Судьба двигателя, о котором пойдет речь, характерна для многих изобретений. Порой они надолго исчезают с передовых позиций техники, но спустя десятилетия их достоинства, когда-то не игравшие первостепенной роли, вновь привлекают внимание и дают импульс новым поискам, часто — второму рождению идеи. Так произошло с тепловым двигателем Роберта Стирлинга, построенным впервые еще в 1816 году. В разных вариантах он широко применялся в прошлом веке, однако к началу первой мировой войны его практически вытеснили быстро совершенствовавшиеся моторы внутреннего сгорания и электродвигатели. Но в конце 30-х годов им заинтересовалась голландская радиотехническая корпорация «Филипс», а начиная с 60-х, в ряде стран довольно интенсивно ведутся разработки и исследования двигателя Стирлинга для транспортных средств.

Прежде чем говорить о нынешнем состоянии дел и причинах нового интереса к мотору Стирлинга, опишем коротко принцип его действия и устройство. Как известно, в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) полезная работа совершается в процессе расширения нагретых газов. В работу переходит часть энергии, полученной газами при сжатии и сгорании топлива. Этот принцип использован и в двигателе Стирлинга: сжатие рабочего тела при низкой температуре и расширение — при более высокой. Однако в нем рабочее тело получает тепло извне (в простейшем случае через стенку цилиндра). Поэтому тепловую машину Стирлинга иногда именуют двигателем внешнего сгорания.

Цилиндр реального двигателя Стирлинга разделен на две части, в одной из которых постоянно высокая температура, в другой — низкая. Между ними — вспомогательный поршень-вытеснитель. Он служит только для перекачки рабочего тела из горячей полости в холодную через охладитель и обратно через нагреватель. Чтобы уменьшить потери энергии при перетекании газа, применяют еще один теплообменник — регенератор. Это камера с пористым наполнителем, которому рабочее тело отдает тепло по пути в охладитель. Когда же газ течет обратно, регенератор возвращает ему запасенное тепло.

Рис. 1. Принцип действия двигателя Стирлинга. Для простоты предполагаем движения поршня и вытеснителя прерывистыми. Тогда цикл можно разделить на четыре части: а — поршень в ВМТ, вытеснитель в НМТ, весь газ — в холодной полости; б — вытеснитель остается в ВМТ, поршень сжимает газ при низкой температуре; в — поршень в ВМТ, вытеснитель проталкивает газ из холодной полости в горячую; г — нагретый газ расширился, поршень и вытеснитель в крайних нижних положениях. Пока поршень остается на месте, вытеснитель переводит газ в холодную полость, затем цикл повторяется.

Другой поршень — рабочий: он сжимает холодный газ и совершает полезную работу при расширении нагретого. Стадии рабочего процесса показаны на рис. 1. Вытеснитель не совершает полезной работы, так как при рабочем ходе (см. рис. 1в) давление газа по обе его стороны практически одинаково.

Рабочий поршень (в дальнейшем будем называть его просто поршнем) и вытеснитель в современных конструкциях связаны через ромбический приводной механизм с двумя коленчатыми валами, вращающимися в противоположных направлениях. Валы соединены шестернями, что позволяет снимать мощность с любого из них.

В процессе совершенствования был изобретен двигатель двойного действия (рис. 2), в котором горячая и холодная полости соседних цилиндров соединены через теплообменники (нагреватель, регенератор, охладитель).

Рис. 2. Схема двигателя двойного действия: V1 — полость сжатия; V2 — полость расширения; Н — нагреватель; Р — регенератор; О — охладитель. Конец трубки справа внизу должен быть соединен с открытым концом слева от первого цилиндра. Полость расширения одного цилиндра через нагреватель, регенератор и охладитель сообщается с полостью сжатия другого.

Объемы соответствующих полостей максимальны, когда в связанных между собой цилиндрах один поршень находится в ВМТ, другой в НМТ. Вытеснителей в таком двигателе нет. Полезная работа совершается в каждом цилиндре как при ходе поршня вверх, так и при ходе вниз.

Чтобы камера под поршнем была герметичной, его соединили с коленчатым валом через крейцкопфный механизм, позволяющий шатуну двигаться только возвратно-поступательно. В «стирлингах» двойного действия цилиндры могут располагаться в ряд по кругу или V-образно.

Последний вариант схематически изображен на рис. 3.

Даже беглое описание двигателя Стирлинга наводит на мысль, что конструктивно он не проще поршневых ДВС. Это подтверждают и выкладки исследователей. В чем же достоинства, которые позволяют сторонникам «стирлинга» считать его вполне реальным соперником поршневого ДВС, пусть не в ближайшем будущем?

Таких плюсов в свете современных оценок немало, и все они существенны. Токсичность отработавших газов в пять-десять раз меньше, чем у сравнимых по мощности ДВС, а уровень шума ниже на 10-15 дБ. Экономичность лучше, чем у бензинового, а на малых скоростях (25-55 км/ч) — даже чем у дизеля. Прибавим нетребовательность к виду и качеству топлива, иными словами, возможность работы на самом разном горючем — от бензина до растительных масел, от газа до древесных чурок. Причем, в отличие от ДВС, ухудшение качества топлива не ведет к существенному падению КПД и мощности. Мы не назвали еще уравновешенность и высокую плавность работы, благоприятные (позволяющие упростить трансмиссию) характеристики крутящего момента, хорошую приемистость.

Узнав все это, трудно не задаться вопросом: почему же до сих пор не «бита карта» традиционного ДВС? Возможно мы умолчали о каких-то неустранимых недостатках двигателя Стирлинга?

Бесспорно, у него есть слабые места. Он тяжел: масса, приходящаяся на единицу мощности, больше, чем у бензинового мотора, и близка к показателям дизеля. Сложнее, а значит, дороже механизм преобразования движения (кривошипно-шатунный). Условия протекания рабочего цикла требуют радиатора в два-три раза большего объема, чем для традиционных ДВС. Немало проблем связано с материалами теплообменников, в частности нагревателя, где температура около 750° С, с уплотнением рабочих полостей. Наконец, для получения высоких показателей в качестве рабочего тела «стирлингу» нужны водород или гелий.

Рис. 3. Схема двигателя для опытного автомобиля «Дженерал Моторс»: 1 — форсунка; 2 — камера сгорания с завихрителем; 3 — трубки нагревателя; 4 — регенератор; 5 — впускной патрубок; 6 — герметически изолированный рабочий газ; 7 — водяная рубашка (охладитель); 8 — поршневое кольцо.

Перечисленные минусы существенны, но устранимы. А самое уязвимое место этого двигателя, как остроумно заметил один специалист, в том, что существуют... другие двигатели (конечно, в первую очередь поршневые ДВС). Да не просто существуют: над их совершенствованием — улучшением рабочего процесса, повышением экономичности, снижением шумности, токсичности, металлоемкости, трудоемкости изготовления и обслуживания — постоянно работает множество людей, точное число которых даже трудно подсчитать. Известный исследователь двигателей Стирлинга канадский ученый Г. Уокер отмечает: «То, что фирма «Филипс» в относительно короткое время (35 лет — прим. авт.) и с относительно малым штатом сотрудников смогла создать двигатели Стирлинга с высокими характеристиками, представляется для других фирм невероятным; принимая все это во внимание, было бы рискованно предвидеть будущее развитие». Рассуждая так, Уокер более 10 лет назад делал осторожный прогноз: «...к 1980 году двигатели Стирлинга на грузовиках могут быть уже не новостью».

Но прогноз не сбылся. Армия защитников ДВС действует пока в целом успешнее, чем немногочисленный отряд сторонников «стирлинга». После 10 лет научно-исследовательских работ автомобильные компании «Дженерал Моторс» и «Форд» прекратили собственные разработки по двигателям Стирлинга, не видя достаточно близких перспектив их использования. Но корпорации не вышли из игры, просто основную часть программы взяли на себя шведская фирма «Юнайтед Стирлинг» и американская «Мекеникел Текнолоджи», кстати, широко использующие патенты «Филипс».

Сообщалось, что в нынешнем году «Дженерал Моторс» будет испытывать легковой автомобиль с двигателем МОД-1, разработанным «Юнайтед Стирлинг» и усовершенствованным в ходе двухлетних экспериментов компанией «Мекеникел Текнолоджи». Он имеет два коленчатых вала и вертикально расположенные цилиндры. Предварительные испытания показали, что пробег машины с таким двигателем на 15% больше, чем с ДВС, при равном расходе топлива. Заметим, что речь идет о типичном американском автомобиле, экономичность которого по современным понятиям невысока. Компания стремится довести эту разницу до 30%.

Есть проект мотора с одним коленчатым валом и V-образным расположением четырех цилиндров. Развивая 80 л. с./59 кВт, он позволит автомобилю проходить на 1 литре бензина 17 километров, а на литре дизельного топлива — 19,6 километра. В принятых у нас единицах это соответствует 5,9 и 5,1 л/ 100 км. Таковы расчеты конструкторов.

Известно о применении новых материалов, более стойких к высоким температурам. Хорошей герметичностью обладают, в частности, тефлоновые кольца, уплотняющие поршень в цилиндре.

Продолжение испытаний не говорит, однако, о планах серийного производства двигателей Стирлинга. Как заявил представитель «Дженерал Моторс», программа остается «в высшей степени экспериментальной». Причины: сегодня и в ближайшем будущем двигатель Стирлинга для автомобиля менее выгоден, чем, скажем, дизель.

Будет ли так всегда? Или могут возникнуть условия, которые вынудят платить за преимущества «стирлингов» более высокую цену, чем приемлемая сейчас? Мы имеем в виду критический уровень загазованности и шума, возможный дефицит топлива. Пока ответ на этот вопрос до конца не ясен, тем более что ДВС, в свою очередь, становятся не только экономичнее и тише, но одновременно сложнее и дороже, обрастая турбокомпрессорами, электронными системами регулирования и т. д. В такой ситуации можно ожидать новых интересных результатов доводки двигателей Стирлинга.

Литература
Двигатели Стирлинга. Под ред. М. Г. Круглова. М., Машиностроение, 1977.
Двигатели Стирлинга. Сборник статей под ред. В. М. Бродянского. М., Мир, 1975.
Г. Уокер. Машины, работающие по циклу Стирлинга. М. Энергия, 1978.
Автомобильная промышленность. 1983, № 1, с. 6—8.

© 2011 АвтоМегаНовости. Все права защищены.

«Меня заинтересовала статья в журнале «Изобретатель и рационализатор» о двигателе С. Баландина, — пишет ленинградец К. Фролкин. — Прошу объяснить его принцип работы и устройство» Ответить на просьбу читателей, интересующихся этой темой, мы попросили инженера В. ТИШАКОВА, который работает над проектом бесшатунного двигателя на одном из наших автомобильных заводов.

Как известно, традиционный кривошипно-шатунный механизм поршневых двигателей внутреннего сгорания при работе создает боковое усилие на стенку цилиндра. Чтобы предупредить связанный с этим повышенный износ поршней, приходится придавать им конусную форму, а их юбкам эллипсность. Кроме того, боковая нагрузка на стенку цилиндра увеличивает потери на трение, то есть приводит к уменьшению механического КПД двигателя. Исключить ее можно, применив такой механизм, в котором шатун двигался бы только возвратно-поступательно, не совершая угловых качаний относительно поршневого пальца.

Рис. 1. Частный случай гипоциклоиды: при обкатке одной окружности внутри другой, имеющей вдвое больший радиус, точки А и В малой окружности перемещаются по взаимно перпендикулярным прямым.

К реализации этой идеи приступил С. Баландин. Он предложил применить сначала для паровой машины, а затем поршневого авиационного двигателя «точное прямило» — механизм, давно известный в теории механизмов и машин. Каков же его принцип действия?

Если катить без скольжения внутри большой окружности малую, то любая точка последней опишет за один цикл взаимных перемещений звездообразную криволинейную фигуру — гипоциклоиду. При соотношении диаметров окружностей 1 к 2 фигура превращается в две взаимно перпендикулярные прямые линии (рис. 1). Это явление было известно еще Копернику. Приложить созданный на его основе механизм к двигателю внутреннего сгорания пытались в 1908 году Бюрль во Франции и Бухерер в Германии, но неудачно.

Рис. 2. Принцип гипоциклического перемещения точек окружности в приложении к механизму, преобразующему возвратно — поступательное движение поршней во вращательное (обозначения точек те же, что на рис. 1).

Баландин же, всесторонне исследовав проблему, нашел свое решение (рис. 2). Оно базировалось на частном принципе гипоциклического движения. Схема взаимного перемещения элементов предложенного им механизма (кинематическая схема) была применена в бесшатунном двигателе внутреннего сгорания (рис. 3).

Инженерное воплощение эти изобретения получили в опытном двигателе ОМБ, где были использованы цилиндры, их головки и поршни от пятицилиндрового авиационного мотора М-11А. По сравнению с ним звездообразный четырехцилиндровый бесшатунный двигатель мощнее на 33% и на 84% меньше в площади поперечного сечения. Но самый главный результат — благодаря сокращению потерь на трение между поршнем и цилиндром механический КПД повысился с 0,86 до 0,95, вырос моторесурс. С применением бесшатунного механизма цилиндро-поршневая группа перестала лимитировать надежность и долговечность мотора.

Рис. 3. Кинематическая схема бесшатунного двигателя.

После завершения экспериментов с ОМБ был построен и испытан ряд других опытных двигателей, работавших по принципиально той же схеме (рис. 4 на вкладке). В них функции шатунов выполняют поршневые штоки 1, жестко (а не через поршневые пальцы) связанные с поршнями 6 и, подобно шатунам, охватывающие шейки коленчатого вала 2. На каждом штоке по обеим сторонам подшипника выполнены ползуны (на рис. 4 для упрощения не показаны), которые скользят по направляющим в картере, полностью разгружая поршень и цилиндр от боковых усилий. В результате поршень превращается просто в обойму для поршневых колец, которые герметизируют стык «поршень — цилиндр». Поэтому допуски на размеры поршня могут быть менее жесткими.

На рисунке показана четырехцилиндровая секция бесшатунного двигателя, но возможны конструкции с восемью цилиндрами, двенадцатью, шестнадцатью и т. д. Угол между цилиндрами 8 из-за особенностей кинематической схемы допустим любой, кроме 0 и 180°, так-как невозможно получить конструкции, где цилиндры расположены в один ряд или оппозитно. Во всяком случае, нет препятствий для создания низкого компактного мотора с крестообразным. Х-образным или V-образным расположением цилиндров.

Рис. 4. Принципиальное устройство бесшатунного двигателя: 1 — поршневой шток; 2 — коленчатый вал; 3 — подшипник кривошипа; 4 — кривошип; 5 — вал отбора мощности; 6 — поршень; 7 — ползун штока: 8 — цилиндр.

Коленчатый вал 2 бесшатунного двигателя вращается на подшипниках 3. смонтированных в кривошипах 4. Они через зубчатые венцы на их щеках передают крутящий момент на шестерни так называемого синхронизирующего вала 5, который может служить и для съема мощности.

Типичная компоновка четырехцилиндрового бесшатунного двигателя одинарного действия приведена на рис. 5. Здесь можно видеть ползуны 7 штока, выполненные заодно со штоком 1 поршни 6.

Отсутствие угловых колебаний штока относительно поршня открывает возможность создания двигателя двойного действия (рис. 6). В этом случае рабочий процесс идет по обе стороны поршня, что позволяет снять почти вдвое большую мощность.

Рис. 5. Компоновка бесшатунного двигателя одинарного действия. Позиции те же, что на рис. 4.

Кстати, для того чтобы создать возможность для двустороннего рабочего процесса, в поршневых паровых машинах и судовых двигателях внутреннего сгорания применяют так называемый крейцкопфный кривошипно-шатунный механизм. Однако при такой конструкции резко увеличиваются габарит и масса двигателя. Сопоставление поперечного габарита V-образных поршневых двигателей внутреннего сгорания двойного действия (рис. 7) крейцкопфного и бесшатунного типа показывает значительные преимущества последнего.

Рис. 6. Компоновка цилиндра у бесшатунного двигателя двойного действия.

Экспериментальный бесшатунный авиационный двигатель МБ-4 одинарного действия при габарите, примерно таком же, как у двигателя ГАЗ-24 «Волга», имел близкую к нему массу и развивал в полтора раза более высокую мощность (140 л. с./103 кВт при 2200 об/мин). Удельная мощность двигателя МБ-4 составляла 20,4 л. с./л; удельная масса — 1,14 кг/л. с.; удельный расход топлива в эксплуатационном режиме — 220 г/л. с. в час.

Последний из опытных бесшатунных двигателей С. Баландина, восьмицилиндровый ОМ-127РН двойного действия развивал мощность 3500 л. с. (2576 кВт). Он имел систему впрыска топлива и турбонаддув.

Удельные параметры ОМ-127РН: мощность — 146 л. с./л, расход топлива при максимальной мощности — 200 г/л. с. в час, масса — 0,6 кг/л. с.

Суммируя достоинства бесшатунного двигателя, можно отметить, что по сравнению с рядом поршневых двигателей внутреннего сгорания и газовыми турбинами он компактнее, менее металлоемок. Для изготовления многих его деталей пригодны действующие технология и оборудование моторостроительных производств в автомобильной промышленности.

Рис. 7. Сравнение поперечного габарита двигателей двойного действия — обычного и бесшатунного (выделен красным цветом): слева — при одинаковых диаметре цилиндра и ходе поршня, справа — при одинаковой мощности.

Все эксперименты и исследования по бесшатунным двигателям велись в свое время специалистами авиамоторостроения. Серийно для нужд авиации он, однако, не выпускался, поскольку пригоден только для винтовых машин, время которых прошло. Развитие же идей С. Баландина применительно к автомобильным двигателям представляет интерес. Так, некоторое время назад на одном из наших автомобильных заводов группой конструкторов под руководством Р. Розова был разработан проект бесшатунного двигателя с Х-образным расположением цилиндров. Ближайшее будущее, видимо, покажет, насколько реальны перспективы применения бесшатунного двигателя на автомобиле в условиях массового производства.

С. С. Баландин. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. М., Машиностроение, 1968 (1972 г. — второе издание).