Чи проб’є годину «Стірлінга»
Доля двигуна, про який йтиметься, характерна для багатьох винаходів. Часом вони надовго зникають з передових позицій техніки, але через десятиліття їхньої гідності, які колись не відігравали першорядної ролі, знову привертають увагу і дають імпульс новим пошукам, часто — народженню другої ідеї. Так сталося з тепловим двигуном Роберта Стірлінга, збудованим вперше ще 1816 року. У різних випадках він широко застосовувався в минулому столітті, проте до початку першої світової війни його практично витіснили мотори внутрішнього згоряння, що швидко вдосконалювалися, і електродвигуни. Але наприкінці 30-х років їм зацікавилася голландська радіотехнічна корпорація «Філіпс», а починаючи з 60-х, у низці країн досить інтенсивно ведуться розробки та дослідження двигуна Стірлінга для транспортних засобів.
Перш ніж говорити про нинішній стан справ та причини нового інтересу до мотора Стірлінга, опишемо коротко принцип його дії та пристрій. Як відомо, у двигунах внутрішнього згоряння (ДВС) корисна робота відбувається у процесі розширення нагрітих газів. У роботу переходить частина енергії, отриманої газами при стисканні та згорянні палива. Цей принцип використаний і в двигуні Стірлінга: стиснення робочого тіла при низькій температурі та розширення – за більш високої. Однак у ньому робоче тіло отримує тепло ззовні (у найпростішому випадку через стінку циліндра). Тому теплову машину Стірлінга іноді називають двигуном зовнішнього згоряння.
Циліндр реального двигуна Стірлінга розділений на дві частини, в одній з яких постійно висока температура, в іншій — низька. Між ними – допоміжний поршень-витіснювач. Він служить тільки для перекачування робочого тіла з гарячої порожнини в холодну через охолоджувач і назад черезнагрівач. Щоб зменшити втрати енергії при перетіканні газу застосовують ще один теплообмінник — регенератор. Це камера з пористим наповнювачем, якому робоче тіло віддає тепло по дорозі в охолоджувач. Коли газ тече назад, регенератор повертає йому запасене тепло.
Інший поршень - робітник: він стискає холодний газ і робить корисну роботу при розширенні нагрітого. Стадії робочого процесу показано на рис. 1. Витискувач не здійснює корисної роботи, оскільки при робочому ході тиск газу по обидві його сторони практично однаково.
Робочий поршень (надалі називатимемо його просто поршнем) і витіснювач у сучасних конструкціях пов'язані через ромбічний приводний механізм з двома колінчастими валами, що обертаються в протилежних напрямках. Вали з'єднані шестернями, що дозволяє знімати потужність із будь-якого з них.
У процесі вдосконалення було винайдено двигун подвійної дії (рис. 2), в якому гаряча та холодна порожнини сусідніх циліндрів з'єднані через теплообмінники (нагрівач, регенератор, охолоджувач).
Об'єми відповідних порожнин максимальні, коли у зв'язаних між собою циліндрах один поршень знаходиться у ВМТ, інший НМТ. Витіснювачів у такому двигуні немає. Корисна робота відбувається у кожному циліндрі як із ході поршня вгору, і при ході вниз.
Щоб камера під поршнем була герметичною, його з'єднали з колінчастим валом через крейцкопфний механізм, що дозволяє рухатися шатуну тільки зворотно-поступально. У "стирлінгах" подвійної дії циліндри можуть розташовуватися в ряд по колу або V-образно.
Останній варіант схематично зображено на рис. 3.
Навіть побіжний опис двигуна Стірлінга наводить на думку, що конструктивно він не простіше за поршневі ДВС. Це підтверджують викладки дослідників. У чому ж переваги, які дозволяють прихильникам «стирлінгу» вважати його цілком реальним суперником поршневого ДВС, нехай не найближчим часом?
Таких плюсів у світлі сучасних оцінок чимало, і всі вони є суттєвими. Токсичність газів, що відпрацювали, в п'ять-десять разів менше, ніж у порівнянних за потужністю ДВЗ, а рівень шуму нижче на 10-15 дБ. Економічність краще, ніж у бензинового, а на малих швидкостях (25-55 км/год) навіть чим у дизеля. Додамо невибагливість до виду та якості палива, іншими словами, можливість роботи на різному паливі — від бензину до рослинних олій, від газу до дерев'яних чурок. Причому, на відміну від ДВЗ, погіршення якості палива не веде до суттєвого падіння ККД та потужності. Ми не назвали ще врівноваженість та високу плавність роботи, сприятливі(дозволяють спростити трансмісію) характеристики крутного моменту, хорошу прийомистість.
Дізнавшись усе це, важко не поставити питання: чому ж досі не «бита карта» традиційного ДВС? Можливо ми промовчали про якісь непереборні недоліки двигуна Стірлінга?
Безперечно, він має слабкі місця. Він важкий: маса, що припадає на одиницю потужності, більша, ніж у бензинового двигуна, і близька до показників дизеля. Складніше, отже, дорожче механізм перетворення руху (кривошипно-шатунный). Умови протікання робочого циклу вимагають радіатора вдвічі-втричі більшого обсягу, ніж для традиційних ДВС. Чимало проблем пов'язано з матеріалами теплообмінників, зокрема нагрівача, де температура близько 750° З ущільненням робочих порожнин. Нарешті, для отримання високих показників як робоче тіло «стирлінгу» потрібні водень чи гелій.
Перелічені мінуси істотні, але усувні. А найвразливіше місце цього двигуна, як дотепно зазначив один фахівець, у тому, що існують. інші двигуни (звичайно, насамперед поршневі ДВС). Та не просто існують: над їх удосконаленням — поліпшенням робочого процесу, підвищенням економічності, зниженням шумності, токсичності, металомісткості, трудомісткості виготовлення та обслуговування постійно працює безліч людей, точну кількість яких навіть важко підрахувати. Відомий дослідник двигунів Стірлінга канадський вчений Г. Вокер зазначає: «Те, що фірма «Філіпс» у відносно короткечас (35 років - прим. авт.) і з відносно малим штатом співробітників змогла створити двигуни Стірлінга з високими характеристиками, що є для інших фірм неймовірним; беручи до уваги це, було б ризиковано передбачати майбутній розвиток». Розмірковуючи так, Вокер більше 10 років тому робив обережний прогноз: «. до 1980 року двигуни Стірлінга на вантажівках можуть бути вже не новиною».
Але прогноз не справдився. Армія захисників ДВС діє поки що загалом успішніше, ніж нечисленний загін прихильників «стирлінгу». Після 10 років науково-дослідних робіт автомобільні компанії «Дженерал Моторс» та «Форд» припинили власні розробки з двигунів Стірлінга, не бачачи досить близьких перспектив їх використання. Але корпорації не вийшли з гри, просто основну частину програми взяли на себе шведська фірма «Юнайтед Стірлінг» та американська «Мекенікел Текнолоджі», які, до речі, широко використовують патенти «Філіпс».
Повідомлялося, що цього року «Дженерал Моторс» випробовуватиме легковий автомобіль із двигуном МОД-1, розробленим «Юнайтед Стірлінг» та вдосконаленим у ході дворічних експериментів компанією «Мекенікел Текнолоджі». Він має два колінчасті вали і вертикально розташовані циліндри. Попередні випробування показали, що пробіг машини з таким двигуном на 15% більший, ніж з ДВЗ, при рівній витраті палива. Зауважимо, що йдеться про типовий американський автомобіль, економічність якого за сучасними поняттями невисока. Компанія прагне довести цю різницю до 30%.
Є проект двигуна з одним колінчастим валом і V-подібним розташуванням чотирьох циліндрів. Розвиваючи 80 л. с/59 кВт, він дозволить автомобілю проходити на 1 літрі бензину 17 кілометрів, а на літрі дизельного палива — 19,6 кілометра. У прийнятих у нас одиницяхце відповідає 5,9 та 5,1 л/100 км. Такими є розрахунки конструкторів.
Відомо про застосування нових матеріалів, стійкіших до високих температур. Хорошу герметичність мають, зокрема, тефлонові кільця, що ущільнюють поршень в циліндрі.
Продовження випробувань не говорить, однак, про плани серійного виробництва двигунів Стірлінга. Як заявив представник «Дженерал Моторс», програма залишається «найвищою мірою експериментальною». Причини: сьогодні і найближчим часом двигун Стірлінга для автомобіля менш вигідний, ніж, скажімо, дизель.
Чи буде так завжди? Чи можуть виникнути умови, які змусять платити за переваги «стирлінгів» більшу ціну, ніж прийнятна зараз? Ми маємо на увазі критичний рівень загазованості та шуму, можливий дефіцит палива. Поки відповідь на це питання до кінця не зрозуміла, тим більше що ДВС, у свою чергу, стають не тільки економічнішими і тихішими, але водночас складнішими і дорожчими, обростаючи турбокомпресорами, електронними системами регулювання тощо. У такій ситуації можна очікувати нових цікавих результатів доведення двигунів Стірлінга.
Література Двигуни Стірлінга. За ред. М. Р. Круглова. М., Машинобудування, 1977. Двигуни Стірлінга. Збірник статей за ред. В. М. Бродянського. М., Світ, 1975. Р. Уокер. Машини, що працюють за циклом Стірлінга. М. Енергія, 1978. Автомобільна промисловість. 1983 № 1, с. 6-8.