ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА
Двигатель Стирлинга — тепловой поршневой двигатель с внешним подводом теплоты, в замкнутом объёме которого циркулирует постоянное рабочее тело (газ); изобретён шотландским священником Р. Стирлингом в 1816 году, отличается многотопливностью, малым шумом, хорошей уравновешенностью и высоким КПД на малых мощностях, поэтому интересен для судов, подводных аппаратов и космической техники.
Двигатель Стирлинга — тепловой поршневой двигатель с внешним подводом теплоты. В его замкнутом объёме циркулирует постоянное рабочее тело (газ), которое нагревается от внешнего источника и совершает полезную работу за счёт расширения. Двигатель изобрёл в 1816 году шотландский священник Р. Стирлинг. По справочнику, первый двигатель построили в 1845 году (более ранние опытные машины Стирлинга работали ещё в 1810-х годах). Позднее идею использовал шведский инженер Дж. Эриксон: он изменил рабочий процесс (тепло к газу подводилось не при постоянном объёме, как у Стирлинга, а при постоянном давлении) и несколько усовершенствовал конструкцию. В 1852 году Эриксон построил судно с четырьмя такими двигателями, но широкого распространения двигатель не получил. Из-за быстрого развития паровых машин, а затем двигателей внутреннего сгорания интерес к нему временно пропал. Исследования и промышленные разработки возобновились только в 1960-х годах на новой научно-технической основе.
Принцип действия аналогичен принципу двигателя внутреннего сгорания (ДВС): полезная работа возникает потому, что на сжатие холодного газа затрачивается меньше механической работы, чем даёт расширение горячего. Но внешний источник тепла и неизменное рабочее тело определяют конструктивные различия. В цилиндре двигателя Стирлинга две полости переменного объёма — горячая и холодная. Рабочее тело сжимается в холодной полости и переходит в горячую; после нагрева газ движется обратно и расширяется в холодной полости, совершая полезную работу. Такое двустороннее движение газа обеспечивают два поршня в каждом цилиндре: поршень-вытеснитель, который регулирует перетекание газа, и рабочий поршень, совершающий полезную работу. Объём горячей полости в верхней части цилиндра регулирует вытеснитель, а объём холодной полости между поршнями определяется их совместным перемещением. Оба поршня связаны механически и движутся согласованно с помощью специального механизма, заменяющего кривошипно-шатунный механизм ДВС.
Рабочий цикл можно разделить на четыре последовательных положения поршней:
1. Рабочий поршень в крайнем нижнем положении, вытеснитель — в крайнем верхнем; большая часть газа находится между ними, в холодном пространстве (охлаждение). 2. Вытеснитель остаётся вверху, рабочий поршень движется вверх и сжимает холодный газ (сжатие). 3. Вытеснитель движется вниз, к рабочему поршню, и вытесняет газ в горячую полость (нагревание). 4. Горячий газ расширяется и совершает полезную работу, действуя на рабочий поршень (расширение).
На пути газа ставят регенератор: он забирает часть тепла у горячего газа, проходящего через него, и отдаёт его газу после охлаждения и сжатия, когда тот движется в обратную сторону. По словам справочника, благодаря регенератору теоретический КПД может достигать 70 % и более. Мощность регулируют изменением количества газа. Рабочим телом могут служить газы с высокими теплотехническими свойствами: водород, гелий, воздух и др.
Главные особенности: возможность использовать любой источник тепла (жидкое, твёрдое, газообразное и ядерное топливо, солнечная энергия и т. д.); работа в большом диапазоне температур при малом перепаде давления сжатия и расширения; регулирование мощности изменением количества рабочего тела в цикле при неизменных высшей и низшей температурах газа. Отсюда преимущества перед тепловыми двигателями других типов: многотопливность и малая токсичность продуктов сгорания; малый шум и хорошая уравновешенность; высокий КПД на режимах малых мощностей. Поэтому, как отмечал справочник, двигатель Стирлинга можно с успехом применять на всех судах, включая подводные аппараты, на автомобильном и другом транспорте, в космических аппаратах (с солнечной энергией как источником тепла), а также в медицине — например, маломощные двигатели Стирлинга рассматривали для установок «искусственное сердце».