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».
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?
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.comУже 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.comДалее 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.comТам 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.comДа, 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.comВышеперечисленные 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.comЕще 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.comДля 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.comТакже 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.comОднако 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.comВторой 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.comОднако «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.comЧто 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
Четыре цилиндра и турбонаддув: что известно об авиадвигателе М105
В сообщении о М105 важно точно назвать полученный документ. Сертификат разработчика относится к соответствию организации установленным требованиям;...
Т-16 вёз груз перед собой. Зачем шасси сделали настолько необычным
У обычного трактора впереди находится капот, а груз чаще едет в прицепе сзади. Семейство Т-16 узнаётся по другой картине. Перед водителем расположена грузовая...
«Урал» без оппозита: чем Neo 500 отличается от привычного Gear Up
Первые 26 мотоциклов прибыли в штат Вашингтон. В новой модели сохранили коляску и задний ход, но сменили двигатель, трансмиссию и платформу....
Зачем локомотиву песок, если он должен ехать по чистым рельсам
В запасах локомотива есть материал, который легко не заметить за разговорами о мощности: песок. Его подают к месту, где стальное колесо касается рельса. Он...
Машина без запаски: что покупатель получает вместо неё
Под полом багажника может оказаться аккуратный лоток с компрессором и бутылкой жидкости. Место похоже на отсек для инструмента, а большого колеса нет....
«Кировец» поворачивает всем корпусом. Что даёт подвижная рама
У большого «Кировца» на повороте меняется сам силуэт. Передняя половина машины смотрит в одну сторону, задняя ещё идёт под углом к ней. Колёса при этом не...
ЯМЗ работает и на дороге, и на рельсах. Что скрывает индекс двигателя
Грузовик едет по дороге, комбайн подолгу работает в поле, мотовоз передвигает железнодорожную технику. В их описаниях можно встретить двигатели одного...
Провода над карьером: как самосвал получает больше тяги на подъёме
На подъёме самосвал поднимает токоприёмник к контактной линии над дорогой. На первый взгляд он становится огромным троллейбусом с камнями вместо пассажиров. Но...
Что крутит винт вертолёта, если двигатель остановился
У вертолёта сразу видно, за что отвечает двигатель: он вращает винт над кабиной. Поэтому остановку мотора легко представить как остановку самого винта. Однако...
Зачем гоночному мотору бак для масла, если под ним уже есть поддон
Мотор может остаться без нормальной подачи масла посреди длинного поворота, хотя на стоянке уровень был в порядке. В обычном двигателе запас масла находится в...
Он свешивается к асфальту. Зачем гоночной коляске такой пассажир?
Пассажир смещается над платформой коляски и переносит вес к её колесу. С обочины кажется, что он вот-вот выпадет: корпус уже сбоку от машины, шлем низко над...
Грузовик спускает шины на ходу. Куда уходит воздух и что это даёт
На асфальте водитель следит, чтобы колесо не стало мягким. На рыхлой дороге тяжёлому вездеходу иногда специально снижают давление. Если машина оборудована...
Катер едет по льду. Что удерживает воздух под его юбкой
У судна на воздушной подушке между жёстким корпусом и поверхностью видна тёмная гибкая юбка. На воде она проходит возле волны, на льду касается неровностей....