой-то процесс или нет. Последние модели агрегата достаточно совершенны – вибрации в них нет, т. к. горение идет плавно, а не со взрывами, как в ДВС.
Бесшумность агрегата Стирлинга привлекла внимание военных: такие движки использовались в шведской подлодке «Никкен» (1988 год) и японской «Сорю».
Следующий серьезный плюс – всеядность. Мотор работает на всем, что горит и может нагревать. И неважно, что это: солома, керосин, ядерное топливо или солнечные лучи. Движок может функционировать, используя тепловую энергию, запасенную, например, в расплаве окисла, соли. И это очень привлекательно в плане экологии. Представьте себе: машина подъезжает к городу, водитель гасит горелку – мотор работает на энергии, запасенной в расплаве. Никаких выхлопов, задымления шумов! И последнее – агрегаты, работающие по принципу Стирлинга, надежнее ДВС, т. к. в цилиндрах отсутствуют такие агрессивные вещества, как, например, бензин.
Минусы
Первый из них заключается в необходимости применения хороших уплотнителей. Лучшие результаты достигаются, если вместо воздуха использовать гелий или водород. А эти газы, особенно последний, обладают высокой «текучестью». К тому же уплотнитель должен держать давление в 200 атм. Следующий минус – необходимость отвода большого количества тепла, для чего потребуется громоздкая система охлаждения. А это уже «гарантирует» солидную массу агрегата.
Минусы минусами, а на катере агрегат Стирлинга работает. Фото: YouTube.com
Еще один недостаток – плохая приемистость: такой движок наверняка не понравится любителям «рвать со светофора». Есть и отрицательная сторона, связанная с нагревом. Он идет постоянно, следовательно, часть мотора будет всегда иметь температуру примерно в 700°. А это значит, что понадобятся жаропрочные материалы, которые недешевы. Кто-то скажет, что в ДВС тоже идет нагрев. Действительно, это так, но он длится очень короткое время. Затем все охлаждается через открывающиеся клапана. Тем не менее, практические попытки приспособить эту конструкцию к колесному транспорту все же были.
Двигатель Стирлинга на авто
Наиболее удачным считается модель Chevrolet Celebrity. Разумеется, в серии она выпускалась с бензиновым ДВС. Провели эксперимент: на заводскую машину установили агрегат Стирлинга (это был созданный НАСА MOD II), уже серьезно доработанный.
Один из вариантов двигателя Стирлинга, созданного НАСА – INFINIA на 3 кВт. Фото: YouTube.com
Для последнего итоги были совсем неплохими – ниже приведены улучшения по сравнению со стандартным автомобилем:
✅ разгон до 60 миль в час уменьшился с 13 до 12,4 секунд
✅ расход горючего в смешанном цикле упал с 7,57 до 5,71 л/100 км
✅ затраты топлива на «сотню» за городом снизились с 5,85 до 4,04 л
Движок Стирлинга хорошо тянул на «низах», хотя и уступал в мощности. Масса автомобиля увеличилась ненамного: с 1,252 т до 1,297 т. При этом был достигнут КПД в 38,5 %. В 80-е и 90-е у бензинового мотора этот показатель был равен 25 %, дизельного – до 40 %.
Chevrolet Celebrity в 80-х тоже побывал в «подопытных кроликах». Фото: YouTube.com
Также удачным можно считать установку двигателя Стирлинга на авто AMC Spirit DL (модельный ряд 1979-го года). Эксперимент проводился NASA совместно с компанией United Stirling AB (Швеция).
На экспериментальном AMC Spirit DL двигатель Стирлинга реально работал! Фото: YouTube.com
Однако время шло и бензиновые ДВС тоже совершенствовались. В 2010-х их КПД китайцам и японцам удалось увеличить до 41 %! Талантливые инженеры лучше организовали газообмен, смесеобразование, сделали впрыск под более высоким давление и т. п. Но это не значит, что изобретение Стирлинга забросили. Вызывает интерес его использование в качестве не основного, а дополнительного агрегата. И первый шаг в этом направлении был сделан в 1969-м. Тогда на серийное авто Opel Kadett конструкторы GM поставили электродвигатель, вращавший заднюю ось. Его питали аккумуляторы, размещенные под капотом. А вот сзади установили двигатель Стирлинга, который раскручивал генератор, заряжавший АКБ.
В экспериментальном Opel Kadett двигатель Стирлинга выполнял вспомогательную функцию. Фото: YouTube.com
Второй проект осуществил Дин Кеймен, известный, как создатель сегвея. Он поставил на норвежский электромобиль Ford TH!NK агрегат Стирлинга, чтобы увеличить запас хода.
Электрокар Ford TH!NK послужил базой для опытов. Фото: YouTube.com
Однако «конвейерного» развития проект не получил. Подводя итоги всему вышесказанному, стоит уверенно сказать: возможности двигателя Стирлинга пока еще до конца не изучены и на 100 % не реализованы.
Агрегат Стирлинга, работающий на дровах. Фото: YouTube.com
Что ж, будем ждать результатов от мировой науки. Кстати: самодельщики-энтузиасты не ждут и вовсю экспериментируют с этим двигателем.
- Сергей М.
- https://youtube.com
Рекомендуем для вас
На производственных площадках бывшего завода John Deere снова «закипела» работа
Предприятие заработало после длительного простоя. О планах и перспективах нового проекта читайте в нашем материале....
В три раза быстрее «Конкорда» – представлен революционный двигатель для гиперзвукового самолета
Он позволит перелететь Атлантический океан всего за час на скорости 6 Мах. Самолет будет не только быстрее, но сможет летать выше Concorde в 2,5 раза....
Северный широтный ход – российский мегапроект в Арктике: проблемы и перспективы
Магистраль должны были открыть еще в 2015-м году. К тому же, остается неясной судьба Салехардского моста....
Для российских автомобилистов готовят неожиданные запреты
Уже опубликован текст проекта поправок к соответствующему постановлению правительства. Новые запреты коснутся как «обычных» автолюбителей, так и...
Если у вас почти нет комплексов и денег, это ваш автомобиль
Это крохотный автомобиль длиной менее 3 метров, который удивляет своей вместимостью: в нем можно ездить вчетвером, хотя в это и сложно поверить, пока не...
«Такого мотора никогда не было» – первый взгляд на «Ниву Спорт»
«Нива Спорт» вернулась с тестирований в условиях горной местности. Внедорожник сразу попал в руки к автомобильным обозревателям. Чем отличается эта «Нива» от...
В Белоруссии наладят производство сразу трех автомобилей зарубежного бренда
И это не китайская компания. Машины будут стоить на уровне наших Lada, при этом по части оснащения будут даже в чем-то лучше....
АВТОВАЗ еще не выпустил «Искру», но уже занимается удешевлением
Перспективный седан, который займет нишу между «Грантой» и «Вестой», решили немного упростить. Но повлияет ли это на цену машины?...
В России представлен уникальный бульдозер
Новинка относится к десятому тяговому классу и работает на природном газе. Подробнее о проекте читайте в нашем материале....
В России появился флагманский вертолет «Аурус»
Все комплектующие произведены в России. Воздушное судно можно эксплуатировать в любых климатических и географических зонах....
Самолет SSJ-100 становится еще более российским
Проект локализации лайнера продолжается. Теперь еще один элемент фюзеляжа производится в России....
При «вскрытии» Гранта удивила автомеханика
Чем может похвастаться «Гранта», которую в столице продают за 1,6 млн рублей? Конечно же, кондиционером, шестнадцатиклапанным двигателем времен «Приоры»,...
Представлен проект нового российского судна
Автором выступила нижегородская судостроительная компания «Р-Флот». Подробнее о назначении и технических характеристиках корабля читайте в нашем материале....
«Ил» - ВАСО представил свой, полностью композитный воздухозаборник авиационного двигателя
С ним, как ожидается, эффективность сохранения тяги самолета улучшится до оптимальных показателей. Подробнее об этом читайте в нашем материале....
В России будут производить собственные ратраки
И займется этим одна из крупнейших российских компаний по выпуску транспортных средств – «Синара – Транспортные Машины». Первый заказчик на спецтехнику уже...
Rolls-Royce и будущее авиации: как инновации UltraFan меняют игру в строении авиадвигателей
Бренд Rolls-Royce всегда был синонимом роскоши, инноваций и высоких технологий, но их достижения простираются далеко за пределы автомобилей. Мало кто знает,...