Автомобиль с двигателем стирлинга: Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга

Содержание

Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга


Существуют ли альтернативы современным автомобильным двигателям и почему они не в ходу, давайте размебёмся, рассмотрим плюсы и минусы, один из таких двигателей – это двигатель Стирлинга. Основными преимуществами двигателя Стирлинга по сравнению с двигателем Отто, дизельным двигателем или паровым двигателем являются:

1. Простота технического обслуживания;

2. Они тише привычных нам двигателей внутренного сгорания;

3. Двигатели Стирлинга обеспечивают лучшую производительность, чем альтернативные двигатели внутреннего сгорания;

4. Большая универсальность топлива.

Простота обслуживания. Двигатель Стирлинга является двигателем внешнего сгорания, это означает, что тепло передается рабочей жидкости через теплообменник; отсутствие прямого контакта между горючей газовой смесью и всеми движущимися механическими частями снижает износ, необходимость смазки и последующего технического обслуживания двигателя Стирлинга.

Меньший шум. Двигатель Стирлинга также не имеет клапанов или взрывов, поэтому он конструктивно проще. Генерируемые вибрации легче контролировать и гораздо менее шумные, чем двигатель внутреннего сгорания.

Лучшая производительность двигатель Стирлинга является единственным, способным приблизиться к теоретической максимальной производительности, известной как производительность Карно, на самом деле, он теоретически достигает ее, поэтому, насколько это касается производительности теплового двигателя, это лучший вариант.

Двигатель Стирлинга обеспечивает хорошую реакцию на низкие температуры. Этот альтернативный двигатель лучше работает с холодными температурами окружающей среды, в отличие от внутреннего сгорания, которые легко запускаются при теплой температуре, но с проблемами в холодных температурах.

Универсальность топлива. Двигатель Стирлинга может работать с любым источником тепла, например, сжигая древесину, уголь, газ, биогаз, жидкое топливо и даже солнечную энергию, ядерную энергию: есть примеры, которые используют некоторые из упомянутых источников. В отличие от этого, двигатели внутреннего сгорания ограничены использованием бензина в двигателе Оtto или дизельного топлива в дизельном двигателе.

Основными недостатками двигателя Стирлинга по сравнению с альтернативным двигателем внутреннего сгорания являются следующие:

1. Больший объем и больший вес

2. Более высокая экономическая стоимость двигателя

3. Двигатель Стирлинга имеет более медленный старт

4. Более опасный

Более объемные и тяжелые. Внешнее сгорание, которое требует теплообменник как в горячих, так и в холодных точках, делает двигатель Стирлинга обычно более громоздким и тяжелым, чем обычный двигатель внутреннего сгорания с той же выходной мощностью.

Высокая стоимость. Двигатели Стирлинга требуют впускных и выпускных теплообменников, которые содержат высокотемпературную рабочую жидкость и должны выдерживать коррозионное воздействие источника тепла и атмосферы. Это предполагает использование материалов, которые значительно улучшают работу машины.

Медленный старт. Присущая двигателю внешнего сгорания тепловая инерция замедляет его запуск. По этой причине двигатель Стирлинга не подходит для автомобилей, узлов и агрегатов, требующих быстрого запуска или быстрого изменения скорости.

Более опасный. Смесь воздуха и смазочных горючих жидкостей внутри двигателя может производить взрывоопасные смеси из-за кислорода, содержащегося в воздухе, опасность, которая усиливается в двигателях высокого давления. Задача решалась с использованием восстановительных (водород) или нейтральных (гелий, азот) рабочих газов или без использования обычных смазочных материалов.

R93 — Автопортал Краснодарского края: Автообзоры

Твитнуть

Поделиться

Поделиться

Класснуть

Двигатель прогресса. Пять самых необычных автомобильных моторов — ЖЖ

? Категория:

  • catIsShown({ humanName: ‘авто’ })» data-human-name=»авто»> Авто
  • Отменить

В марте 2016 года Honda объявила о начале продаж седана Clarity Fuel Cell на водородных топливных элементах. Clarity Fuel Cell обещает стать самой массовой из созданных на сегодняшний день водородных машин. Между тем, создание альтернативных силовых установок для автомобилей ведется с момента их появления на дорогах. Самые необычные из них — в обзоре LiveJournal Media.

— Редактор LJ Media

Двигатель Ванкеля

Mazda RX-7 с роторно-поршневым двигателем

Роторно-поршневой двигатель (двигатель Ванкеля) единственный в нашем рейтинге, который относится к классу двигателей внутреннего сгорания, видимо, поэтому он получил наибольшее распространение в автомобилестроении среди всех необычных моторов. В отличие от обычного ДВС, роль поршня в этом двигателе выполняет трехгранный ротор, который вращается внутри цилиндра специального профиля. Обратить внимание на такую конструкцию инженеров заставил ряд ощутимых преимуществ —небольшие габариты (в 1,5-2 раза меньшие чем у ДВС), высокий коэффициент полезного действия, более высокие динамические характеристики. Первым серийный автомобиль с роторным двигателем стал немецкий спорткар NSU Spider (запущен в производство в 1967 году). Первый массовый (37204 экземпляра) — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro 80.

Однако, эти двигатели так и не получили глобального распространения. Последние 30 лет роторные машины выпускали лишь два крупных производителя — японский концерн Mazda (наиболее массовая машина- Mazda RX-7) и… российский АвтоВАЗ, который устанавливал двигатели Ванкеля на автомобили ВАЗ-21-09-90. Обе машины уже сняты с производства. Главным недостатком этих двигателей стал низкий моторесурс — «ротор» на «девятке» жил всего 40 000 километров пробега.

Газотурбинный двигатель

Газотурбинный Chrysler

Газотурбинные (турбовальные) двигатели пришли в автомобилестроение из авиации, такие агрегаты используются на вертолётах. Эксперименты с применением турбовальных двигателей в автомобилях проводились во многих странах мира, в том числе в СССР, где в 70 годах был создан экспериментальный автомобиль КрАЗ-Э260Е. Наибольших успехов в создании «турбинкаров» добилась американская компания Chrysler, которая во второй половине 20 века построила 77 автомобилей с ГДТ. Самая крупная серия (50 машин) — автомобили с двигателем A-831, которые устанавливали на оригинальные кузова фирмы Ghia.

Однако, в крупную серию машина так и не пошла, в 1967 году все «турбинкары» были уничтожены. Среди причин провала проекта — непомерный расход топлива при не особо выдающихся динамических характеристиках машины, а так же несоответствие введенным в это время в США экологическим стандартам. Кстати, газотурбинные двигатели получили распространение в танкостроении — в 1976 году на вооружение Советской армии был принят танк Т-80 оснащенный ГТД. Правда концепция применения газотурбинных двигателей в танках сегодня признана ошибочной, в частности, из-за непомерного расхода топлива и сложности обслуживания силовых агрегатов.

Двигатель Стирлинга

Экспериментальный AMX Spirit с двигателем Стирлинга, 1979 год

Двигатель Стирлинга является прямым антагонизмом двигателю внутреннего сгорания, так как работает за счет внешнего сгорания топлива. При нагревании, рабочее тело, которым служит газ, расширяется и толкает поршень цилиндра. В 70-х годах автогигант General Motors, в содружестве с Philips построил автомобильный V-образный «Стирлинг». Двигатель был «всеядным» и работал за счет сжигания различных видов жидких топлив, число цилиндров агрегата могло достигать восьми (опытный образец имел два цилиндра). Однако, на автомобили этот двигатель так и не устанавливался.

В 1971 году экспериментальный двигатель Стирлинга P-40 был установлен на автомобиль АМС Spirit. Однако результаты исследований, которые финансировались правительством США, были признаны бесперспективными. Двигатель отличался невысокой производительностью.

В 2010 году шведская компания Precer построила экспериментальный образец 16-сильного мини-внедорожника Bioracer. Машина приводилась в движения электромотором, который питался от аккумулятора, который в свою очередь заряжался от установленного на автомобиле двигателя Стирлинга. Что любопытно, топливом для двигателя служили древесные пеллеты (гранулы), как утверждали разработчики, на трех килограммах древесного топлива автомобиль мог проехать до 15 километров.

Воздухомобили

Воздухоавтомобиль Tata OneCAT

Самыми экологически чистыми из всех существующих сегодня позиционируются так называемые «воздухомобили». Принцип действия двигателей, которые был опробованы еще в середине 19 века на железнодорожном транспорте, предельно прост — поршни приводятся в движение сжатым воздухом из баллонов. Дополнительную силу двигателю придает эффект нагревания газа при расширении. В начале «нулевых» идею строительства автомобилей с такими двигателями активно продвигал бывший инженер Формулы-1 француз Ги Негр. Вместе с командой единомышленников он спроектировал и создал несколько прототипов воздухомобилей.

Так, например, заявлялось, что автомобиль e. Volution на одной воздушной заправке способен проехать от 200 до 300 километров со скоростью 110 километров в час. Разработкой заинтересовалась мэрия Мехико, которая, воодушевленная такими результатами решила перевести весь городской таксопарк на воздух. Однако, многие эксперты высказывали большие сомнения в том, что такие характеристики реализуемы, дело попахивало авантюрой. Так или иначе, а французы полностью свернули работы в этом направлении.

Идея получила вторую жизнь в Индии, где недавно местным автогигантом Tata Motors был создан прототип воздухомобиля OneCAT. Пятиместная машина с полным баком воздуха способна ехать со скоростью 100 км/ч на расстояние 90 км в городском режиме. Однако это не «чистый» воздухомобиль — он оснащен аккумуляторной батареей, которая во время движения подзаряжает баллон воздухом.

Гиробусы

Гиробус G3

Наверное, самой оригинальная двигательная установка применялась на так называемых «гиробусах», особом виде троллейбуса, созданного в 50-х годах в Швейцарии. Машина двигалась за счёт кинетической энергии, накопленной вращающимся маховиком, приводящим в движение тяговый генератор. Вес маховика достигал трех тонн, одной зарядки хватало в среднем на 800 метров пути. На каждой остановке гиробус подключался к электрической контактной штанге и электродвигатель вновь раскручивал маховик. Однако из-за короткого автономного пробега и проблем с управлением (маховик работал и как гироскоп) в 1960 году все гиробусы списали. Гиробусы эксплуатировались в Швейцарии, Бельгии и Бекльгийском Конго.

Попытки возрождения концепции гиробуса несколько лет назад предпринимались в США, но проект так и не нашел спонсоров.

Например:  livejournal Нет такого пользователя Отображаемое имя (необязательное)

Как работают двигатели Стирлинга | HowStuffWorks

Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель, который сильно отличается от двигателя внутреннего сгорания в вашем автомобиле. Изобретенный Робертом Стирлингом в 1816 году двигатель Стирлинга потенциально может быть намного более эффективным, чем бензиновый или дизельный двигатель. Но сегодня двигатели Стирлинга используются только в некоторых очень специализированных приложениях, таких как подводные лодки или вспомогательные генераторы энергии для яхт, где важна бесшумная работа. Хотя двигатель Стирлинга не получил успешного массового применения, над ним работают некоторые очень мощные изобретатели.

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга , который отличается от циклов, используемых в двигателях внутреннего сгорания.

Реклама

  • Газы, используемые внутри двигателя Стирлинга, никогда не покидают двигатель. Нет выпускных клапанов, выпускающих газы под высоким давлением, как в бензиновом или дизельном двигателе, и не происходит взрывов. Из-за этого двигатели Стирлинга очень тихие.
  • В цикле Стирлинга используется внешний источник тепла, которым может быть что угодно, от бензина до солнечной энергии и тепла, выделяемого разлагающимися растениями. В цилиндрах двигателя не происходит сгорания.

Существуют сотни способов собрать двигатель Стирлинга. В этой статье мы узнаем о цикле Стирлинга и посмотрим, как работают две разные конфигурации этого двигателя.

Реклама

Содержание

  1. Цикл Стирлинга
  2. Двигатель Стирлинга вытеснительного типа
  3. Двухпоршневой двигатель Стирлинга
  4. Почему двигатели Стирлинга менее распространены?

Цикл Стирлинга

Ключевой принцип двигателя Стирлинга заключается в том, что фиксированное количество газа запечатано внутри двигателя . Цикл Стирлинга включает ряд событий, которые изменяют давление газа внутри двигателя, заставляя его совершать работу.

Существует несколько свойств газов, которые имеют решающее значение для работы двигателей Стирлинга:

Реклама

  • Если у вас есть фиксированное количество газа в фиксированном объеме пространства, и вы повышаете температуру этого газа, давление увеличивается.
  • Если у вас есть фиксированное количество газа и вы его сжимаете (уменьшаете объем его пространства), температура этого газа будет увеличиваться.

Давайте рассмотрим каждую часть цикла Стирлинга, рассматривая упрощенный двигатель Стирлинга. Наш упрощенный двигатель использует два цилиндра. Один цилиндр нагревается внешним источником тепла (например, огнем), а другой охлаждается внешним источником охлаждения (например, льдом). Газовые камеры двух цилиндров соединены, а поршни соединены друг с другом механически рычажным механизмом, который определяет, как они будут двигаться по отношению друг к другу.

Цикл Стирлинга состоит из четырех частей. Два поршня на анимации выше выполняют все части цикла:

  1. Тепло добавляется к газу внутри нагретого цилиндра (слева), вызывая повышение давления. Это заставляет поршень двигаться вниз. Это часть цикла Стирлинга, которая выполняет работу.
  2. Левый поршень движется вверх, а правый поршень движется вниз. Это выталкивает горячий газ в охлаждаемый цилиндр, который быстро охлаждает газ до температуры источника охлаждения, снижая его давление. Это облегчает сжатие газа в следующей части цикла.
  3. Поршень в охлаждаемом цилиндре (справа) начинает сжимать газ. Тепло, выделяемое при этом сжатии, отводится источником охлаждения.
  4. Правый поршень движется вверх, а левый поршень движется вниз. Это нагнетает газ в нагретый цилиндр, где он быстро нагревается, создавая давление, после чего цикл повторяется.

Двигатель Стирлинга развивает мощность только в первой части цикла. Есть два основных способа увеличить выходную мощность цикла Стирлинга:

  • Увеличение выходной мощности на первой ступени — В первой части цикла давление нагретого газа, давит на поршень, совершает работу. Повышение давления во время этой части цикла увеличивает выходную мощность двигателя. Одним из способов повышения давления является повышение температуры газа. Когда мы рассмотрим двухпоршневой двигатель Стирлинга позже в этой статье, мы увидим, как устройство, называемое регенератором , может улучшить выходную мощность двигателя за счет временного накопления тепла.
  • Уменьшение потребления энергии на третьем этапе — В третьей части цикла поршни выполняют работу на газе, используя часть мощности, произведенной в первой части. Снижение давления во время этой части цикла может снизить мощность, используемую на этой стадии цикла (эффективно увеличивая выходную мощность двигателя). Одним из способов снижения давления является охлаждение газа до более низкой температуры.

В этом разделе описан идеальный цикл Стирлинга. Фактические работающие двигатели немного изменяют цикл из-за физических ограничений их конструкции. В следующих двух разделах мы рассмотрим несколько различных типов двигателей Стирлинга. Двигатель вытеснительного типа, вероятно, проще всего понять, поэтому мы начнем с него.

Реклама

Двигатель Стирлинга вытеснительного типа

Вместо двух поршней двигатель вытеснительного типа имеет один поршень и вытеснитель. Буек служит для контроля нагрева газовой камеры и ее охлаждения. Этот тип двигателя Стирлинга иногда используется в демонстрациях в классе. Вы даже можете купить набор, чтобы собрать его самостоятельно!

Для запуска вышеуказанного двигателя требуется перепад температур между верхом и низом большого цилиндра. В этом случае разницы между температурой вашей руки и окружающего воздуха достаточно для запуска двигателя.

  1. Силовой поршень — это меньший поршень в верхней части двигателя. Это плотно закрытый поршень, который движется вверх по мере расширения газа внутри двигателя.
  2. Буек — это большой поршень на чертеже. Этот поршень очень свободен в своем цилиндре, поэтому воздух может легко перемещаться между нагретыми и охлаждаемыми частями двигателя, когда поршень движется вверх и вниз.

Буек перемещается вверх и вниз, чтобы контролировать нагревание или охлаждение газа в двигателе. Возможны два положения:

  • Когда вытеснитель находится в верхней части большого цилиндра, большая часть газа внутри двигателя нагревается источником тепла и расширяется. Внутри двигателя создается давление, заставляющее рабочий поршень подниматься вверх.
  • Когда вытеснитель находится в нижней части большого цилиндра, большая часть газа внутри двигателя охлаждается и сжимается. Это приводит к падению давления, что облегчает движение силового поршня вниз и сжатие газа.

Двигатель многократно нагревает и охлаждает газ, извлекая энергию из расширения и сжатия газа.

Далее мы рассмотрим двухпоршневой двигатель Стирлинга.

Реклама

Двухпоршневой двигатель Стирлинга

В этом двигателе нагретый цилиндр нагревается внешним пламенем. Охлаждаемый цилиндр имеет воздушное охлаждение и имеет ребра для облегчения процесса охлаждения. Шток, выходящий из каждого поршня, соединен с небольшим диском, который, в свою очередь, соединен с большим маховиком. Это удерживает поршни в движении, когда двигатель не вырабатывает мощность.

Пламя постоянно нагревает нижний цилиндр.

Реклама

  1. В первой части цикла создается давление, заставляющее поршень двигаться влево, совершая работу. Охлажденный поршень остается примерно неподвижным, потому что он находится в точке своего вращения, где он меняет направление.
  2. На следующем этапе двигаются оба поршня. Нагретый поршень движется вправо, а остывший поршень движется вверх. Это перемещает большую часть газа через регенератор 9.0006 и в охлаждаемый поршень. Регенератор — это устройство, которое может временно накапливать тепло — это может быть сетка из проволоки, через которую проходят нагретые газы. Большая площадь поверхности проволочной сетки быстро поглощает большую часть тепла. Это оставляет меньше тепла, отводимого охлаждающими ребрами.
  3. Далее поршень в охлаждаемом цилиндре начинает сжимать газ. Тепло, выделяемое при этом сжатии, отводится охлаждающими ребрами.
  4. В последней фазе цикла оба поршня движутся — охлажденный поршень движется вниз, а нагретый поршень движется влево. Это направляет газ через регенератор (где он забирает тепло, накопленное там во время предыдущего цикла) и в нагретый цилиндр. В этот момент цикл начинается снова.

Вам может быть интересно, почему двигатели Стирлинга еще не нашли массового применения. В следующем разделе мы рассмотрим некоторые причины этого.

Реклама

Почему двигатели Стирлинга менее распространены?

Есть несколько ключевых характеристик, которые делают двигатели Стирлинга непрактичными для использования во многих областях, в том числе в большинстве легковых и грузовых автомобилей.

Поскольку источник тепла внешний , двигателю требуется некоторое время, чтобы отреагировать на изменения количества тепла, подаваемого на цилиндр — требуется время, чтобы тепло прошло через стенки цилиндра и попало в газ внутри двигателя. Это означает, что:

Реклама

  • Двигателю требуется некоторое время для прогрева, прежде чем он сможет вырабатывать полезную мощность.
  • Двигатель не может быстро изменить выходную мощность.

Эти недостатки почти гарантируют, что он не заменит двигатель внутреннего сгорания в автомобилях. Тем не менее, гибридный автомобиль с двигателем Стирлинга может быть реализован.

Для получения дополнительной информации о двигателях Стирлинга и смежных темах перейдите по ссылкам ниже.

Реклама

Часто задаваемые вопросы о двигателе Стирлинга

Для чего используется двигатель Стирлинга?

Существуют сотни способов использования двигателя Стирлинга. В настоящее время двигатели Стирлинга используются только в специализированных приложениях, таких как подводные лодки или вспомогательные электростанции для яхт.

Почему не используются двигатели Стирлинга?

Пока еще не было успешного массового применения двигателя Стирлинга.

Что можно привести в действие с помощью двигателя Стирлинга?

Двигатели Стирлинга можно использовать несколькими способами. Хотя они обычно используются на подводных лодках и яхтах, их также можно использовать для игрушек, дровяных печей, систем кондиционирования и отопления и многого другого.

Какой тип двигателя является двигателем Стирлинга?

В двигателе Стирлинга используется цикл Стирлинга, который отличается от циклов, используемых в двигателях внутреннего сгорания. В цикле Стирлинга используется внешний источник тепла, которым может быть что угодно, от бензина до солнечной энергии и тепла, выделяемого разлагающимися растениями. В цилиндрах двигателя не происходит сгорания.

Как долго может работать двигатель Стирлинга?

Двигатели Стирлинга могут работать много лет.

Много дополнительной информации

Статьи по теме

Больше отличных ссылок

  • American Stirling Company
  • Stirling Engine Society USA
  • Tin Can Stirling Engine Plans
  • Stirling Engine Home Page
  • 9001 1 AirSport: двигатель Стирлинга: авиационная силовая установка будущего

  • Айдахо Двигатель Стирлинга

Процитируйте это!

Пожалуйста, скопируйте/вставьте следующий текст, чтобы правильно цитировать эту статью HowStuffWorks. com:

Карим Найс
«Как работают двигатели Стирлинга»
4 мая 2001 г.
HowStuffWorks.com.
16 июня 2023 г.

Citation

Человек построил двигатель на 100 миль на галлон, используя 200-летнюю технологию

KENSДжошу «Маку» Макдауэллу из Сан-Антонио, штат Техас, пришла в голову блестящая идея. Он взял двигатель Стирлинга, тип двигателя, разработанный 200 лет назад, и добавил к нему некоторые технологии 21-го века. В результате гибридный электромобиль настолько эффективен, что вам никогда не придется останавливаться для подзарядки, сообщает KHOU11 из Хьюстона.

Центральным элементом инноваций Макдауэлла является двигатель Стирлинга, созданный в 1816 году. Воздушный двигатель замкнутого цикла использует расширение горячего воздуха и сжатие холодного воздуха для выработки мощности, необходимой для привода двигателя. В отличие от паровых двигателей, в которых используется аналогичный принцип, двигатель Стирлинга имеет внутренний регенеративный теплообменник, который поддерживает правильную температуру горячего и холодного воздуха. Эта функция рециркуляции повышает эффективность двигателя до колоссальных 50 процентов. Для сравнения, стандартный двигатель внутреннего сгорания работает только с эффективностью 14 процентов.

Несмотря на свою механическую надежность, двигатель Стирлинга так и не прижился в 1800-х годах, поскольку большинство предприятий предпочли использовать паровые двигатели в своих промышленных целях. НАСА даже экспериментировало с двигателем в начале 1980-х годов и смогло достичь 54 миль на галлон, но Космическое агентство так и не продвинулось дальше технологии. Макдауэлл позаимствовал один из этих двигателей Стирлинга у НАСА и начал экспериментировать с ним, чтобы увидеть, сможет ли он использовать регенеративный двигатель с автомобильными ноу-хау 21-го века.

MacDowell соединил двигатель с существующей гибридной технологией, создав систему, которая обеспечивает 58 миль на галлон для Ford F-150 и не менее 100 миль на галлон для меньшего внедорожника. В его модели двигатель Стирлинга работает с фиксированными оборотами, вырабатывая электричество, которое используется для зарядки аккумуляторов, приводящих в движение двигатели, приводящие в движение транспортное средство.

Используя эту технологию термобатарей, автомобиль с двигателем Стирлинга может двигаться со скоростью шоссе без подзарядки. МакДауэлл также модернизировал двигатель Стирлинга, чтобы он имел размеры и внешний вид стандартного четырехцилиндрового двигателя, что сделало его совместимым с существующими автомобилями. Его идея была настолько блестящей, что Техасский университет A&M подключился к проекту, предоставив Макдауэллу технические знания и среду для тестирования, чтобы помочь в разработке двигателя.

Чтобы продемонстрировать свой оригинальный двигатель, Макдауэлл намеревается проехать по стране на внедорожнике, расходуя менее 40 галлонов бензина. Он также планирует представить результаты своей лаборатории в Техасский институт транспорта, который подтвердит его заявления о расходе топлива в 100 миль на галлон. Макдауэлл считает, что после того, как его идея будет доказана и протестирована, она произведет революцию в индустрии гибридных двигателей, что в конечном итоге приведет к прекращению существования двигателей внутреннего сгорания.