Das Funktionsprinzip des Stirling-Generators. Was sind also die Probleme bei der Herstellung eines hocheffizienten Stirlingmotors?

Eine wichtige neue mechanische Energiequelle für den Autoantrieb ist der Stirling-Motor. Es ist fast unbekannt, es existieren nur seine Prototypen, sodass Sie nur eine kursorische Beschreibung seines Funktionsprinzips und seines Designs geben können. In seiner ursprünglichen Form existierte es als Wärmeausdehnungsmaschine, in deren Zylinder Arbeitsorgan zum Beispiel wurde Luft vor der Kompression gekühlt und vor der Expansion erwärmt. Das Diagramm und das Funktionsprinzip eines solchen Motors sind in Abb. 1.

Im oberen Teil des Zylinders 1 befindet sich ein Wasserkühlmantel 2, und der Boden des Zylinders wird ständig durch die Flamme erhitzt. Der Zylinder enthält einen Arbeitskolben 3 abgedichtet Kolbenringe und durch eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden (in der Abbildung Kurbelwelle nicht gezeigt). Zwischen Zylinderboden und Arbeitskolben befindet sich ein Verdrängerkolben 4, der sich im Zylinder mit große Lücke... Durch diesen Spalt wird die im Zylinder eingeschlossene Luft vom Verdränger 4 entweder zum Boden des Arbeitskolbens oder zum beheizten Boden des Zylinders gepumpt. Der Verdränger wird von der Stange 5 angetrieben, die die Dichtung im Kolben durchsetzt und von einem Exzentergetriebe angetrieben wird, das sich mit einem Nacheilwinkel von etwa 90° gegenüber dem Antriebsmechanismus des Arbeitskolbens dreht.

In Stellung a befindet sich der Kolben im UT (unterer Totpunkt) und die von den Zylinderwänden gekühlte Luft ist zwischen ihm und dem Verdränger eingeschlossen. In der nächsten Phase b bewegt sich der Verdränger nach oben und der Kolben bleibt am UT. Die Luft dazwischen wird durch den Spalt zwischen Verdränger und Zylinder zum Zylinderboden gedrückt und von den Zylinderwänden gekühlt. Phase c arbeitet, in der die Luft durch den heißen Zylinderboden erwärmt wird, sich ausdehnt und beide Kolben bis zum OT (oberer Totpunkt) drückt.

Nach Beendigung des Arbeitshubes kehrt der Verdränger in die untere Position zum Boden des Zylinders zurück und drückt Luft durch den Spalt zwischen den Zylinderwänden in die Kammer unter dem Kolben, während die Luft durch die Wände gekühlt wird. In Position r kalte Luft Kompression vorbereitet und der Arbeitskolben bewegt sich von OT nach UT. Da beim Verdichten kalter Luft weniger Arbeit aufgewendet wird als beim Ausdehnen heißer Luft, entsteht Nutzarbeit. Das Schwungrad dient als Energiespeicher für die Luftkompression.

In der beschriebenen Ausführung hatte der Stirlingmotor den geringsten Wirkungsgrad, da die in der Luft enthaltene Wärme nach dem Arbeitstakt über die Zylinderwände an das Kühlmittel abgeführt werden musste. Die Luft hatte während eines Kolbenhubs keine Zeit, sich ausreichend abzukühlen, und es musste die Kühlzeit erhöht werden, wodurch auch die Motordrehzahl niedrig war. , die, wie bereits erwähnt, von der Differenz zwischen der maximalen und minimalen Temperatur des Betriebszyklus abhängt, war ebenfalls gering. Die Wärme der Abluft wurde an das Kühlwasser abgegeben und ging vollständig verloren.

Der Stirling-Motor wurde von Philips (Niederlande) deutlich verbessert. Zunächst wurde ein externer Wärmeregenerator verwendet, durch den Luft unter der Wirkung eines Verdrängers vom oberen Teil des Zylinders in den unteren gepumpt wurde. Im externen Kreislauf war ein Radiator mit dem Regenerator in Reihe geschaltet. Der Regenerator speichert die Wärme der Luft, die nach der Expansion in die Kältekammer eindringt. Wenn die Luft in die entgegengesetzte Richtung strömt, gibt der Akkumulator Wärme an sie zurück. Dadurch vergrößert sich die Differenz zwischen maximaler und minimaler Zyklustemperatur und die Wärme muss vom Kühlsystem abgeführt werden. Der hinter dem Regenerator befindliche Heizkörper führt nur einen Teil dieser Wärme ab, der Rest wird im Speicher gespeichert und wieder verwendet. Dadurch verbessert es sich nicht nur Motoreffizienz, aber auch seine maximale Drehzahl erhöht sich, was sich auf die Leistung und das spezifische Gewicht des Motors auswirkt. Die Wärme der Abgase des Vorwärmers wird genutzt, um die Temperatur der seiner Brennkammer zugeführten Frischluft zu erhöhen. Der beschriebene Aufbau des Motors ist in Abb. 2.

In Stellung a wird die Luft komprimiert und beim Übergang in den oberen Teil des Zylinders zuerst im Regenerator und dann im Erhitzer erwärmt. In Position b wird die gesamte Luft aus dem Raum zwischen den beiden Kolben verdrängt und verrichtet die Arbeit, indem beide Kolben in die untere Position bewegt werden. In Position B bleibt der Arbeitskolben nach getaner Arbeit in der unteren Position und der Verdränger 1 beginnt, Luft aus dem oberen Teil des Zylinders durch den Regenerator in den Raum zwischen den Kolben zu drücken, in dem die Luft austritt einen erheblichen Teil seiner Wärme und den Kühler, wo die Luft noch tiefer gekühlt wird. In der letzten Phase des Zyklus d wird die Luft abgekühlt und von der Oberseite des Zylinders in den Raum zwischen den Kolben gedrückt, wo sie komprimiert wird.

Die Kompression der kalten Luft, ihr Eintritt durch den Regenerator und den Kühler in den oberen Teil des Zylinders, die anschließende Expansion und Abkühlung der Luft stellen den Arbeitszyklus dar. Im Zylinder wird eine konstante Luftmasse aufrechterhalten, sodass der Zylinder ohne Abgas läuft. Zum Heizen kann jede beliebige Wärmequelle verwendet werden. Im betrachteten Schema wird ein Flüssigbrennstoffkessel verwendet; Inhalt Schadstoffe hängt von der Vollständigkeit der Brennstoffverbrennung in der Kesselbrennkammer ab. Da dies einen Modus erstellt kontinuierliche Verbrennung bei relativ niedriger Temperatur und großem Luftüberschuss erreicht man vollständige Verbrennung und Klein.

Der Vorteil des Stirlingmotors besteht auch darin, dass er nicht nur mit einer Vielzahl von Kraftstoffen arbeiten kann, sondern auch die Verwendung verschiedener Arten von Wärmequellen ermöglicht. Dies bedeutet, dass der Motor nicht von der Anwesenheit der Atmosphäre abhängig ist. Es kann auf engstem Raum sowohl auf U-Booten als auch auf Satelliten gleichermaßen gut funktionieren. Bei Verwendung eines Wärmespeichers mit LiF wird dem Motor Wärme über ein Wärmerohr zugeführt, wie in Abb. 3.

Unten in Abb. 2 zeigt einen rhombischen Antriebsmechanismus, der die Bewegung beider Kolben steuert. Für den Antrieb werden zwei Kurbelwellen verwendet, die durch ein Zahnradpaar verbunden sind und sich gegenläufig drehen. Die Enden der Verdrängerstange 1 und der hohlen Kolbenstange 2 sind über separate Pleuel mit beiden Kurbelwellen verbunden. Sind die Kurbeln beider Kurbelwellen in Spitzenposition und von Position a in Position b bewegen, dann befinden sich die Pleuel des Arbeitskolbens 2 in der Nähe des OT und er bewegt sich geringfügig in die Nähe des OT. Die Pleuel des sich in dieser Zyklusphase bewegenden Verdrängers bewegen sich nach unten und auch der Kolben bewegt sich mit höchster Geschwindigkeit von Position a nach Position b.

Durch die entgegengesetzte Drehrichtung der beiden Kurbelwellen können auf diesen Gegengewichte angeordnet werden, die zum Ausgleich der Massenkräfte erster Ordnung und deren Momente aus den bei Einzylinder- und Reihenmotoren vorhandenen Hubmassen erforderlich sind.

Der Rautenmechanismus hat auch den Vorteil, dass die Pleuel Kräfte symmetrisch von den Kolbenstangen auf die Kurbelwellen übertragen und keine Querkräfte in den Lagern und Kolbendichtungen auftreten. Letzteres ist sehr wichtig, da für den Motorbetrieb mit gute Effizienz hoher Arbeitsdruck erforderlich.

Bei herkömmlichen Kurbelwellen wirken bei hohen Kolbendrücken und großen Pleuelwinkeln große Querkräfte auf den Kolben und verursachen hohe Reibungsverluste und hohen Verschleiß. Durch die Verwendung eines Kreuzkopf- oder Rhombenmechanismus wird dieses negative Phänomen beseitigt und eine gute Abdichtung der Kolben erreicht.

Um zu verhindern, dass die Stangen große Kräfte auf die Haupt- und Pleuellager der Kurbelwellen übertragen, wird unter dem Arbeitskolben ein Gegendruck aufrechterhalten, der dem durchschnittlichen Arbeitsdruck im Zylinder entspricht, er beträgt etwa 20 MPa.

Bei der Leistungsregelung eines Stirlingmotors treten erhebliche Schwierigkeiten auf. Die Leistungsänderung, die sich aus einer Änderung der dem Heizgerät zugeführten Kraftstoffmenge ergibt, ist unbedeutend. Ein auffälligeres Ergebnis kann durch Änderung des Drucks oder der Menge des Arbeitsfluids erzielt werden. Dieses Leistungssteuerungsverfahren wird in einem Stirling-Automotor verwendet. Um die Leistung zu reduzieren, wird ein Teil des Gases aus den Flaschen in den Tank umgeleitet. niedriger Druck; um die Leistung zu erhöhen, wird den Zylindern Gas aus dem Reservoir zugeführt hoher Druck, wo es von einem speziellen Kompressor aus einem Niederdrucktank vorgepumpt wird. Für Motoren mit Kolben doppeltwirkend Um die Leistung zu reduzieren, wird das Gas von der Oberseite des Kolbens nach unten durch einen speziellen Kanal umgeleitet. Übertragen von volle Kraft Zu Leerlauf dauert 0,2 s; der umgekehrte Vorgang dauert etwa 0,6 s.

Um die Reibungsverluste des Gases beim Durchgang durch die engen Kanäle des Regenerators und des Kühlers gering zu halten, wird Helium verwendet, und man versucht auch Wasserstoff zu verwenden. Um Größe und Gewicht zu reduzieren, sind beim Motor der zweiten Generation vier doppeltwirkende Kolbenzylinder wie in Abb. 9. Statt Kurbelwelle eingesetzter Taumelscheibenantrieb. Der hohe Gasdruck auf beiden Seiten des Kolbens sorgt dafür, dass nur eine geringe Druckdifferenz auf die Antriebsscheibe übertragen wird. Da bei einem Stirlingmotor die gesamte abgeführte Wärme auf das Kühlmittel übertragen wird, muss der Kühler dieses Motors doppelt so groß sein wie bei herkömmlichen Motoren. Verbrennungs.

Betrachten Sie als Beispiel zwei Stirling-Automotoren. Vierzylinder-Motor die erste Generation mit rhombischem Mechanismus, gezeigt in Abb. 10, hat einen Zylinderdurchmesser von 77,5 mm, einen Kolbenhub von 49,8 mm (Arbeitsvolumen 940 cm 3), entwickelt eine Leistung von 147 kW bei 3000 min -1 und einem mittleren Zylinderdruck von ca. 22 MPa. Die Zylinderkopftemperatur wird bei ca. 700°C und die Kühlmitteltemperatur bei 60°C gehalten. Das Trockengewicht des Motors beträgt 760 kg. Kaltstart und das Aufwärmen des Motors, bis die Zylinderkopftemperatur 700°C erreicht, dauert etwa 20 Sekunden. Bei einer Wassertemperatur von 55 ° C erreichte der Indikatorwirkungsgrad des Motors auf dem Prüfstand 35 %. Die spezifische Leistung beträgt 156 kW / dm 3 und das spezifische Gewicht pro Leistungseinheit beträgt 5,2 kg / kW.

Abb. 9. Der Motor hat ungefähr die gleichen Abmessungen und das gleiche Gewicht wie ein normaler Benziner neuer Motor, und seine Leistung beträgt 127 kW. Um die Achse der Taumelscheibenantriebswelle sind vier Zylinder mit doppeltwirkenden Kolben angeordnet. Der allen vier Zylindern gemeinsame Vorwärmer hat eine Düse. Bei einem Ford Torino (USA) war der Kraftstoffverbrauch mit diesem Motor 25 % niedriger als bei einem V-förmigen 8-Zylinder-Benzinmotor. Der NOx-Gehalt in den Abgasen des Vorwärmsystems war aufgrund der Verwendung ihrer Rückführung viel niedriger als die etablierte Norm.

Der Zylinderdurchmesser des Philips 4-215 DA Motors beträgt 73 mm, der Kolbenhub 52 mm. Motorleistung 127 kW bei einer Drehzahl von 4000 min -1. Die Heizungstemperatur (Zylinderkopftemperatur) beträgt 700 °C und die Kühlmitteltemperatur beträgt 64 °C.

Das schwedische Unternehmen United Sterling hat seinen Stirling-Motor so konstruiert, dass er das Beste aus seinen massenproduzierten Teilen herausholt. Automobilindustrie... Zum Einsatz kommt eine konventionelle Kurbelwelle und ein Pleuel, das zusammen mit dem Kreuzkopf die Welle in eine Drehbewegung umsetzt Translationsbewegung doppeltwirkender Kolben. Eine Schnittansicht dieses Vierzylinder-V-Motors ist in Abb. 1 gezeigt. 11. Die Zylinderreihen sind leicht schräg angeordnet, die Zylinderköpfe bilden eine gemeinsame Gruppe, die von einem Brenner beheizt wird.

Das geschätzte spezifische Gewicht dieses Motors beträgt 2,4 kg / kW, was mit der Leistung eines sehr guten Low-Size-Hochgeschwindigkeitsdiesels verglichen werden kann. Das spezifische Gewicht von Stirling-Motoren ist von 6,1-7,3 kg/kW auf 4,3 kg/kW gesunken und nimmt stetig ab.

Die Herstellung eines Stirlingmotors erfordert eine völlig andere Technologie als die Herstellungstechnologie von Verbrennungsmotoren, was die Einführung in die Produktion verlangsamen wird. Die Entwicklung solcher Motoren geht jedoch weiter, da herkömmliche Otto- und Dieselmotoren die zukünftigen Anforderungen an die geforderte Abgasreinheit nicht erfüllen werden und die geschaffenen Stirling-Motoren auf eine Lösung dieses Problems hoffen lassen. Da sich der Druck der Gase im Zylinder eines Stirlingmotors sanft ändert, arbeitet er stabil und leise und ähnelt einer Dampfmaschine. Eine große Menge an Abwärme erfordert jedoch neue Lösungen im Bereich der Kühlsysteme.

Große Fortschritte bei Stirling-Motoren wurden mit der Entwicklung des Philips 4-215 DA-Motors erzielt. Der Motor ist für den Einsatz in Pkw ausgelegt und nimmt darin genauso viel Platz ein wie ein herkömmlicher V-Benzinmotor gleiche Macht... Die Masse des Philips 4-215 DA-Motors beträgt 448 kg und bei einer maximalen Leistung von 127 kW beträgt sein spezifisches Gewicht 3,5 kg / kW. Der Indikatorwirkungsgrad dieses Motors bei Verwendung von Wasserstoff als Arbeitsflüssigkeit unter einem Druck von 20 MPa beträgt 35%.

Ein Kaltstart des Motors dauert 15 Sekunden, der Kraftstoffverbrauch eines Autos im Stadtverkehr ist 25 % geringer als bei einem herkömmlichen Benzinmotor. Die Motorleistung wird durch Änderung der Menge und des Drucks des Arbeitsfluids reguliert.

Die Dichte von Wasserstoff ist 14-mal geringer als die von Luft und auch seine Wärmekapazität ist 14-mal höher als die von Luft. Dies wirkt sich positiv auf die hydraulischen Verluste insbesondere im Regenerator aus und führt in der Regel zu einer Steigerung des Motorwirkungsgrades (siehe Abb. 4).

Noch vor etwa hundert Jahren mussten Verbrennungsmotoren ihren Platz erobern moderne Automobilindustrie... Damals war ihre Überlegenheit noch lange nicht so offensichtlich wie heute. Wirklich, Dampfmaschine- der Hauptkonkurrent des Benzinmotors - hatte im Vergleich dazu enorme Vorteile: Geräuschlosigkeit, einfache Leistungsregelung, hervorragende Traktionseigenschaften und erstaunliche "Allesfresser", die es ihm ermöglichen, mit jeder Art von Kraftstoff von Holz bis Benzin zu arbeiten. Doch am Ende setzten sich Effizienz, Leichtigkeit und Zuverlässigkeit der Verbrennungsmotoren durch und mussten sich zwangsläufig mit ihren Mängeln auseinandersetzen.
In den 1950er Jahren, mit dem Aufkommen von Gasturbinen und Wankelmotoren begann der noch nicht von Erfolg gekrönte Angriff auf die Monopolstellung der Verbrennungsmotoren in der Automobilindustrie. Etwa in den gleichen Jahren wurde versucht, einen neuen Motor auf den Markt zu bringen, der die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit eines Ottomotors mit der Geräuschlosigkeit und „Allesfresser“ eines Dampfkraftwerks auffallend verbindet. Das ist der berühmte Motor externe Verbrennung, das der schottische Priester Robert Stirling am 27. September 1816 patentieren ließ (englisches Patent Nr. 4081).

Prozessphysik

Das Funktionsprinzip aller Wärmekraftmaschinen beruht ausnahmslos darauf, dass bei der Expansion eines erhitzten Gases mehr mechanische Arbeit geleistet wird, als zum Verdichten eines kalten Gases erforderlich ist. Eine Flasche und zwei Töpfe mit heißem und kaltem Wasser reichen aus, um dies zu demonstrieren. Zuerst wird die Flasche in Eiswasser getaucht, und wenn die Luft darin abkühlt, wird der Hals mit einem Korken verstopft und schnell auf heißes Wasser... Nach einigen Sekunden ist Watte zu hören und das in der Flasche erhitzte Gas drückt den Korken heraus und verrichtet mechanische Arbeit. Die Flasche kann in Eiswasser zurückgestellt werden - der Zyklus wird wiederholt.
Dieser Vorgang wurde in den Zylindern, Kolben und filigranen Hebeln der ersten Stirling-Maschine fast exakt nachgebildet, bis der Erfinder erkannte, dass ein Teil der dem Gas beim Abkühlen entzogenen Wärme zum Teilheizen genutzt werden konnte. Man braucht nur eine Art Behälter, in dem man die dem Gas beim Abkühlen entzogene Wärme speichern und beim Erhitzen wieder abgeben könnte.
Aber leider hat selbst diese sehr wichtige Verbesserung den Stirling-Motor nicht gerettet. Bis 1885 waren die hier erzielten Ergebnisse sehr mittelmäßig: 5-7 Prozent Wirkungsgrad, 2 Liter. mit. Leistung, 4 Tonnen Gewicht und 21 Kubikmeter Platzbedarf.
Verbrennungsmotoren wurden nicht einmal durch den Erfolg einer anderen Konstruktion des schwedischen Ingenieurs Erickson gerettet. Anders als Stirling schlug er vor, das Gas nicht mit konstantem Volumen, sondern mit konstantem Druck zu erhitzen und zu kühlen. 8 Im Jahr 1887 funktionierten mehrere Tausend kleine Erickson-Motoren perfekt in Druckereien, in Häusern, in Bergwerken, auf Schiffen. Sie füllten Wassertanks und bedienten Aufzüge. Erickson versuchte sogar, sie für Fahrmannschaften anzupassen, aber sie erwiesen sich als zu schwer. In Russland wurde vor der Revolution eine große Anzahl solcher Motoren unter dem Namen "Heat and Power" hergestellt.
Es wird jedoch versucht, die Leistung auf 250 PS zu erhöhen. mit. beendet kompletter Ausfall... Die Maschine mit einem Zylinder mit einem Durchmesser von 4,2 Metern entwickelt weniger als 100 Liter. Das heißt, die Feuerkammern brannten aus und das Schiff, auf dem die Motoren installiert waren, ging verloren.
Ingenieure verabschiedeten sich ohne Bedauern von diesen schwachen Mastodons, sobald leistungsstarke, kompakte und leichte Benzin- und Dieselmotoren auftauchten. Und plötzlich, in den 1960er Jahren, fast 80 Jahre später, begannen die „Stirlings“ und „Ericksons“ (wir nennen sie konventionell in Analogie zum Dieselmotor) als gewaltige Konkurrenten der Verbrennungsmotoren. Diese Gespräche klingen bis heute nicht ab. Was erklärt das? scharfe Kurve in Ansichten?

Methodische Kosten

Wenn man von einer alten technischen Idee erfährt, die in der modernen Technik wiederbelebt wurde, stellt sich sofort die Frage: Was hat ihre Umsetzung früher verhindert? Was war das für ein Problem, dieser "Hinweis", ohne dessen Lösung sie nicht ins Leben käme? Und es stellt sich fast immer heraus, dass die alte Idee ihre Wiederbelebung entweder einer neuen technologischen Methode verdankt, oder neues Design, an die die Vorgänger nicht gedacht haben, oder neues Material. Als seltenste Ausnahme kann ein Verbrennungsmotor angesehen werden.
Theoretische Rechnungen zeigen, dass der Wirkungsgrad "Stirlings" und "Ericksons" können 70 Prozent erreichen - mehr als jeder andere Motor. Das bedeutet, dass die Misserfolge ihrer Vorgänger durch sekundäre, im Prinzip entfernbare Faktoren erklärt wurden. Richtige Wahl Parameter und Anwendungsbereiche, eine sorgfältige Untersuchung der Arbeit jeder Einheit, eine sorgfältige Verarbeitung und Feinabstimmung jedes Details ermöglichten es, die Vorteile des Zyklus zu realisieren. Bereits die ersten Versuchsproben ergaben einen Wirkungsgrad von 39 Prozent! (Der über die Jahre ermittelte Wirkungsgrad von Benzinern und Dieseln liegt bei 28-30 bzw. 32-35 Prozent.) Welche Chancen haben Stirling und Erickson zu ihrer Zeit „übersehen“?
der Behälter, in dem abwechselnd Wärme gespeichert und dann abgegeben wird. Die Berechnung des Regenerators war damals einfach unmöglich: Die Wissenschaft der Wärmeübertragung existierte nicht. Seine Dimensionen wurden mit Augenmaß genommen, und wie Berechnungen zeigen, hängt der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren stark von der Qualität des Regenerators ab. Zwar kann seine schlechte Leistung bis zu einem gewissen Grad durch eine Druckerhöhung ausgeglichen werden.
Der zweite Grund für das Scheitern war, dass die ersten Anlagen in Luft bei Atmosphärendruck betrieben wurden: Ihre Abmessungen waren riesig und ihre Kapazitäten gering.
Effizienz bringen Regenerator bis zu 98 Prozent und das Befüllen des geschlossenen Kreislaufs mit auf 100 Atmosphären komprimiertem Wasserstoff oder Helium steigerten die Ingenieure unserer Zeit die Effizienz und Kraft des "Stylings", das auch in dieser Form Effizienz zeigte. höher als bei Verbrennungsmotoren.
Dies allein würde ausreichen, um über den Einbau von Verbrennungsmotoren in Autos zu sprechen. Doch die Vorteile dieser aus der Vergessenheit wiederbelebten Maschinen erschöpft sich keineswegs allein in der hohen Effizienz.

So funktioniert Stirling

Schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors:
1 - Einspritzventil;
2 - Auslass-Abzweigrohr;
3 - Elemente des Lufterhitzers;
4 - Lufterhitzer;
5 - heiße Gase;
6 - heißer Raum des Zylinders;
7 - Regenerator;
8 - Zylinder;
9 - Kühlerrippen;
10 - kalter Raum;
11 - Arbeitskolben;
12 - Rautenantrieb;
13 - Pleuelstange des Arbeitskolbens;
14 - Synchronisierungszahnräder;
15 - Brennkammer;
16 - Heizungsrohre;
17 - heiße Luft;
18 - Verdrängerkolben;
19 - Lufteinlass;
20 - Kühlwasserversorgung;
21 - Siegel;
22 - Puffervolumen;
23 - Siegel;
24 - Schieber des Verdrängerkolbens;
25 - Ausstoßer des Arbeitskolbens;
26 - Joch des Arbeitskolbens;
27 - Finger des Jochs des Arbeitskolbens;
28 - Pleuelstange des Verdrängerkolbens;
29 - Joch des Verdrängerkolbens;
30 - Kurbelwellen.
Roter Hintergrund - Heizkreis;
gepunkteter Hintergrund - Kühlkreislauf

Im modernen Design des Flüssigbrennstoffs „Stirling“ gibt es drei Kreisläufe, die nur thermischen Kontakt miteinander haben. Dies ist ein Arbeitsmittelkreislauf (meist Wasserstoff oder Helium), ein Heizkreislauf und ein Kühlkreislauf. Der Hauptzweck des Heizkreises ist die Aufrechterhaltung hohes Fieber oben auf dem Arbeitspfad. Der Kühlkreislauf hält niedrige Temperatur am unteren Ende des Arbeitspfades. Die Kontur des Arbeitsmediums selbst ist geschlossen.
Arbeitskörperkontur... Im Zylinder 8 bewegen sich zwei Kolben - der Arbeitskolben 11 und der Verdrängerkolben 18. Die Aufwärtsbewegung des Arbeitskolbens führt zur Verdichtung des Arbeitsmediums, seine Abwärtsbewegung wird durch die Expansion des Gases verursacht und wird von der Verrichtung nützlicher Arbeit. Die Aufwärtsbewegung des Verdrängerkolbens drückt Gas in den unteren, gekühlten Hohlraum des Zylinders. Seine Abwärtsbewegung entspricht der Erwärmung des Gases. Der rhombische Antrieb 12 verleiht den Kolben eine Bewegung entsprechend vier Takthüben ((diese Hübe sind im Diagramm gezeigt).
Maß I- Kühlung des Arbeitsmediums. Der Verdrängerkolben 18 bewegt sich nach oben und drückt das Arbeitsfluid durch den Regenerator 7, in dem die Wärme des erhitzten Gases gespeichert ist, in den unteren, gekühlten Teil des Zylinders. Der Arbeitskolben 11 befindet sich im UT.
Maßnahme II- Kompression des Arbeitsfluids. Die im komprimierten Gas des Puffervolumens 22 gespeicherte Energie bewirkt eine Aufwärtsbewegung des Arbeitskolbens 11, begleitet von der Kompression des kalten Arbeitsfluids.
Balken III- Erwärmung des Arbeitsmediums. Der Treibkolben 18, fast angrenzend an den Arbeitskolben 11, verdrängt das Gas durch den Regenerator 7, in dem die bei der Abkühlung anfallende Wärme an das Gas zurückgeführt wird, in den Heißraum.
Balken IV- Ausdehnung des Arbeitsmediums - Arbeitszyklus. Wenn es in einem heißen Raum erhitzt wird, dehnt sich das Gas aus und leistet nützliche Arbeit... Ein Teil davon wird im komprimierten Gas des Puffervolumens 22 zur anschließenden Verdichtung des kalten Arbeitsfluids gespeichert. Der Rest wird von den Motorwellen entfernt.
Heizkreis... Die Luft wird durch das Gebläse in den Lufteinlass 19 geblasen, passiert die Elemente 3 des Heizgeräts, erwärmt sich und tritt in die Kraftstoffeinspritzdüsen ein. Die entstehenden heißen Gase erhitzen die Rohre 16 des Arbeitsmittelerhitzers, umströmen die Elemente 3 des Erhitzers und werden, nachdem sie ihre Wärme an die Luft abgegeben haben, die der Brennstoffverbrennung zugeführt wird, durch das Auslassrohr 2 in die Atmosphäre ausgestoßen.
Kühlkreislauf... Wasser wird durch die Rohre 20 dem unteren Teil des Zylinders zugeführt und kühlt, indem es die Rippen 9 des Kühlers umströmt, diese kontinuierlich.

"Stirlings" statt ICE

Die allerersten Tests, die vor einem halben Jahrhundert durchgeführt wurden, zeigten, dass das "Styling" nahezu geräuschlos ist. Es hat keinen Vergaser, Hochdruckinjektoren, Zündsystem, Ventile, Zündkerzen. Der Druck im Zylinder steigt zwar auf knapp 200 atm an, jedoch nicht durch eine Explosion wie bei einem Verbrennungsmotor, sondern sanft. Der Motor braucht keine Schalldämpfer. Der rautenförmige kinematische Kolbenantrieb ist vollständig ausgewuchtet. Keine Vibrationen, kein Klappern.
Sie sagen, dass man selbst mit einer Hand am Motor nicht immer feststellen kann, ob er funktioniert oder nicht. Diese Eigenschaften eines Automotors sind besonders wichtig, da das Problem der Geräuschreduzierung in Großstädten akut ist.
Aber eine andere Eigenschaft ist "Allesfresser". Tatsächlich gibt es keine Wärmequelle, die nicht für einen Stirling-Antrieb geeignet ist. Ein Auto mit einem solchen Motor kann mit Holz, Stroh, Kohle, Kerosin, Kernbrennstoff und sogar Sonnenlicht fahren. Es kann mit der Wärme arbeiten, die in der Schmelze eines Salzes oder Oxids gespeichert ist. Beispielsweise ersetzt eine Schmelze von 7 Litern Aluminiumoxid 1 Liter Benzin. Diese Vielseitigkeit wird nicht nur einem Fahrer in Schwierigkeiten immer helfen können. Sie wird sich scharf lösen das Problem zur Hand Rauchverschmutzung der Städte. In der Nähe der Stadt schaltet der Fahrer den Brenner ein und schmilzt das Salz im Tank. Innerhalb der Stadtgrenzen wird kein Kraftstoff verbrannt: Der Motor läuft auf Schmelze.
Was ist mit der Regulierung? Um die Leistung zu reduzieren, reicht es aus, die erforderliche Gasmenge aus dem geschlossenen Kreislauf des Motors in einen Stahlzylinder abzulassen. Die Automatisierung reduziert sofort die Brennstoffzufuhr, sodass die Temperatur unabhängig von der Gasmenge konstant bleibt. Um die Leistung zu erhöhen, wird Gas aus dem Zylinder zurück in den Kreislauf gepumpt.
Bei Kosten und Gewicht sind die Stirlings den Verbrennungsmotoren jedoch noch unterlegen. Für 1 Liter. mit. sie haben 5 kg, das ist viel mehr als Benzin und Dieselmotoren... Aber wir sollten nicht vergessen, dass dies immer noch die ersten sind, die noch nicht gebracht wurden hochgradig Perfektion des Modells.
Theoretische Berechnungen zeigen, dass "Stirlings" unter sonst gleichen Bedingungen niedrigere Drücke benötigen. Dies ist ein wichtiger Vorteil. Und wenn sie auch konstruktive Vorteile mit sich bringen, könnten sie sich als der stärkste Konkurrent der Verbrennungsmotoren in der Automobilindustrie erweisen. Und überhaupt keine Turbinen.

Stirling von GM

Die ernsthafte Arbeit zur Verbesserung des Verbrennungsmotors, die 150 Jahre nach seiner Erfindung begann, hat bereits Früchte getragen. Es werden verschiedene Konstruktionsvarianten des nach dem Stirling-Zyklus arbeitenden Motors vorgeschlagen. Es gibt Ausführungen für Taumelscheibenmotoren zur Hubverstellung der Kolben, patentiert Wankelmotor, in einem der Rotorabschnitte, von denen eine Kompression erfolgt, in dem anderen - Expansion, und die Zufuhr und Abfuhr von Wärme erfolgt in den Kanälen, die die Hohlräume verbinden. Maximaler Druck in den Zylindern einzelner Proben erreicht 220 kg / cm 2 und der durchschnittliche effektive Druck - bis zu 22 und 27 kg / cm 2 und mehr. Der Wirkungsgrad wurde auf 150 g/PS/Stunde gesteigert.
Das Unternehmen hat die größten Fortschritte gemacht General Motors, die in den 1970er Jahren ein V-förmiges "Styling" mit einem konventionellen Kurbelmechanismus... Ein Zylinder arbeitet, der andere ist Kompression. Der Arbeitskolben enthält nur den Arbeitskolben und der Verdrängerkolben befindet sich im Kompressionszylinder. Zwischen den Zylindern befinden sich eine Heizung, ein Regenerator und ein Kühler. Der Phasenverschiebungswinkel, mit anderen Worten, der Nacheilungswinkel eines Zylinders zum anderen, beträgt für dieses "Stirling" 90°. Die Geschwindigkeit eines Kolbens sollte in dem Moment maximal sein, in dem die Geschwindigkeit des anderen Null ist (am oberen und unteren Totpunkt). Die Phasenverschiebung bei der Bewegung der Kolben wird durch die Positionierung der Zylinder in einem Winkel von 90° erreicht. Strukturell ist dies das einfachste "Styling". Aber es ist der Rautenmaschine unterlegen Kurbelmechanismus im Gleichgewicht. Um die Trägheitskräfte in . vollständig auszugleichen V-förmiger Motor die Zahl seiner Zylinder soll von zwei auf acht erhöht werden.

Schematische Darstellung eines V-förmigen "Stirlings":
1 - Arbeitszylinder;
2 - Arbeitskolben;
3 - Heizung;
4 - Regenerator;
5 - wärmeisolierende Hülse;
6 - Kühler;
7 - Kompressionszylinder.

Der Arbeitszyklus in einem solchen Motor läuft wie folgt ab.
Im Arbeitszylinder 1 wird das Gas (Wasserstoff oder Helium) erhitzt, im anderen, im Kompressionszylinder 7 wird es gekühlt. Wenn sich der Kolben im Zylinder 7 nach oben bewegt, wird das Gas komprimiert - der Kompressionshub. Zu diesem Zeitpunkt beginnt sich der Kolben 2 in Zylinder 1 nach unten zu bewegen.Gas aus dem kalten Zylinder 7 strömt in den heißen 1 und strömt nacheinander durch den Kühler 6, den Regenerator 4 und den Heizer 3 - Heizzyklus. Heißgas dehnt sich in Zylinder 1 aus und verrichtet Arbeit - Expansionshub. Wenn sich Kolben 2 in Zylinder 1 nach oben bewegt, wird Gas durch Regenerator 4 und Kühler 6 in Zylinder 7 gepumpt - Kühlkreislauf.
Dieses "Styling" -Schema ist am bequemsten zum Rückwärtsfahren. Im kombinierten Gehäuse von Erhitzer, Regenerator und Kühler (über deren Konstruktion werden wir später sprechen) sind dafür Dämpfer vorgesehen. Wenn wir sie von einer Extremposition in eine andere übertragen, dann kalter Zylinder wird heiß und heiß wird kalt, und der Motor dreht sich in die entgegengesetzte Richtung.
Die Heizung ist ein Satz hitzebeständiger Edelstahlrohre, durch die das Arbeitsgas strömt. Die Rohre werden durch die Flamme eines Brenners erhitzt, der zum Verbrennen verschiedener flüssige Brennstoffe... Die Wärme des erhitzten Gases wird im Regenerator gespeichert. Dieser Knoten ist von großer Bedeutung für den Erhalt hohe Effizienz... Es erfüllt seinen Zweck, wenn es etwa dreimal mehr Wärme überträgt als in der Heizung und der Vorgang weniger als 0,001 Sekunden dauert. Kurz gesagt, es ist ein schnell wirkender Wärmespeicher, und die Wärmeübertragungsrate zwischen dem Regenerator und dem Gas beträgt 30.000 Grad pro Sekunde. Der Regenerator, dessen Wirkungsgrad 0,98 Einheiten beträgt, besteht aus einem zylindrischen Körper, in dem mehrere Unterlegscheiben aus Drahtgewinde (Drahtdurchmesser 0,2 mm) in Reihe angeordnet sind. Um eine Wärmeübertragung an den Kühlschrank zu verhindern, wird zwischen diesen Einheiten eine wärmeisolierende Hülle eingebaut. Endlich gibt es einen Kühler. Er ist als Wassermantel an der Rohrleitung ausgelegt.
Die Stirlingleistung wird durch Änderung des Arbeitsgasdrucks geregelt. Zu diesem Zweck ist der Motor mit Gaszylinder und ein spezieller Kompressor.

Vorteile und Nachteile

Um die Aussichten für die Anwendung von "Styling" auf Autos zu bewerten, analysieren wir die Vor- und Nachteile. Beginnen wir mit einem der wichtigsten für Wärmekraftmaschine Parameter, der sogenannte theoretische Wirkungsgrad Für den "Stirling" wird er nach folgender Formel bestimmt:

= 1 - Tx / Tg

Dabei ist η der Wirkungsgrad, Tx die Temperatur des „kalten“ Volumens und Tg die Temperatur des „heißen“ Volumens. Quantitativ beträgt dieser Parameter für den „Stirling“ 0,50. Das ist deutlich mehr als die besten Gasturbinen, Benzin- und Dieselmotoren, die jeweils einen theoretischen Wirkungsgrad von 0,28 haben; 0,30; 0,40.
Als externer Verbrennungsmotor. Stirling “kann mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden: Benzin, Kerosin, Diesel, gasförmig und sogar fest. Kraftstoffeigenschaften wie Cetan und Oktanzahl, Aschegehalt, Siedepunkt bei Verbrennung außerhalb des Motorzylinders, spielen für den „Stirling“ keine Rolle. Damit es mit unterschiedlichen Brennstoffen funktioniert, sind keine größeren Änderungen erforderlich - ersetzen Sie einfach den Brenner.
Ein Verbrennungsmotor, bei dem die Verbrennung mit einem konstanten Luftüberschuss von 1,3 stabil ist. emittiert deutlich weniger als ein Verbrennungsmotor, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide.
Das geringe Geräusch des „Stirlings“ erklärt sich durch das niedrige Verdichtungsverhältnis (von 1,3 auf 1,5). Der Druck im Zylinder steigt gleichmäßig und nicht durch eine Explosion wie bei einem Benzin- oder Dieselmotor... Die Schwingungsfreiheit der Gassäule im Abgastrakt bestimmt die Geräuschlosigkeit des Auspuffs, was durch Tests des von Phillips in Zusammenarbeit mit entwickelten Motors bestätigt wird von Ford für den Bus.
"Stirling" zeichnet sich durch geringen Ölverbrauch und hohe Verschleißfestigkeit aufgrund des Fehlens von Wirkstoffen im Zylinder und einer relativ niedrigen Temperatur des Arbeitsgases aus und ist in seiner Zuverlässigkeit höher als die der uns bekannten Verbrennungsmotoren, da es hat keinen komplexen Gasverteilungsmechanismus.
Ein wichtiger Vorteil des Stirlings als Automobilmotor ist seine erhöhte Anpassungsfähigkeit an Lastwechsel. Sie ist zum Beispiel 50 Prozent höher als die von Vergasermotor, wodurch es möglich ist, die Stufenzahl im Getriebe zu reduzieren. Verzichten Sie jedoch komplett auf Kupplung und Getriebe, wie in Dampfauto, es ist verboten.
Aber warum wurde noch kein Motor mit so offensichtlichen Vorteilen gefunden? praktische Anwendung? Der Grund ist einfach - es hat noch viele ungelöste Mängel. An erster Stelle steht die große Komplexität von Kontrolle und Regulierung. Es gibt andere "Riffe", die sowohl für Konstrukteure als auch für Produktionsmitarbeiter nicht so einfach zu umgehen sind. Insbesondere Kolben benötigen sehr effektive Dichtungen, die hohen Drücken (bis zu 200 kg / cm2) standhalten und das Eindringen von Öl in den Arbeitsraum verhindern müssen . Die 25-jährige Feinabstimmung seines Motors hat Phillips jedenfalls noch nicht massentauglich gemacht. Von nicht geringer Bedeutung ist charakteristisches Merkmal"Stirling" - die Notwendigkeit, mit dem Kühlwasser eine große Wärmemenge abzuführen. Bei Verbrennungsmotoren wird ein erheblicher Teil der Wärme zusammen mit den Abgasen an die Atmosphäre abgegeben. Beim „Sterling“ gehen nur 9 Prozent der bei der Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden Wärme in den Auspuff. Wenn in Benzinmotor Verbrennung mit Kühlwasser entzieht 20 bis 25 Prozent der Wärme, dann im "Stirling" - bis zu 50 Prozent. Dies bedeutet, dass ein Auto mit einem solchen Motor einen etwa 2-2,5-mal größeren Kühler haben sollte als ein ähnlicher Benzinmotor. Der Nachteil von "Stirling" ist sein hohes spezifisches Gewicht im Vergleich zum herkömmlichen Verbrennungsmotor. Ein weiteres erhebliches Minus ist die Schwierigkeit, die Drehzahl zu erhöhen: Bereits bei 3600 U / min nehmen die hydraulischen Verluste deutlich zu und die Wärmeübertragung verschlechtert sich. Und endlich. "Stirling" ist einem herkömmlichen Verbrennungsmotor in der Gasannahme unterlegen.
Die Arbeit an der Kreation und Verfeinerung des automobilen „Stylings“ auch für Pkw wird fortgesetzt. Es kann davon ausgegangen werden, dass die grundlegenden Fragen derzeit gelöst sind. Allerdings gibt es noch viel zu tun. Die Verwendung von Leichtmetalllegierungen kann das spezifische Gewicht des Motors verringern, aber es wird noch höher sein. als bei einem Verbrennungsmotor aufgrund des höheren Drucks des Arbeitsgases. Wahrscheinlich wird der Verbrennungsmotor vor allem Anwendung finden in LKW, insbesondere das Militär - aufgrund seines geringen Treibstoffbedarfs.

Regenerator und Wirkungsgrad des Stirlingmotors. Wenn sie versuchen, einen Stirling unter "Garage"-Bedingungen zu erschaffen, entscheiden sich ihre Schöpfer sehr oft, auf einen Regenerator zu verzichten. Und noch häufiger wird der Regenerator "zufällig" hergestellt und kann seinen Zweck nicht vollständig erfüllen. Also ein Regenerator – warum wird er benötigt? Dazu werden wir ein wenig in die Theorie und die Prinzipien des Motorbetriebs verstehen. Im Hauptartikel habe ich das Funktionsprinzip bereits kurz beschrieben, jetzt werden wir es Punkt für Punkt analysieren. Ohne Regenerator. 1. Gaserwärmung tritt auf, wenn der Arbeitskolben eingefahren ist Top tot Punkt. In diesem Fall ist das Volumen minimal und der Verdränger bewegt das gesamte Gas zum Heizbereich. Bei dieser Erwärmung ändert sich das Volumen nicht - der Druck steigt proportional zum Temperaturanstieg in Kelvin (isochore Erwärmung). Das heißt, wenn unser Gas eine Temperatur von 300 K (27 Grad Celsius) hatte und auf 900 K (627 Grad Celsius) erhitzt wurde, dann stieg der Druck um das Dreifache, ebenso wie die Temperatur. Der Arbeitskolben bewegt sich nicht, es wird keine Arbeit verrichtet. 2. Der Arbeitskolben wird unter Gasdruck in Bewegung gesetzt. Das Gas dehnt sich aus und erhält weiterhin Wärme von der Heizung, die Temperatur steigt jedoch nicht an und bleibt konstant, da das Gas selbst durch Expansion abgekühlt wird (isotherme Erwärmung). In diesem Kreislauf (und nur darin) verrichtet das Gas die Arbeit. 3. Das Gas wird mit konstantem Volumen auf die Temperatur des Kühlschranks (Umgebung) abgekühlt (der Arbeitskolben bewegt sich nicht) - isochore Kühlung. In diesem Fall wird die gesamte Wärme, die zuvor zum Erhitzen des Gases von der Temperatur des Kühlschranks auf die Temperatur der Heizung aufgewendet wurde, an die Umgebung abgegeben. 4. Der Arbeitskolben kehrt zum oberen Totpunkt zurück und komprimiert das Gas im Zylinder. In diesem Fall wird das Gas abgekühlt und die in ihm bei der Kompression entstehende Wärme abgegeben Umgebung(isotherme Kompression). Dieser Zyklus verbraucht mechanische Arbeit, die vom Schwungrad geleistet wird. Da das Komprimieren von Gas bei niedrigem Druck weniger Arbeit erfordert als Gas bei hoher Druck Im heißen Zustand ist die Differenz zwischen der Arbeit des Gases und der Arbeit des Gases die Nutzarbeit, die der Motor leisten kann. Das heißt, es stellt sich heraus, dass die Erwärmung, die die Arbeit verrichtet, nur während der Expansion bei der Temperatur der Heizung erfolgt und das Erwärmen auf diese Temperatur keine Arbeit verrichtet, es ist erforderlich, den Druck und die gesamte dafür aufgewendete Energie zu erhöhen Heizung wird dann in den umgebenden Mittwoch "geworfen". Um diese Verluste (und sie sind in der Regel ein Vielfaches der geleisteten Arbeit) zu vermeiden, wird ein Regenerator verwendet. Es speichert Wärme beim Abkühlen des Gases, „nimmt sie in sich auf“, anstatt sie an die Umgebung abzugeben, und gibt sie beim Erhitzen wieder an das Gas ab. Das heißt, es wird keine externe Wärme benötigt, um das Gas zu erhitzen, und an den Motor übertragen Von der Heizung wird Wärme nur für die Arbeitsleistung ausgegeben. Daher hängt der Wirkungsgrad des Motors vom Wirkungsgrad des Regenerators ab und ist ohne ihn um ein Vielfaches geringer. Und im nächsten Artikel werde ich darüber sprechen, was ein effektiver Regenerator sein sollte -

Lassen Sie uns die Hauptmerkmale des Motors auflisten:

1. In einem Stirling-Motor wird thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt, indem eine konstante Menge eines Arbeitsfluids bei einer niedrigen Temperatur komprimiert und anschließend (nach einer Heizperiode) bei einer hohen Temperatur expandiert wird. Da die vom Kolben aufgewendete Arbeit zum Verdichten des Arbeitsmediums geringer ist als die Arbeit, die der Kolben beim Expandieren des Arbeitsmediums verrichtet, erzeugt der Motor nutzbare mechanische Energie.

2. Grundsätzlich ist bei der Regeneration nur eine Wärmezufuhr erforderlich, um eine Abkühlung des Arbeitsmediums während seiner Expansion zu verhindern und die bei seiner Kompression freiwerdende Wärme abzuführen.

3. Die notwendige Änderung der Temperatur des Arbeitsfluids wird durch das Vorhandensein getrennter kalter und heißer Hohlräume durch die Verbindungskanäle sichergestellt, zwischen denen sich das Arbeitsfluid unter der Wirkung der Kolben bewegt.

4. Volumenänderungen in diesen beiden Hohlräumen sollten nicht phasengleich sein, und die daraus resultierenden zyklischen Änderungen des Gesamtvolumens sollten wiederum nicht phasengleich mit zyklischen Druckänderungen sein. Dies ist eine Bedingung für die Gewinnung mechanischer Energie an der Motorwelle.

Das Stirling-Prinzip ist also das abwechselnde Erwärmen und Abkühlen des in einem isolierten Raum enthaltenen Arbeitsfluids. Um die praktische Umsetzung dieses einfachen Prinzips zu veranschaulichen, betrachten wir zunächst das elementare Kolben-Zylinder-System, bei dem das Arbeitsmedium durch einen starr mit der Kurbel mechanisch verbundenen Kolben von der äußeren Umgebung isoliert ist (Abb. 1.4).

Wenn dem Zylinderkopf Wärme zugeführt wird, erhöht sich der Druck des Arbeitsmediums und der Kolben beginnt sich unter der Wirkung des expandierenden Arbeitsmediums nach rechts zu bewegen (Abb. 1.5).

Mit der Ausdehnung des Arbeitsmediums sinkt der Druck im Zylinder. Um die Abkühlung des Arbeitsmediums während seiner Expansion auszugleichen, wird die Wärmezufuhr fortgesetzt, wodurch der Prozess

Es fließt mit konstanter Temperatur. Wenn der Kolben seine Position ganz rechts erreicht ( unten tot Punkte), stoppt die Wärmezufuhr und der Zylinderkopf beginnt mit Hilfe einer externen Quelle abzukühlen (Abb. 1.6).

Während des Abkühlvorgangs fällt der Druck weiter ab. Der Kolben beginnt sich dann nach links zu bewegen und komprimiert das Gas. Verfahren

Reis. 1.8. Abschluss des Arbeitszyklus.

In diesem Fall kompensiert die Kühlung weiterhin die Erwärmung während der Kompression, so dass auch die Kompression bei konstanter Temperatur abläuft (Abb. 1.7).

Wenn der Kolben seine äußerste linke Position (oberer Totpunkt) erreicht, wird die Kühlvorrichtung durch eine Wärmequelle ersetzt (Abb. 1.8).

Dieser Ablauf lässt sich in thermodynamischen Zustandsdiagrammen darstellen (Abb. 1.9).

Da die Expansion beim Heizvorgang bei einem höheren mittleren Druck abläuft als die Kompression beim Kühlvorgang, leistet der Motor nützliche Arbeit. Diese Methode der Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr ist jedoch umständlich und unpraktisch, da die Wärmekapazität der Materialien, aus denen der Zylinder Kopf ist zu hoch, um das erforderliche zu erreichen
schnelle Temperaturwechsel. Dennoch wird hier das Grundkonzept des abwechselnden Erhitzens und Kühlens eines isolierten Arbeitsmediums bei unterschiedlichen Drücken zur Erzielung mechanischer Arbeit recht genau beschrieben.

Volumen EIN

Es stellt sich das Problem, dieses Konzept in die Praxis umzusetzen. Die naheliegende Lösung wäre, an einem Ende des Zylinders eine konstant hohe Temperatur und am anderen eine konstant niedrige Temperatur aufrechtzuerhalten. In diesem Fall wäre es jedoch nicht möglich, das in der Beschreibung des Arbeitszyklus erwähnte Kolben-Zylinder-System zu verwenden, da das Arbeitsmedium in abwechselnden Phasen des Prozesses gleichzeitig Wärme aufnehmen und abgeben würde. Robert Sterling überwand diese Schwierigkeit, indem er einen Verdrängerkolben oder Verdränger einführte, der in Reihe mit dem ursprünglichen Kolben angeordnet war, der

Jetzt heißt der Name "Arbeitskolben". Der Verdrängerkolben soll das Arbeitsmedium zwischen den lokal angeordneten heißen und kalten Hohlräumen bewegen (Abb. 1.10).

Der Verdrängerkolben ist frei im Zylinder platziert, so dass er von allen Seiten vom Arbeitsmedium umströmt werden kann, wie in Abb. 1.11, wobei die Wirkung des Verdrängerkolbens ohne Bezug auf den Arbeitskolben dargestellt ist.

Bewegt sich der Verdränger nach oben zum heißen Ende des Zylinders, gelangt das erwärmte Arbeitsmedium durch den Ringspalt an den Seitenwänden des Verdrängers in die kalte Kavität
Kolben. In diesem Fall sinkt der Druck des Arbeitsfluids aufgrund der Abkühlung. Im Zylinder befinden sich keine Ventile, wenn man also den geringen, fast vernachlässigbaren Druckabfall im Ringspalt um den Verdrängerkolben nicht berücksichtigt, ist der Druck in allen Bereichen des Zylinders gleich. Beim Bewegen zum unteren Totpunkt zwingt der Verdrängerkolben das Arbeitsfluid, durch den kalten Hohlraum und den Ringspalt um die Seitenfläche des Kolbens herum in den heißen Hohlraum zum Erwärmen zu gelangen. Seit at

Bei der Bewegung des Verdrängerkolbens ist der Druck an seinen beiden Enden immer gleich, für diese Bewegung wird keine Arbeit aufgewendet.

Die Bewegung von Verdränger- und Arbeitskolben ist phasenverschoben. Dies wird im Folgenden aus thermodynamischer Sicht erläutert. Es ist jedoch bereits leicht zu verstehen, dass sich nicht beide Kolben in derselben Phase befinden können, wenn sich das gesamte Arbeitsfluid in einer bestimmten Phase des Zyklus in einer heißen Kavität und in einer anderen Phase des Zyklus - in einer kalten - befinden muss. Um eine solche phasenverschobene Kolbenbewegung zu erhalten, ist es notwendig. einen Antriebsmechanismus, der sich von dem herkömmlichen unterscheidet. Ein Beispiel für einen von Stirling selbst verwendeten Mechanismus ist in Abb. 1.12.

Ein weiteres Element ist erforderlich, um den Stirling-Motor zu erhalten, wie er heute bekannt ist. Es ist ein Regenerator oder "Economizer", wie Stirling es ursprünglich nannte. Wenn der Verdrängerkolben das expandierende Arbeitsmedium in den kalten Hohlraum befördert (Abb. 1.11), muss es den heißen Hohlraum passieren, wo aufgrund der
Heizung erhält überschüssige Wärme, die zum Kühlschrank abgeführt werden muss. Nachdem das Arbeitsmedium verdichtet ist, gelangt es durch das kalte in die heiße Kavität und kühlt zusätzlich. Folglich gelangt das Arbeitsfluid kälter als erforderlich in den heißen Hohlraum und in den kalten - heißer.

Wird in den Ringspalt um den Verdrängerkolben ein Stahldrahtgewebe eingebaut, das vom Arbeitsmedium durchströmt wird, dann hat das Arbeitsmedium, das durch diesen Spalt vom heißen in den kalten Hohlraum gelangt, eine höhere Temperatur als das Gewebe und , daher wird dieses Gitter Wärme abgeben. In diesem Fall wirkt das Gitter als Vorkühler und reduziert die thermische Belastung des Hauptkühlers. Nach dem Kompressionsvorgang strömt das Arbeitsmedium in die heiße Kavität und erwärmt sich beim Passieren des Gewebes, dh es erhält wieder die zuvor an das Gewebe abgegebene Wärme. Der Regenerator fungiert nun als Vorwärmer und reduziert den erforderlichen Energieeinsatz. Das beschriebene System als Ganzes ist in Abb. 1.13.

Obwohl die in Abb. 1.13, findet in vielen Motoren praktische Anwendung, das Problem schnelle Überweisung Energie bleibt unaufgelöst, da noch die thermische Trägheit der Zylinderwände überwunden werden muss. Als Philips den Stirlingmotor aufrüstete, wurden Rohrbündelwärmetauscher für die Heizung und den Kühler verwendet, und obwohl dies eine Abdichtung des Verdrängerkolbens erforderte, wurde das Hauptziel erreicht. Der gesamte Arbeitszyklus kann nun anhand von Abb. 1.14. In Abb. 1.14 lassen sich die im Druck-Volumen-Diagramm (Abb. 1.9, a) dargestellten Komponenten der Prozesse des Arbeitszyklus leicht unterscheiden.

In Abb. 1 14 und der Arbeitskolben befindet sich in der äußersten unteren Position, der Verdränger befindet sich in der äußersten oberen Position und das gesamte Arbeitsfluid ist in einem kalten Hohlraum eingeschlossen. Dann beginnt sich der Arbeitskolben unter Einwirkung äußerer Kräfte nach oben zu bewegen, wobei das Arbeitsfluid im kalten Hohlraum komprimiert wird und die Temperatur des Arbeitsfluids auf einem minimalen Niveau gehalten wird. Bei Punkt 2 (Abb. 1.15) befindet sich der Verdrängerkolben noch in seiner obersten Stellung, der Arbeits
der Kolben beendet seine Aufwärtsbewegung und der Kompressionsvorgang endet (Abb. 1.14.6). Der Arbeitskolben bleibt in seinem oberen Totpunkt, und der Verdrängerkolben beginnt sich nach unten zu bewegen, wodurch das Arbeitsfluid in das Kühl-Regenerator-Heizsystem und weiter in den heißen Hohlraum befördert wird. Das Volumen des Arbeitsmediums bleibt dabei konstant, während der Druck ansteigt. Im Prozess zwischen den Punkten 2 und 3 wird Wärme vom Regenerator auf das Arbeitsmedium übertragen. Punkt 3 entspricht dem Aufenthalt des gesamten Arbeitsmediums in der heißen Kavität, bei

Dadurch bleibt der Arbeitskolben immer noch in seinem oberen Totpunkt. Dabei ist zu beachten, dass der Verdrängerkolben am Punkt 3 noch nicht seine tiefste Position erreicht hat.

Nun nimmt das im heißen Hohlraum befindliche Arbeitsmedium Wärme vom Rohrheizkörper auf und dehnt sich aus. Auf Verdränger- und Arbeitskolben wirkend, zwingt das sich ausdehnende Arbeitsfluid diese gemeinsam nach unten zu bewegen, bis sie ihre tiefste Position erreichen. Im Prozess zwischen den Punkten 3 und 4 wird positive Arbeit geleistet. Punkt 4 entspricht dem Verweilen beider Kolben in ihren unteren Totpunkten. Der Arbeitskolben verharrt weiterhin in dieser Position und der Verdrängerkolben bewegt sich nach oben und verdrängt das expandierte Arbeitsfluid durch das System Heizer - Regenerator - Kältemaschine in den kalten Hohlraum. In diesem Fall gibt das Arbeitsmedium den Rest seiner Wärme an den Regenerator ab. Bei Prozess 4 - 1 bleibt das Volumen unverändert und der Druck sinkt. So läuft der Stirling-Zyklus ab, wie er in zwei Zustandsdiagrammen dargestellt ist (Abb. 1.15).

Vergleicht man die Bewegung der Kolben relativ zueinander in aufeinanderfolgenden Prozessen (Abb. 1.14), so ist leicht zu erkennen, dass ihre Bewegung während des gesamten Zyklus nicht phasengleich ist.

Eine intermittierende Bewegung der Kolben ist notwendig, um sicherzustellen, dass ein solcher Zyklus wie oben beschrieben abläuft. Diese Schlussfolgerung lässt sich anhand des Diagramms der Kolbenbewegungen (Abb. 1.16) anschaulich veranschaulichen.

Reis. 1.15. Thermodynamische Zustandsdiagramme eines idealen Stirling-Zyklus.

Der Heißexpansionshohlraum wird durch ein variables Volumen definiert VE zwischen dem Zylinderkopf und dem oberen Ende des Verdrängerkolbens. Er wird allein durch die Bewegung des Verdrängerkolbens gebildet. Der Kaltverdichtungshohlraum wird durch das variable Volumen Vc zwischen dem unteren Ende des Verdrängerkolbens und dem oberen Ende des Arbeitskolbens bestimmt. Das Volumen des Erhitzers, des Kühlschranks, des Regenerators und der angrenzenden Rohre ist ein Nichtarbeitsvolumen und wird als Totraumvolumen (Totvolumen) bezeichnet. VD. Jedes Totvolumen reduziert die vom Motor erzeugte Leistung und muss auf das zulässige Minimum beschränkt werden Design-Merkmale Motor. Unter bestimmten Bedingungen kann die Erhöhung des Totvolumens jedoch die Effizienz des Motors erhöhen.

Nun gilt es, die Probleme der Thermodynamik, Gasdynamik und Wärmeübertragung zu betrachten, die für die Umsetzung des Stirling-Prinzips gelöst werden müssen. Auch nicht erobert
Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der hohen Komplexität des Antriebsmechanismus und der Notwendigkeit, einen ausreichenden Ausgleich des Motors zu gewährleisten.

In Abb. 1.16 zeigt die Abhängigkeit der Volumenänderung vom Kurbeldrehwinkel, bei der der ideale Stirling-Zyklus realisiert wird. Die Hauptfunktion des Antriebsmechanismus ist die genaueste Wiedergabe dieser Beziehung. Die vollständige Erfüllung der thermodynamischen Anforderungen ist jedoch nur mit der intermittierenden Bewegung der Kolben möglich, und mechanische Vorrichtung eine solche Bewegung nicht genau reproduzieren kann. Obwohl es im Prinzip möglich ist, einen Mechanismus zu schaffen, der das Gesetz der Volumenänderung nahezu ideal reproduziert, müssen andere Faktoren bei der Gestaltung berücksichtigt werden, nämlich: Einfachheit des Designs, Kompaktheit, dynamische Faktoren und die Möglichkeit, Einbau eines Dichtungssystems.

Je mehr bewegliche Teile im Antrieb vorhanden sind, desto geringer ist in der Regel der mechanische Wirkungsgrad; in diesem Fall können die Vorteile durch die Wiedergabe des nahezu idealen Volumenänderungsgesetzes durch den geringen Gesamtwirkungsgrad des Motors ausgeglichen werden. Außerdem erhöht die große Anzahl von Teilen die Herstellungskosten des Antriebsmechanismus, Gesamtkosten Stück- und Betriebskosten sowie eine Abnahme der Zuverlässigkeit gegenüber den Antrieben konventioneller Verbrennungsmotoren. Auch der Bauraum, in den der Stirling-Motor „passen“ kann, kann ein entscheidender Faktor sein, und das lässt dem Konstrukteur die Wahl, was er bevorzugen: einen voluminösen Antrieb, der fast perfektes Gesetz Volumenänderungen oder einen kompakteren Mechanismus, reproduziert jedoch das Gesetz der Volumenänderung mit geringerer Genauigkeit.

Die dynamischen Faktoren, die bei der Konstruktion berücksichtigt werden müssen, können in zwei Gruppen eingeteilt werden: in Bezug auf die dynamische Belastung und in Bezug auf das dynamische Auswuchten der beweglichen Teile des Motors. Dynamische Belastungen haben entscheidenden Einfluss auf die Bestimmung der Grundabmessungen des Stirlingmotors. Die thermodynamische Analyse des Motorbetriebs stellt bestimmte Anforderungen an das Arbeitsvolumen, die Länge des Pleuels usw., die jedoch quantitativ durch dimensionslose Parameter ausgedrückt werden und daher keine realen Abmessungen festlegen. Die Dimensionierung dieser Bauteile basiert auf anschließenden dynamischen Berechnungen, einschließlich der Ermittlung von Lagerbelastungen, der Höhe des Biegemoments am Pleuel usw.
de ist geräuschlos, und wenn darin ein schwingungsfreier (und damit dynamisch ausgewuchteter) Antrieb vorgesehen ist, erweitern sich die Möglichkeiten der praktischen Anwendung erheblich. Mehrere Antriebsmechanismen für Stirling-Motoren erfüllen diese Anforderungen.

Und schließlich tritt bei Stirling-Motoren mit großem Hubraum das Problem der Dichtungen auf, die die Motorzylinder vom Kurbelgehäuse trennen und das Kurbelgehäuse gegen Überdruck isolieren. Daher haben wir die wichtigsten Faktoren aufgelistet, die die Wahl eines Antriebsmechanismus für einen Stirlingmotor beeinflussen.

In Stirling-Motoren werden am häufigsten verwendet: krumm - Spike-Auswuchtmechanismus, Rhombenantrieb, Schrägscheibe und Kurbelmechanismus.

Der erste beim Stirlingmotor war ein Crooked-Spike-Balapsirp-Antrieb (Abb. 1.17), bei dem der Ausgleichsbalken über zwei Hebel mit dem Arbeits- und Verdrängerkolben angelenkt ist und der Arbeitskolben direkt von der Kurbelwelle angetrieben wird . Bei dieser Antriebsart ist ein Überdruck im Kurbelgehäuse unvermeidlich und daher nur für kleine Motoren geeignet. Ein solcher Antrieb bietet auch kein dynamisches Auswuchten des Einzylindermotors.

Die Leistungssteigerung des Stirling-Motors im Zuge seiner Verbesserung führte zur Notwendigkeit, die Zylinder vom Kurbelgehäuse zu isolieren, um Überdruck im Kurbelgehäuse zu vermeiden. Dieses Problem wird durch den Einbau eines Rhombenantriebs (Abb. 1.18) gelöst, der in den 50er Jahren von Philips entwickelt wurde. Der Vorteil eines solchen Antriebs ist auch die Möglichkeit des dynamischen Wuchtens, auch bei einem Einzylindermotor. Seine Hauptnachteile sind die Komplexität des Mechanismus, da er aus einer großen Anzahl von beweglichen Teilen, Reibflächen usw. besteht, und das Vorhandensein von zwei Zahnrädern, die in den Mechanismus eingreifen.

Die Schrägscheibe (Abb. 1.19) wird hauptsächlich in Motoren verwendet, die für den Einbau in Autos bestimmt sind, bei denen die Kompaktheit ein entscheidender Faktor ist Triebwerk... Ein solcher Mechanismus wird bei einem bestimmten Neigungswinkel der Unterlegscheibe dynamisch ausgeglichen. Es macht es auch einfach, die Zylinder vom Kurbelgehäuse zu isolieren. Beim Einbau des Motors in ein Auto tritt jedoch das Problem der Zuverlässigkeit der Dichtungen unter Bedingungen eines schnellen Wechsels einer großen Anzahl von Zyklen auf. Mit der schrägen Unterlegscheibe können Sie auch die Motorleistung steuern, indem Sie den Neigungswinkel der Unterlegscheibe ändern, was wiederum zu einer Änderung des Hubs der Motorkolben führt. In diesem Fall wird der Motor nur bei einem Wert des Scheibenwinkels dynamisch ausgewuchtet.

Der Kurbeltrieb (Abb. 1.20) wird seit vielen Jahren in Verbrennungsmotoren eingesetzt. Es ist äußerst zuverlässig und hat inzwischen viel Erfahrung in seiner Bedienung gesammelt. Dieser Mechanismus wird häufig in doppeltwirkenden Stirling-Motoren mit und ohne Kreuzkopf verwendet. Die Vorteile des Mechanismus sind seine Zuverlässigkeit und einfache Herstellung, jedoch ist ein dynamisches Auswuchten des Motors mit einem solchen Antriebsmechanismus praktisch unerreichbar.

Der Kurbeltrieb ist, wie wir sehen konnten, keine einfache Lösung des Antriebsproblems für den Fall, dass Arbeits- und Verdrängerkolben nacheinander in einem Zylinder angeordnet sind. Ein solcher Mechanismus ist jedoch weit verbreitet

Es wird in der Layout-Modifikation des Stirling-Motors mit Doppelzylinder verwendet. Bei dieser Modifikation wurden zunächst die Arbeits- und Verdrängerkolben verwendet, die sich in zwei Zylindern befinden, die durch ein kurzes Rohr verbunden sind (Abb. 1.21).

Im 19. Jahrhundert. ein solcher Motor wurde von Henrich und Robinson gebaut. In der Literatur über Stirlingmotoren wird diese Variante ab (> 0er unseres Jahrhunderts und darüber hinaus) oft als Gamma-Konfiguration bezeichnet.

Zweizylindermotoren wurden von Ryder vorgeschlagen, was zu einem deutlichen Anstieg der spezifische Leistung im Vergleich zu anderen Modifikationen des Stirling-Motors zu dieser Zeit. Seit dieser Zeit haben sich Zweizylindermotoren durchgesetzt. In der Modifikation von Ryder werden anstelle des Kolben-Verdränger-Systems zwei vollständig in den Zylindern abgedichtete Kolben verwendet. Wärmetauscher vom Typ "Heizung - Regenerator - Kühlschrank" sind zwischen zwei Zylindern eingebaut und bilden einen Verbindungskanal (Abb. 1.22).

Diese Anordnung hat die Möglichkeiten zum Erstellen verschiedener Motorkonfigurationen erweitert, die das Stirling-Prinzip implementieren; zum Beispiel können Zylinder horizontal oder vertikal, parallel zueinander, in Form des Buchstabens V (Abb. 1.23) und in anderen Schemata aneinander angeordnet werden.

Alle oben genannten Motoren sind in ihrem allgemeinen Funktionsprinzip einfachwirkende Motoren. Hervorzuheben ist, dass sich dieser Name auf den Motor und nicht auf den Kolben bezieht, denn obwohl
der Verdrängerkolben kann eine Doppelwirkung erzeugen, wobei seine Ober- und Unterseite die Bewegung des Gases steuern, der Motor als Ganzes kann immer noch als Motor definiert werden einfache Aktion... Die Begriffe "Motor"

Einfachwirkender "" und "doppeltwirkender Motor" in Bezug auf Stirling-Motoren werden verwendet, um den Motor als Ganzes zu charakterisieren. Zum Beispiel, wie unten gezeigt, keine

Wie viele einfachwirkende Einheiten können in einem doppeltwirkenden Motor kombiniert werden. Wir verdeutlichen diese Methode am Beispiel der von Ryder vorgeschlagenen Anordnung der Zylinder, auch Alpha-Layout-Modifikation genannt (Abb. 1.24).

Der einfachwirkende Zyklus wird durch die kombinierte Wirkung der oberen Fläche eines Kolbens und der unteren Fläche bereitgestellt

Nase eines anderen Kolbens in benachbarten Zylindern. Zwischen diesen beiden Zylindern zirkuliert das Arbeitsfluid. Es bewegt sich nicht durch das gesamte System - vom ersten bis zum vierten Zylinder. Somit wirkt der Kolben in jedem Zylinder sowohl als Arbeits- als auch als Verdrängerkolben und gleichzeitig

Jeder Kolben ist gleichzeitig an zwei Arbeitszyklen beteiligt. Folglich laufen bei einer Vierzylinderanordnung (Abb.1.24) vier separate Zyklen gleichzeitig ab:

Dieser Stirling-Motor wurde ursprünglich von dem englischen Ingenieur Siemens und unabhängig von den niederländischen Ingenieuren Reeny und Van Veen während ihrer Amtszeit bei Philips vorgeschlagen, wo er verbessert wurde. Der doppeltwirkende Motor ist besonders effizient in mechanischen Krafterzeugern ■ wegen seines hohen Leistungsgewichts, da der Kolben bei jeder Kurbelwellenumdrehung in jedem Zylinder einen vollen Hub ausführt.

Dies bedeutet, dass der Kolben bei einem doppeltwirkenden Motor zwei Funktionen hat (oder eine Doppelfunktion hat):

1) Befüllen mit dem Arbeitsfluid von zwei Hohlräumen mit variablem Volumen und Verdrängen des Arbeitsfluids aus diesen Hohlräumen;

2) Kraftübertragung auf die Abtriebswelle.

Doppeltwirkende Stirling-Motoren müssen zwangsläufig mehrzylindrisch sein, da mindestens drei Kolben erforderlich sind, um phasenverschobene Expansions- und Kompressionsprozesse zu erreichen (die Notwendigkeit einer solchen Verschiebung wurde bereits erwähnt). In der Praxis werden jedoch üblicherweise mindestens vier Kolben verwendet, die mit einer Kurbelwelle verbunden sind, wobei benachbarte Kolben paarweise zusammenwirken, wodurch eine Doppelwirkung erreicht wird. Doppeltwirkende Motorantriebe müssen. die beiden oben genannten Funktionen ausführen. Am geeignetsten scheint hierfür eine konventionelle mehrgelagerte Kurbelwelle eines Reihenmotors zu sein.

Reis. 1.26. Koaxialkonfiguration] RIS "L25) - Diese Art von Mechanismus ist ein spezieller doppeltwirkender Motor, der besonders für große Antriebsstränge geeignet ist.

Die beste Kompaktheit bietet die Anordnung der Zylinder im Quadrat, die sogenannte koaxiale Anordnung (Abb. 1.26), die nicht nur den Einsatz ermöglicht gemeinsames System Verbrennung, sondern auch anwenden Verschiedene Arten Antriebsmechanismen. Die meisten für solche Motoren geeigneten Antriebsarten sind Modifikationen des krummen Pleuelstangenmechanismus, jedoch haben die Firmen "Philips", "General Motors" und "Ford" erhebliche Anstrengungen unternommen, um den Mechanismus mit einer schrägen Unterlegscheibe zu verbessern . Die optimale Auslegung dieser Antriebsart sorgt für einen mechanischen Wirkungsgrad. über 90%.

Stirlingmotorkonfigurationen in Kombination mit verschiedenen Antriebsmechanismen sind in Abb. 1 gezeigt. 1.27. Der Grund für die Wahl des einen oder anderen Antriebsmechanismus ist natürlich nicht nur seine Kompaktheit, sondern auch andere Faktoren. Diese Faktoren werden ausführlich in Abschn. 2.5.

Bei allen bisher betrachteten Motoren wurden Antriebe verwendet, bei denen die Kolben über verschiedene kinematische Lenker starr miteinander verbunden sind und diese Lenker wiederum starr mit der Abtriebswelle verbunden sind, die der Übertragung mechanischer Energie aus dem Motor. Der Stirling-Motor kann ohne mechanisches
. ui Hi zwischen den Kolben. In diesem Fall sind Arbeiter und Verdränger iii. iii Kolben werden Freikolben genannt. Dieses Konzept Tsii kann nicht nur in Starinna-Motoren verwendet werden, sondern nur in Bezug auf solche Motoren. erfolgreich umsetzen. Zum ersten Mal hat er es in die Realität umgesetzt

Ich bin". 1.38. Fluidine-Motoroptionen mit verschiedenen Möglichkeiten der Energieübertragung.

Ra. Druckstoß; b Schwingstange; c - Jetstream; 1 - heiße Tante; 2 - kalter Hohlraum; 3-Scharnier; 4- Rückstellfeder.

„■ Thema. Das System macht Winkelbewegungen, und da die "Temp"-Struktur starr ist, werden diese Winkelbewegungen auf die Säulen des Verdrängerfluids übertragen, wo sie viskose Verluste neutralisieren und stabile Schwingungen aufrechterhalten.

Sowohl das Fluidine-Triebwerk als auch das ii- und das Differenzdruck-Triebwerk verfügen über eine integrierte Kaltkammer, an deren Basis die Kalt- und Auslassleitung mit der Heißleitung verbunden ist, die einen Strahleffekt erzeugt.
Meniskus im heißen Hohlraum, ein Teil der Flüssigkeit wird in den kalten Hohlraum umgelenkt, wodurch sich die Flüssigkeitssäule im kalten Rohr nach oben bewegt, und beim Rückhub bewirkt die in das heiße Rohr eintretende Flüssigkeit die Strömung vom kalten Rohr zum im Verdränger mit Beschleunigung bewegen. Dadurch wird sowohl der Aufschlag als auch der Abschlag erreicht.

Reis. 1.39. Aufeinanderfolgende Phasen des "Selbststarts" des "Fluidine" -Motors.

A - Ausgangsposition vor dem Start; b - Expansionsphase; c - primäres Überschwingen: g - sekundäres Überschwingen; e - Selbsterregungsphase.

Die Wirkung von reaktiven s, wahr. Die realen Vorgänge in dieser hydraulischen Verbindung sind jedoch noch nicht ausreichend untersucht. Trotzdem ist die Jet-Version die gebräuchlichste unter den Fluidine-Motoren. Der Arbeitszyklus eines Strahltriebwerks wird unten diskutiert.

Betrachten wir nun die Vorgänge, die beim Starten des Fluidine-Motors sequentiell ablaufen, genauer, da eine seiner wichtigsten Eigenschaften die Möglichkeit des „Selbststarts“ ist.

Der Ablauf beim Selbststart ist in Abb. 1.39. In der Vorstartstellung Flüssigkeitsstände huh2 und h3 werden durch die Werte des statischen Drucks in den Rohren bestimmt. Wenn der Druck in den Arbeitsräumen zu
Wenn die Lautstärke gleich der atmosphärischen ist, sind alle Pegel gleich (beachten Sie, dass die Pegel hi und h2 in diesem Moment immer gleich sind). Wenn dem rechten Rohr 1 Wärmeenergie zugeführt wird, erhöht sich die Temperatur des Arbeitsmediums und es dehnt sich aus. Auch der Druck in den Arbeitsräumen steigt an und dadurch beginnen auch die Flüssigkeitsstände in der Warm- und Kaltleitung zu sinken, gleichzeitig steigt der Flüssigkeitsstand in der Auslaufleitung. Dabei ist zu beachten, dass alle Änderungen der die Füllstände sind sehr gering Die Primärexpansion führt erst nach Erreichen eines kritischen Parameterhubs zum Selbststart des Gerätes Tss , abhängig von den Hauptwerten der Parameter, die die Betriebsbedingungen des Motors bestimmen:

Diese Formel basiert auf einer Analyse des in Abschn. 1.6. Für die meisten Motoren "Flui - 1ain" Tss ~ 0.1.

Am Ende der Primärexpansionsphase steigt der Flüssigkeitsspiegel im Auslaufrohr aufgrund der Trägheit der bewegten Flüssigkeit weiter an. Der Flüssigkeitsspiegel auf der heißen Seite sinkt weiter, bis ein Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und Arbeitsmedium erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt ist der Flüssigkeitsspiegel im Kaltseitenrohr höher als im Heißseitenrohr. Dieser Zustand, der aus einer Abfolge von Phasen besteht, die sich beim Anlassen des Motors gegenseitig ersetzen, wird als "primäres Überschwingen" bezeichnet.

Sobald die Schwerkraft die Aufwärtsbewegung der Flüssigkeit im Auslaufrohr stoppt, stabilisiert sich auch der Flüssigkeitsspiegel auf der heißen Seite; gleichzeitig besteht die Tendenz, die Flüssigkeitsstände auf der heißen und kalten Seite anzugleichen. Dadurch steigt der Flüssigkeitsspiegel im Heißrohr, während er im Auslauf sinkt. Gleichzeitig nehmen das Volumen des erhitzten Gases und sein Druck im Arbeitshohlraum aufgrund einer Temperaturabnahme in diesem Hohlraum aufgrund eines Anstiegs des Flüssigkeitsspiegels im heißen Rohr und einer entsprechenden Abnahme der Arbeitsmenge ab Gas erhitzt wird. Begünstigt werden diese Vorgänge durch die anhaltende Abwärtsbewegung des Flüssigkeitsspiegels im Auslaufrohr, die eine erhebliche dynamische Fallhöhe in der hydraulischen Verbindung und eine zusätzliche Erhöhung des Pegels im Rohr auf der heißen Seite bewirkt. Zusammen führen diese Prozesse dazu, dass der Flüssigkeitsspiegel im Rohr auf der heißen Seite höher ansteigt als in den anderen beiden Rohren. Dieser Zustand wird als sekundäres Überschwingen bezeichnet. Es führt zu einer weiteren Erhöhung des Gravitationspotentials zwischen den Menisken.

Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das System in einem instabilen Gleichgewicht und die Flüssigkeitsspiegel beginnen sich in Richtung eines stabilen Gleichgewichts zu bewegen. Der Flüssigkeitsspiegel auf der heißen Seite wird abgesenkt, wodurch mehr Arbeitsflüssigkeit Energie aus der Energiequelle aufnehmen kann. Der Arbeitskörper dehnt sich aus und der Prozess beginnt von neuem,

Allerdings werden die Schwingungen nun selbsterregt und stabil.

Der oben beschriebene Arbeitszyklus hat die gleiche physikalische Grundlage wie der Zyklus für ein Doppel-U-Rohrsystem.

Fluidine kann sowohl im Nass- als auch im Trockenmodus betrieben werden. Im ersten Fall besteht ein Kontakt zwischen dem verdrängten Fluid und dem Arbeitsfluid. Im zweiten Fall werden die Oberflächen der Flüssigkeit und des Arbeitsgases entweder durch eine "Inertgasschicht" oder durch einen mechanischen Schwimmer getrennt. In Fluidine wird Energie in Form von Flüssigkeitsvibrationen im Auslassrohr erzeugt, was besonders praktisch ist, um den Motor als Gebläse zu verwenden. (Die Geschichte der Technik kennt ein sehr ähnliches Gerät - eine Humphrey-Pumpe mit offenem Kreislauf.) Der Pumpeffekt wird auf zwei Arten erreicht, die als direktes und indirektes Pumpen bekannt sind. Im ersten Fall wird das Auslass- oder Resonanzrohr vollständig in den Förderteil der Pumpe umgewandelt, während bei der indirekten Einspritzung das Resonanzrohr in seiner ursprünglichen Form bleibt und die Einspritzwirkung über einen separaten Kanal erreicht wird, der mit der Pumpe verbunden ist kalte Kavität (Abb. 1.40, 1.41) ...

Bei indirekter Förderung ist eine „Selbst-TanycK“ schwierig durchzuführen und es sind spezielle Zusatzeinrichtungen erforderlich, wie z.

Es ist auch zu beachten, dass im "nassen" "Fluidin" Regeneratoren mit Düsen nicht installiert werden können, da sie in der Nebelatmosphäre nicht sehr effektiv sind

In Flüssigkeitsdämpfen. Das Fehlen eines Regenerators im "nassen" "Fluy-1ain" kann wahrscheinlich erklären, warum solche Motoren einen sehr geringen Wirkungsgrad haben. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass das "nasse" "Fluidin" nur bei Temperaturen in der Größenordnung von 350 K (77 ° C) arbeiten kann und die Temperaturdifferenz bei der Wärmezufuhr und -abfuhr nicht mehr als 25 ° C beträgt. Unter diesen Bedingungen beträgt die Effizienz des Carnot-Zyklus weniger als 10 %.

Die oben diskutierten 15 Stirling-Motoren verwendeten ein gasförmiges Arbeitsfluid; auch im "nassen" "Fluidin" ist das Arbeitsmedium in den allermeisten Fällen gasförmig. Derzeit werden Vorschläge für den Einsatz von Arbeitsflüssigkeiten mit wechselndem Phasenzustand gemacht, wie sie beispielsweise in Dampfmaschinen und Dampfturbinen verwendet werden, aber es gibt noch keine Informationen, dass solche Vorrichtungen erfolgreich funktionieren oder zumindest entwickelt wurden. Bereits in den 30er Jahren baute der englische Ingenieur Malone einen Hubkolben mit geschlossenem Nickel, wobei eine Flüssigkeit als Arbeitsflüssigkeit verwendet wurde. Walker schlägt vor, dass der Malone-Motor tatsächlich ein Stirling-Motor ist, und Malones einzige Veröffentlichung scheint weitere Beweise zu liefern.

4 Zak. 839 für diese Annahme. Eine sorgfältigere Analyse und anschließende ausführliche Diskussion dieses Themas in einem auf diesem Gebiet tätigen Forscherteam unter der Leitung von Prof. Wheatley von der University of California (San Diego, USA) zu dem Schluss, dass der Malone-Motor höchstwahrscheinlich in einem ähnlichen Zyklus wie ein Stirling-Motor arbeitet, jedoch mit erheblichen Unterschieden. Gleichzeitig kann der Malone-Motor nach einer leichten Modifikation genau dem Stirling-Motor entsprechen. Dennoch bleiben eine Reihe von Fragen zu den Funktionsprinzipien des Malone-Motors selbst in seiner ursprünglichen Form unklar, sodass wir es für verfrüht halten, den Versuch zu unternehmen, seinen Betriebszyklus zu beschreiben.

Die Arbeitszyklen verschiedener Formen des Stirlingmotors, die thermische Energie in mechanische Energie umwandeln, wurden von uns bereits beschrieben. Alle diese Motoren haben die gleichen Grundprinzipien der Funktionsweise, es gibt jedoch einige Unterschiede in der Konstruktion, insbesondere bei der Nutzung der erzeugten Energie. Die schematischen Darstellungen und detaillierten Beschreibungen sind zwar sehr hilfreich, um das Verständnis der Grundprinzipien dieser Motoren zu erleichtern, machen es jedoch nicht immer einfacher, festzustellen, ob es sich um einen Stirling-Motor handelt. Im nächsten Abschnitt werden Fotos und Beschreibungen von bereits gebauten Stirling-Motoren verschiedener Typen gegeben, die diese Schwierigkeiten beseitigen.

1. Einleitung ………………………………………………………………………… 3

2. Geschichte ………………………………………………………………………… 4

3. Beschreibung ………………………………………………………………………… 4

4. Konfiguration …………………………………………………………………. 6

5. Nachteile …………………………………………………………………… .. 7

6. Vorteile ………………………………………………………………… 7

7. Bewerbung ………………………………………………………………………. acht

8. Fazit ………………………………………………………………………. elf

9. Referenzen ……………………………………………………… .. 12

Einführung

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts blickt die Menschheit optimistisch in die Zukunft. Dafür gibt es die zwingendsten Gründe. Das wissenschaftliche Denken steht nicht still. Heute werden uns immer mehr Neuentwicklungen angeboten. Immer mehr wirtschaftliche, umweltfreundliche und zukunftsträchtige Technologien halten Einzug in unser Leben

Dies gilt in erster Linie für den alternativen Motorenbau und die Nutzung der sogenannten „neuen“ alternativen Kraftstoffe: Wind, Sonne, Wasser und andere Energieträger.

Dank Motoren aller Art erhält ein Mensch Energie, Licht, Wärme und Informationen. Motoren sind das Herz, das mit der Entwicklung der modernen Zivilisation schlägt. Sie sorgen für das Wachstum der Produktion, verkürzen die Distanz. Die derzeit weit verbreiteten Verbrennungsmotoren haben eine Reihe von Nachteilen: Ihr Betrieb wird von Lärm und Vibrationen begleitet, sie emittieren schädliche Abgase, verschmutzen dadurch unsere Natur und verbrauchen viel Kraftstoff. Aber heute gibt es bereits eine Alternative zu ihnen. Die Klasse der Motoren, deren Schaden minimal ist, sind Stirling-Motoren. Sie arbeiten in einem geschlossenen Kreislauf, ohne ständige Mikroexplosionen in den Arbeitszylindern, praktisch ohne Freisetzung schädlicher Gase und verbrauchen deutlich weniger Kraftstoff.

Lange vor Verbrennungsmotor und Diesel erfunden, geriet der Stirlingmotor zu Unrecht in Vergessenheit.

Die Wiederbelebung des Interesses an Stirling-Motoren wird normalerweise mit den Aktivitäten von Philips in Verbindung gebracht. Die Arbeit an der Konstruktion von Stirling-Motoren mit geringer Leistung begann im Unternehmen Mitte der 30er Jahre des 20. Jahrhunderts. Ziel der Arbeiten war die Schaffung eines kleinen elektrischen Generators mit niedrigem Geräuschpegel und einem thermischen Antrieb zur Stromversorgung von Funkgeräten in Gebieten der Welt ohne regelmäßige Stromversorgung. 1958 schloss General Motors einen Lizenzvertrag mit Philips, und ihre Beziehung dauerte bis 1970. Die Entwicklungen bezogen sich auf den Einsatz von Stirling-Motoren für Weltraum- und Unterwasserkraftwerke, Autos und Schiffe sowie für stationäre Stromversorgungssysteme. Das schwedische Unternehmen United Stirling, das sich hauptsächlich auf Motoren für schwere Nutzfahrzeuge konzentriert, hat seine Interessen auf den Bereich Pkw-Motoren ausgeweitet. Das eigentliche Interesse am Stirlingmotor wurde erst während der sogenannten "Energiekrise" wiederbelebt. Damals erschien das Potenzial dieses Motors in Bezug auf den wirtschaftlichen Verbrauch von konventionellem Flüssigkraftstoff besonders attraktiv, was im Zusammenhang mit den gestiegenen Kraftstoffpreisen sehr wichtig erschien.

Geschichte

Der Stirling-Motor wurde erstmals am 27. September 1816 vom schottischen Priester Robert Stirling patentiert (englisches Patent Nr. 4081). Die ersten elementaren „Heißluftmaschinen“ waren jedoch Ende des 17. Jahrhunderts, lange vor Stirling, bekannt. Stirlings Leistung ist die Zugabe eines Reinigers, den er "Economy" nennt. In der modernen wissenschaftlichen Literatur wird dieser Reiniger als "Regenerator" (Wärmetauscher) bezeichnet. Es erhöht die Leistung des Motors, indem es Wärme im warmen Teil des Motors einschließt, während das Arbeitsfluid gekühlt wird. Dieser Prozess verbessert die Effizienz des Systems erheblich. 1843 verwendete James Stirling diesen Motor in einer Fabrik, in der er damals als Ingenieur arbeitete. 1938 investierte Philips in einen Stirling-Motor mit einer Leistung von mehr als zweihundert PS und einer Rendite von über 30 %. Der Stirlingmotor hat viele Vorteile und war im Zeitalter der Dampfmaschinen weit verbreitet.

Beschreibung

Stirling-Motor- eine Wärmekraftmaschine, in der sich ein flüssiges oder gasförmiges Arbeitsmedium in einem geschlossenen Volumen bewegt, eine Art externer Verbrennungsmotor. Es basiert auf einer periodischen Erwärmung und Abkühlung des Arbeitsmediums mit Energieentzug aus der resultierenden Volumenänderung des Arbeitsmediums. Es kann nicht nur von der Brennstoffverbrennung, sondern auch von jeder Wärmequelle arbeiten.

Im 19. Jahrhundert wollten Ingenieure eine sichere Alternative zu den damaligen Dampfmaschinen schaffen, deren Kessel aufgrund hoher Dampfdrücke und ungeeigneter Baumaterialien oft explodierten. Eine gute Alternative zu Dampfmaschinen erschien mit der Schaffung von Stirling-Motoren, die jeden Temperaturunterschied in Arbeit umwandeln konnten. Das Grundprinzip des Betriebs des Stirlingmotors besteht darin, das Arbeitsmedium in einem geschlossenen Zylinder ständig abwechselnd zu erwärmen und zu kühlen. Als Arbeitsmedium dient in der Regel Luft, aber auch Wasserstoff und Helium werden eingesetzt. In einer Reihe von Versuchsproben wurden Freone, Stickstoffdioxid, verflüssigtes Propan-Butan und Wasser getestet. Im letzteren Fall bleibt Wasser in allen Teilen des thermodynamischen Kreislaufs in flüssigem Zustand. Die Besonderheit des Stirlings mit flüssigem Arbeitsmedium ist seine geringe Größe, hohe Leistungsdichte und hohe Arbeitsdrücke. Es gibt auch ein Styling mit einem zweiphasigen Arbeitsfluid. Es zeichnet sich zudem durch eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Arbeitsdruck aus.

Aus der Thermodynamik ist bekannt, dass Druck, Temperatur und Volumen eines Gases zusammenhängen und dem Gesetz der idealen Gase folgen

• P der Gasdruck ist;
• V ist das Gasvolumen;
• n die Anzahl der Gasmole ist;
• R die universelle Gaskonstante ist;
• T ist die Gastemperatur in Kelvin.

Dies bedeutet, dass das Volumen des Gases beim Erhitzen zunimmt und beim Abkühlen abnimmt. Es ist diese Eigenschaft von Gasen, die dem Betrieb des Stirlingmotors zugrunde liegt.

Der Stirling-Motor verwendet den Stirling-Zyklus, der dem Carnot-Zyklus in Bezug auf die thermodynamische Effizienz nicht nachsteht und sogar einen Vorteil hat. Der Punkt ist, dass der Carnot-Zyklus aus wenig unterschiedlichen Isothermen und Adiabaten besteht. Die praktische Umsetzung dieses Zyklus ist wenig erfolgversprechend. Der Stirling-Zyklus ermöglichte es, einen praktisch funktionierenden Motor in akzeptablen Abmessungen zu erhalten.

Der Stirling-Zyklus besteht aus vier Phasen und ist in zwei Übergangsphasen unterteilt: Erwärmung, Expansion, Übergang zu einer Kältequelle, Abkühlung, Kompression und Übergang zu einer Wärmequelle. Somit dehnt sich das Gas im Zylinder beim Übergang von einer warmen Quelle zu einer kalten Quelle aus und zieht sich zusammen. Die Differenz der Gasmengen kann in Arbeit umgewandelt werden, was der Stirling-Motor tut. Arbeitszyklus des Beta-Stirling-Motors:

1

2

3

4

wo: a - Verdrängerkolben; b - Arbeitskolben; c - Schwungrad; d - Feuer (Heizbereich); e - Kühlrippen (Kühlbereich).

1. Eine externe Wärmequelle erwärmt das Gas am Boden des Wärmetauscherzylinders. Der erzeugte Druck drückt den Arbeitskolben nach oben (beachten Sie, dass der Verdrängerkolben nicht an den Wänden anliegt).
2. Das Schwungrad drückt den Verdrängerkolben nach unten und befördert dadurch die erwärmte Luft von unten in die Kühlkammer.
3. Die Luft kühlt ab und zieht sich zusammen, der Kolben geht nach unten.
4. Der Verdrängerkolben bewegt sich nach oben, wodurch die gekühlte Luft nach unten bewegt wird. Und der Zyklus wiederholt sich.

Bei einer Stirlingmaschine ist die Bewegung des Arbeitskolbens um 90° gegenüber der Bewegung des Verdrängerkolbens verschoben. Je nach Vorzeichen dieser Verschiebung kann die Maschine ein Motor oder eine Wärmepumpe sein. Bei einer Verschiebung von 0 verrichtet die Maschine keine Arbeit (außer Reibungsverlusten) und erzeugt diese auch nicht.

Beta-Stirling- es gibt nur einen Zylinder, an einem Ende heiß und am anderen kalt. Ein Kolben (von dem die Leistung entfernt wird) und ein "Verdränger" bewegen sich im Zylinder und verändern das Volumen des heißen Hohlraums. Das Gas wird vom kalten zum heißen Ende des Zylinders durch den Regenerator gepumpt. Der Regenerator kann extern, Teil eines Wärmetauschers oder mit einem Verdrängerkolben kombiniert sein.

Gamma-Stirling- es gibt auch einen Kolben und einen "Verdränger", aber gleichzeitig gibt es zwei Zylinder - einen kalt (der Kolben bewegt sich dorthin, von dem die Kraft abgenommen wird), und der zweite ist von einem Ende heiß und vom anderen kalt (dort bewegt sich ein "Verdränger"). Der Regenerator verbindet den heißen Teil des zweiten Zylinders mit dem kalten und gleichzeitig mit dem ersten (kalten) Zylinder.