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?

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.


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.

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.


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.


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.

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.


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.


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.