С О Д Е Р Ж А Н И Е
В в е д е н н я
1. Що являє собою двигун Стірлінга
2. Класифікація двигунів
3. Схема роботи двигуна Стірлінга
4. Робочі характеристики та особливості конструкції
5. Нарис розвитку двигуна Стірлінга
6. Області застосування
6-1. Автомобільні двигуни
6-2. Кріогенні газові машини
6-3. Рефрижераторні установки
6-4. Електрогенератори малої потужності
6-5. Двигуни для морських суден
6-6. Підводні енергетичні системи
6-7. Сонячні енергетичний установки
6-8. Механічний привід в апаратах «штучне
серце
6-9. Універсальні енергетичні системи
З а к л ю ч е н н я
Л і т е р а т у р а
П р и л о ж е н н я
В В Е Д Е Н Н Я
На рубежі століть людство дивиться в майбутнє з надією. Надія ця цілком виправдана: наукова думка не стоїть на місці, навпаки, пропонує все нові і нові розробки, впроваджуючи в наше життя все більш економічні, екологічно безпечні та перспективні технології.
Повною мірою це стосується альтернативного двигунобудування і використання так званих "нових" альтернативних видів палива: вітру, сонця, води та інших джерел енергії.
Двигуни - серце сучасної цивілізації. Вони забезпечують зростання виробництва, скорочують відстані. Завдяки їм людина отримує енергію, світло, тепло, інформацію, Найбільш поширені в даний час двигуни внутрішнього згоряння мають ряд істотних недоліків: їхня робота супроводжується шумом, вібраціями, вони виділяють шкідливі відпрацьовані гази і споживають багато палива. Відомий клас двигунів, шкода від яких є мінімальним, - це двигуни Стірлінга. Вони працюють у замкнутому циклі, без безперервних мікровзривов в робочих циліндрах, практично без виділення шкідливих газів, та й палива їм потрібно значно менше.
Двигун Стірлінга був винайдений 21 вересня 1816г. в Единбурзі, столиці Шотландії Робертом Стірлінгом. Це було приблизно за 80 років до дизеля, і тому двигун Стірлінга користувався значною популярністю та початку ХХ століття.
В 1816 році Стірлінг отримав патент на «машину, яка виробляє рушійну силу за допомогою нагрітого повітря». У 1827 і 1840 роках він отримує ще два патенти на вдосконалені варіанти своєї машини. А в 1845 році на ливарному заводі в Данії була запущена машина Стірлінга, потужністю 50 індикаторних кінських сил, яка пропрацювала протягом трьох років.
Довгий час після цього Двигуни Стірлінга не будувалися. І тільки в 1890 році було випущено кілька зразків таких машин малої потужності. З кінця XIX століття, у зв'язку з успіхами в розвитку двигунів внутрішнього згоряння та відсутності відповідних конструкційних матеріалів значною мірою ускладнило його подальше вдосконалення, інтерес до двигуна Стірлінга втратиться остаточно, і тільки з 1938 року почалося її відродження. У 50-ті роки ХХ століття швидкий розвиток технології виробництва різних матеріалів знову відкрило перед двигуном Стірлінга деякі перспективи, проте справжній інтерес до нього відродився тільки в часи так званого "« енергетичної кризи ». Саме тоді особливо привабливими здалися потенційні можливості цього двигуна відносно економічного споживання звичайного рідкого палива, що видавалося особливо важливим у період зростання цін на паливо в геометричній прогресії.
1. Що являє собою двигун Стірлінга?
Двигун Стірлінга - це машина, яка працює по замкнутому термодинамічні цикли, в якій циклічні процеси стиснення і розширення відбуваються при різних рівнях температур, а управління потоком робочого тіла здійснюється шляхом зміни його обсягу. Робота двигунів характеризується
1) Високими значеннями середнього тиску газу;
2) Вільним від масла робочим простором;
3) Відсутністю клапанного механізму;
4) Передачею тепла через стінки циліндра або теплообмінник.
Дане визначення є узагальненою для великого сімейства машин Стірлінга, що розрізняються за своїми функціями, характеристиками і конструктивним схемам. Ці двигуни можуть бути роторними і поршневими різного ступеня складності. Зазначені машини здатні працювати як двигуни, теплові насоси, холодильні установки і генератори тиску. Разом з тим, існують машини, що працюють з відкритого циклу, в яких управління потоком робочого тіла здійснюється за допомогою клапанів. Такі машини більш точно можуть бути названі двигунами Еріксона - на ім'я винахідника.
Між двома типами цих машин, як правило, не робиться ніякої різниці, тому назва "двигун Стірлінга" вживається для всіх без винятку регенеративних машин.
Двигун Стірлінга представляє собою перетворювач енергії, що відноситься до типу теплових двигунів, що здійснюють механічну роботу на вихідному валу при підводі до них теплової енергії. Корисна робота в робочому циклі Стірлінга відбувається, як і в інших теплових двигунах, за допомогою стискання робочого тіла (гелій, водень) при низькій температурі і розширення того ж робочого тіла після нагрівання при більш високій температурі. Основні термодинамічні процеси, що протікають у звичайних теплових двигунах: стиснення газу, поглинання тепла, розширення газу і відведення тепла, легко помітні і в циклі двигуна Стірлінга, однак є радикальне відмінність у тому, як протікає процес поглинання тепла в двигуні внутрішнього згоряння (ДВЗ).
У ДВС розпорошену паливо з'єднується з окислювачем, як правило повітрям, до фази стиснення або після цієї фази, і що утворилася горюча суміш віддає свою енергію під час короткочасної фази горіння (згорання), у той час як в двигуні Стірлінга енергія надходить у двигун і відводиться від нього через стінки циліндра або теплообмінник (Схема 1). Ще однією істотною відмінністю між двигуном внутрішнього згорання і двигуном Стірлінга є відсутність в останньому клапанів або отворів для впуску та випуску, оскільки робоче тіло (газ) постійно знаходиться в порожнинах двигуна.
Швидкість двигуна Стірлінга можна регулювати, змінюючи кількість газу в двигуні або величину середнього тиску. Застосовуючи ці засоби регулювання швидкості, необхідно передбачити клапанний механізм з відповідною системою патрубків, що примикають до циліндрів, але не складових з ними одне ціле. При цьому клапанний механізм має інше призначення та інші характеристики у порівнянні з клапанним механізмом двигуна внутрішнього згорання.
Робота двигуна Стірлінга по замкнутому циклу визначає як його переваги, так і недоліки. Наприклад, оскільки робочий газоподібне тіло постійно знаходиться в порожнині двигуна, відвід невикористаного тепла в атмосферу повністю здійснюється через теплообмінник, в той час як у двигунах, що працюють за незамкнутого циклу, проводиться також випуск гарячих газів з циліндрів. Тому в порівнянні з двигуном внутрішнього згоряння двигуна Стірлінга потрібна більш розвинена система охолодження, як це видно зі структури енергетичного балансу (Схема 2). У системах, призначених для транспортних засобів, де економія займаного двигуном обсягу є визначальним фактором, необхідність використання радіатора зі збільшеним робочим об'ємом є недоліком, в той же час це може стати перевагою в системах, які споживають всю енергію, і в теплових насосах, де холодильник великих розмірів може збільшити ККД системи.
Відсутність клапанів в основному корпусі двигуна Стірлінга істотно і робота без періодичних вибухів означають, що усунені основні джерела шуму, як газодинамічного, так і механічного. Це робить двигун Стірлінга істотно менш гучним, ніж інші пристрої для вироблення механічної енергії зі зворотно-поступальним рухом, і тим самим більш прийнятним з точки зору соціальних вимог, а також перспективним для застосування у військових цілях.
Хоча двигун Стірлінга і отримує енергію ззовні, його не можна з достатньою строгістю назвати двигуном зовнішнього згоряння, оскільки будь-яке джерело тепла з відповідною температурою, наприклад сфокусована сонячна енергій, що акумулюється теплова енергія, теплова енергія, що виділяє при горінні металу, ядерна енергія і т.п. може бути використана для цієї мети. В даний час в більшості установок з двигунами Стірлінга застосовується рідке паливо з-за простоти його використання і з-за вимог, обумовлених конкретним призначенням установки.
У двигунах Стірлінга застосовуються регенеративні теплообмінники (регенератори), розміщені в каналах, по яких газ переміщається між гарячою і холодною зонами рухової установки. Функцією регенератора є почергове накопичення і повернення частини теплової енергії, отриманої в робочому циклі двигуна. Передача енергії пульсуючому газового потоку повинна відбуватися таким чином, щоб звести до мінімуму підведення тепла до установки і в той же час підтримувати на заданому рівні потужність, знімаємо з валу. Результатом дії регенератора є зростання ККД циклу, тому теплообмінник такого типу - суттєвий елемент будь-якого двигуна Стірлінга, розрахованого на практичне застосування.
Таким чином, правильніше визначити двигун Стірлінга як тепловий двигун, що працює по замкнутому циклу регенеративної (Схема 3). В основі конструкції рухової установки Стірлінга лежать принцип розподілу гарячої та холодної робочих порожнин і спосіб, за допомогою якого робоче тіло прямує з однієї порожнини в іншу. Керувати ці потоком, штучно підтримуючи різниця тисків у порожнинах, небажано, оскільки енергія, що виробляється двигуном Стірлінга, майже прямо пропорційна тиску циклу, і, отже, падіння тиску зменшує величину корисної механічної роботи, яку здійснюють двигуном. Тому для створення необхідних газових потоків використовують зміна фізичних обсягів гарячої й холодної робочих порожнин. Природно припустити, що для цієї мети потрібна система поршень - циліндр, а не система турбіна - сопло. Особливо підходить така система для створення зворотно-поступального руху, хоча можна припустити, що роторний двигун типу двигуна Ванкеля також придатний для реалізації принципу Стірлінга. Всі двигуни Стірлінга, як вже сконструйовані, так і розробляються, засновані на принципі зворотно-поступального руху. Є різні способи здійснення такої форми руху, і саме це допомагає класифікувати різні типи двигунів Стірлінга.
2. Класифікація двигунів
Запропонована схема класифікації та ідентифікації двигунів Стірлінга включає наступні три ознаки:
а) режим роботи;
б) спосіб з'єднання циліндрів;
в) спосіб з'єднання поршнів.
Кожна ознака включає кілька подпрізнаков і в межах кожного подпрізнака можливі ще додаткові поділу. Очевидно, що запропонована схема не зможе охопити всіх форм двигуна, однак класифікація за трьома основними ознаками могла б у кінцевому світлі допомогти систематизувати всі існуючі та майбутні його форми.
а. Режим роботи
Виділено наступні шість режимів роботи двигунів Стірлінга:
1а) подвійної дії;
1б) простої дії;
2а) однофазний;
2б) багатофазних;
3а) резонансний;
3б) нерезонансні.
Терміни «однофазний» і «багатофазних» відносяться до фізичного стану робочого тіла. До появи «мокрого» «Флюідайна» не було необхідності в описі фазового стану, однак після успішної розробки «Флюідайна» ряд досліджень виявив переваги використання багатофазного робочого тіла і в двигунах Стірлінга інших видів. Аналогічно з винаходом свободнопоршневих форм двигуна треба було виділення третьої групи режимів роботи. Такі двигуна можуть працювати при швидкостях, що відповідають резонансній частоті пружної системи, якою є такий двигун, або ж у нерезонансні режимі, відомому також як режим «банг-банг». Двигуни «Флюідайн» також можуть бути розраховані на роботу при резонансній частоті системи. У двигунах з звичайними кривошипно-шатунний механізмами необхідно уникати резонансних режимів. Тому третя група режимів має меншу ступенем спільності, ніж перші два. Отже, конкретний двигун може бути описаний за допомогою комбінацій трьох термінів із шести, як показано на схемі 4.
б. Спосіб з'єднання циліндрів.
Класифікація за другий ознакою включає в себе класифікацію, раннє запропоновану Керклі і Уокером. Ця класифікація ідентифікує спосіб компонування пари Витискувач-поршень по відношенню до робітників порожнинах змінного об'єму. Є три типи з'єднання циліндрів:
1) альфа;
2) бета;
3) гама.
З'єднання альфа включає групу двигунів з двома окремими циліндрами, в кожному з яких є ущільнений в ньому поршень.
Гарячий і холодний змінні обсяги формуються незалежно один від одного при русі відповідних поршнів. У двигуні з компонуванням бета є один циліндр, в якому послідовно розташовані поршень і Витискувач, а змінний холодний обсяг утворюється при спільному русі поршня і витискувача. З'єднання гама - це в тій чи іншій мірі гібрид компонувань альфа і бета, в якому є два окремих циліндра, як в способі альфа, однак змінний холодний обсяг утворюється способом бета. Ці три типи з'єднання циліндрів показані на малюнку 1 на прикладі двигунів зі звичайним кривошипно-шатунним приводом.
в. Спосіб з'єднання поршнів
Спосіб з'єднання поршнів є додатковим класифікаційними ознакою. Ця ознака поділяється на більш детальні ознаки, приклади яких подано нижче. У двигунах Стірлінга застосовуються три основні форми з'єднання поршнів:
1) жорстке з'єднання;
2) з'єднання через газ;
3) підключення через рідину.
У двигунах з жорстким з'єднанням використовуються недеформірованние механічні ланки, що з'єднують що рухаються зворотно-поступально елементи, які визначають послідовність змін обсягів в циліндрах, а також утворюють механізм для відводу енергії від двигуна. Типові механізми, які відносяться до жорстких з'єднанням, наступні:
а) кривошипно-шатунний механізм;
б) ромбічний привід;
в) коса шайба;
г) кривошипно-кулісні;
д) кривошипно-балансирні механізм;
е) механізм Росса.
Винахід двигуна Біла і харуеллской машини вимогу введення в класифікацію з'єднання через газ. У цих двигунах взаємне положення поршнів визначається газової динамікою, а не механічними пристроями. Є багато різновидів з'єднання цього типу, наприклад:
а) свободнопоршневой двигун;
б) двигун з вільним Витискувач;
в) двигун з вільним циліндром.
Останній тип з'єднання поршнів - з'єднання через рідину. Необхідно, однак, підкреслити, що використання в двигуні Стірлінга рідкого робочого тіла не обов'язково означає, що поршні з'єднуються через рідину. Наприклад, в двигуні Стірлінга-Мелоуна поршні з'єднані жорстким механізмом. У з'єднанні через рідину поршні дійсно повинні зробити за рідина. В даний час тільки двигуни "« Флюідайн »підпадають під цю категорію. Є, принаймні три способи, якими здійснюється з'єднання через рідина:
а) за допомогою реактивного струменя;
б) за допомогою качающейся стрижня;
в) за допомогою різниці тиску.
Три основних класифікаційних ознак можна також використовувати для точної класифікації гібридних двигунів, в яких, наприклад, робочий поршень жорстко з'єднаний з вихідним валом, однак робочий поршень і Витискувач з'єднані один з одним через газ. Проте нові форми двигунів можуть вимагати подальшого розширення пропонованої класифікації. Щоб проілюструвати застосуваннязапропонованої класифікаційної схеми, у таблиці 1 наведено класифікацію за цією схемою добре відомих двигунів Стірлінга.
Така система може здатися дещо ускладненою, проте проста система виявилася недостатньою для охоплення всього розмаїття форм двигунів. У майбутньому можуть бути підібрані відповідні умовні позначки, за допомогою яких стане можливим створити методику стенографічний класифікації. Запропонована класифікаційна схема в повному обсязі представлена на схемі 5.
Двигун Опис відповідно до класифікації
Фірми "Філіпс" з ромбічним приводом Простого дії, однофазний, нерезонансні, типу бета, з жорстким з'єднанням поршнів
Р-40 фірми "Юнайтед Стірлінг" Подвійного дії, однофазний, нерезонансні, типу альфа, з жорстким з'єднанням поршнів
"Мокрий" "Флюідайн" з реактивної струменем Простого дії, багатофазних, резонансний, типу альфа, з З'єднан-неніем поршнів через рідину
Свободнопоршневой Била Простого дії, однофазний, резонансний, типу бета, із з'єднанням поршнів через газ
Хенрічі Простого дії, однофазний, нерезонансні, типу гама, з жорстким з'єднанням поршнів
Таблиця 1. Класифікація двигуна Стірлінга.
Ця схема не тільки дозволить класифікувати та ідентифікувати існуючі двигуни, але і виявиться придатною для якісної оцінки різних форм двигунів, які можуть бути створені в майбутньому.
3. Схема роботи двигуна Стірлінга
Перелічимо основні особливості роботи двигуна:
1. У двигуні Стірлінга відбувається перетворення теплової енергії в механічну за допомогою стиснення постійного кількості робочого тіла при низькій температурі і наступного (після періоду нагрівання) його розширення при високій температурі. Оскільки робота, витрачається поршнем на стиск робочого тіла, менше роботи, яку поршень здійснює при розширенні робочого тіла, двигун виробляє корисну механічну енергію.
2. В принципі за наявності регенерації необхідно тільки підводити тепло, щоб не допускати охолодження робочого тіла при його розширенні, і відводити тепло, що виділяється при його стисненні.
3. Необхідна зміна робочого тіла забезпечується наявністю розділених холодної та гарячої порожнин, за сполучних каналах між якими під дією поршнів переміщається робоче тіло.
4. Зміни обсягу в цих двох порожнинах повинні не збігатися по фазі, а що виходять в результаті циклічні зміни сумарного обсягу в свою чергу не повинні збігатися по фазі з циклічним зміною тиску. Це - умова отримання механічної енергії на валу двигуна.
Таким чином, принцип Стірлінга - це поперемінним нагрівання та охолодження укладеного в ізольованому просторі робочого тіла.
Відомо, що Стірлінг використовував періодичну зміну температури газу, застосувавши витеснітельний поршень (надалі званий Витискувач). Витискувач примушує переміщатися газ в одну з двох порожнин циліндра, одна з яких перебуває при постійно низькою, а інша при постійно високій температурі. При русі витискувача вгору газ по каналах нагрівача і холодильника переміщається з гарячої порожнини в холодну. При русі витискувача вниз газ повертається тим же шляхом у гарячу порожнину. У першому випадку газ повинен віддавати велику кількість тепла холодильнику. У другому - отримувати від нагрівача рівну кількість тепла. Регенератор, призначений для запобігання втрат тепла, розташовується між нагрівачем і холодильником. Він являє собою якусь порожнину, заповнену пористим матеріалом, якому гарячий газ до надходження в холодильник віддає тепло. Коли ж газ тече назад, регенератор повертає йому запасені тепло до того, як газ надходить в нагрівач.
Система витискувача, що забезпечує періодичність нагрівання й охолодження газу, сполучена з робочим поршнем (надалі званим поршнем), який стискає газ в холодній порожнини і дозволяє йому розширюватися в гарячій. Оскільки стиснення газу відбувається в порожнині з більш низькою температурою, ніж розширення, то виходить корисна робота. На малюнку показані чотири цикли, через які проходить вся система, припускаючи, що поршень і Витискувач рухаються уривчасто. Рухи поршня і витискувача в двигуні практично безперервні. Їх безперервний рух забезпечується за допомогою кривошипно-шатунного механізму. У цьому випадку неможливо виявити різких кордонів між чотирма стадіями циклу, і сам цикл принципово не змінюється, і його ККД не зменшується.
Таким чином, двигун Стірлінга є поршневу машину із зовнішнім підведенням тепла, у якому робоче тіло постійно перебуває у замкнутому просторі і під час роботи не замінюється.
Передбачається, що руху поршня і витискувача - переривчасті. Тоді весь цикл можна розділити на чотири стадії (рис.2.):
I - Поршень перебуває в крайньому нижньому положенні, а Витискувач - в крайньому верхньому. Весь газ - в холодній порожнини;
II - Витискувач залишається у верхньому положенні. Поршень стискає газ при низькій температурі;
III - Поршень залишається в крайньому верхньому положенні. Витискувач ПЕРЕШТОВХУЮЧОЮ газ з холодної порожнини в гарячу;
IV - Нагріте газ розширився. Поршень і Витискувач знаходяться у своїх крайніх нижніх положеннях. У той час як поршень залишається на місці, Витискувач ПЕРЕШТОВХУЮЧОЮ газ в холодну порожнину. Потім цикл повторюється.
Для підведення теплової енергії можна використовувати будь-яке джерело тепла: сонячну енергію, біопаливо, ядерну енергію, електроенергію та ін. В якості робочого тіла в двигуні Стірлінга зазвичай використовується повітря, гелій або водень. Ідеальний термодинамічний цикл двигуна Стірлінга має термічним ККД, рівним максимально можливого теоретичного і становить 30-40%. ККД двигуна залишається майже постійним в широкому діапазоні умов його роботи. Але слід враховувати, що двигун Стірлінга може працювати з високим ККД тільки за наявності ефективного регенератора. Найбільш ефективно двигун працює при постійних значеннях швидкості та потужності.
Нагрівання, охолодження і регенерація робочого тіла в двигуні здійснюється за допомогою вбудованих теплообмінників, які повинні працювати в середовищі, що не містить олій, що запобігає їх засмічення. У двигуні витрачається досить мала кількість мастильних матеріалів. Середній тиск в циліндрі, як правило, знаходиться в межах 10 ... 20 МПа. За таких коливаннях тиску потрібно досконала система ущільнень для запобігання витоку робочого тіла в картер (проблема, особливо складна при використанні гелію або водню), а також попадання мастильних матеріалів в робочі порожнини, що може викликати збільшення втрати тиску і зниження вихідної потужності.
В даний час в більшості установок з двигунами Стірлінга застосовується рідке паливо з-за простоти його використання і з-за вимог, обумовлених конкретним призначенням установки. Для нагрівання робочого тіла застосовують безперервний процес горіння, що дозволяє спалювати різні види палива, які, ефективно згораючи, не створюють небезпеки попадання твердих часток з палива, окислювача або навколишнього простору в робочі циліндри. При використанні для спалювання рідкого палива безперервне горіння можна легко регулювати, в результаті чого різко знижується рівень викидів, особливо незгорілих вуглеводнів і окису вуглецю. Відсутність клапанів в основному корпусі двигуна Стірлінга і робота без періодичних вибухів в циліндрах означають, що усунені основні джерела шуму, як газодинамічного, так і механічного. Це робить двигун Стірлінга істотно менш гучним, ніж інші пристрої для вироблення механічної енергії зі зворотно-поступальним рухом, і перспективним для застосування у військових цілях.
Відношення потужності до маси у двигуна Стірлінга можна порівняти з аналогічним показником дизельного двигуна з турбонаддувом. Питома потужність на виході така ж, як і у дизельного двигуна. Крутящий момент практично не залежить від швидкості. Двигун Стірлінга реагує на зміни навантаження аналогічно дизелю, однак вимагає більш складної системи регулювання, він більш складний, ніж звичайні теплові двигуни. Вартість його виготовлення вище вартості виготовлення ДВС, однак, витрати на експлуатацію набагато менше.
4. Робочі характеристики та особливості конструкції
1.Мощность, що виробляється двигуном Стірлінга, як
показує практика, майже прямо пропорційна середньому тиску циклу. Тому, щоб отримати високі значення абсолютної і питомої потужності, тиск у двигуні має складати 10-20 МПа. Такі високі значення тиску створюють специфічні проблеми при проектуванні двигунів. Особливу складність представляє рішення проблем, пов'язаних з
- Герметизацією робочого тіла;
- Напругою в теплообміннику;
- Навантаженнями на підшипники і деталі механізму приводу.
Оскільки величина тиску впливає на що розвивається потужність, управління зміною тиску дозволяє регулювати крутний момент двигуна.
2. ККД двигуна Стірлінга може досягати 65-70% ККД циклу Карно при сучасному рівні проектування та технології виготовлення. ККД двигуна майже не залежить від швидкості двигуна за умови, що температура в трубках нагрівача не змінюється у всьому діапазоні робочих режимів двигуна і температура в холодильнику не зростає. Температуру в трубках нагрівача слід підтримувати на якомога більш високому рівні. При підвищенні температури охолоджуючої рідини на один градус ККД двигуна падає на 0,5%. Внаслідок безперервної дії високих температур для забезпечення тривалого терміну служби потрібні високоякісні сплави.
3. Неробочі обсяги в двигуні Стірлінга теоретично можуть бути зведені до нуля, однак на практиці вони досягають 50% внутрішнього об'єму, займаного газом. Така величина мертвого обсягу необхідна для розміщення теплообмінника і забезпечення достатньої площі поверхні теплообміну. Мертвий обсяг знижує вихідну потужність двигуна; вплив ж його величини на ККД двигуна неоднозначно і залежить від місця розташування цього обсягу. Зміною мертвого об'єму при роботі двигуна можна регулювати вироблювану потужність.
4. Зі збільшенням робочого об'єму зростає вихідна потужність двигуна за умови, що тиск і температура постійні. Не існує ніякої емпіричної залежності, що зв'язує робочий об'єм і вихідну потужність. Вказаний робочий об'єм забезпечується при відношенні діаметру циліндра до ходу поршня, близькому до 2, що дає оптимальне співвідношення між втратами на теплопередачу і на тертя в ущільненні.
5. Із зростанням швидкості двигуна втрати на опір газу набувають вирішального значення, оскільки вони пропорційні квадрату швидкості. Для зменшення цих втрат у якості робочого тіла використовують гази з малою молекулярною масою, такі, як гелій і водень.
6. Для забезпечення стабільності вихідної потужності зміни обсягу порожнини розширення повинні випереджати зміни обсягу порожнини стиснення. Для отримання оптимальної вихідної потужності це випередження має відповідати фазовому куті 90.
7. Вибір робочого тіла залежить виключно від конкретного призначення двигуна, оскільки один і той самий ККД можна отримати безвідносно до робочого тіла за умови, що конструкція двигуна оптимальна по відношенню до вибраного робочому тілу. Однак для одержання більш високих питомих потужностей потрібні більш легкі гази.
8. Двигун Стірлінга за своєю природою має низьким рівнем шуму. Механічний і аеродинамічний шуми цього двигуна істотно нижче, ніж у його конкурентів. Однак, чим вище тиск циклу, тим вище шум, що викликається роботою двигуна. У порівнянні з порівнянними дизельним двигуном рівень аеродинамічного шуму двигуна Стірлінга нижче на 18 дБ. Основним джерелом шуму сучасних двигунів Стірлінга є синхронізуючі зубчасті колеса і нагнітач повітря.
9. У двигунах Стірлінга можна використовувати джерела енергії, не роблять жодних забруднюючих атмосферу викидів. Навіть при використанні природних палив властивою цим двигунів стійкий процес горіння дозволяє значно знизити рівень концентрації токсичних речовин, що викидаються в атмосферу, в порівнянні з рівнями концентрації таких речовин, що викидаються іншими двигунами, за умови, що передбачені спеціальні заходи для зниження температури нижче порога освіти оксидів азоту . Автомобільний двигун Стірлінга є в даний час єдиною енергосилового установкою, що задовольняє жорстким стандартним по допустимих рівнів вмісту токсичних речовин в автомобільних викидах.
10. Частка енергії циклу, яка відводиться через холодильник, в двигуні Стірлінга на 60-250% вище, ніж у звичайних поршневих двигунах. Щоб впоратися з такою тепловим навантаженням, необхідні радіатори великих розмірів. У тих випадках, коли установка призначена для використання всіх видів вироблюваної енергії, це може дати двигуну Стірлінга додаткові переваги.
11. Енергосилових установка автомобіля з двигуном Стірлінга має великі перспективи з точки зору усунення викидів, що забруднюють навколишнє середовище, зменшення витрат палива і відповідно зниження витрат на експлуатацію.
5. Нарис розвитку двигунів Стірлінга
Роберт Стірлінг постійно удосконалював свій двигун, що працює на підігрітому повітрі. До 1908р. двигун Стірлінга був вже настільки вдосконалений, що по обидва боки Атлантичного океану широко використовувалися регенератор і принцип подвійної дії в ньому. Обговорення можливих областей застосування і перспектив цього двигуна регулярно проводилося у відомих журналах, таких, як «труди інституту інженерів-механіків». З середини XIX ст. і до початку першої світової війни повітряно-теплові двигуни як з розімкнутим, так і із замкнутим циклів мали значний комерційний успіх, задовольняючи технічні потреби людства в надзвичайно широкому діапазоні - від енергетичних установок на суднах до приводів швейних машин, насосів і агрегатів для подачі повітря у церковні органи. Ця остання область застосування була, мабуть, першим випадком, коли підставою для застосування двигуна була безшумність його роботи
Ще в 1908 р. була запропонована сонячна установка для приводу водяного насоса за допомогою двигуна Стірлінга. Популярність водяних насосів підтверджувалася наявністю у фірмових каталогах рекомендацій, підписаних такими відомими особистостями, як король Едуард VII. Але незважаючи на цей успіх, до 20-х років нашого століття інтерес до двигунів Стірлінга згас.
Етапи розробки двигунів Стірлінга можна простежити починаючи з 1818г., Проте найбільша увага приділяється вдосконаленню двигунів Стірлінга починаючи з 1938р. Розробка конструкцій двигунів Стірлінга з того часу пройшла через певні етапи. Однією з фірм, що проводили дослідження в галузі вдосконалення двигунів була фірма «Філіпс».
1937-1938 рр..
Фірма «Філіпс» проявляє інтерес до двигунів із замкнутим циклом, що працюють на підігрітому повітрі і призначеним для електрогенераторів малої потужності.
1938-1947 рр..
Створено кілька дослідних зразків двигунів з кращими характеристиками в порівнянні з двигунами 30-х років.
1948-1953 рр..
Увага переключається на холодильні машини. З'ясовується, що застосування газів з малими молекулярними масами покращує робочі характеристики. Проте триває дослідження та розробка Двигунів - джерел механічної енергії як простого, так і подвійної дії, Інтерес до них виявляють фірми «Форд» (США) і «Дженерал моторс». Різкий стрибок у розробці двигуна Стірлінга був зроблений в 1953 р., коли Мейєр винайшов ромбічний привід, що дозволило використовувати більш високі робочі тиску. Розвиток конструкцій двигунів-джерел механічної енергії та холодильніх машин пішла різними шляхами.
1954-1958 рр..
Протягом цього періоду було побудовано і випробувано багато двигунів з ромбічним приводом, при цьому в двигуні 1-365 з воднем як робоче тіло середній тиск циклу досягло 14 МПа. З використанням газу при високому тиску виникла проблема надійності ущільнень. Чавунні поршневі кільця не підходили через значну витоку масла. Ущільнення сальникове типу для картера також виявилися невідповідними. Було розроблено ущільнення поршня з щільною посадкою. Поршень виготовлявся з нанесеними на ньому кільцевими шарами сплаву олова, свинцю і сірчистого молібдену. Потім поршень при сильному охолодженні вставлявся в циліндр. У 1957 році «Дженерал моторс» знову проявляє інтерес до двигуна Стірлінга і робіт фірми «Філіпс». І в листопаді 1958 року між ними укладається угода з надання ліцензії терміном на 10 років.
1958-1962 рр..
«Філіпс» продовжує роботу над двигуном 1-98 з ромбічним приводом. Було побудовано понад 30 варіантів цього двигуна.
У цей період часу були намічені три основні області застосування двигунів Стірлінга, в яких фірма «Дженерал моторс» мала намір проводити подальшу роботу: підвісний мотор для судів, генератор для супутників, що працює на сонячній енергії, і компактний генератор ГПУ (англ). GPU-Ground Power Unit) для роботи в польових умовах для армії США. Інші можливі області застосування включали силові установки для річкових і каботажних морських суден, підводних човнів і залізничного транспорту.
Першим двигуном, який випробовувався фірмою «Дженерал моторс», був одноциліндровий двигун потужністю 23 кВт з щільною посадкою поршня в циліндрі.
1963-1968 рр..
Винахід ромбічного приводу і ущільнення типу «скачується панчіх», а також удосконалення процесу згорання, теплообмінників і систем регулювання дозволили приступити до створення більш потужних двигунів. Тривала інтенсивна робота з двигуном ГПУ, і його потужність була доведена до 9 кВт. Крім того, і «Філіпс», і «Дженерал моторс» провели дослідження і побудували двигуни потужністю 200 кВт. Використовувалися вони на морських суднах, на автобусах, у військово-морських силах США.
Тривали роботи і над двигуном простої дії, які інтенсивно вела фірма «Дженерал моторс». Вони побудували і провели випробування двигуна PD67 для супутника. У 1964 р. на автомобілі марки «Кал вер» був випробуваний двигун Стірлінга, потужністю 23 кВт, теплова енергія, для якого надходила від теплового акумулятора енергії на основі оксиду алюмінію.
У цей же період були розпочаті дослідження свободнопоршневих двигунів і двигунів з рідкими поршнями. Були створені і випробувані з різним ступенем успіху дослідні зразки таких двигунів. Роботи з свободнопоршневим двигунів проводилися в різних інститутах США.
1968-1978 рр..
Це був період інтенсивних досліджень, однак, без великих досягнень. Робота над автомобільним д
