Цикл Стирлинга

В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) распыленное топливо соединяется с окислителем, как правило, воздухом, до фазы сжатия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесь отдает свою энергию во время кратковременной фазы горения. В двигателе Стирлинга энергия поступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменник. Еще одним существенным различием между двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга является отсутствие в последнем клапанов, поскольку рабочее тело (газ) постоянно находится в полостях двигателя. Цикл Стирлинга основан на последовательном нагревании и охлаждении газа (его называют рабочим телом) в замкнутом объеме. Рабочее тело нагревается в горячей части двигателя, расширяется и производит полезную работу, после чего перегоняется в холодную часть двигателя, где охлаждается, сжимается и снова подается в горячую часть двигателя. Цикл повторяется. Количество рабочего тела остается неизменным, меняется его температура, давление и объем. Весь цикл условно разделен на четыре такта. Условность заключается в том, что четкое разделение на такты в цикле отсутствует, процессы переходят один в другой. Это обусловлено отсутствием в конструкции двигателей Стирлинга клапанного механизма (стирлинг-двигатели с клаппаным механизмом называются двигателями Эриксона). С одной стороны данный факт резко упрощает конструкцию, с другой стороны вносит сложность в теорию расчета. Но об этом позже. Рассмотрим принцип работы на примере гама-стирлинга. Этот тип наиболее часто применяют в моделировании. Двигатель состоит из двух цилиндров. Большой цилиндр - теплообменный. Его задача поочередно разогревать и охлаждать рабочее тело. Для этого один торец цилиндра разогревают (на схеме он закрашен розовым цветом), другой торец - охлаждают (на схеме он закрашен синим цветом). Большой поршень выполненный из теплоизоляционного материала, свободно перемещается в теплообменном цилиндре (зазор между стенками цилиндра и поршня составляет 1-2 мм) и выполняет роль теплового клапана, пегегоняющего рабочее тело то к холодному, то к горячему торцу. Малый цилиндр является рабочим. Поршень плотно подогнан к цилиндру.

Первый такт - такт сжатия при постоянной температуре рабочего тела: поршень теплообменного цилиндра находится вблизи нижней мертвой точки (НМТ) и остается условно неподвижным. Газ сжимается рабочим поршнем малого цилиндра. Давление газа возрастает, а температура остается постоянной, так как теплота сжатия отводится через холодный торец теплообменного цилиндра в окружающую среду.

Обратите внимание: Под условной неподвижностью подразумевают малую высоту перемещения поршня при прохождении коленвалом расстояния вблизи верхней или нижней мертвой точки.

Второй такт – такт нагревания при постоянном объеме: рабочий поршень рабочего цилиндра находится вблизи НМТ и полностью перемещает холодный сжатый газ в теплообменный цилиндр, поршень которого движется к верхней мертвой точки (ВМТ) и вытесняет газ в горячую полость. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, рабочее тело разогревается давление повышается и достигает максимального значения. Это в теории. На практике прирост давления идет параллельно с выталкиванием рабочего поршня. В результате давление не достигает теоретически рассчитанного максимума. Данный факт также объясняет хороший к.п.д. на малых оборотах двигателя. Рабочее тело прогревается лучше и прирост давления приближается к максимуму.

Третий такт - такт расширения при постоянной температуре газа: поршень теплообменного цилиндра находится вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) и остается условно неподвижным. Поршень рабочего цилиндра под действием давления газа движется к верхней мертвой точке. Происходит расширение горячего газа в полости рабочего цилиндра. Полезная работа, совершаемая поршнем рабочего цилиндра, через кривошипно-шатунный механизм передается на вал двигателя. Давление в цилиндрах двигателя при этом падает, а температура газа в горячей полости остается постоянной, так как к нему подводится тепло от источника тепла через горячую стенку цилиндра. В моделях двигателей Стирлинга, где теплообменный цилиндр не имеет качественного нагревателя рабочее тело разогревается не полностью, но поскольку давление в газах распространяется равномерно во все стороны его изменение оказывает действие и на рабочий поршень, заставляя его двигаться и совершать работу.

Статьи по теме:

Расчет элементов системы охлаждения
Охлаждение двигателя применяется в целях принудительного отвода тепла от нагретых деталей для обеспечения оптимального теплового состояния двигателя и его нормальной работы. При воздушном охлаждении ...

Распиливание металла
Распиливанием называется обработка отверстий с целью придания им нужной формы. Обработка круглых отверстий производится круглыми и полукруглыми напильниками, трёхгранных - трёхгранными, ножовочными и ...

Процессы расширения и выпуска
Средний показатель адиабаты расширения k2 определяем по номограмме при заданном e =7,5 для соответствующих значений Tz и α , а средний показатель политропы расширения n2 оцениваем по величине ср ...