Двигун Стірлінга

Двигун Стірлінга (ДС) — тепловий двигуніз зовнішнім підводом тепла. Він працює за замкненим термодинамічним циклом Стирлінга. Незмінна кількість робочої речовини циркулює між двома камерами із різними температурами, де по черзі нагрівається та охолоджується. За рахунок цього робоча речовина міняє свій об'єм і рухає робочі поршні. Роберт Стірлінг запатентував цей тип двигуна у1816 році.

Власне, двигуни із зовнішнім підводом тепла винахідники пропонували і раніше. Та двигун Стірлінга має суттєву відмінність — це так званий «економ», аборекуператор. Рекуператор відбирає тепло, коли робоче тіло переміщується з камери нагрівача до охолоджувача, і підігріває робоче тіло, коли воно рухається в зворотній бік.

Принцип дії

З двома циліндрами

Однією з можливих конструкцій двигуна Стірлінга є розташування його циліндрів під кутом 90° (як на ілюстрації циклу вище).

У кожному циліндрі переміщується поршень: у гарячому – як робочий, а в холодному — як витискач. Поршні поєднано із кривошипом колінчастого валу шатунами.

Гаряча порожнина сполучається з холодною через регенератор і охолоджувач. Регенератор є тепловим акумулятором, що призначений для запобігання втратам теплоти. Він одержує теплоту робочого тіла при перетіканні із гарячої порожнини до холодної і віддає її при зворотному перетіканні робочого тіла. Матеріал регенератора повинен мати високу теплоємність та низьку теплопровідність для уникання передачі теплоти до охолоджувача. Охолоджувач одержує основну частину теплоти, яка відводиться від двигуна, що зумовлено замкненим циклом двигуна Стірлінга. Порівняно із дизелем, у системі охолодження двигуна Стірлінга відводиться вдвічі більше теплоти і тому, продуктивність системи охолодження має бути вдвічі вищою.

Під час руху поршня до верхньої мертвої точки, відбувається стискання повітря у всіх порожнинах двигуна. Робоче тіло через регенератор відбирає накопичену теплоту і перетікає до гарячої порожнини. Теплота до робочого тіла в гарячій порожнині підводиться ззовні через стінки циліндра від продуктів згоряння, що утворюються у камері згоряння. Нагрівання робочого тіла в гарячій порожнині зумовлює підвищення його тиску в усіх сполучених між собою порожнинах двигуна. Під дією цього тиску робочий поршень переміщується до нижньої мертвої точки, здійснюючи робочий хід, а робоче тіло проходить через регенератор, віддає йому частину теплоти, охолоджується в охолоджувачі і потрапляє до холодної порожнини. Завдяки зниженню температури зменшується тиск.

Далі цей цикл повторюється.

Регулювання потужності може здійснюватись, наприклад, зміною додаткового об'єму, для чого до двигуна додають додатковий поршень із ґвинтовою передачею.

З одним циліндром

Іншою можливою конструкцією двигуна Стірлінга є використання єдиного циліндра, який вміщує як камеру нагріву, так і камеру охолодження (як на ілюстрації). Це є так звана бета-конфігурація.

Такий двигун краще тим, що його ущільнення працюють при низьких температурах, але питома потужність бета-стірлінга майще вдвічи менша за альфа-стірлінг. Це пов'язано із тим, що співвідношення гарячого та холодного об'єму у бета-стірлінга гірші за альфа-стірлінг. Цей показник ще гірший у гамма-конфігурації.

Проте, перевагою єдиного циліндру є також те, що поршень-витискувач може виконувати функції рекуператора. В такому разі поршень виготовляється у вигляді порожнього циліндра, заповненого металічною сіткою, дротом, гранулами або фольгою. Або ж поршень має значний зазор зі стінками циліндра. Або поршень має продольні прорізи вздовж осі, в яких протікає робоче тіло.