Двигатель внешнего сгорания. Старый, но не забытый.

Двигатель Стирлинга.
Двигатель Стирлинга.

Все мы привыкли к словосочетанию «Двигатель внутреннего сгорания«. Его вполне можно назвать устойчивым, ведь когда мы его произносим, слышим или читаем, то не воспринимаем эти слова по отдельности, только вместе. То же можно сказать об электро двигателе. А вот Двигатель внешнего сгорания сразу создаёт диссонанс в нашем сознании. Мы просто спотыкаемся и заостряем внимание на этих трёх словах, особенно на том, что в середине. Слишком оно выпячивается и не вписывается в привычный смысл… Но такой двигатель существует!
Расскажу о своём первом впечатлении от встречи с ним. Не с самим двигателем в натуре, а об его упоминании в печатном издании. Это была, как не странно, Литературная газета. Я был ещё совсем молодым человеком, выпускником технического ВУЗа, и большим любителем новинок различной техники, которая как-то вдруг стала активно появляться и развиваться семимильными шагами. Этот процесс был запущен гораздо раньше, но я стал активно интересоваться им в середине 70-х годов. Просто, в силу своего возраста. До этого у меня были другие интересы. Основные взгляды на технику я черпал из журналов «Изобретатель и рационализатор»,»Радио», «Моделист-конструктор», «Юный Моделист-конструктор», «Техника молодёжи», «Юный техник» … Эти издания выписывал мой отец, и я их тоже любил и читал. Но вот о Двигателе внешнего сгорания ничего не знал. А тут, в Литературке появилась о нём статья с свете развития космических технологий. Это вообще уникальная газета для того времени. Она была еженедельной и появлялась в киосках «Союзпечать» по средам. Стоила 15 копеек, что гораздо дороже обычных газет (от 2-х до 5 копеек), но она была «толстая» — целых 16 страниц, и тематически охватывала очень большой объём информации от юмора, литературы и искусства до политики, науки, техники и ещё очень много интересных тем. Поэтому, по средам у газетных киосков собиралась приличная очередь из самой разнообразной «публики» разных социальных, возрастных, профессиональных и прочих слоёв советского общества. И вот, именно в ней и была та статья, где описывалось устройство и принцип работы двигателя внешнего сгорания. Точно не помню, но это было в конце 70-х – начале 80-х годов. Как сейчас помню, мы с семьёй пошли в кино и я по дороге купил Литературку. Пока ждали начала сеанса, я наткнулся на эту статью, но дочитать не успел и весь фильм ждал окончания, чтобы прочитать до конца… Не судите за длинное вступление. Просто хочется передать ту атмосферу и чувства молодого механика, который набрёл на такой интересный материал. Позднее я встречал статьи на эту тему и в других источниках, но первое впечатление было очень сильным.
Теперь немного о принципе работы и конструкции этого замечательного агрегата. Он до безобразия прост! Самое простое объяснение его работы — это пример с бутылкой, закрытой обычной пробкой. Если мы погрузим её дном в горячую воду, то воздух внутри нагреется и его давление возрастёт. В какой-то момент его хватит для того, чтобы вытолкнуть пробку из горлышка. А если сделать вместо пробки трубку с поршнем, то он сдвинется до уравновешивания давления внутри и снаружи бутылки, и только тогда остановится. То есть произведена работа — движение поршня. Если прекратить нагрев, воздух охладится и снова снова сожмётся, поршень втянется обратно… Если к поршню через шатун присоединить маховик, то можно подобрать его длину так, что маховик провернётся на пол оборота, а по инерции даже немного больше. Чтобы его вращение продолжилось, воздух должен остыть, потом снова нагреться и так далее. А чтобы это происходило автоматически, рядом был сделан ещё один цилиндр с поршнем и его тоже соединили шатуном с тем же маховиком. Только второй цилиндр не нагревался, а охлаждался. Внутренние полости обоих цилиндров соединены между собой, например, трубкой. Когда в первом цилиндре воздух нагревается и расширяется, поршень двигается, крутит маховик и перегоняет воздух за поршнем в другой цилиндр, где он охлаждается… В первом цилиндре поршень не очень плотно подогнан к цилиндру и воздух подмешивается к нагретому, а за счёт инерции маховика и охлаждения (и сжатия) воздуха во втором (с плотно подогнанным поршнем), движение продолжается и двигатель работает дальше. Просто вначале, при нагреве, необходим дополнительный импульс для раскручивания маховика. Чем больше разница температур нагретого и охлаждённого цилиндров, тем большая мощность будет выработана двигателем. Эта схема двигателя была придумана и запатентована шотландским священником Робертом Стирлингом в 1816 году, хотя сам принцип работы воздушного двигателя был известен гораздо ранее.
Схема, которую я описа́л, так и называется — Двигатель Стирлинга. Он придумал несколько вариантов подобных двигателей, которые отличались разным исполнением цилиндро-поршневой системы, где мог быть один общий цилиндр с разными поршнями в горячей и холодной зоне, Первый опи́санный вариант он назвал Альфа, второй (с одним цилиндром) — Бета, а третий (с двумя цилиндрами и дополнительным промежуточным охладителем, который назвали Регенератором) — Гамма.
Не буду отбирать «хлеб» у тех, кто уже очень подробно описа́л все эти конструкции, лишь приведу небольшую галерею рисунков и фотографий, найденных на просторах сервиса Яндекс-картинок.

Основное отличие Двигателя внешнего сгорания от внутреннего — это бо́льший КПД и тихая работа. Ведь в нём не происходит никаких взрывных, детонационных и выхлопных процессов, стука клапанов и прочих шумов, присущих бензиновым и дизельным двигателям. От парового двигателя он также отличается гораздо бо́льшим КПД и отсутствием шума, а главное — в нём нет взрывоопасных областей высокого давления, при мощности, зависящей только от разности температур горячей и холодной зон. Для сравнения — если КПД Парового двигателя в паровозе — Менее 15 %, КПД двигателей внутреннего сгорания достигает показателей от 25 % у бензиновых до 40 % у дизельных, то у двигателей внешнего сгорания он может достигать 50-ти, а по некоторым источникам 70 % и более при использовании современной керамики. При этом нужно использовать не просто воздух, а специальные газовые смеси на основе гелия и водорода, они имеют повышенную теплоёмкость и практически удваивают обороты и мощность двигателя. Расход этих газов минимален, и зависит только от качества уплотнительных соединений двигателя. Могут так же использоваться сжиженные газы или вода (пар).
Это видео я нашёл на канале U-Tube. Здесь прекрасно видно, что при внешнем нагреве двигатель работает, как бы сам по себе. Никаких сложных карбюраторов, клапанов и свечей зажигания… Или форсунок и топливных насосов… Простое нагревание и толчёк маховика… А главное — нечему ломаться или засоряться. Пока шарниры и уплотнения не износятся и не заклинят, он будет работать!

Область применения у Двигателей внешнего сгорания может быть очень обширная. Для нагрева рабочей части возможно использовать всё, что горит или нагревает. Любые горючие отходы, тепло солнца, подземные источники тепла, биогазы в сельском хозяйстве и прочее… Представьте себе космический корабль или станцию, на которой одна сторона двигателя нагревается солнцем, а другая охлаждается космическим холодом. Перепад огромный и двигатель может работать годами и преобразовывать механическую энергию в электрическую. Или подводную лодку. Тепла вырабатывается много, и его приходится отводить наружу, холодная вода — прекрасный охладитель для низкотемпературной области двигателя… Областей применения не счесть. Основной недостаток — это габариты и вес такого двигателя, а также смазка внутренних трущихся поверхностей. Но при современных конструкционных материалах эти показатели существенно улучшаются. К тому же эти двигатели совсем не нуждаются в обслуживании. Они остаются работоспособными весь заранее известный период времени — ресурс. А он весьма велик.

Двигатель внешнего сгорания. Старый, но не забытый.
Двигатель внешнего сгорания. Старый, но не забытый.
Двигатель внешнего сгорания. Старый, но не забытый.

Современных схем Двигателей внешнего сгорания существует довольно много. Они бывают многоцилиндровые со сложным распредвалом, с несколькими цилиндрами, расположенными по кругу; роторные двигатели с выдвижными лопостями и переменным профилем цилиндра; конструкции с регенераторами газовых смесей и прочими премудростями.

А ещё двигатель Стирлинга может работать «наоборот» — при внешнем вращении маховика, он работает на охлаждение применяемого газа, то есть , как холодильник! И весьма эффективный. При таком использовании, температуру рабочего тела удавалось понизить до минус 190° C, что позволяет их применять для сжижения газа.
Очень многие специалисты считают, что будущее именно за этими двигателями. Но так считают уже на протяжении всего времени с изобретения и существования Двигателя внешнего сгорания. К сожалению, тем, от кого это зависит, выгодно использовать дорогие источники энергии. Что взять с двигателя, который работает сам по себе? От этого выиграет потребитель, а они как бы и ни причём… Хочется надеяться, что это замечательная конструкция всё же займёт своё заслуженное место в нашей жизни. Лично меня не интересует благосостояние олигархов, наживающихся на нас, простых людях.

Если вы обнаружили ошибку, выделите ее и нажмите Shift + Enter или нажмите здесь, чтобы сообщить нам.

Обсуждение закрыто.