СТИРЛИНГ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

К этому очень старому двигателю с самого его обнародования шотландцем Робертом Стирлингом в 1816 изобретатели разных стран испытывают в настоящее время самое пристальное внимание: действительно, двигатель, в цилиндрах которого чистый воздух, является рекордно "всеядным" по топливу. А иногда может обходиться и без него, пользуясь только солнечной энергией. Сегодня, когда задачей номер один для всех конструкторов является задача снижения вредных выбросов, двигатель Стирлинга вновь рассматривается в качестве альтернативы существующим двигателям внутреннего сгорания. Участие в поиске оптимальной конструкции приняли участие и школьники.

До изобретения Уатта все тепловые машины работали по прерывистому циклу: "нагрев - охлаждение". При этом зачастую нагревалась и охлаждалась одна и та же часть машины - рабочий цилиндр. Все это приводило к тому, что двигатели были очень тихоходные, неэффективные и "прожорливые", иными словами, имели низкий коэффициент полезного действия. Правда, у них есть и положительные качества - все паровики весьма нетребовательны к топливу: их можно "топить" углем, дровами, мусором городских свалок и т.д.

Для того, чтобы обойти необходимость нагревать и охлаждать один и тот же объем, и был создан Стирлингом его двигатель. В основе конструкции - длинный цилиндр нагревателя-холодильника (НХ). В НХ с большим зазором помещен легкий пустотелый цилиндр, так называемый "вытеснитель". С одной стороны НХ подогревается (совершенно безразлично - каким источником), а с другой стороны - охлаждается (и тоже - все равно, чем). От НХ отходит трубка к рабочему цилиндру с поршнем. Таким образом, образован замкнутый объем воздуха (или иного газа), в который входят объемы НХ (без учета объема вытеснителя), соединительной трубки и рабочего цилиндра. И поршень рабочего цилиндра, и вытеснитель связаны шатунами с одним массивным маховиком.

Вначале температура во всей системе одинаковая. Когда начинают разогревать воздух в соответствующей части НХ, то при этом давление воздуха повышается. Давление будет расти во всем замкнутом объеме, так как вытеснитель не прилегает к стенкам НХ плотно. Под действием повышающегося давления поршень начинает движение вниз и тем самым вращает маховик. Одновременно вытеснитель, соединенный с маховиком, перемещается в направлении холодной части НХ, выдавливая оттуда холодный воздух в горячую часть НХ, где он продолжает нагреваться и повышать свое давление. Давление будет оказывать на поршень свое воздействие и тогда, когда вытеснитель достигнет своего крайнего положения. Поршень продолжает свое движение вниз, раскручивая маховик. Вытеснитель начинает свое движение в сторону горячей части. При этом воздух под его воздействием перетекает из горячей в холодную часть НХ.

Когда поршень достигнет нижнего положения, вытеснитель будет на середине пути в сторону горячей части. Маховик, получив запас инерции, продолжает двигать поршень вверх, а вытеснитель влево. Объем воздуха, находящегося в холодной части НХ, возрастает. Его температура падает. Под действием вытеснителя, когда тот достигнет своего крайнего левого положения, весь воздух перетечет в холодную часть НХ, где его температура станет уменьшаться. Поршень под действием маховика продолжит вытеснение охлажденного воздуха из цилиндра, сжимая его. Минимальному давлению соответствует тот момент времени, когда поршень займет верхнее положение, но в этот момент вытеснитель уже будет на полпути вправо. Он даст возможность некоторой порции воздуха проникнуть в левую часть НХ и, нагреваясь там, вновь начать весь цикл снова.

Преимущество двигателя Стирлинга состоит прежде всего в том, что в нем нет механизма распределения. А раз так, он весьма несложен в изготовлении. Этот двигатель может быть экологически чистым. Поскольку процесс горения топлива идет не в тесном цилиндре, а во внешней топке, то можно обеспечить полное его сгорание, а значит, отсутствуют выбросы несгоревших углеводородов, характерные для ДВС. Низкая температура в топке обеспечит низкое содержание в выбросах и окислов азота. "Победить" выбросы СО можно установкой каталитических нейтрализаторов. Можно обойтись и без сгорания вообще: двигатель способен работать от солнечного коллектора, геотермальной скважины, т.е. от любого источника высокой температуры.

Эффективность двигателя Стирлинга по общим параметрам цикла весьма высока для тепловой машины - до 42 %. Но он относительно тихоходен, а мощность, которую двигатель Стирлинга способен развить, не превышает нескольких сотен л.с.
Был опробован широкий спектр машин, работающих по циклу Стирлинга. Одну из таких машин изготовили ребята из Чехии и продемонстрировали ее на последней международной выставке молодежного технического творчества.

В ней в качестве НХ и вытеснителя использованы пустотелые стеклянные цилиндрики (конструкторы использовали баллоны от радиоламп), а прочее - выточено из латуни на школьном токарном станке. И вся эта конструкция весьма бодро работает от огня спиртовки, солнечного "зайчика" параболического зеркала или большого увеличительного стекла. И в то же время эта игрушечная с виду конструкция может весьма эффективно и без хлопот качать, например, воду для полива участка или работать в качестве походной электростанции для радиоаппаратуры. Лишь бы Солнце не заходило подольше. И никакого тебе ущерба природе.