Из прошлого — в будущее! В 1817 году шотландский священник Роберт Стирлинг получил… патент на новый тип двигателя, названный впоследствии, подобно моторам Дизеля, именем изобретателя — стирлинг. Прихожане маленького шотландского местечка уже давно и с явным подозрением косились на своего духовного пастыря. Еще бы! Шипение и грохот, проникавшие через стены сарая, где частенько пропадал отец Стирлинг, могли смутить не только их богобоязненные умы. Ходили упорные слухи, что в сарае содержится страшный дракон, которого святой отец приручил и вскармливает летучими мышами и керосином.
Но Роберта Стирлинга, одного из просвещеннейших людей Шотландии, не смущала неприязнь паствы. Мирские дела и заботы все больше и больше занимали его, в ущерб служению господу: увлекали пастора… машины.
Британские острова в тот период переживают промышленную революцию: стремительно развиваются мануфактуры. И служители культа не остаются равнодушными к громадным доходам, которые сулит новый способ производства.
С благословения церкви и не без помощи фабрикантов несколько машин Стирлинга были построены, и лучшая из них, в 45 л. с., три года проработала на шахте в Дунди.
Дальнейшее развитие Стирлингов задержалось: в 60-х годах прошлого столетия на арену вышел новый двигатель Эриксона.
В обеих конструкциях было много общего. Это были двигатели внешнего сгорания. И в той и в другой машине рабочим телом был воздух, и в той и в другой основой двигателя являлся регенератор, проходя через который отработанный горячий воздух отдавал все тепло. Свежая же порция воздуха, просачиваясь через плотную металлическую сетку, отбирала это тепло, перед тем как попасть в рабочий цилиндр.
По схеме на рисунке 1 можно проследить, как воздух через всасывающую трубу 10 и клапан 4 попадает в компрессор 3, сжимается и через клапан 5 выходит в промежуточный резервуар. В это время золотник 8 перекрывает выхлопную трубу 9, и воздух через регенератор попадает в рабочий цилиндр 1, нагреваемый топкой 11. Здесь воздух расширяется, совершая полезную работу, которая частично направлена на поднимаемый тяжелый поршень, частично — на сжатие холодного воздуха в компрессоре 3. Опускаясь, поршень выталкивает отработанный воздух через регенератор 7 и золотник 8 в выхлопную трубу. При опускании поршня в компрессор засасывается свежая порция воздуха.
Рис. 1. Схема двигателя внешнего сгорания (Эриксона):
1 — рабочий цилиндр, 2 — поршень; 3 — компрессор; 4 — всасывающий клапан; 5 — нагнетательный клапан; 6 — промежуточный резервуар; 7 — регенератор; 8 — перепускной золотник; 9 — выхлопная труба; 10 — всасывающая труба; 11 —топка.
И та и другая конструкции не отличались экономичностью. Зато неполадок с двигателем шотландца случалось почему-то больше, и он был менее надежным, чем двигатель Эриксона. Быть может, именно поэтому просмотрели одну очень важную деталь: при равных мощностях двигатель Стирлинга был компактнее. Кроме того, он имел существенное преимущество в термодинамике…
Сжатие, нагрев, расширение, охлаждение — вот четыре основных процесса, необходимых для работы любого теплового двигателя. Каждый из них можно проводить разными путями. Скажем, нагрев и охлаждение газа можно вести в замкнутой полости постоянного объема (изохорный процесс) или под движущимся поршнем при постоянном давлении (изобарный процесс). Сжатие или расширение газа может происходить при постоянной температуре (изотермический процесс) или без теплообмена с окружающей средой (адиабатический процесс). Составляя замкнутые цепочки из различных комбинаций таких процессов, нетрудно получить теоретические циклы, по которым работают все современные тепловые двигатели. Скажем, комбинация из двух адиабат и двух изохор образуют теоретический цикл бензинового мотора. Если заменить в нем изохору, по которой идет нагревание газа, изобарой — получится цикл дизеля. Две адиабаты и две изобары дадут теоретический цикл газовой турбины. Среди всех мыслимых циклов комбинация из двух адиабат и двух изотерм играет особо важную роль в термодинамике, так как по такому циклу — циклу Карно — должен работать двигатель с самым высоким к.п.д.
Если в двигателе Стирлинга подвод тепла производился по изохорам, то у Эриксона этот процесс происходил по изобаре, а процессы сжатия и расширения протекали по изотермам.
В начале нашего века движки Эриксона небольшой мощности (порядка 10—20 л. с.) нашли применение в различных странах. Тысячи таких установок трудились на фабриках, в типографиях, шахтах и рудниках, крутили валы станков, качали воду, поднимали лифты. Под названием «тепло и сила» они были известны и в России.
Предпринимались попытки сделать большой судовой двигатель, но результаты испытаний обескураживали не только скептиков, но и самого Эриксона. Вопреки пророчествам первых судно «сдвинулось с места» и даже пересекло Атлантический океан. Но и ожидания изобретателя были обмануты: четыре гигантских по размерам двигателя вместо 1000 л. с. развили всего 300 л. с. Расход угля получился такой же, как и у паровых машин. К тому же днища рабочих цилиндров к концу рейса прогорели насквозь, и в Англии двигатели пришлось снять и тайком заменить обычной паровой машиной. В довершение всех несчастий на обратном пути в Америку судно потерпело аварию и погибло со всем экипажем.
Рис. 2. Схема работы современного двигателя Стирлинга:
1 — рабочий поршень 2 — поршень-вытеснитель; 3 — охладитель; 4 — нагреватель; 5 — регенератор; 6 — холодное пространство; 7 — горячее пространство.
Отказавшись от мысли строить «калорические машины» большой мощности, Эриксон наладил массовый выпуск небольших двигателей. Дело в том, что уровень науки и техники того времени не позволял спроектировать и построить экономичную и мощную машину.
Но главный удар Эриксону нанесли изобретатели двигателя внутреннего сгорания. Бурное развитие дизелей и карбюраторных двигателей заставило предать забвению хорошую идею.
…Прошло столетие. В 30-х годах одно из военных ведомств поручает фирме «Филипс» разработать энергоустановку мощностью 200—400 вт для походной радиостанции. Причем двигатель должен быть всеядным, то есть работать на любом виде топлива.
Специалисты фирмы со всей основательностью принялись за дело. Начали с исследований различных термодинамических циклов и, к своему удивлению, обнаружили, что теоретически самый экономичный — давно забытый двигатель Стирлинга.
Война приостановила исследования, но в конце 40-х годов работы были продолжены. И тогда в результате многочисленных экспериментов и расчетов было сделано новое открытие — замкнутый контур, в котором под давлением около 200 атм. циркулировало рабочее тело (водород или гелий, как обладающие наименьшей вязкостью и наибольшей теплоемкостью). Правда, замкнув цикл, инженеры вынуждены были позаботиться об искусственном охлаждении рабочего тела. Так появился охладитель, которого не было у первых двигателей внешнего сгорания. И хотя нагреватель и охладитель, как бы компактны они ни были, утяжеляют стирлинг, зато сообщают ему одно очень важное качество.
Изолированные от внешней среды, они практически не зависят от нее. Стирлинг может работать от любого источника тепла всюду: под водой, под землей, в космосе — то есть там, где двигатели внутреннего сгорания, нуждающиеся в воздухе, работать не могут. В таких условиях без нагревателей и охладителей, передающих тепло через стенку, в принципе нельзя обойтись. И тут-то стирлинг побивают своих соперников даже по весу. У первых опытных образцов удельный вес на единицу мощности был порядка 6—7 кг на л. с., как у судовых дизелей. Современные стирлинги имеют еще меньшее соотношение — 1,5—2 кг на л. с. Они еще более компактны и легки.
Итак, схема стала двухконтурной: один контур с рабочим агентом и второй — подвод тепла; это позволило довести энергосъем до 200 л. с. на литр рабочего объема, а к.п.д. — до 38—40 процентов. Для сравнения: современ-
ные дизели имеют к.п.д. 34—38 процентов, а карбюраторные двигатели — 25—28. Кроме того, процесс сгорания топлива у стирлинга непрерывный, а это резко снижает токсичность — по выходу окиси углерода в 200 раз, по окиси азота — на 1—2 порядка. Вот где, возможно, одно из радикальных решений проблемы загрязнения атмосферы городов.
Рабочая часть современного Стирлинга представляет собой замкнутый объем, заполненный рабочим газом (рис. 2). Верхняя часть объема — горячая, она непрерывно нагревается. Нижняя — холодная, все время охлаждается водой. В том же объеме — цилиндр с двумя поршнями: вытеснителем и рабочим. Когда поршень идет вверх, газ в объеме сжимается; вниз — расширяется. Движением же вверх-вниз поршня-вытеснителя производится попеременное распределение нагретого и охлажденного газа. Когда поршень-вытеснитель находится в верхнем положении (в горячем пространстве), большая часть газа оказывается вытесненной в холодную зону. В это время рабочий поршень начинает двигаться вверх и сжимает холодный газ. Теперь поршень-вытеснитель устремляется вниз до соприкосновения с рабочим поршнем, и сжатый холодный газ перекачивается в горячее пространство. Расширение нагреваемого газа — рабочий ход. Часть энергии рабочего хода запасается на последующее сжатие холодного газа, а избыток идет на вал двигателя.
Регенератор находится между холодным и горячим пространствами. Когда расширившийся горячий газ движением поршня-вытеснителя перекачивается в холодную часть, он проходит через плотный пучок тонких медных проволочек и отдает им содержащееся в нем тепло. Во время обратного хода сжатый холодный воздух, прежде чем попасть в горячую часть, отбирает это тепло обратно.
Рис. 3. Устройство современного Стирлинга:
1 — топливная форсунка; 2 — выхлоп охлажденных газов, 3 — воздухонагреватель; 4 — выход горячих газов; 5 — горячее пространство; 6 — регенератор; 7 — цилиндр; 8 — трубки охладителя; 9 — холодное пространство; 10 — рабочий поршень; 11 — ромбический привод; 12 — камера сгорания; 13 — трубки нагревателя; 14 — поршень-вытеснитель; 15 — впуск воздуха для сжигания топлива; 16 — буферная полость.
Конечно, в реальной машине все выглядит не так просто (рис. 3). Невозможно быстро нагреть газ через толстую стенку цилиндра, для этого нужна гораздо большая поверхность нагрева. Вот почему верхняя часть замкнутого объема превращается в систему тонких трубок, нагреваемых пламенем форсунки. Чтобы как можно полнее использовать теплоту продуктов сгорания, холодный воздух, подводящийся к форсунке, предварительно подогревается выхлопными газами — так появляется довольно сложный контур сгорания.
Холодная часть рабочего объема — тоже система трубок, в которые нагнетается охлаждающая вода.
Под рабочим поршнем — замкнутая буферная полость, наполненная сжатым газом. Во время рабочего хода давление в этой полости повышается. Запасаемой при этом энергии достаточно для того, чтобы сжать холодный газ в рабочем объеме.
По мере совершенствования неудержимо росли температура и давление. 800° по Цельсию и 250 атм. — это весьма трудная задача для конструкторов, это поиски особо прочных и термостойких материалов, сложная проблема охлаждения, так как выделение тепла по сравнению с классическими двигателями здесь в полтора-два раза больше.
Результаты этих экспериментов порой приводят к самым неожиданным находкам. К примеру, специалисты фирмы «Филипс», обкатывая свой движок на холостом ходу (без нагрева), заметили, что головка цилиндра сильно охлаждается. Совершенно случайно обнаруженный эффект повлек за собой целую серию разработок, и в итоге рождение новой холодильной машины. Сейчас такие высокопроизводительные и малогабаритные холодильные агрегаты широко используются во всем мире. Но вернемся к тепловым машинам.
Последующие события нарастают как снежный ком. В 1958 году с приобретением лицензий другими фирмами стирлинг шагнул за океан. Его стали испытывать в самых различных областях техники. Разрабатывается проект применения двигателя для питания аппаратуры космических кораблей и спутников. Для полевых радиостанций создаются энергоустановки, работающие на любом виде топлива (мощностью порядка 10 л. с.), обладающие настолько малым уровнем шума, что его не слышно за 20 шагов.
Громадную сенсацию вызвала демонстрационная установка, работающая на двадцати видах топлива. Без отключения двигателя, простым поворотом крана, в камеру сгорания поочередно подавали бензин, солярку, сырую нефть, оливковое масло, горючий газ — и машина прекрасно «съедала» любой «корм». В зарубежной печати были сообщения о проекте двигателя на 2,5 тысячи л. с. с атомным реактором. Предполагаемый к.п.д. 48—50%. Значительно уменьшаются все габариты энергоблока, что позволяет высвободившиеся вес и площадь отдать под биологическую защиту реактора.
Еще одна интересная разработка — привод для искусственного сердца весом 600 г и мощностью 13 вт. Слаборадиоактивный изотоп обеспечивает ее практически неисчерпаемым источником энергии.
Двигатель Стирлинга испытывался на некоторых автомобилях. По своим рабочим параметрам он не уступил карбюраторному, а уровень шумов и токсичность выхлопных газов значительно снизились.
Автомобиль со стирлингом может работать на любом виде .топлива, а при необходимости — на расплаве. Представьте: перед тем как въехать в город, водитель включает горелку и расплавляет несколько килограммов окиси алюминия или гидрида лития. По городским улицам он едет «не дымя»: двигатель работает от тепла, запасенного расплавом. Одна из фирм изготовила мотороллер, в бак которого заливается около 10 литров расплава фтористого лития. Такой зарядки хватает на 5 часов работы при мощности движка 3 л. с.
Работы над Стирлингами продолжаются. В 1967 году изготовлен образец опытной установки мощностью 400 л. с. на один цилиндр. Проводится комплексная программа, согласно которой к 1977 году планируется серийное производство двигателей с диапазоном мощности от 20 до 380 л. с. В 1971 году «Филипс» выпустила четырехцилиндровый промышленный двигатель в 200 л. с. с полным весом 800 кг. Уравновешенность его настолько высока, что поставленная ребром на кожух монета (размером в пятак) стоит не шелохнувшись.
К достоинствам нового типа двигателя можно отнести и большой моторесурс порядка 10 тыс. час. (есть отдельные данные о 27 тыс.), и плавность работы, так как давление в цилиндрах нарастает плавно (по синусоиде), а не взрывами, как у дизеля.
Перспективные разработки новых моделей проводятся и у нас. Ученые и инженеры трудятся над кинематикой различных вариантов, на электронно-вычислительных машинах просчитывают различные виды «сердца», стирлинга-регенератора. Идет поиск новых инженерных решений, которые лягут в основу экономичных и мощных двигателей, способных потеснить привычные дизели и бензиновые моторы, исправив тем самым несправедливую ошибку истории.
А. АЛЕКСЕЕВ
