Г.Рилер
ЧХупер
^ВИИТЫИ С1У1В1ИНИ
Перевод с английского
д-ра техн. наук С. С. Ченцова
и кандидатов техн. наук Е. Е. Черейского
и В. И. Кабакова
Москва «Мир» 1986

ББК 31.365
Р 49
УДК 621.4
Ридер Г., Хупер Ч.
Р49 Двигатели Стирлинга: Пер. с англ. — М.: Мир, 1986.—
464 с., ил.
В книге английских авторов дается обзор конструкций двигателей с внешним
нагревом, работающих по замкнутому циклу (циклу Стирлинга), анализируются
их рабочие характеристики. Излагаются основные вопросы теории, методы расчета
и принципы конструирования таких двигателей. Рассматриваются перспективы их
использования в различных областях.
Для специалистов в области проектирования, производства и использования
тепловых двигателей, а также преподавателей и студентов технических вузов.
2303020200—351 <Р.Л	,
~-04Й0Т)=86- 159“86’ Ч' 1	ББК	31*365
Редакция литературы по новой технике
Монография
Грэхем Томас Ридер, Чарльз Хупер
ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА
Ст. научный редактор О. Н. Вишнякова. Младший редактор
Л. Л. Савинова. Художник В. Я. Минин. Художественный ре¬
дактор Н. М. Иванов. Технический редактор А. Л. Гулина.
Корректор М. А. Смирнов.
ИБ N° 5227
Сдано в набор 09.12.85. Подписано к печати 25.06.86. Фор¬
мат 60x90Vie- Бумага книжно-журнальная имп. Гарнитура
литературная. Печать высокая. Объем 14,50 бум. л. Уел.
печ. л. 29. Уел. кр. отт. 29. Уч.-изд. л. 28,01. Изд. № 7/3463.
Тираж 4100 экз. Зак. 839. Цена 3 р. 30 к.
Издательство «МИР»
129820, Москва, И-П0, ГСП, 1-й Рижский пер., 2.
Ленинградская типография № 2 головное предприятие
ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объеди¬
нения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союз-
полиграфпрома при Государственном комитете СССР по
делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
198052, Ленинград, Л-52, Измайловский проспект, 29.
Отпечатано в Ленинградской типографии № 8 ордена
Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения
«Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзполиграф-
прома при Государственном комитете СССР по делам
издательств, полиграфии и книжной торговли. 190000,
Ленинград, Прачечный переулок. 6. Зак. 585.
© 1983 G. Т. Reader, С. Hooper
© перевод па русский язык, с исправ¬
лениями, «Мир», 1986

Предисловие к русскому переводу
Двигатели — сердце современной цивилизации. Они обеспе¬
чивают рост производства, сокращают расстояния. Благодаря
им человек получает энергию, свет, тепло, информацию. Наи¬
более распространенные в настоящее время двигатели внутрен¬
него сгорания имеют ряд существенных недостатков: их работа
сопровождается шумом, вибрациями, они выделяют вредные
отработавшие газы и потребляют много топлива. Известен
класс двигателей, вред от которых минимален,— это двигатели
< лпрлнпга. Они работают по замкнутому циклу, без непрерыв¬
ных мпкрпн.зрыиок в рабочих цилиндрах, практически без вы¬
деления вредных газов, да и топлива им требуется значительно
меньше.
С середины XX и. указанные преимущества двигателей
Стирлинга вызвали к ввм повышенный интерес, и на первый
план была поставлена задача создания действующих и конку¬
рентоспособных двигателей. При этом многие технические ре¬
шения, оправдавшие себя при конструировании двигателей
внутреннего сгорания, газовых и паровых турбин, оказались
непригодными из-за специфических условий работы деталей
и узлов в двигателе Стирлинга. Ряд агрегатов и систем (на¬
греватель, механизмы отбора мощности, системы уплотнений
и др.) пришлось создавать заново, так как им не было аналогов.
В процессе конструирования и доводки двигателей Стирлин¬
га все сильнее ощущалась нехватка в теоретических и экспе¬
риментальных исследованиях в области прикладной термодина¬
мики, нестационарной газодинамики, конвективного теплообмена
при быстром изменении направления течения. Выявилась необ¬
ходимость комплексного решения термодинамических, газодина¬
мических, тепловых, механических и технологических проблем.
Однако в большинстве работ, посвященных этим проблемам,
рассматривались, как правило, сугубо специальные вопросы, а
немногие работы общего характера велики по объему и в целом
трудны для понимания.
Предлагаемая вниманию советского читателя монография
восполняет недостаток в фундаментальных и одновременно по¬

6 Предисловие к русскому переводу
нятных и полезных для практического применения работах, по¬
священных двигателям Стирлинга. В книге рассмотрены прин¬
ципы работы этих двигателей, подробно описаны характерные
особенности уже созданных двигателей, предложена их класси¬
фикация и проанализированы перспективы их использования в
различных областях. Приведены основные методы расчета про¬
исходящих в двигателях процессов и вопросы их проектирова¬
ния. Большое внимание уделено тонкостям специфических фи¬
зических явлений (например, отклонениям термодинамических
процессов от идеальных, особенностям быстропеременного по
направлению течения и нестационарного теплообмена, утечке
рабочего тела вследствие диффузии газа сквозь твердую стенку
и т. д.), которые имеют существенное, а иногда жизненно важ¬
ное значение для двигателя.
К достоинствам книги следует отнести использование ряда
приближенных и эмпирических соотношений, позволяющих оп¬
ределить направление исследований и конструктивных прора¬
боток, оценить примерные характеристики рассматриваемых
сложных процессов и правильно сориентироваться при выборе
параметров двигателя. Неоднократно подчеркивается необхо¬
димость комплексного подхода к конструированию двигателя.
Авторы оптимистично смотрят на перспективы двигателей
Стирлинга и считают, что сконструировать работоспособный
двигатель хотя и непросто, но вполне возможно, опираясь на
прогресс в научном обеспечении разработки этих двигателей и
используя достижения в области техники и технологии, свя¬
занные с созданием необходимых конструкционных материа¬
лов, усовершенствованием компоновочных схем и механизмов
привода. Не исключено, что в будущем, как уже неоднократно
случалось в истории науки и техники, опыт, накопленный в об¬
ласти создания двигателей Стирлинга, найдет применение, под¬
час весьма неожиданное, в других областях, например при со¬
вершенствовании других тепловых двигателей.
Следует признать удачной структуру книги. Глава 1 позво¬
ляет понять общие принципы работы двигателя Стирлинга и
особенности его конструкции и представить возможные области
его применения. В последующих главах эти вопросы освещены
более подробно, чтобы дать возможность читателю глубже по¬
знакомиться с теоретическими основами двигателя (гл. 2), ме¬
тодами расчета и конструирования двигателей (гл. 3), кон¬
струкцией действующих двигателей (гл. 4), нестандартными
источниками энергии (гл. 5), и другими проблемами. Книга
отличается живым языком и четким изложением материала.
Авторы, с одной стороны, достаточно подробно анализируют
сложные процессы, с которыми приходится сталкиваться при
создании двигателей Стирлинга, а с другой — возбуждают ин¬

Предисловие к русскому переводу 7
терес и фантазию читателя и оставляют простор для самостоя¬
тельных мыслей и творческих идей, которые очень нужны на
современной стадии разработки этих двигателей.
В книге приведена обширная библиография, причем авто¬
ры предлагают отдельные списки литературы для инженерно-
технических работников и для преподавателей и студентов,
учитывающие различные интересы этих групп читателей. К со¬
жалению, многие работы недоступны советскому читателю.
Книга представляет большой интерес для инженеров, спе¬
циалистов в области двигателестроения, студентов и аспиран¬
тов соответствующих специальностей технических вузов.
Перевод книги выполнен Е. Е. Черейским (гл. 1, приложе¬
ние В), С. С. Ченцовым (гл. 2, 3, приложения А, Б) и
В. И. Кабаковым (гл. 4—7). При переводе исправлены допу¬
щенные в оригинале опечатки.
С. С. Ченцов
Е. Е. Черейский
В. И. Кабаков

Предисловие
Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 г., приблизи¬
тельно за 80 лет до дизеля, и пользовался значительной по¬
пулярностью до начала XX в. Отсутствие подходящих кон¬
струкционных материалов в значительной степени затруднило
его дальнейшее совершенствование, а с появлением двигателя
внутреннего сгорания и электродвигателя интерес к двигателю
Стирлинга утратился окончательно. В 50-е годы XX в. быстрое
развитие технологии производства различных материалов вновь
открыло перед двигателем Стирлинга некоторые перспективы,
однако настоящий интерес к нему возродился только во време¬
на так называемого «энергетического кризиса». Именно тогда
особенно привлекательными показались потенциальные воз¬
можности этого двигателя в отношении экономичного потребле¬
ния обычного жидкого топлива, что представлялось особенно
важным в период роста цен на топливо в геометрической про¬
грессии.
Хотя проблемы, относящиеся к двигателю Стирлинга, до не¬
которой степени освещались в технической литературе, все же,
как показывает опыт авторов, в инженерных и промышленных
кругах имеется весьма слабое представление о двигателе
Стирлинга, принципах его работы, диапазоне возможных обла¬
стей его применения и той роли, которую мог бы сыграть этот
двигатель в решении задачи экономии энергии. Дело, однако,
не в недостатке литературы по вопросам конструирования и
работы двигателя Стирлинга, а в том, что многие из опубли¬
кованных работ (а их около тысячи) имеют весьма специаль¬
ный характер и требуют от читателя определенной предвари¬
тельной подготовки для усвоения их содержания. Работы об¬
щего характера по двигателям Стирлинга встречаются весьма
редко и неизбежно велики по объему. Нужно иметь достаточ¬
но большую заинтересованность в предмете, чтобы прочесть та¬
кую работу полностью. Сжатое изложение отдельных вопросов,
принятое в подобных работах, часто оказывается препятствием
для читателя, не имеющего первоначальных знаний по двигате¬
лю Стирлинга.
Сбивающее с толку обилие высокоспециализированной ли¬
тературы скорее охладит даже подготовленного читателя, чем

Предисловие 9
возбудит его интерес. Все же, какой бы ни была ситуация, оче¬
виден факт, что сколько-нибудь подробное описание конструк¬
ции двигателя Стирлинга и термодинамического цикла, лежа¬
щего в основе его работы, редко встречается в обычных учеб¬
никах и, как правило, не включается в курсы лекций, читае¬
мых в высших технических учебных заведениях и университе¬
тах. Однако именно студенты, обучающиеся в настоящее время
в высших учебных заведениях, и молодые инженеры, только
начинающие свою практическую деятельность, могут оказать
решающее влияние на дальнейшее развитие двигателя Стир¬
линга, и настоящая книга адресована главным образом этим
двум группам читателей.
Представители руководящих кругов исследовательских ор¬
ганизаций и промышленности, профессора и преподаватели
технических дисциплин благодаря занимаемому ими положе¬
нию могли бы оказать большое влияние на завтрашних инже¬
неров и техников, и поэтому им также следовало бы больше
знать о двигателях Стирлинга. Настоящая книга рассчитана и
на эти группы читателей. Она построена так, чтобы облегчить
понимание основных особенностей работы и конструкции дви¬
гателя Стирлинга. Книга дает ответы на вопросы: как устроен
двигатель Стирлинга, как он работает, где он может использо¬
ваться и т. д.— уже в начале изложения материала (гл. 1).
Мы надеемся, что, прочитав эту главу, инженерно-технические
работники будут более отчетливо представлять потенциальные
возможности двигателя Стирлинга в области преобразования
энергии и более внимательно отнесутся к перспективам его ис¬
пользования.
Можно отметить одну интересную особенность: многие ис¬
следователи двигателя Стирлинга чрезвычайно быстро стано¬
вятся его горячими сторонниками, как и те, кто работает с па¬
ровыми машинами. Несомненно, что манящие и ускользающие
возможности двигателя в значительной степени привлекают
инженеров, ознакомившихся с этим устройством. Однако Дэ¬
вид Оруик, вероятно, более точно объясняет причину такого
повышенного интереса: «...неизвестные факторы, влияющие на
характеристики двигателя, работающего на нагретом воздухе,
столь многочисленны, что это открывает широкие возможности
для исследовательской н изобретательской деятельности» (Mo¬
del Engineer, Oct. 1975, p. 959).
К сожалению, как и во всех случаях, когда имеются обшир¬
ная литература и большое число энтузиастов, возникает много
всяких мифов и легенд. В предлагаемой книге мы попытались
опровергнуть некоторые необоснованные суждения, которые
проникли в литературу. Однако мы не считаем данную книгу
исчерпывающим трудом по двигателям Стирлинга. Такую кии-

10 Предисловие
гу еще предстоит написать, хотя серия книг Уокера на сегод¬
няшний день, вероятно, наиболее полно охватывает рассматри¬
ваемую проблему. Настоящая книга отражает в значительной
своей части результаты наших собственных исследований и
изучения имеющейся литературы, и мы надеемся благополуч¬
но провести читателя через «минные поля» трудностей на под¬
ступах к пониманию конструкции и принципов работы двига¬
теля Стирлинга.
Многие исследователи внесли свой вклад в углубление и
расширение наших знаний о двигателе Стирлинга и всех их
перечислить невозможно. Однако следует особо упомянуть
Грэхема Уокера, Теда Финкельштейна, Билла Била и Билла
Мартини, оказавших нам неоценимую помощь. Большую по¬
мощь оказали нам также наши коллеги и некоторые талант¬
ливые студенты Королевского морского инженерного колледжа в
Великобритании, выполнявшие свои проекты под нашим руко¬
водством.
Основное содержание книги изложено в гл. 1, которая мо¬
жет рассматриваться как самостоятельный, законченный текст.
В остальных главах более подробно рассматриваются некото¬
рые вопросы, поднятые в гл. 1. Порядок расположения этих
глав дает возможность читателю постепенно углублять свои
знания о двигателе Стирлинга. Мы надеемся, что основные во¬
просы нам удалось изложить более ясно, чем в некоторых про¬
смотренных нами литературных источниках. В тексте книги,
как правило, опущены детальные математические выкладки,
однако приведены основные формулы и рассмотрены методы
аналитического исследования процессов (главным образом в
гл. 2 и 3), так что читатель сможет пользоваться ими доста¬
точно свободно, одновременно оценивая их практическую поль¬
зу и осваивая методику их применения.
Ознакомившись с основополагающими концепциями и осно¬
вами конструкции двигателя Стирлинга, более подготовленные
или более честолюбивые читатели могут пожелать продолжить
изучение предмета. Для этого в гл. 7 анализируется имею¬
щаяся литература по двигателям Стирлинга, и выделяются
публикации, с которыми необходимо ознакомиться при даль¬
нейшем изучении этого вопроса. Однако, учитывая то, что сту¬
дентов и преподавателей заинтересует литература несколько
иного характера, чем инженерно-руководящих работников про¬
мышленности, в книге даются отдельные списки литературы
для каждой группы. После просмотра литературы, обзор кото¬
рой дан в гл. 1 и 7, многих представителей промышленности
заинтересует, кто изготавливает двигатели Стирлинга, какова
их сравнительная стоимость, каковы рабочие параметры дви¬
гателей, которые можно приобрести, и т. п., в то время как

Предисловие 11
преподавателей будет интересовать оборудование, которое
можно использовать в лабораториях учебных заведений. В свя¬
зи с этим в гл. 4 рассматриваются отдельные узлы двигателя
и с учетом опыта авторов по приобретению материальной ча¬
сти, в том числе для использования в качестве наглядных по¬
собий, приведен перечень источников, содержащих чертежи
двигателей. В гл. 6 в исторической перспективе рассматрива¬
ются различные направления исследований двигателей Стир¬
линга и другие вопросы, связанные с этими исследованиями.
Выявляются еще не решенные проблемы и рассматриваются
специфические области исследований, где работники учебных
заведений могли бы сыграть важную роль. В гл. 5 рассматри¬
ваются вопросы, связанные с использованием аккумуляторов
тепловой энергии и источников тепла, основанных на горении
металла. Эти вопросы могут приобрести важное значение в бу¬
дущем.
Авторы надеются и полагают, что в настоящей книге дано до¬
статочно точное и легко усваиваемое изложение затрагиваемых
вопросов и связанных с ними проблем, понятное без привлече¬
ния дополнительной литературы. Откровенно говоря, такую
книгу мы бы сами приветствовали, если бы впервые проявили
интерес к двигателю Стирлинга.
В заключение мы благодарим наших жен и членов семей
за их поддержку во время работы над книгой, в особенности
за перепечатку рукописи и подготовку графического материала.
Г. Т. Ридер
Ч.	Хупер

Общее описание двигателей
Стирлинга
Настоящая глава является существенной частью всей книги
и содержит общее описание двигателей Стирлинга. При этом
была предпринята попытка систематизировать основные прин¬
ципы их работы и особенности конструкции.
1.1.	КАК ПОЛЬЗОВАТЬСЯ КНИГОЙ?
Цель книги — дать общее представление о двигателях Стир¬
линга. Она предназначена для специалистов — инженеров и
работников промышленности, заинтересованных в приобрете¬
нии более глубоких знаний по этому вопросу и в то же время
не имеющих возможности тратить усилия и время на выиски¬
вание нужных сведений в многочисленных публикациях и на
изучение пространных докладов и отчетов. В соответствии с
нашими намерениями, изложенными в предисловии, настоящая
глава включает краткое предварительное изложение основных
вопросов; в последующих главах эти вопросы рассматриваются
более подробно, описывается практическое применение двига¬
телей Стирлинга и дается характеристика современного состоя¬
ния конструкторских и исследовательских работ. Там, где это
необходимо, выделяются основные тезисы, которые располага¬
ются, как правило, в начале каждой главы или раздела.
В разд. 1.2 дается перечень основных принципов работы и от¬
личительных особенностей двигателя Стирлинга. Этот перечень
связан ссылками с остальной частью книги, что дает возмож¬
ность читателю изучать ее в выбранной им последовательности.
В литературе, посвященной двигателям Стирлинга, читатель
не найдет ни устоявшейся терминологии, ни стандартных обо¬
значений. Лишь некоторые авторы пытались упорядочить при¬
менение определений и символов; нам известна по крайней
мере одна такая попытка, предпринятая Уокером [1]. Поэтому
там, где это возможно, мы использовали общепринятую в на¬
стоящее время терминологию или по крайней мере не противо¬
речащую ей. В тех случаях, где предлагаемая терминология
могла бы вызвать неоднозначное толкование, для облегчения
понимания дается пояснение терминов. Перечень предлагаемых
терминов и определений приведен в приложении В.

Общее описание двигателей Стирлинга 13
В книге отсутствуют главы, посвященные системам приме¬
няемых единиц, законам термодинамики и классической меха¬
ники, поскольку все это прекрасно изложено во многих кни¬
гах, имеющихся в библиотеках. Книга рассчитана на читателя,
знакомого с международной системой единиц СИ.
Мы решили не включать в книгу перечень примерно 1500
работ, на которые можно было бы сослаться при изложении
материала, однако в каждой главе привели список литерату¬
ры, с которой необходимо ознакомиться прежде, чем начинать
какую-либо работу в данной области. Более того, учитывая,
что ученым и исследователям нужна иная литература, нежели
лицам, рассматривающим возможность практического исполь¬
зования двигателей Стирлинга, в гл. 7 даны отдельные списки
рекомендуемой литературы.
В настоящей книге мы намеренно предпочли термин «двига¬
тель Стирлинга» термину «машина, работающая по циклу
Стирлинга». Это сделано по двум основным причинам. Во-пер¬
вых, ни один двигатель или машина в действительности не ра¬
ботают по циклу Стирлинга, хотя при определенных измене¬
ниях в конструкции полостей переменного объема можно до¬
стичь протекания процессов сжатия и расширения в соответ¬
ствии с идеальным циклом. Такие модификации имеют общее
название «изотермические двигатели» [2]. С большей точ¬
ностью, вероятно, можно было бы применить термин «машина,
работающая по принципу Стирлинга». Во-вторых, «машина, ра¬
ботающая по принципу Стирлинга», может функционировать в
различных режимах, а именно: в качестве механического при¬
вода, как тепловой насос [3], холодильная машина [41 и га¬
зогенератор [!]• Все эти режимы можно получить на одном
и том же двигателе, чему авторы этой книги были свидетелями
при посещении исследовательских лабораторий фирмы «Фи¬
липс» в Эйндховене (Нидерланды). Следовательно, термин
'•машина, работающая по принципу Стирлинга» охватывает
весь диапазон соответствующих механизмов. Поскольку дан¬
ная книга посвящена исключительно вопросам получения меха¬
нической энергии на валу, термин «двигатель Стирлинга» пред¬
ставляется более подходящим.
1.2.	ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ
ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Ниже приведен перечень основных положений, характеризу¬
ющих двигатель Стирлинга. Более полное освещение этих по¬
ложений с соответствующими комментариями дается в разде¬
лах, указанных в скобках.

14 Глава 1
1.2.1. Основные принципы
1. Двигатель Стирлинга представляет собой современный
вариант изобретенного в 1816 г. шотландским священником Ро¬
бертом Стирлингом теплового двигателя, использовавшего в
качестве рабочего тела воздух (разд. 1.9).
2. Это поршневой двигатель с внешним подводом тепла, в
котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве и
во время работы не заменяется (разд. 1.4).
3. Для подвода тепловой энергии можно использовать лю¬
бой источник тепла (гл. 5).
4. Идеальный термодинамический цикл Стирлинга обладает
термическим КПД, равным максимально возможному теорети¬
ческому КПД теплового двигателя (т. е. КПД цикла Карно)
(гл. 2).
5. Двигатель Стирлинга может работать с высоким КПД
только при наличии эффективного регенератора (разд. 2.1).
6. Полезная работа совершается при попеременном сжатии
и расширении данной массы рабочего тела при различных тем¬
пературах (гл. 2).
7. Полезная работа почти прямо пропорциональна средне¬
му давлению цикла (разд. 1.6).
8. Пуск некоторых видов двигателя может осуществляться
без вспомогательных пусковых устройств (разд. 1.4).
9. При использовании привода от постороннего источника
механической энергии двигатель будет работать как холодиль¬
ная машина.
10. С точки зрения термодинамики рабочий цикл двигателя
Стирлинга определяется как замкнутый регенеративный цикл
(гл. 2).
11. Классический анализ двигателя Стирлинга был выпол¬
нен в 1871 г. немецким ученым Густавом Шмидтом (приложе¬
ние А).
1.2.2. Рабочие характеристики
12. В качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга обыч¬
но используется воздух, гелий или водород (разд. 3.1).
13. КПД двигателя остается почти постоянным в широком
диапазоне условий его работы (разд. 1.6).
14. Наиболее эффективно двигатель работает при постоян¬
ных значениях скорости и мощности (разд. 1.6).
15. Нагрев, охлаждение и регенерация в двигателе осуще¬
ствляются с помощью встроенных теплообменников, которые
должны работать в среде, не содержащей масел, что предот¬
вращает их засорение (разд. 1.6).

Общее описание двигателей Стирлинга 15
16. В двигателе расходуется пренебрежимо малое количе¬
ство смазочного масла (разд. 1.6).
17. Среднее давление в цилиндре двигателя Стирлинга
мощностью более 40 кВт, как правило, превышает 15 МПа
(разд. 3.1.6).
18. Элементом, ограничивающим долговечность двигателя,
является система уплотнений.
19. В энергосиловой установке Стирлинга, работающей на
ископаемом топливе (нефти, угле, газе и т. п.), используется
непрерывный процесс горения, благодаря чему выбросы в ат¬
мосферу имеют низкое содержание углеводородов и окиси уг¬
лерода (разд. 1.7).
20. При использовании жидких нефтепродуктов в двигате¬
ле необходимо предусмотреть рециркуляцию отработавших га¬
зов, чтобы снизить концентрацию окислов азота (разд. 1.7).
21. Имеется множество различных видов двигателя Стир¬
линга, и в них используются различные типы кривошипных ме¬
ханизмов (разд. 1.11 и 2.6).
22. Только в двигателе Стирлинга применяется специаль¬
ный кривошипный механизм, так называемый ромбический
привод, позволяющий динамически уравновесить одноцилиндро¬
вый двигатель.
1.2.3.	Сравнение с обычными силовыми установками
23. Благодаря отсутствию клапанного механизма и перио¬
дических взрывов работа двигателя Стирлинга отличается бес¬
шумностью по сравнению с другими поршневыми двигателями
(разд. 1.6).
24. Для двигателя Стирлинга требуется система охлажде¬
ния почти вдвое большего объема, чем для сравнимых дизель¬
ного или бензинового двигателей (разд. 1.6).
25. Циклические изменения давления в двигателе Стирлин¬
га значительно меньше, чем в других тепловых двигателях.
26. Крутящий момент на выходе двигателя практически не
зависит от скорости двигателя 1 (разд. 2.6).
27. В энергосиловой установке Стирлинга с понижением
температуры охлаждающей жидкости КПД повышается, в то
время как в обычном бензиновом или дизельном двигателе
К.ПД уменьшался бы (разд. 1.6, гл. 2).	"
28. Удельная мощность (мощность на единицу рабочего
объема) на выходе двигателя Стирлинга такая же, как и у ди¬
зельного двигателя.
1 Под скоростью здесь понимается частота чередования рабочих циклов
в минуту. Для двигателя Стирлинга с механическим приводом эта частота
совпадает с частотой вращения кривошипа (коленчатого вала).— Прим.
перев.

16 Глава 1
29. Отношение мощности к массе двигателя Стирлинга со¬
поставимо с аналогичным показателем дизельного двигателя с
турбонаддувом.
30. Для достижения значений КПД и удельной мощности
на выходе, сопоставимых со значениями этих параметров со¬
временных энергосиловых установок, в двигателе Стирлинга
необходимо использовать газ с малой молекулярной массой
при весьма высоком давлении (15 МПа) (разд. 3.1.6).
31. Двигатель Стирлинга реагирует на изменение нагрузки
аналогично дизельному двигателю, однако требует более слож¬
ной системы регулирования (разд. 1.7).
32. Двигатель Стирлинга более сложен, чем обычные тепло¬
вые двигатели.
33. Стоимость изготовления двигателя Стирлинга выше
стоимости изготовления двигателя внутреннего сгорания, одна¬
ко стоимость его эксплуатации меньше (разд. 1.6).
1.3.	ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА?
Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель с замкнутым
регенеративным циклом, работа которого характеризуется
1) высокими значениями среднего давления газа;
2) свободным от масла рабочим пространством;
3) отсутствием клапанного механизма;
4) передачей тепла через стенки цилиндра или теплообмен¬
ник.
Общее название «машина, работающая по принципу Стир¬
линга», было предложено голландской фирмой «Филипс»
(N. V. Philips Gloeilampen-labrieken (Philips)) после первого
этапа работ (1940—1950 гг.) по совершенствованию изобретен¬
ного в 1816 г. Робертом Стирлингом теплового двигателя, ра¬
ботающего на подогретом воздухе. При исследовании возмож¬
ности увеличения удельной мощности и КПД этого двигателя
было установлено, что газы с меньшей молекулярной массой,
такие, как гелий и водород, предпочтительнее, чем более тяже¬
лый воздух, и, следовательно, название «двигатель Стирлинга»
более точное, чем «двигатель, работающий на подогретом воз¬
духе».
Двигатель Стирлинга представляет собой преобразователь
энергии, относящийся к типу тепловых двигателей, совершаю¬
щих механическую работу на выходном валу при подводе к
ним тепловой энергии. Полезная работа в рабочем цикле Стир¬
линга совершается, как и в других тепловых двигателях, по¬
средством сжатия рабочего тела при низкой температуре и рас¬
ширения того же рабочего тела после нагрева при более высо¬
кой температуре. Основные термодинамические процессы, про¬

Общее описание двигателей Стирлинга 17
текающие в обычных тепловых двигателях: сжатие газа, погло¬
щение тепла, расширение газа и отвод тепла, легко различимы
и в цикле двигателя Стирлинга, однако имеется радикальное
различие в том, как протекает процесс поглощения тепла в
двигателе Стирлинга и в двигателе внутреннего сгорания.
Топливо и
EF
Источник
Е
Любой источ¬
окислитель
тепла
■*- —
ник энергии
Е/'
Нагрев
твердого
тела
f—“
Harp
рабо
тел
ев
чего
а
JL
расширение
Регенерация
TTZ г-
I
Е
Полезная
	.-а.
работа
Сжатие
Вьщуск 	>_	Потери	терла
Рис. 1.1. Принципиальные различия между двигателем Стирлинга и двигате¬
лем внутреннего сгорания (ДВС).
 ■> двигатель Стирлинга; 	>.	ДВС:	Е—поток энергии: F—поток рабочего тела.
В двигателе внутреннего сгорания распыленное топливо со¬
единяется с окислителем, как правило воздухом, до фазы сжа¬
тия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесь от¬
дает свою энергию во время кратковременной фазы горения
(сгорания), в то время как в двигателе Стирлинга энергия по¬
ступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра
или теплообменник (рис. 1.1). Еще одним существенным разли¬
чием между двигателем внутреннего сгорания и двигателем
Стирлинга является отсутствие в последнем клапанов или от¬
верстий для впуска и выпуска, поскольку рабочее тело (газ)
постоянно находится в полостях двигателя.
Скорость двигателя Стирлинга можно регулировать, изме¬
няя количество газа в двигателе или величину среднего давле¬
ния. Применяя эти средства регулирования скорости, необходи¬
мо предусмотреть клапанный механизм с соответствующей
2 Зак. 839

18 Глава 1
системой патрубков, примыкающих к цилиндрам, но не состав¬
ляющих с ними одно целое. При этом клапанный механизм
имеет другое назначение и другие характеристики по сравне¬
нию с клапанным механизмом двигателя внутреннего сгорания.
Работа двигателя Стирлинга по замкнутому циклу опреде¬
ляет как его преимущества, так и недостатки. Например, по¬
скольку рабочее газообразное тело постоянно находится в по¬
лости двигателя, отвод неиспользованного тепла в атмосферу
полностью осуществляется через теплообменник, в то время
Дизель	Двигатель Стирлинга
Работа,
снимаемая
С 6ЫХО0НОГО
вала
Выпуск
Охлажда¬
ющая
жидкость
п
Трение
Работа,
снимаемая
Выпуск
с выходного
вала
Трение
—1
охлаждающая
жиВкость
Рис. 1.2. Сравнение структур энергетического баланса двигателя Стирлинга
и дизельного двигателя.
как в двигателях, работающих по незамкнутому циклу, произ¬
водится также выпуск горячих газов из цилиндров. Поэтому по
сравнению с двигателем внутреннего сгорания двигателю Стир¬
линга требуется более развитая система охлаждения, как это
видно из структуры энергетического баланса (рис. 1.2). В си¬
стемах, предназначенных для транспортных средств, где эко¬
номия занимаемого двигателем объема является определяю¬
щим фактором, необходимость использования радиатора с уве¬
личенным рабочим объемом является недостатком, в то же
время это может стать преимуществом в системах, потребляю¬
щих всю энергию, и в тепловых насосах, где холодильник боль¬
ших размеров может увеличить КПД системы.
Отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стир¬
линга и работа без периодических взрывов означают, что
устранены основные источники шума, как газодинамического,
так и механического. Это делает двигатель Стирлинга суще¬
ственно менее шумным, чем другие устройства для выработки
механической энергии с возвратно-поступательным движением,
и тем самым более приемлемым с точки зрения социальных
требований, а также перспективным для применения в военных
целях.

Общее описание двигателей Стирлинга 19
Поскольку конструкция двигателя Стирлинга не испыты¬
вает резких циклических ударных нагрузок, можно предпола¬
гать, что расходы на текущий ремонт и техническое обслужи¬
вание таких двигателей будут существенно снижены. Однако
для работы с удельными мощностями, как у дизельного дви¬
гателя и газовой турбины, двигатель Стирлинга должен иметь
среднее давление цикла 10—20 МПа. При таких давлениях
требуется весьма совершенная система уплотнений для предот¬
вращения утечки рабочего тела в картер (проблема, особенно
сложная при использовании гелия или водорода), а также по¬
падания смазочного масла в рабочие полости, где оно будет
загрязнять теплообменники, вызывая возрастающие потери
давления и снижение выходной мощности.
Хотя двигатель Стирлинга и получает энергию извне, его
нельзя с достаточной строгостью назвать двигателем внешнего
сгорания, поскольку любой источник тепла с подходящей тем¬
пературой, например сфокусированная солнечная энергия, ак¬
кумулированная тепловая энергия, тепловая энергия, выделяю¬
щаяся при горении металла, ядерная энергия и т. п., может
быть использован для этой цели. В настоящее время в боль¬
шинстве установок с двигателями Стирлинга применяется жид¬
кое топливо из-за простоты его использования и из-за требова¬
ний, обусловленных конкретным назначением установки. При
использовании системы сгорания для нагрева рабочего тела
применяют непрерывный процесс горения, что позволяет сжи¬
гать различные виды топлива, которые эффективно сгорают, не
создавая опасности попадания твердых частиц из топлива,
окислителя или окружающего пространства в рабочие цилинд¬
ры. При использовании для сжигания жидких топлив непре¬
рывное горение можно легко регулировать, в результате чего
снижается уровень выбросов, особенно несгоревших углеводо¬
родов и окиси углерода, однако, чтобы понизить содержание
окислов азота, необходимы дополнительные меры.
Непрерывное горение, однако, создает свои проблемы, по¬
скольку материалы, из которых изготовлены нагреватель и ци¬
линдры, должны обладать повышенной термостойкостью, что¬
бы выдерживать постоянное воздействие высоких температур,
в то время как в двигателях внутреннего сгорания такие тем¬
пературы возникают периодически и на короткое время. Поэто¬
му температурно-напряженные детали двигателей Стирлинга
обычно изготавливают из дорогостоящих сортов высококаче¬
ственной нержавеющей стали, с высоким содержанием кобаль¬
та. Кроме того, тепловая инерция конструкционных материалов
затрудняет использование регулирования подвода энергии как
единственного способа управления скоростью двигателя.
2*

20 Глава 1
В двигателях Стирлинга применяются регенеративные теп¬
лообменники (регенераторы), размещенные в каналах, по кото¬
рым газ перемещается между горячей и холодной зонами
двигательной установки. Функцией регенератора является попе¬
ременное накопление и возвращение части тепловой энергии, по¬
лученной в рабочем цикле двигателя. Передача энергии пуль¬
сирующему газовому потоку должна происходить таким обра¬
зом, чтобы свести к минимуму подвод тепла к установке и в
Рис. 1.3. Фундаментальное определение двигателя Стирлинга.
то же время поддерживать на заданном уровне мощность, сни¬
маемую с вала. Результатом действия регенератора является
возрастание КПД цикла, поэтому теплообменник такого ти¬
па — существенный элемент любого двигателя Стирлинга, рас¬
считанного на практическое применение.
Таким образом, правильнее определить двигатель Стирлин¬
га как тепловой двигатель, работающий по замкнутому регене¬
ративному циклу. Это фундаментальное определение иллю¬
стрируется на рис. 1.3.
В основе конструкции двигательной установки Стирлинга
лежат принцип разделения горячей и холодной рабочих поло¬
стей и способ, с помощью которого рабочее тело направляется
из одной полости в другую. Управлять этим потоком, искус¬
ственно поддерживая разность давлений в полостях, нежела¬
тельно, поскольку энергия, вырабатываемая двигателем Стир¬
линга, почти прямо пропорциональна давлению цикла, и, сле¬
довательно, падение давления уменьшает величину полезной
механической работы, ‘совершаемой двигателем. Поэтому для

Общее описание двигателей Стирлинга 21
создания необходимых газовых потоков используют изменение
физических объемов горячей и холодной рабочих полостей.
Естественно предположить, что для этой цели требуется систе¬
ма поршень — цилиндр, а не система турбина — сопло. Особен¬
но подходит такая система для создания возвратно-поступа¬
тельного движения, хотя можно предположить, что роторный
двигатель типа двигателя Ванкеля также пригоден для реали¬
зации принципа Стирлинга. Все двигатели Стирлинга, как уже
сконструированные, так и разрабатываемые, основаны на прин¬
ципе возвратно-поступательного движения. Имеются различ¬
ные способы осуществления такой формы движения, и именно
это помогает классифицировать различные типы двигателей
Стирлинга.
1.4.	КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА?
Перечислим основные особенности работы двигателя:
1. В двигателе Стирлинга происходит преобразование теп¬
ловой энергии в механическую посредством сжатия постоянно¬
го количества рабочего тела при низкой температуре и после¬
дующего (после периода нагрева) его расширения при высо¬
кой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем
на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень со¬
вершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабаты¬
вает полезную механическую энергию.
2. В принципе при наличии регенерации необходимо только
подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего
тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при
его сжатии.
3. Необходимое изменение температуры рабочего тела обес¬
печивается наличием разделенных холодной и горячей полос¬
тей, по соединительным каналам между которыми под дей¬
ствием поршней перемещается рабочее тело.
4. Изменения объема в этих двух полостях должны не сов¬
падать по фазе, а получающиеся в результате циклические из¬
менения суммарного объема в свою очередь не должны совпа¬
дать по фазе с циклическим изменением давления. Это — усло¬
вие получения механической энергии на валу двигателя.
Таким образом, принцип Стирлинга — это попеременный
нагрев и охлаждение заключенного в изолированном простран¬
стве рабочего тела. Чтобы наглядно представить, как этот про¬
стой принцип реализуется на практике, рассмотрим сначала
элементарную систему поршень — цилиндр, в которой рабочее
тело изолировано от внешней среды жестким поршнем, меха¬
нически соединенным с кривошипом (рис. 1.4).

22 Глава 1
По мере подвода тепла к головке цилиндра давление рабо¬
чего тела возрастает, и поршень начинает перемещаться впра¬
во под действием расширяющегося рабочего тела (рис. 1.5).
При расширении рабочего тела давление в цилиндре па¬
дает. Для компенсации охлаждения рабочего тела при его рас¬
ширении подвод тепла продолжается, благодаря чему процесс
Течло
Тепло 1
(а)
(а')—к(Ь)
Рис. 1.4. Реализация принципа Стир- Рис. 1.5. Начальное перемещение
линга в системе рабочий поршень — поршня.
цилиндр.
протекает при постоянной температуре. Когда поршень дости¬
гает своего крайнего правого положения (нижней мертвой
точки), подвод тепла прекращается и начинается охлаждение
головки цилиндра с помощью какого-либо внешнего источника
(рис. 1.6).
В процессе охлаждения давление продолжает падать. Затем
поршень начинает перемещаться влево, сжимая газ. Процесс
Тепло
  ►
(Ь)-» (с)
Рис. 1.6. Поршень в
нижней мертвой точ¬
ке.
(Ь')-*(с)
Рис. 1.7. Фаза сжа¬
тия.
(d)-*(ci)
Рис. 1.8. Завершение
рабочего цикла.
охлаждения при этом продолжается, чтобы компенсировать на¬
грев при сжатии, так что и сжатие протекает при постоянной
температуре (рис. 1.7).
Когда поршень достигает своего крайнего левого положения
(верхней мертвой точки) охлаждающее устройство заменяется
источником тепла (рис. 1.8).
Эту последовательность можно изобразить на диаграммах
термодинамического состояния (рис. 1.9).
Поскольку процесс расширения с нагревом протекает при
более высоком среднем давлении, чем процесс сжатия с охла¬
ждением, двигатель совершает полезную работу. Однако такой
метод подвода и отвода тепла громоздок и непрактичен, так
как теплоемкость материалов, из которых изготавливается го¬
ловка цилиндра, слишком велика для реализации требуемых

Общее описание двигателей Стирлинга 23
быстрых изменений температуры. Тем не менее основная кон¬
цепция попеременного нагрева и охлаждения изолированного
рабочего тела при различных давлениях для получения меха¬
нической работы изложена здесь вполне точно.
Рис. 1.9. Диаграммы термодинамиче¬
ского состояния:	давление	— объем
(а), температура — энтропия (б).
вытеснительного
а	б
Рис. 1.10. Работа
поршня.
а — первоначальная схема; б — схема Стир¬
линга; 1—вытеснительный поршень; 2 —ра¬
бочий поршень.
Возникает проблема воплощения этой концепции на практи¬
ке. Очевидным решением было бы поддерживать на одном тор¬
це цилиндра постоянную высокую температуру, а на другом —
постоянную низкую. Однако в этом случае невозможно было
бы использовать систему поршень —
цилиндр, упомянутую при описании
рабочего цикла, поскольку рабочее те¬
ло одновременно и получало, и отдава¬
ло бы тепло в сменяющих друг друга
фазах процесса. Роберт Стирлинг пре¬
одолел эту трудность, введя вытесни¬
тельный поршень, или вытеснитель,
расположенный последовательно с пер¬
воначальным поршнем, получившим
теперь название «рабочий поршень». Вытеснительный поршень
предназначен для перемещения рабочего тела между локально
расположенными горячей и холодной полостями (рис. 1.10).
Вытеснительный поршень свободно размещен в цилиндре,
так что рабочее тело может обтекать его со всех сторон, как
показано на рис. 1.11, где действие вытеснительного поршня
иллюстрируется безотносительно к рабочему поршню.
При движении вытеснителя вверх, к горячему концу ци¬
линдра, нагретое рабочее тело поступает в холодную полость
через кольцевой зазор у боковых стенок вытеснительного
ш
|i_
Рис. 1.11. Действие вытес¬
нителя.

24 Глава 1
поршня. При этом давление рабочего тела вследствие охлажде¬
ния понижается. В цилиндре отсутствуют клапаны, поэтому,
если не принимать во внимание небольшого, практически пре-
небрежимого падения давления в кольцевом зазоре вокруг вы¬
теснительного поршня, давление во всех зонах цилиндра будет
одинаковым. При движении к нижней мертвой точке вытесни¬
тельный поршень заставляет рабочее тело перемещаться через
холодную полость и кольцевой зазор вокруг боковой поверхно¬
сти поршня в горячую полость для подогрева. Поскольку при
Рис. 1.12. Механизм привода, использованный Стирлингом [5].
движении вытеснительного поршня давление у обоих его тор-
цев всегда одинаково, на это движение работа не затрачива¬
ется.
Движение вытеснительного и рабочего поршней не совпа¬
дает по фазе. Объяснение этого с позиций термодинамики бу¬
дет дано ниже. Однако уже сейчас нетрудно понять, что если
все рабочее тело в какой-то фазе цикла должно быть в горя¬
чей полости, а в другой фазе цикла — в холодной, то оба порш¬
ня не могут находиться в одной фазе. Чтобы получить такое
не совпадающее по фазе движение поршней, необходим .меха¬
низм привода, отличный от общепринятого. Пример механизма,
использованного самим Стирлингом, показан на рис. 1.12.
Необходим еще один элемент, чтобы получить двигатель
Стирлинга в том виде, в каком он известен сейчас. Это реге¬
нератор, или «экономайзер», как его первоначально назвал
Стирлинг. Когда вытеснительный поршень перемещает расши¬
ряющееся рабочее тело в холодную полость (рис. 1.11), оно
должно пройти через горячую полость где из-за продолжаю¬

Общее описание двигателей Стирлинга 25
щегося нагрева получает избыточное тепло, которое необходи¬
мо отвести в холодильник. После того как рабочее тело сжато,
оно перемещается в горячую полость через холодную, дополни¬
тельно охлаждаясь. Следовательно, рабочее тело поступает в
горячую полость более холодным, чем требуется, а в холод¬
ную — более горячим.
Если в кольцевом зазоре вокруг вытеснительного поршня,
по которому перетекает рабочее тело, установить сетку из
стальной проволоки, то рабочее тело,
проходя через этот зазор из горячей
полости в холодную, будет иметь бо¬
лее высокую температуру, чем сетка,
и, следовательно, будет отдавать теп¬
ло этой сетке. В этом случае сетка
действует как предварительный холо¬
дильник, снижая термическую нагруз¬
ку основного холодильника. После
процесса сжатия рабочее тело будет
перетекать в горячую полость, нагре¬
ваясь при прохождении через сетку,
т. е. будет вновь получать тепло, ра¬
нее отданное сетке. Теперь регенера¬
тор действует как предварительный
нагреватель, уменьшая требуемое ко¬
личество подводимой энергии. Описанная система в целом по¬
казана на рис. 1.13.
Хотя схема, показанная на рис. 1.13, находит практическое
применение во многих двигателях, проблема быстрой передачи
энергии остается нерешенной, поскольку необходимо еще пре¬
одолеть тепловую инерцию стенок цилиндра. При проведении
работ по усовершенствованию двигателя Стирлинга фирмой
«Филипс» были применены трубчатые теплообменники для на¬
гревателя и холодильника, и, хотя при этом потребовалось уплот¬
нить вытеснительный поршень, основная цель была достигнута.
Полный рабочий цикл теперь можно описать с помощью рис. 1.14.
На рис. 1.14 легко различаются составляющие процессы рабо¬
чего цикла, изображенного на диаграмме давление — объем
(рис. 1.9, а).
На рис. 1.14, а рабочий поршень находится в крайнем ниж¬
нем положении, вытеснитель — в крайнем верхнем положении,
и все рабочее тело заключено в холодной полости. Затем под
действием внешних сил рабочий поршень начинает переме¬
щаться вверх, сжимая рабочее тело в холодной полости, при¬
чем температура рабочего тела поддерживается на минималь¬
ном уровне. В точке 2 (рис. 1.15) вытеснительный поршень
все еще находится в крайнем верхнем положении, рабочий
. Регенератор
Рис. 1.13. Схема двигателя
Стирлинга, пригодная для
практического применения.

26 Глава 1
поршень заканчивает свое движение вверх, и процесс сжатия за¬
вершается (рис. 1.14,6). Рабочий поршень остается в своей
верхней мертвой точке, а вытеснительный поршень начинает
движение вниз, перемещая рабочее тело в систему холодиль¬
ник — регенератор — нагреватель и далее в горячую полость.
Объем рабочего тела в этом процессе остается постоянным, а
давление возрастает. В процессе между точками 2 и 3 рабоче¬
му телу передается тепло от регенератора. Точка 3 соответ¬
ствует пребыванию всего рабочего тела в горячей полости, при
а	6	в	г
Рис. 1.14. Полный рабочий цикл двигателя, работающего по схеме фирмы
«Филипс».
этом рабочий поршень все еще остается в своей верхней мерт¬
вой точке. Следует отметить, что вытеснительный поршень в
точке 3 еще не достиг своего крайнего нижнего положения.
Теперь рабочее тело, находясь в горячей полости, получает
тепло от трубчатого нагревателя и расширяется. Воздействуя
на вытеснительный и рабочий поршни, расширяющееся рабочее
тело заставляет их совместно перемещаться вниз, пока они не
займут свое крайнее нижнее положение. В процессе между точ¬
ками 3 и 4 совершается положительная работа. Точка 4 соот¬
ветствует пребыванию обоих поршней в своих нижних мертвых
точках. Рабочий поршень продолжает оставаться в этом поло¬
жении, а вытеснительный поршень перемещается вверх, вытес¬
няя расширившееся рабочее тело через систему нагреватель —
регенератор — холодильник в холодную полость. При этом ра¬
бочее тело отдает остаток своего тепла регенератору. В процес¬
се 4— 1 объем остается неизменным, а давление падает. Так
осуществляется цикл Стирлинга в том виде, как он показан на
двух диаграммах состояния (рис. 1.15).
Сравнивая движение поршней относительно друг друга в
последовательных процессах (рис. 1.14), легко заметить, что их
движение на протяжении всего цикла не совпадает по фазе.

Общее описание двигателей Стирлинга 27
Для обеспечения протекания такого цикла в соответствии с
его описанием, приведенным выше, необходимо прерывистое
перемещение поршней. Этот вывод можно наглядно проиллю¬
стрировать диаграммой перемещений поршней (рис. 1.16).
Рис. 1.15. Термодинамические диаграммы состояния идеального цикла Стир¬
линга.
Горячая полость расширения определяется переменным
объемом Ve между головкой цилиндра и верхним торцем вы¬
теснительного поршня. Она об¬
разуется исключительно благо¬
даря перемещению вытесни¬
тельного поршня. Холодная по¬
лость сжатия определяется пе¬
ременным объемом Vc между
нижним торцем вытеснитель¬
ного поршня и верхним тор¬
цем рабочего поршня. Объем
нагревателя, холодильника, ре¬
генератора и примыкающих
к ним патрубков является не¬
рабочим объемом и называет¬
ся объемом мертвого простран¬
ства (мертвым объемом) Vd.
Любой мертвый объем умень¬
шает мощность, вырабатывае¬
мую двигателем, и его необходимо сводить к минимуму, допу¬
скаемому конструктивными особенностями двигателя. Однако
в некоторых условиях путем увеличения мертвого объема можно
увеличить КПД двигателя.
Теперь следовало бы рассмотреть проблемы термодинами¬
ки, газодинамики и теплообмена, которые необходимо решить
для реализации принципа Стирлинга. Не ипеодолены также
 ► Угол поворот^
hpuooumna
Рис. 1.16. Законы движения поршней
при воспроизведении идеального цик¬
ла.

28 Глава 1
трудности, связанные с высокой сложностью механизма при¬
вода и необходимостью обеспечить достаточную балансировку
двигателя.
На рис. 1.16 показана зависимость изменения объема от
угла поворота кривошипа, при выполнении которой реализует¬
ся идеальный цикл Стирлинга. Основной функцией механизма
привода является наиболее точное воспроизведение этой зави¬
симости. Однако полное удовлетворение требований термоди¬
намики возможно только при прерывистом движении поршней,
а механическое устройство не в состоянии точно воспроизвести
такое движение. Хотя в принципе и можно создать механизм,
воспроизводящий закон изменения объема, близкий к идеаль¬
ному, при его проектировании необходимо учитывать и другие
факторы, а именно: простоту конструкции, компактность, дина¬
мические факторы и возможность установки системы уплот¬
нения.
Чем больше в механизме привода движущихся частей, тем
меньше, как правило, механический КПД; при этом преимуще¬
ства, обусловленные воспроизведением закона изменения объ¬
ема, близкого к идеальному, могут быть сведены на нет низ¬
ким общим КПД двигателя. Кроме того, большое число дета¬
лей приводит к повышению стоимости изготовления механизма
привода, общей стоимости агрегата и затрат на эксплуатацию,
а также к снижению надежности по сравнению с механизмами
привода обычных двигателей внутреннего сгорания. Простран¬
ство, в которое должен «вписываться» двигатель Стирлинга,
также может быть определяющим фактором, а это поставит
конструктора перед выбором, что предпочесть: громоздкий ме¬
ханизм привода, обеспечивающий почти идеальный закон изме¬
нения объема, или более компактный механизм, но воспроизво¬
дящий закон изменения объема с меньшей точностью.
Динамические факторы, которые необходимо принимать во
внимание при конструировании, можно разделить на две груп¬
пы: связанные с динамической нагруженностью и связанные с
динамической балансировкой движущихся частей двигателя.
Динамические нагрузки оказывают решающее влияние на оп¬
ределение основных размеров двигателя Стирлинга. Термоди¬
намический анализ работы двигателя предъявляет определен¬
ные требования к рабочему объему, длине шатуна и др., одна¬
ко количественно эти требования выражены безразмерными
параметрами и, следовательно, не устанавливают каких-либо
реальных размеров. Определение размеров этих компонентов
основывается на последующих динамических расчетах, включа¬
ющих определение нагрузок на подшипники, величины изгиба¬
ющего момента на шатуне и т. п. Двигатель Стирлинга благо¬
даря используемому в нем замкнутому циклу по своей приро¬

Общее описание двигателей Стирлинга 29
де является бесшумным, и если в нем предусмотреть свобод¬
ный от вибраций (а следовательно, динамически уравновешен¬
ный) механизм привода, то потенциальные возможности его
практического применения существенно расширятся. Некото¬
рые механизмы привода, разработанные для двигателей Стир¬
линга, удовлетворяют этим требованиям.
Рис. 1.17. Кривошипно-баланснрный	Рис. 1.18. Ромбический привод,
механизм привода tie].	1—траверса рабочего поршня; 2—сннхро-
1—нагреватель; 2—регенератор; 3—холо-	низирующее зубчатое колесо, 3 траверса
дильник; 4—вытеснительный поршень;	вытеснительного поршия.
5—рабочий поршень; 6—балансир; 7—виль¬
чатый шатун.
И наконец, в двигателях Стирлинга большого литража воз¬
никает проблема уплотнений, отделяющих цилиндры двигате¬
ля от картера и изолирующих картер от избыточного давле¬
ния. Таким образом, мы перечислили основные факторы, влия¬
ющие на выбор механизма привода двигателя Стирлинга.
В двигателях Стирлинга чаще всего используются: криво-
шипно-балансирный механизм, ромбический привод, косая
шайба и кривошипно-шатунный механизм.
Первым в двигателе Стирлинга был использован криво-
шипно-балапсирпый механизм привода (рис. 1.17), в котором
балансир сочленяется посредством двух рычагов с рабочим и
вытеснительным поршнями, а рабочий поршень приводится не¬
посредственно от коленчатого вала. При таком типе привода
неизбежно избыточное давление в картере, и поэтому он при¬
годен только для небольших двигателей. Такой привод не обес¬
печивает также динамической балансировки одноцилиндрового
двигателя.

30 Глава 1
Увеличение мощности двигателя Стирлинга в процессе его
совершенствования привело к необходимости изолировать ци¬
линдры от картера, чтобы избежать избыточного давления в
картере. Эту проблему решает установка ромбического приво¬
да (рис. 1.18), разработанного фирмой «Филипс» в 50-е годы.
Преимуществом такого привода является также возможность
динамической балансировки даже в случае
одноцилиндрового двигателя. Основными
его недостатками являются сложность ме¬
ханизма, поскольку он состоит из большого
числа движущихся частей, трущихся по¬
верхностей и т. п., и наличие в механизме
двух находящихся в зацеплении зубчатых
колес.
Косая шайба (рис. 1.19) применяется
главным образом в двигателях, предназна¬
ченных для установки на автомобилях, где
решающим фактором является компакт¬
ность силового агрегата. Такой механизм
динамически сбалансирован при определен¬
ном угле наклона шайбы. Он также позво¬
ляет легко изолировать цилиндры от кар¬
тера. Однако в случае установки двигателя
на автомобиль возникает проблема надеж¬
ности уплотнений в условиях быстрой сме¬
ны большого количества циклов. Косая
шайба позволяет также управлять мощно¬
стью двигателя изменением угла наклона
шайбы, что ведет в свою очередь к изме¬
нению величины хода поршней двигателя.
В этом случае двигатель динамически сба¬
лансирован только при одном значении угла
наклона шайбы.
Кривошипно-шатунный механизм (рис. 1.20) в течение мно¬
гих лет используется в двигателях внутреннего сгорания. Он
исключительно надежен, и к настоящему времени накоплен
большой опыт его эксплуатации. Этот механизм широко при¬
меняется в двигателях Стирлинга двойного действия как с
крейцкопфом, так и без него. Преимуществами механизма явля¬
ются его надежность и простота изготовления, однако динами¬
ческая балансировка двигателя с таким механизмом привода
практически недостижима.
Кривошипно-шатунный механизм, как мы могли убедиться,
не является простым решением проблемы привода в случае,
когда рабочий и вытеснительный поршни последовательно рас¬
положены в одном цилиндре. Однако такой механизм широко
Рис. 1.19. Двигатель
с косой шайбой.
1 — горелка; 2—поршень;
3—днафрагменное уплот¬
нение; 4—косая шайба.

Общее описание двигателей Стирлинга 31
применяют в компоновочной модификации двигателя Стирлин¬
га со сдвоенными цилиндрами. Первоначально в такой модифи¬
кации использовали рабочий и вытеснительный поршни, распо¬
ложенные в двух цилиндрах, соединенных коротким патрубком
(рис. 1.21).
В XIX в. такой двигатель был построен Хенричи и Робин¬
соном [5]. В литературе по двигателям Стирлинга, начиная с
(Ю-х годов нашего века и позднее, этот вариант часто назы¬
вают гамма-конфигурацией. Дальнейшие усовершенствования
ЧМ
Рис. 1.20.	Кршюшшшо-ш.ттуипип	мс-	Рис. 1.21. Двигатель	конфигурации
ханизм.	гамма с рабочим и вытеснительным
I — рабочий	поршень;	2 —вытеснительный	поршнями,
поршень.	I — соединительный канал.
двигателя со сдвоенными цилиндрами были предложены Рай¬
дером [6], что привело к существенному увеличению удельной
мощности по сравнению с другими модификациями двигателя
Стирлинга, созданными к тому времени. С этого времени дви¬
гатели со сдвоенными цилиндрами получили всеобщее призна¬
ние. В модификации Райдера применены два полностью уплот¬
ненных в цилиндрах поршня вместо системы поршень — вытес¬
нитель. Теплообменники типа «нагреватель — регенератор —
холодильник» встроены между двумя цилиндрами, образуя со¬
единительный канал (рис. 1.22).
Такая компоновка расширила возможности создания раз¬
личных конфигурации двигателя, реализующих принцип Стир¬
линга; например, цилиндры могут располагаться один против
другого горизонтально или вертикально, параллельно один
другому, в форме буквы V (рис. 1.23) и по другим схемам.
Все двигатели, о которых говорилось выше, по своему об¬
щему принципу действия являются двигателями простого дей¬
ствия. Следует подчеркнуть, что это название относится к дви¬
гателю, а не к поршню, поскольку, несмотря на то что

32 Глава 1
вытеснительный поршень может производить двойное действие,
когда его верхняя и нижняя поверхности управляют перемеще¬
нием газа, двигатель в целом при этом все еще может опреде¬
ляться как двигатель простого действия. Термины «двигатель
Рис. 1.22. Двигатель Стирлинга (мо¬
дификация Райдера).
1 — горячая полость; 2—холодная полость.
6
Рис. 1.23. Различные конфигурации
двигателя Стирлинга.
а — параллельные цилиндры; б — противо¬
положное расположение цилиндров;
в—V-образное расположение пнлнндров.
простого действия»» и «двигатель двойного действия» примени-
тельно к двигателям Стирлинга используются для характери¬
стики двигателя в целом. Например, как показано ниже, не-
Рис. 1.24. Двигатель Стирлинга, работающий по принципу двойного действия
(модификация Райдера).
сколько агрегатов простого действия можно объединить в дви¬
гатель двойного действия. Этот способ мы проиллюстрируем на
примере расположения цилиндров, предложенного Райдером
и называемого также компоновочной модификацией альфа
(рис. 1.24).
Цикл простого действия обеспечивается совместным дей¬
ствием верхней поверхности одного поршня и нижней поверх-

Общее описание двигателей Стирлинга 33
ности другого поршня в соседних цилиндрах. Рабочее тело цир¬
кулирует между этими двумя цилиндрами. Оно не перемещает¬
ся через всю систему — от первого цилиндра до четвертого.
Таким образом, поршень в каждом цилиндре выполняет функ¬
ции как рабочего, так и вытеснительного поршня, и при этом
Рис. 1.25. Рядный двигатель двойного действия.
Н — нагреватель; Р — регенератор; X—холодильник.
каждый поршень одновременно участвует в двух рабочих ~
циклах. Следовательно, в четырехцилиндровой компоновке
(рис. 1.24) одновременно протекают четыре отдельных цикла:
1) lh — 2с;
2) 2h —Зс;
3) 3h — 4с;
4)* 4h — 1с.
Этот тип двигателя Стирлинга был первоначально предло¬
жен английским инженером Сименсом [7] и независимо от
него голландскими инженерами Рини и Ван-Вееном в период
их работы в фирме «Филипс», где он был усовершенствован.
Двигатель двойного действия особенно эффективен среди
устройств, вырабатывающих механическую энергию, из-за
своей высокой удельной мощности, получаемой благодаря тому,
что при каждом обороте коленчатого вала в каждом цилиндре
поршень совершает полный рабочий ход.
3 Зак. 839

34 Глава I
Сказанное означает, что в двигателе двойного действия пор¬
шень выполняет две функции (или имеет двойную функцию):
1) заполнение рабочим телом двух полостей переменного
объема и вытеснение рабочего тела из этих полостей;
2) передачу усилия на выходной вал.
Двигатели Стирлинга двойного действия неизбежно должны
быть многоцилиндровыми, поскольку для получения сдвинутых
по фазе процессов расширения и сжатия (необходимость тако¬
го сдвига отмечалась ранее) требуется не менее трех порш¬
ней. На практике же применяются
обычно не менее четырех поршней,
соединенных с одним коленчатым
валом, причем соседние поршни дей¬
ствуют совместно в паре, чем и до¬
стигается двойное действие. Меха¬
низмы привода двигателей двойного
действия должны выполнять упомя¬
нутые выше две функции. Наибо¬
лее подходящим для этого представ¬
ляется обычный многоопорный ко¬
ленчатый вал рядного двигателя
(рис. 1.25). Этот тип механизма осо¬
бенно подходит для крупногабарит¬
ных силовых агрегатов,
обеспечивает расположение ци¬
линдров в квадрате, так называемое соосное расположение
(рис. 1.26), которое позволяет не только использовать общую
систему сгорания, но и применять различные типы механизмов
привода. Большинство пригодных для таких двигателей типов
механизмов привода представляет собой модификации криво¬
шипно-шатунного механизма, однако фирмы «Филипс», «Дже-
нерал моторе» и «Форд» потратили значительные усилия на со¬
вершенствование механизма с косой шайбой. Оптимальная кон¬
струкция привода этого типа обеспечивает механический КПД.
превышающий 90 Ре¬
конфигурации двигателя Стирлинга в сочетании с различ¬
ными механизмами привода показаны на рис. 1.27. Разумеется,
основанием для выбора того или иного механизма привода яв¬
ляется не только его компактность, но и другие факторы. Эти
факторы подробно рассмотрены в разд. 2.5.
Во всех до сих пор рассмотренных двигателях использова¬
лись механизмы привода, в которых поршни жестко соединены
друг с другом с помощью различных кинематических звеньев,
а эти звенья в свою очередь жестко связаны с выходным ва¬
лом, служащим для передачи механической энергии от двига¬
теля. Двигатель Стирлинга может работать и без механической
Рис. 1.26. Соосная конфигурация
двигателя двойного действия.
Лучшую компактность

Общее описание двигателей Стирлинга 35
1 пн hi между поршнями. В этом случае рабочий и вытеснитель¬
ным поршни называются свободными поршнями. Эта концеп¬
ции может быть использована не только в двигателях Стар¬
инна, однако только применительно к таким двигателям ее
\ la/ion. успешно реализовать. Впервые ее воплотил в реально
В
V)
I'm I ’/ Чг\:иш IMI.I привода, применяемые в двигателях Стирлинга.
I *< |hiм< ■ нI ин и* • in .1 гу 11 it ы и; I» ромбический; в — дезаксиальный кривошипно-шатунный:
• I тмин hi .1 и n't; ч крииошншю-кулисный; е— кривошипно-балансирный (механизм
р.ют .нищем устройстве Уильям Бил [8], и поэтому двигатель
• I мр.мпм а со свободными поршнями часто называют свободно-
норшмепмм двигателем Била. Следует заметить, что поршень
ii.ni поршни являются «свободными» только в смысле отсут-
II пня между ними механической связи, однако газодинамиче¬
ски они связаны. На рис. 1.28 схематически изображен свобод-
пшюршисвой двигатель Стирлинга.
По конфигурации он аналогичен двигателю с рабочим и вы-
in нательным поршнями (рис. 1.13). Отличительными особен¬
ностями являются отсутствие кривошипно-шатунного механиз¬
ма н полная изоляция обоих торцев цилиндра, поскольку агре-
1 пт не содержит ни шатунов, ни каких-либо других рычагов,
з*

36	Г лава 1
связанных с поршнями. Шток вытеснительного поршня — по¬
лый, открытый со стороны своего нижнего торца, так что ра¬
бочее тело, находящееся внутри вытеснительного поршня, по¬
стоянно сообщается с рабочим телом в так называемой буфер¬
ной полости, где все время поддерживается постоянное давле¬
ние. Эта полость служит газовой пружиной и, как будет пока¬
зано ниже, выполняет функцию,
аналогичную функции коленча¬
того вала в обычном двигателе
Стирлинга.
Положение вытеснительного и
рабочего поршней в начальный
момент рабочего цикла показано
на рис. 1.29, а весь цикл последо¬
вательно показан на рис. 1.30—
1.32. В начальном положении
давление и температура рабоче¬
го тела во всем агрегате одина¬
ковы, причем давление равно его
величине в буферной полости рв
По мере передачи энергии рабо¬
чему телу в расширительной по¬
лости от трубок нагревателя тем¬
пература рабочего тела возрас¬
тает, что влечет за собой воз¬
растание давления до величины
Pi (состояние 1). Это в свою оче¬
редь заставляет вытеснительный
и рабочий поршни начать свое
движение вниз.
Чтобы двигатель развивал
полезную мощность, необходимо
обеспечить сдвиг по фазе движений обоих возвратно-поступа¬
тельных элементов. Поэтому вытеснительный поршень имеет
меньшую массу, чем рабочий. Воздействие рабочего тела на
рабочий и вытеснительный поршни приблизительно одинаково,
однако из-за меньшей массы вытеснительный поршень движет¬
ся с большим ускорением. Благодаря этому рабочее тело вы¬
тесняется из полости сжатия и по соединительному каналу
(в котором может находиться регенератор) перемещается в го¬
рячую полость, вызывая дальнейшее повышение давления; со¬
ответственно увеличивается разность давлений относительно
давления в буферной полости, создающая движущую силу.
В конечном счете вытеснительный поршень вступает в контакт
с рабочим поршнем (состояние 2), и дальнейшее движение
вниз оба поршня совершают совместно.
Рис. 1.28. Свободнопоршневой дви¬
гатель Стирлинга.
I — полость расширения; 2 — вытесни¬
тельный поршень; 3 — полость сжатия;
4 —газовая пружина; 5 — свободный
поршень компрессора;	6—полость
компрессора; 7 — нагреватель; 8 — реге¬
нератор; 9 — холодильник;	10 — шток
вытеснительного поршня; 11 —рабочий
поршень с корпусом вытеснителя.

Общее описание двигателей Стирлинга 37
Очевидно, что, как только оба поршня соединились, вытес¬
ните рабочего газа из холодной полости сжатия прекращает¬
ся п соответственно прекращается поступление газа в расши-
1
I	s
давление в буферной
V
—►Гремя
Гм. I "I I lo.iii/Hi iiiii- поршней и начальный момент рабочего цикла свободно-
■ м >1 ■ и 11 и in > | < ■ 'Пии а ими С пф.'ппп и.
I 11 ||I >|al II н 11н|'||||.	■' ЧН'Щ/ММЧ ИМ.'НН'М’, Л Г>у<|к*рНс1Я полость.
1»|цг.||.и\1«1 in1 им п. i 11 hi 11 момент давление в двигателе на-
*i и пт-1 и.I i.in. in 1.1 расширении рабочего тела. Однако это
ып iniiir им .'iiic превышает давление в буферной полости, и
1 7
V
—► Время
I'm I .4(1. i	фаза	рабочего	цикла свободнопоршневого двигателя
i I np.'iniii a.
in>|iiiiiiп продолжают двигаться вниз (состояние 3). Процесс
расширения продолжается до уравнивания давления во всех
in).11к*гях (состояние 4). В этот момент начальная часть цикла
накапчивается. Однако расширение продолжается благодаря

38 Глава I
инерции вытеснительного и рабочего поршней, и, следователь¬
но, вновь появляется разность давлений между рабочими по¬
лостями и буферной полостью, но уже противоположного зна¬
ка. Появляется и активная сила, направленная вверх, которая
s 12	3	4	5
—» Бремя
Рис. 1.31. Самоподдерживающаяся фаза рабочего цикла свободнопоршневого
двигателя Стирлинга.
S 1	2	3	4	Ь	6	т	6	9
Рис. 1.32. Полный рабочий цикл свободнопоршнсвого двигателя Стирлинга.
I—горячая полость; 2 — холодная полость; 3 — буферная полость.
сначала лишь замедляет направленное вниз движение возврат-
но-поступательно движущихся элементов. Поскольку вытесни¬
тельный поршень легче рабочего, он останавливается быстрее,
отделяясь от рабочего поршня; при этом вновь начинает обра¬
зовываться полость сжатия. Рабочий поршень продолжает дви¬
гаться вниз и после остановки вытеснительного поршня (со¬
стояние 5), при этом рабочее тело начинает перетекать из рас-

Общее описание двигателей Стирлинга 39
ншршс.зыюй полости в полость сжатия, вызывая дальнейшее
inI.пт быстрое падение давления в рабочих полостях и соот-
иг и-1 iiyioni.ec увеличение направленной вверх силы, действую-
■ щи па поршни.	#
Иы геенн гсльный поршень теперь очень быстро перемещает-
I н п верхнюю часть цилиндра, вытесняя дополнительное коли-
■|| | I inI рабочего тела из расширительной полости в полость
( /К.11 нп Наконец, вытеснительный поршень достигает своего
кшп-чпого положения (состояние 6) и остается в этом положе¬
нии те время, пока давление в буферной полости превышает
ми.и'нпг рабочего тела. Тем временем рабочий поршень, дой-
III in споет крайнего нижнего положения (состояние 7), начи¬
наю перемешаться вверх, сжимая рабочее тело, заключенное
Mi ж i\ верх пен поверхностью рабочего поршня и нижней по-
III ||\1Ю1 и,») иыггспптельного поршня. В процессе сжатия дав-
II пп. раоочего тела возрастает по сравнению с давлением в
о\11и |■ 11чI подпет п в результате возникает сила, перемещаю-
iii.iH mi I t-iiiii се. I i.iii.iii поршень вниз. Изолированное в рабочем
• а I ы чг р.пн ойч- зело перетекает в полость расширения, сооб¬
щай вы h i пи I г.'п.ному поршню дополнительное ускорение, под
и lli шпгм ыноршо пи догоняет рабочий поршень (состоя¬
ние М| 1а им | >. I с и 14 и ii цикл повторяется.
Ihmim пораним, рабочий цикл сноболпопоршнсвого двигате-
in • Iи|>.hiп■ .1 in   полностью идентичен циклу двигателя, в
Питром р.нючпп н иикчппге.п.пып поршни механически свя-
iiiiiiii крппипппшым мехапп imom обычного типа. Этот вывод не
• пинком тюки чаи Уильям Вил. изучая ромбический привод,
м i.iiioiHi.i, 'но дншат.зь может работать и при отсутствии ме¬
хапп 1мн привода, а один из студентов Била впервые построил
п in I м\aoiimii сиободнопоршневой двигатель [9]. Конфигурация
цыпа шис.зьпый поршень — рабочий поршень» в свободно-
пиршнепом двигателе, по существу, является колебательной си-
■ п-мин масса — пружина, и эта система настраивается на ра-
ощ\ с резонансной частотой, которая и является рабочей ча¬
ющим твигателя. Однако необходимо заметить, что двигатель
I>м la может работать и в таком режиме, при котором вытесни-
П-.м.пып поршень будет совершать не простые гармонические
(епнм'онзальные) колебания, вызываемые резонансом, а коле-
оаивя, график которых имеет более прямоугольную форму.
1’> ном случае двигатель работает в так называемом режиме
оапг бапг». Это название, может, и не строго научное, очень
П.П.1ЯД1Ю отражает физическую природу работы двигателя.
Как и двигатель Стирлинга с обычным кривошипным при¬
возом, свободнопоршневой двигатель Стирлинга имеет различ¬
ные модификации, определяемые методами отбора мощности,
ра шпваемой двигателем. Классификация этих модификаций

40 Глава 1
часто вызывает затруднения, так как, несмотря на название,
в некоторых случаях свободным является только вытеснитель¬
ный поршень, а в других — движущийся цилиндр. Во всех слу¬
чаях рабочий цикл одинаков, однако динамика движущихся ча¬
стей различна, что связано с различными модификациями си¬
стемы масса — пружина. Попытаемся обойти эти затруднения
двумя путями: во-первых, используя определение, которое про¬
сто констатирует, что свободнопоршне¬
вым двигателем Стирлинга называется
двигатель, в котором отсутствует механи¬
ческая связь между элементами, совер¬
шающими возвратно-поступательное дви¬
жение; во-вторых, мы дадим краткое опи¬
сание трех существующих модификаций
свободнопоршневых двигателей. Первые
две — это двигатели Била, третья пред¬
ставляет собой двигатель со свободным
вытеснителем, известный также как «ха¬
руэллская машина».
Если считать схему на рис. 1.28 и 1.29
основной формой двигателя Била, то
главной проблемой такого двигателя ста¬
новится отбор и использование развивае¬
мой им мощности. Один метод представ¬
ляется особенно эффективным. Он заклю¬
чается в превращении рабочего поршня
в постоянный магнит. Если разместить
вокруг цилиндра обмотку, то при пере¬
мещении поршня внутри обмотки будет генерироваться электри¬
ческий ток. Фактически устройство в этом случае будет линей¬
ным генератором переменного тока (рис. 1.33), и его можно
классифицировать как двигатель Била, буквально соответствую¬
щий названию свободнопоршневой.
Цилиндр двигателя также можно использовать в качестве
элемента, передающего мощность, если сделать цилиндр исклю¬
чительно легким, а поршень — исключительно массивным.
Поршень в этом случае будет действовать как опора, оставаясь
практически неподвижным, а вытеснитель и цилиндр станут
свободно перемещаться. Тогда цилиндр можно использовать в
качестве постоянного магнита или в более привычном вариан¬
те присоединить к рычагу привода гидравлического насоса
(рис. 1.34). Гидронасос в свою очередь можно использовать
для привода гидромотора, что делает возможным установку
свободнопоршневого двигателя на автомобиле [10]. Однако,
несмотря на множество возможных вариантов применения сво¬
боднопоршневых двигателей, наиболее перспективным являет-
Рис. 1.33. Свободнопорш-
невой двигатель Стир¬
линга как линейный гене¬
ратор переменного тока.
I —ленточный кабель; 2—под*
важная катушка; 3—магнит;
4 —рабочий поршень; 5 — вы¬
теснитель.

Общее описание двигателей Стирлинга 41
I н использование такого двигателя в качестве привода гидро¬
насоса. В этом направлении и проводятся многочисленные и
м ш итые разработки.
I пи одним типом свободнопоршневого двигателя является
п-рмомсхапический генератор (ТМГ). Этот вариант — один из
I'm. 141 I .ииГщдмнннрмшешпТ двигатель Стирлинга как насос f 104].
I 		 \||'юп|г||||г; { полость газовой пружины в поршне; 3 — опорная пружина
 		 I п.мрги.1 течь. .> регенератор; 6 — вытеснитель; 7 — холодильник; 8 — напра-
 цнн мини iiи 1‘м iiim1' Iи ма плотной посадке; 9—поршень на плотной посадке;
 	и, |м1»ч'|«1" г.мл; II irpMt*пIзпрованный цилиндр, совершающий колебания,
•.		 и. |м iiiK.il и щ • i|.|>.11 м.- п.п-оса; 12 — инерционная масса; 13 — резиновые дисчи
||||'|'|>|> «I ''•ill II.и ... I
I■ vi м пни .1 и-.н и. 11.1 (р.пкпапиых группой сотрудников Центра
ми . I ■«• м ■ 111 ii щермш н Хару киле (Англия) под руководством
1\\к Мриорп. И 1Л1Г, или харуэллской машине, как его иногда
и.мыилнп, воплощена идея свободных поршней, однако рабочий
поршень здесь заменен металлической диафрагмой, и упругость
мп.т.ыл усиливает действие газовой пружины. Схема этой мо-
шфпкащш показана на рис. 1.35.

42 Глава 1
Вместо поршня, перемещающегося в цилиндре вверх и вниз,
в ТМГ установлена металлическая диафрагма, обычно изготав¬
ливаемая из нержавеющей стали. Эта диафрагма колеблется
под действием изменяющегося давления рабочего тела. С диаф¬
рагмой жестко связан постоянный магнит, который колеблется
в обмотке генератора, возбуждая электрический ток. Действие
пружины, соединенной с вытеснителем, дает возможность си¬
стеме совершать резонансные колебания при частоте, равной
ft
. J
Рис. 1.35. Схема термомеханического
генератора.
I — обмотки; 2 — магнит; 3 — диафрагма;
4 — вытеснитель; 5—источник тепла; 6 —
теплоизоляция.
Рис. 1.36. Современная конструкция
ТМГ с газовой горелкой.
I —радиатор; 2 — охлаждающий змеевик;
3— вытеснитель; 4 — якорь; 5 — диафрагма;
6 —пружина; 7 — горелка.
частоте собственных колебаний системы. Частота колебаний
легко регулируется подбором пружины и движущихся масс, что
позволяет «подстроиться» под любую частоту в системе элек¬
троснабжения. Первоначально ТМГ предполагалось использо¬
вать в сочетании с источником тепла на радиоактивных изото¬
пах, но в настоящее время в таких двигателях используют про-
пановые горелки (рис. 1.36).
Замкнутый металлический цилиндр, содержащий рабочее
тело, нагревается со стороны днища пропановой горелкой и
охлаждается с внешней стороны диафрагмы, расположенной в
верхней части цилиндра, охлаждающим змеевиком. Рабочий
цикл полностью идентичен циклу двигателя с рабочим и вы¬
теснительным поршнями, за исключением того, что здесь вытес¬
нитель приводится в действие пружиной, расположенной между
ним и корпусом цилиндра. Диафрагма совершает колебания с
амплитудой, не превышающей нескольких миллиметров, поэто¬

Общее описание двигателей Стирлинга 43
м\ для приведения в действие вытеснителя появилась необхо¬
димость установки пружины.
lice свободнопоршневые устройства легко герметизируются,
поскольку из них не выступают движущиеся детали, например
111; 11 \ им п т. п. Можно обойтись и без поршневых колец, сведя
к минимуму зазоры между движущимися частями за счет жест¬
ких юиусков. Отпадает необходимость в трубчатых нагревате-
1я\, хшя они и могут быть использованы. Появляется возмож-
1ыс||. использования регенерирующего действия кольцевого за-
111р:I вокруг вытеснителя, так называемой щелевой регенера¬
ции lit сказанного следует,что свободнопоршневые устройства
I | м |, и ‘I -t н и, ■ |, ,| , I	mi	>hi	until	in	I	■■	it	it.. I i|i\n.i in.) пч'мп iv.’ih; 4— выходная труба.
по мin>i им in ппппым харакк рпсткам сходны с двигателями
1 11111 I и 111.1 и их первоначальных вариантах.
11 процессе раоогы над устройствами, действующими по
ммкл\ I л ир.пшга, группа ученых из Харуэлла помимо ТМГ
ра фапшала новый тепловой двигатель «Флюидайн», относя-
  и к классу двигателей Стирлинга с двумя поршнями (дви-
|.|плям Райдера). Отличительной особенностью нового двига-
и ля я hi яется изменение рабочего объема вследствие пере¬
мещении столбов жидкости, а не поршней, изготовленных из
Iнер |ы\ материалов (рис. 1.37).
(Кповой двигателя «Флюидайн» являются две U-образные
|р\мы (которые могут быть изготовлены из стекла), связанные
с фемя рабочими полостями, соединенными между собой. Что-
пы понять принцип работы этого двигателя, допустим, что жид¬
кое in в нем невязкая. Допустим также, что U-образной трубы
< D не существует и что холодная полость герметизирована.
Когда жидкость в U-образной трубе А — В (трубе вытесните¬
ли) перемещается по часовой стрелке, левый столб жидкости
поднимается, горячий газ перемещается в холодную полость, и
давление рабочего газа понижается. Когда же столб жидкости

44 Глава I
движется против часовой стрелки, холодный газ возвращается
в горячую рабочую полость, и давление газа возрастает. Та¬
ким образом происходят циклические изменения объема и дав¬
ления, но полезной работы в этом процессе не производится.
Однако при наличии выходной трубы появляется эффект изме¬
нения суммарного объема газа при его колебаниях и так же,
как и в других двигателях Стирлинга, при наличии меньшего
чем 180° сдвига по фазе колебаний вытеснителя относительно
колебаний выходного элемента возникает термодинамический
цикл, в котором вырабатывается полезная работа. Эта полез¬
ная работа передается на мениск С столба жидкости в выход¬
ной трубе. Колебания столба жидкости в выходной трубе яв¬
ляются вынужденными и вызываются разностью давлений в
двух рабочих полостях — С и D, в то время как колебания
столба жидкости в трубе вытеснителя являются свободными,
поскольку на мениски А и В действует одно и то же давление.
Нетрудно заметить, что в случае вязкой жидкости ее колеба¬
ния в трубе вытеснителя постепенно бы затухали. Причиной
стабильной непрерывной работы двигателя «Флюидайн» явля¬
ется «перекачка» энергии вынужденных колебаний в выходной
трубе к свободным колебаниям в трубе вытеснителя. Эта энер¬
гия компенсирует действие вязкого трения и поддерживает
устойчивые колебания. Существует по меньшей мере три наи¬
более распространенных способа перекачки энергии:
1) с помощью разности давлений (рис. 1.38, а);
2) с помощью качающегося стержня (рис. 1.38,6);
3) с помощью реактивной струи (рис. 1.38,в).
В двигателе «Флюидайн», использующем способ перекачки
энергии с помощью разности давлений, в отличие от схемы,
рассмотренной выше, холодная полость выходной U-образной
трубы совмещена с холодной полостью вытеснителя. Столбы
жидкости, связанные с холодной и горячей полостями, разли¬
чаются по длине и, следовательно, имеют разные частоты соб¬
ственных колебаний. Рабочая частота всей системы заключена
между частотами собственных колебаний горячего и холодного
столбов жидкости. Возбуждающая сила, поддерживающая ста¬
бильные колебания, обусловлена разностью давлений на от¬
крытом торце выходной трубы и в рабочем газе.
Система с качающимся стержнем имеет пружину, с по¬
мощью которой поддерживается равновесие системы относи¬
тельно фиксированного шарнира. В процессе работы колебания
в выходной трубе вызывают смещение центра тяжести систе¬
мы относительно его первоначального положения и поворот си¬
стемы относительно шарнира. При сжатии и растяжении пру¬
жины возникает восстанавливающая сила, действующая на си-

Общее описание двигателей Стирлинга 45
■ Сила, поддерживающая
колебания
Тепло
11
Г2ЧЁп
Г'
У/.
ЗЬ
'--Ж
Реактивная стпруя
поддержвсающзя
колебания
У-
/
I’uc. 1.38. Варианты двигателя «Флюидайн» с различными способами «пере¬
тки» энергии.
ра.шость давлений; 6 — качающийся стержень; в —реактивная струя; 1 — горячая
к'сть; 2—холодная полость; 3 —шарнир; 4 —восстанавливающая пружина.
«■т«-му. Система совершает угловые перемещения, и, поскольку
шч хчпая конструкция является жесткой, эти угловые перемеще¬
ния передаются столбам жидкости вытеснителя, где они ней¬
трализуют вязкие потери и поддерживают устойчивые коле¬
бания.
В двигателе «Флюидайн» с реактивной струей, так же как
и в двигателе, использующем разность давлений, имеется объ¬
единенная холодная полость. Холодная и выходная трубы со¬
единяются с горячей трубой у ее основания. Такое соединение
обеспечивает эффект реактивной струи. При перемещении вниз

46 Глава I
мениска в горячей полости часть жидкости отводится по на¬
правлению к холодной полости, что заставляет столб жидкости
в холодной трубе перемещаться вверх, а при обратном ходе
жидкость, направляющаяся в горячую трубу, заставляет поток
из холодной трубы двигаться в вытеснителе с ускорением. Тем
самым как при ходе вверх, так и при ходе вниз достигается
V///7///V
£
д
Рис. 1.39. Последовательные этапы «самозапуска» двигателя «Флюидайн».
а — начальное положение перед пуском; б — фаза расширения; в — первичное перерегули¬
рование; г — вторичное перерегулирование; д — фаза самовозбуждения.
эффект реактивной с,труи. Однако реальные процессы, проте¬
кающие в этом гидравлическом соединении, исследованы еще
недостаточно [11]. Несмотря на это, модификация с реактив¬
ной струей является наиболее распространенной среди двига¬
телей «Флюидайн». Рабочий цикл двигателя с реактивной
струей будет рассмотрен ниже.
Теперь же подробнее рассмотрим процессы, последователь¬
но протекающие при пуске двигателя «Флюидайн», поскольку
одна из важнейших его особенностей — возможность «самоза¬
пуска».
Последовательность процессов при самозапуске показана
на рис. 1.39. В положении предпускового равновесия уровни
жидкости hi, hi и h3 определяются величинами статического
давления в трубах. Если давление в рабочих полостях пере-

Общее описание двигателей Стирлинга 47
чспного объема равно атмосферному, то все уровни одинако¬
вы (отметим, что уровни hi и /г2 в этот момент всегда одина¬
ковы). При подведении тепловой энергии к правой трубе
юмпература рабочего тела возрастает, и оно расширяется. Дав-
юние в рабочих полостях также возрастает, и из-за этого уров¬
ни жидкости в горячей и холодной трубах также начинают
снижаться. Одновременно повышается уровень жидкости в вы¬
ходной трубе. Следует отметить, что все изменения уровня жид¬
кости весьма незначительны. Первичное расширение приводит
к самозапуску устройства только по достижении критического
шачения параметра TSs, зависящего от основных значений па¬
раметров, определяющих условия работы двигателя:
/Температура наХ /Температура на X
j,   (.горячей стороне/ (холодной стороне/	,j j.
ss ~~ /Температура на\ ,/ Температура на \
(горячей стороне/ (холодной стороне/
Эта формула основана на анализе явления, подробно рассмат¬
риваемого в разд. 1.6. Для большинства двигателей «Флюи-
лаин» Tss ~ 0,1.
По окончании фазы первичного расширения уровень жидко¬
сти в выходной трубе продолжает повышаться благодаря инер¬
ции движущейся жидкости. Уровень жидкости на горячей сто¬
роне продолжает падать, пока не будет достигнуто равнове¬
сие между жидкостью и рабочим телом. В этот момент уровень
жидкости в трубе с холодной стороны выше, чем в трубе с горя¬
чей стороны. Это состояние, заключающееся в последователь¬
ности фаз, сменяющих друг друга при пуске двигателя, полу¬
чило название «первичное перерегулирование».
Как только под действием силы тяжести прекращается дви¬
жение жидкости вверх в выходной трубе, стабилизируется и
уровень жидкости на горячей стороне; одновременно появляется
тенденция к выравниванию уровней жидкости на горячей и хо¬
лодной сторонах. Следовательно, уровень жидкости в горячей
трубе повышается, а в выходной понижается. Одновременно
объем нагретого газа и его давление в рабочей полости умень¬
шаются из-за понижения температуры в этой полости, обуслов¬
ленного повышением уровня жидкости в горячей трубе и
соответствующим уменьшением количества рабочего газа, под¬
вергающегося нагреву. Этим процессам способствует продолжаю¬
щееся движение вниз уровня жидкости в выходной трубе, вызы¬
вающее существенный динамический напор в гидравлическом
соединении и дополнительное повышение уровня в трубе на го¬
рячей стороне. Действуя совместно, эти процессы вызывают
возрастание уровня жидкости в трубе на горячей стороне до
величины, превышающей уровни в других двух трубах. Это

48 Глава I
состояние называют вторичным перерегулированием. Оно приво¬
дит к дальнейшему возрастанию гравитационного потенциала
между менисками.
В этот момент система находится в состоянии неустойчиво¬
го равновесия, и уровни жидкости начинают перемещаться в
направлении к состоянию устойчивого равновесия. Уровень жид¬
кости на горячей стороне понижается, что позволяет большему
количеству рабочего тела получать энергию от источника энер¬
гии. Рабочее тело расширяется, и процесс начинается вновь,
Рис. 1.40. Насос «Флюидайн» с прямым нагнетанием.
1—холодная полость; 2—горячая полость; 3—насосное устройство.
однако теперь колебания становятся самовозбуждающимися и
устойчивыми.
Рабочий цикл, описанный выше, имеет ту же физическую
основу, что и цикл системы с двумя U-образными трубами.
«Флюидайн» может работать как в «мокром», так и в «су¬
хом» режиме. В первом случае существует контакт между вы¬
тесняемой жидкостью и рабочим телом. Во втором поверхности
жидкости и рабочего газа разделены либо слоем «инертного»
газа, либо механическим поплавком. Энергия в «Флюидайне»
вырабатывается в виде колебаний жидкости в выходной трубе,
и это особенно удобно для использования двигателя в качестве
нагнетательного устройства. (История техники знает очень по¬
хожее устройство — насос Хэмфри с незамкнутым рабочим цик¬
лом.) Нагнетательный эффект достигается двумя основными
способами, известными как прямое и косвенное нагнетание [12].
В первом случае выходная, или резонансная, труба полностью
преобразована в нагнетательную часть насоса, в то время как
при косвенном нагнетании резонансная труба остается в перво¬
начальном виде, а нагнетательный эффект достигается с по¬
мощью отдельного канала, соединенного с холодной полостью
(рис. 1.40, 1.41).

Общее описание двигателей Стирлинга 49
В случае косвенного нагнетания трудно осуществить «само-
шпуск» и необходимы специальные дополнительные устройства,
такие, как сливной тракт, встроенный параллельно выходной
трубе и действующий как первичное нагнетающее устрой¬
ство [13].
Необходимо отметить также, что в «мокром» «Флюидайне»
невозможно установить регенераторы с насадками, поскольку
они не слишком эффективны в атмосфере тумана, образуемого
Рис. 1.41. Насос «Флюидайн» с косвенным нагнетанием.
I—резонансная труба; 2—насосное устройство; 3—клапаны.
нарами жидкости. Отсутствием регенератора в «мокром» «Флюи-
шйне», вероятно, можно объяснить, почему такие двигатели
имеют очень низкий КПД. Однако следует принять во внима¬
ние и то, что «мокрый» «Флюидайн» может работать только
при температурах порядка 350 К (77°С) и разности температур
при подводе и отводе тепла не более 25 °С. При таких условиях
КПД цикла Карно меньше 10%.
В двигателях Стирлинга, рассмотренных выше, использова¬
лось газообразное рабочее тело; даже в «мокром» «Флюидайне»
рабочее тело в подавляющем большинстве случаев газообраз¬
ное. В настоящее время выдвигают предложения по использо¬
ванию рабочих тел с изменяющимся фазовым состоянием, на¬
пример таких, которые применяют в паровых машинах и па¬
ровых турбинах, однако пока нет сведений о том, что такие
устройства успешно работают или по крайней мере разработа¬
ны. Английский инженер Мелоун еще в 30-е годы построил
шигатель возвратно-поступательного действия с замкнутым
никлом, используя в качестве рабочего тела жидкость [14].
Уокер [7] предполагает, что двигатель Мелоуна в действитель¬
ности является двигателем Стирлинга, и единственная публи¬
кация Мелоуна как будто бы дает дополнительные основания
4 Зак. 839

50 Глава I
для такого предположения. Однако более внимательный анализ
и последовавшее детальное обсуждение этого вопроса в коллек¬
тиве исследователей, работающем в этой области под руковод¬
ством проф. Уитли в Калифорнийском университете (Сан-Ди¬
его, США), привели к выводу, что скорее всего двигатель
Мелоуна работает по циклу, напоминающему цикл двигателя
Стирлинга, однако имеющему существенные отличия. В то же
время двигатель Мелоуна после небольшой модификации может
в точности соответствовать двигателю Стирлинга. Тем не ме¬
нее остается невыясненным ряд вопросов относительно принци¬
пов работы двигателя Мелоуна даже в его первоначальном
виде, поэтому мы считаем преждевременной попытку описания
его рабочего цикла.
Рабочие циклы различных форм двигателя Стирлинга, пре¬
образующих тепловую энергию в механическую, уже нами
описаны. Все эти двигатели имеют одни и те же основные
принципы работы, однако есть и некоторые различия в конст¬
руктивном воплощении, особенно там, где дело касается спо¬
собов использования вырабатываемой энергии. Схематические
диаграммы и детальные описания, хотя и весьма полезные для
облегчения понимания основных принципов, на которых осно¬
ваны эти двигатели, не всегда облегчают дело, когда надо
определить, относится ли рассматриваемое устройство к двига¬
телям Стирлинга. В следующем разделе приводятся фотогра¬
фии и описания уже построенных двигателей Стирлинга раз¬
личных видов, что позволит устранить эти трудности.
1.5.	КАК УСТРОЕН ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА?
На первый взгляд двигатели Стирлинга могут показаться
не заслуживающими особого внимания, поскольку они в боль¬
шой степени напоминают другие тепловые двигатели возвратно¬
поступательного действия, хотя модификации Била и в особен¬
ности двигатели «Флюидайн» сильно отличаются от привычных
конструкций. Едва ли поверхностный взгляд на двигатели име¬
ет существенные преимущества перед разбором принципиаль¬
ных схем. Поэтому для данного раздела были отобраны такие
примеры двигателей Стирлинга из числа реально существую¬
щих образцов, в которых можно было бы наглядно выделить
важнейшие элементы конструкции и там, где это возможно,
показать общность элементов, имеющих различные конструк¬
тивные воплощения. Эти примеры даются как в виде фотогра¬
фий, так и в форме принципиальных конструктивных схем.
Практическая реализация основных принципов, изложенных в
предыдущих разделах, осуществляется различными путями и
видоизменяется в зависимости от методов реализации заданно-

Общее описание двигателей Стирлинга 51
Рис. 1.42. Двигатель с ромбическим приводом. (С разрешения фирмы «Фи¬
липс», Эйндховен.)
— продольный разрез; б — общий вид.
го рабочего цикла. В некоторых двигателях требуемые рабочие
характеристики достигаются оригинальными методами, и такая
новизна была одним из критериев, по которым отбирались при¬
меры для данного раздела, где подробно анализируются эти
методы.
1.5.1.	Двигатели простого действия
Двигатель Стирлинга с ромбическим приводом, вероятно,
известен лучше других и в то же время, безусловно, является
наиболее совершенным из всех двигателей Стирлинга простого
шнствия. О ромбическом приводном механизме уже кратко
\ поминалось выше; подробнее он будет описан в гл. 2 и 3.
Ромбический привод ассоциируется обычно с одноцилиндровы¬
ми двигателями с рабочим и вытеснительным поршнями, изго-
|| мшенными фирмой «Филипс», для которых он и был сконстру¬
ирован. Поперечный разрез собственно двигателя показан на
4*

52 Глава I
Пройцкшы
сгорания
Рис. 1.43. Камера сгорания и предварительный подогреватель воздуха двига¬
теля с ромбическим приводом [15].
рис. 1.42, там же приведена и фотография двигателя на испы¬
тательном стенде фирмы «Филипс» [15].
В этом двигателе с камерой сгорания, работающей на жид¬
ком нефтяном топливе, имеется предварительный подогреватель
воздуха, позволяющий повторно использовать часть энергии,
содержащейся в продуктах сгорания, и тем самым улучшить
процесс сгорания, уменьшить потери тепла с продуктами сгора¬
ния и повысить общий КПД установки. Камера сгорания и по¬
догреватель воздуха схематически изображены на рис. 1.43.
Трубки нагревателя, показанные на чертежах основной ус¬
тановки, имеют ребра для улучшения теплопередачи. Такая
конструкция применяется в большинстве современных двигате¬
лей Стирлинга, работающих на бензине. Внешний вид нагрева¬
теля показан на рис. 1.44, а его устройство — на схематическом
чертеже (рис. 1.43).
Оребренные трубки нагревателя располагаются над корпу¬
сами регенераторов. Обратите внимание на большое число ре¬
генераторов, используемых в одноцилиндровом двигателе. На
основе обычно публикуемых принципиальных схем двигателей

Общее описание двигателей Стирлинга 53
Рис. 1.44. Нагреватель. (С разрешения фирмы «Филипс», Эйндховен.)
Стирлинга легко сделать ошибочный вывод, что в двигателе
имеется только один регенератор. Это весьма редкий случай,
и обычно на каждый цилиндр приходятся по меньшей мере два
регенератора. Головка нагревателя (рис. 1.44) принадлежит
раннему варианту двигателя, разработанному фирмой «Фи¬
липс», и число регенераторов в этом варианте, пожалуй, слиш¬
ком велико.
Па нагревательной головке более позднего двигателя фирмы
«Филипс» с ромбическим приводом (рис. 1.45) число регенера¬
торов уменьшено до шести. В целом на двигателях с ромбиче¬
ским приводом, созданных фирмами «Филипс» и «Дженерал
моторе» в 1960—1970 гг., на каждый цилиндр приходится
шесть — восемь регенераторов. Двигатель, головка которого по¬
казана на рис. 1.46, развивал мощность 60 кВт, однако это
был, без сомнения, не самый мощный одноцилиндровый агре¬
гат, а вся серия созданных двигателей с ромбическим приводом

54 Глава 1
Рис. 1.45. Нагревательная головка. (С разрешения фирмы «Филипс», Эйндхо¬
вен.)
включала многоцилиндровые двигатели мощностью до 270 кВт
(рис. 1.47).
Конструкция внутренней части двигателя 4-235 с ромбиче¬
ским приводом фирмы «Филипс», идентичного двигателю мощ¬
ностью 270 кВт, но несколько меньших размеров, показана на
рис. 1.48.
Изготовители двигателей Стирлинга часто применяют обо¬
значения 4-235, 1-98 и т. п., чтобы идентифицировать свои дви¬
гатели, и это весьма удобный способ. Первая цифра обозначает
число цилиндров, а следующее за ней число — рабочий объем
одного цилиндра в кубических сантиметрах. Ромбический при¬
вод показан на рис. 1.49. С механизма сняты синхронизирую¬
щие шестерни.
Прежде чем приступить к разработке ромбического приво¬
да, фирма «Филипс» изготавливала небольшие (мощностью ме¬

Общее описание двигателей Стирлинга 55
нее 1 кВт) двигатели с кривошипно-балансирным приводом,
использовавшие в качестве рабочего тела воздух (рис. 1.50).
Нагревательной головкой этого двигателя служит оребренный
колпак без трубок. Этот двигатель является одним из элемен¬
тов портативного электрогенератора (рис. 1.51).
10	15
Рис. 1.46. Нагревательная головка и двигатель в разрезе. (С разрешения
фирмы «Филипс», Эйндховен.)
I— топливная форсунка; 2 — трубки нагревателя; 3 —горячая полость; 4 — регенератор;
5 — вытеснитель; 6— цилиндр; 7 — холодная полость; 8 — рабочий поршень; 9 —буферная
полость; 10 —ромбический привод; 11—соединительные патрубки холодильника; 12 — шток
вытеснителя; 13 — шток рабочего поршня; 14 — траверса рабочего поршня; 15 — траверса
вытеснителя.
Было изготовлено несколько сотен таких генераторов, кото¬
рые затем были проданы многим европейским университетам.
Самая продолжительная программа исследования этого двига¬
теля (по крайней мере, из числа известных нам) все еще про¬
должается в Батском университете (Англия). Эта работа доста¬
точно полно освещена в публикациях [16—19]. Даже сегодня
во многих лабораториях благосклоннее относятся к двигателю
Стирлинга с кривошипно-шатунным приводом, чем к двигателю
с ромбическим приводом. Позже будут освещен^! еще два мо-

Рис. 1.47. Двигатель мощностью 270 кВт совместного производства фирм
«Филипс» и «Дженсрал моторе» (С разрешения фирмы «Филипс», Эйндхо¬
вен.)
Рис. 1.48. Двигатель 4-235 с ромбическим приводом фирмы «Филипс». (С раз¬
решения фирмы «Филипс», Эйндховен.)

Общее описание двигателей Стирлинга 57
Рис. 1.49. Ромбический приводной механизм.
мента, связанные с ромбическим приводом, требующие особого
внимания, поскольку они относятся и к другим видам двигателя
Стирлинга.
На рис. 1.42 показана газовая полость, названная буфер¬
ной. Эта полость расположена под рабочим поршнем в основ¬
ном корпусе двигателя. Газ в этой полости создает упругую
силу, как и в буферной полости свободнопоршневого двигателя.
Однако назначение буферной полости в данном случае несколь¬
ко иное, чем в свободнопоршневом двигателе, поскольку здесь
она используется для снижения нагрузок на механизм привода
и для облегчения условий работы уплотнений рабочего поршня.
Этот эффект достигается созданием в буферной полости давле¬
ния, равного среднему давлению цикла в рабочих полостях.
Объем буферной полости стремятся сделать как можно боль¬
шим, чтобы уменьшить колебания давления в ней. Давление
газа, действующего на привод и стремящегося прорваться

58 Глава I
Рис. 1.50. Двигатель с кривошипно-балансирным приводом, использующий в
качестве рабочего тела воздух. (С разрешения фирмы «.Филипс», Эйндховен.)
сквозь уплотнения, тем самым будет снижено от рЦИкл— Ря™
до рцикл — Рбуф. Благодаря этому уменьшаются нагрузки на
подшипники и становится возможным снизить давление в кар¬
тере до атмосферного. Если почему-либо нежелательно иметь
буферную полость, ее функции должен выполнять картер, и,
следовательно, в нем необходимо поддерживать избыточное
давление. Величина давления, которое должно поддерживаться
в буферной полости или в полости, ее заменяющей, должна
быть тщательно рассчитана, иначе это давление может оказать
неблагоприятное воздействие на работу двигателя.
В двигателе с ромбическим приводом, схема которого пока¬
зана на рис. 1.42, уплотнение штока в виде сальника в корпусе
оказалось бы полностью неработоспособным, если бы не было
буферной полости. Двигатель Стирлинга с ромбическим приво¬

Общее описание двигателей Стирлинга 59
дом, так же как и другие двигатели Стирлинга, нуждается в
системе уплотнений, чтобы изолировать газообразное рабочее
тело и воспрепятствовать прониканию масла в заполненные га¬
зом рабочие полости. В двигателе Стирлинга наибольшие труд¬
ности связаны с уплотнением штока рабочего поршня, располо¬
женным между рабочим поршнем и механизмом привода. Когда
в картере нет избыточного давления (т. е. когда в нем поддер¬
живается атмосферное давление), как в рассматриваемом слу¬
чае, уплотнение штока должно обеспечивать надежную изоля¬
цию рабочего тела, находящегося под высоким давлением, от
картера, в котором давление равно атмосферному. В отличие
от уплотнения штока уплотнение поршня находится под дей¬
ствием меньшей разности давлений по обе стороны уплотнения
благодаря давлению газа в буферной полости. Поэтому пробле¬
ма уплотнения штока поршня является одной из самых труд¬
норазрешимых.
В 1960 г. в фирме «Филипс» было изобретено уплотнение
типа «скатывающийся чулок» (рис. 1.52), действительно пред¬
ставляющее собой скатывающийся чулок, изготовленный из ре¬
зиновой диафрагмы. Когда шток поршня совершает возвратно¬
поступательное движение, это движение повторяет и чулок, на
который с нижней стороны действует давление масла. Чтобы
избежать усталостных и механических повреждений тонкой
Рис. 1.51. Портативная генераторная установка. (С разрешения фирмы «Фи¬
липс», Эйндховен.)

60 Глава I
упругой диафрагмы, разность давлений с обеих сторон уплот¬
нения поддерживается на минимальном уровне, составляющем
примерно 0,5 МПа и поддерживаемом благодаря системе под¬
качки масла и регулировочному клапану. Это необычное уплот¬
нение, наиболее подходящее с технической точки зрения, было
бы трудно изготовить в условиях массового производства, и по¬
этому в настоящее время так называемое скользящее уплотне¬
ние представляется наиболее перспективным.
«Скользящее уплотнение» — удачное название, поскольку
уплотняющее устройство такого типа позволяет штоку поршня
скользить относительно него в
процессе возвратно-поступатель¬
ного движения. Уплотнение имеет
вид обычного поршневого коль¬
ца, но отличается от него принци¬
пом действия. Одноэлементное
уплотнение само по себе еще
не обеспечивает надежного
уплотнения штока, и в двига¬
теле Стирлинга скользящее
уплотнение имеет вид жесткой
капсулы или обоймы, которая
окружает и защищает уплотняю¬
щее устройство, состоящее в ос¬
новном из четырех уплотняю¬
щих элементов. Основным эле¬
ментом является скользящее уплотнение, известное как ленин¬
градское уплотнение. Это название дали инженеры фирмы
«Юнайтед Стирлинг» [20], узнавшие о таком уплотнении из
статьи, опубликованной Ленинградским государственным уни¬
верситетом. Остальные элементы — это колпачок, функция ко¬
торого состоит в предотвращении пульсаций давления в обойме,
и два маслосъемных кольца, расположенных по обе стороны
от скользящего уплотнения и служащих для снятия излишков
масла со штока поршня и предотвращения попадания масла
в рабочие полости. Схематический чертеж уплотнения и фото¬
графическое изображение его обоймы приведены на рис. 1.53.
Несмотря на то что скользящее уплотнение более сложное, оно
находит применение во многих современных двигателях внут¬
реннего сгорания и компрессорах; такое уплотнение менее тру¬
доемко в изготовлении, при монтаже и обслуживании в эксплу¬
атации. Оно зарекомендовало себя как более надежное, если
оценивать надежность средним сроком службы уплотнения.
Проблемы уплотнений рассматриваются также в разд. 1.7 и 2.3.
Основные усилия конструкторов двигателей Стирлинга в на¬
стоящее время сосредоточены на двигателях двойного действия.
Рис. 1.52. Уплотнение типа «ска¬
тывающийся чулок» [45].
1—скатывающийся чулок; 2 — шток
поршня; 3 — масляная подушка; 4—на¬
гнетательное масляное кольцэ; 5 — кла¬
пан, регулирующий давление масла.

Общее описание двигателей Стирлинга 61
Рис. 1.53. Скользящее уплотнение фирмы «Юнайтед Стирлинг». (С разреше¬
ния фирмы «Юнайтед Стирлинг», Швеция.)
а— продольный разрез; б — общий вид; 1 — поршень; 2 — цилиндр; 3 — уплотнение; 4—шток;
5 — маслосъемное кольцо; 6 —прокладка, препятствующая утечке водорода; 7 — крейцкопф;
Однако в США и Англии еще ведутся работы и по двигателям
простого действия с кривошипным приводом, используемым для
проведения исследований. Результаты экспериментов, получен¬
ные на двигателях простого действия, можно переносить на
двигатели двойного действия (за некоторыми исключениями).
Двухцилиндровый двигатель простого действия по своим рабо¬
чим характеристикам соответствует четверти четырехцилиндро¬
вого двигателя двойного действия. На трех экспериментальных
двигателях простого действия проводились исследования, и за¬
тем еще два таких двигателя были построены. Наиболее совер-

7
Рис. 1.54. Экспериментальный двигатель Лаборатории реактивных двигателей
(шт. Калифорния).
1—масляный насос; 2 —регенератор; 3—холодильник; [4—картер; 5 —поршень в полости
сжатия". 6 — электронагреватель; 7 — поршень в полости расширения.
Рис. 1.55. Первоначальный вариант двигателя Лаборатории реактивных дви¬
гателей. (С разрешения ЛРД, шт. Калифорния.)

Общее описание двигателей Стирлинга 63
Рис. 1.56. Двигатель «Серпент». (С разрешения фирмы «Ассошиэйтд энд-
жнниринг», Рагби.)
а — продольный разрез; 6 — общий вид.
шенный двигатель этого типа (рис. 1.54) был разработан и по¬
строен в Лаборатории реактивных двигателей (ЛРД) Калифор¬
нийского технологического института (Пасадена, США) под ру¬
ководством Ф. Хоена.
В двигателе используются сдвоенные коленчатые валы, ме¬
ханически соединенные с горизонтальными противоположно рас¬
положенными поршнями. Линейная конфигурация двигателя
облегчает доступ к основным компонентам двигателя и их взаи¬
мозаменяемость. На схеме, показанной на рис. 1.54, нагрева¬
тель электрический, однако в первоначальном варианте двига¬
теля (рис. 1.55) использовался натриевый нагреватель, который
не дал положительных результатов при испытаниях. Двигатель
имеет название SLRE (англ. Stirling Laboratory Research En¬
gine— лабораторный экспериментальный двигатель Стирлин¬
га). В предварительных испытаниях этот двигатель показал

64 Глава 1
Рис. 1.57. Двигатель «Флюидайн» с перекачкой энергии с помощью реактив¬
ной струи [13].
удовлетворительные результаты. Масса установки составляет в
среднем 200 кг, что дает сравнительно низкое значение отноше¬
ния мощности к массе (0,05 кВт/кг).
Фирмой «Юнайтед Кингдом Стирлинг энджин консорциум»
(Великобритания) был построен другой исследовательский дви¬
гатель такого типа, получивший название «Серпент» (рис. 1.56).
В этом двигателе простого действия с параллельными цилинд¬
рами использован трубчатый нагреватель, работающий на нат¬
рии, а рабочим телом служит гелий. По предварительным рас¬
четам двигатель должен развивать мощность на валу 25 кВт.
Когда писалась эта книга, двигатель и его компоненты прохо¬
дили испытания в Королевском морском инженерном колледже
(Плимут, Англия) и в Редингском университете. На чертеже
виден дополнительный соединительный канал между двумя ци¬
линдрами, благодаря которому двигатель может работать как

Общее описание двигателей Стирлинга 65
Рис. 1.58. Двигатель Била. (С разрешения Льюисского центра НАСА.)
обычный двигатель со сдвоенными поршнями или как двухци¬
линдровый двигатель с рабочим поршнем и вытеснителем
(рис. 1.17). Двигатель имеет много необычных особенностей,
важнейшей из которых является использование керамических
поршней.
«Флюидайн», двигатель Била и харуэллская машина также
являются двигателями простого действия. Первый из них, осо¬
бенно в «мокрой» модификации (рис. 1.57) выглядит точно так
же, как и на схеме рис. 1.38,в. Этот двигатель с перекачкой
энергии с помощью реактивной струи создан в Королевском
морском инженерном колледже и подробно описан в работах
[21, 22|. Пвободнопоршневые двигатели (двигатель Била и ха¬
руэллская машина) в соответствии с требованиями техники
безопасноеш помещаются в герметичные сосуды со сжатым
газом. Hi та этого их внешний вид весьма невыразителен
5 Зак n;i'i

Глава 1
Рис. 1.59. ТМГ, или харуэллская машина. (С разрешения AERE, Великобри¬
тания.)
(рис. 1.58, 1.59), и принципиальные схемы этих двигателей на
рис. 1.28 и 1.35 гораздо нагляднее.
Хотя имеется много других двигателей Стирлинга простого
действия, ни один из разработанных до настоящего времени не
отличается сколько-нибудь значительно от рассмотренных в на¬
стоящем разделе. Для ознакомления со всеми видами этого
двигателя, появлявшимися когда-либо в прошлом, рекомендуем
обратиться к прекрасным обзорам [5, 23]. Время от времени
предлагаются новые формы двигателя Стирлинга. Особенности
их устройства обычно описываются в «Новостях двигателей
Стирлинга» (SENL) [24].
1.5.2. Двигатели двойного действия
Принципы работы двигателей Стирлинга двойного действия
уже были описаны в разд. 1.4. Несмотря на то что предлага-

Общее описание двигателей Стирлинга 67
.|<>п> много вариантов двигателей двойного действия, все они,
ни существу, могут быть разделены на два вида: «квадратная
неI верка» и обычные рядные двигатели. Хотя и рассматрива¬
лись двигатели двойного действия свободнопоршневого типа и
iniHi «Флюидайн» и в этой области проведена определенная
конструкторская и экспериментальная работа, нельзя утверж-
мть, что совершенствование этих двигателей продвинулось до-
(латочно далеко.
Изобретение двигателя двойного действия связано с именем
< именса [7] —знаменитого английского инженера XIX в., од¬
нако заслуга повторного открытия и усовершенствования этого
жнгателя принадлежит Рини — одному из первых исследовате¬
ли фирмы «Филипс», занявшихся двигателями Стирлинга [25].
Пполне вероятно, что без «вторичного изобретения» двигателя
< шрлинга двойного действия не существовало бы и многих
и iicтвующих в настоящее время программ по совершенствова¬
нию таких двигателей..
Рини и группу исследователей фирмы «Филипс», если су¬
ши, по имеющимся публикациям, в наибольшей степени инте¬
ресовала конфигурация «квадратная четверка» (рис. 1.60).
11 в самом деле, за исключением объединения MAN-MWM
(ФРГ), все другие изготовители двигателя Стирлинга проявили
I Mu- I .(>(). Диш ;i кик «квадратная четверка». (С разрешения фирмы «Юнайтед
< I пр ими» и АПЧ I.)

Рис. 1.61. Двигатель 4-215 совместного производства фирм «Форд» и «Фи¬
липс». (С разрешения фирмы «Форд моторе».)
б—продольный разрез; б—общий вид силовой установки.

Рис. 1.62. Принципиальная схема двигателя V4X. (С разрешения фирмы
«Юнайтед Стирлинг», Мальмё.)
1’нг. 1.6:1. Общий вид двигателя V4X. (С разрешения фирмы «Юнайтед Стир¬
линг», Мальмё.)

70 Глава 1
наибольший интерес именно к этому виду двигателей из-за при¬
сущей ему конструктивной симметрии. Однако фирма «Джене-
рал моторе» исследовала и другие виды двигателей. В первона¬
чальном варианте квадратной четверки использовался привод
типа «косая шайба», и работы по совершенствованию двигателя
с таким приводом продолжались с 1966 по 1978 г., когда фирма
«Форд» (США) прекратила работы по программе автомобиль¬
ных двигателей Стирлинга. Последний двигатель 4-215, создан¬
ный по этой программе, показан на рис. 1.61. Этот двигатель
развивал мощность 130 кВт и предназначался для установки
на автомобили среднего класса (так называемые семейные ав¬
томобили). Как видно из продольного разреза и общего вида
двигателя (рис. 1.61), расположение цилиндров по принципу
квадратной четверки позволяет использовать один общий ис¬
точник нагрева; вся конструкция получается весьма компакт¬
ной и выглядит достаточно привлекательной.
Самыми совершенными и наиболее широко производимыми
двигателями Стирлинга двойного действия являются двигатели
серии Р фирмы «Юнайтед Стирлинг» (Мальмё. Швеция). Пер¬
воначально приводной механизм имел V-образную конфигура¬
цию с одним коленчатым валом, как показано на схематическом
наброске двигателя V4X (рис. 1.62). Фотография двигателя
приведена на рис. 1.63. Однако этот двигатель был вытеснен
двигателем с U-образной конфигурацией кривошипного при¬
вода.
Эта конфигурация приводного механизма с двумя коленча¬
тыми валами была предложена Рикардо (Великобритания).
Она дает возможность поршням двигаться строго перпендику¬
лярно, что уменьшает боковые силы, действующие на уплотне¬
ния поршня и штока поршня. Двигатели выпускаются в двух
размерных вариантах: Р-40 (рис. 1.64) и Р-75, развивающих
мощность 40 и 75 кВт соответственно. Двигатель Р-40 в моди¬
фикации ASE Modi будет иметь номинальную мощность, пре¬
вышающую 60 кВт [26].
Конструкторы объединения MAN — MWM основное внима¬
ние уделяли рядным двигателям, хотя ими был построен и не¬
большой «квадратный» двигатель с двумя коленчатыми валами,
развивавший мощность 22 кВт. Объединение MAN — MWM
предполагает построить серию 4—16-цилиндровых двигателей с
мощностями, достигающими 300 кВт. Принципиальная схема
двигателей этой серии показана на рис. 1.65.
В опубликованных материалах содержатся немногочислен¬
ные подробности, относящиеся к уже проделанной работе и со¬
вершенствованию более мощных двигателей, что объясняется,
вероятно, спецификой области их предполагаемого примене¬
ния [27].

Рис. 1.64. Двигатель Р-40. (С разрешения фирмы «Юнайтед Стирлинг»,
Мальме.)
.1 общий вид; б—продольный разр?з; 1—тэпличная Форсунка; 2 —камера сгорания;
1 чилиндр; 4—крейцкопф; 5 — приводной вал; 6 —шчтуи; 7—коленчатый вал; 8—масля-
|»‘лй насос; 9—ззешхритель; П — предваритетьиый под гргватель; И—нагреватель;
I ■ поршень; 13 — регенератор; И—холодильник; 15—шгок иоршия; 16 —уплотнение.
Hi I < >is .1 Поршия.

Рис. 1.65. Рядные двигатели (объединение MAN — MWM) [7].
Рис. 1.66. Иллюстрация сравнительных размеров двигателя. (С разрешения
фирмы «Филипс», Эйндховен.)

Общее описание двигателей Стирлинга 73
Единственный, еще не рассмотренный нами двигатель двой¬
ного действия, разрабатываемый в настоящее время,— это урав¬
новешенный смешанный двигатель, предложенный фирме ТСА
Финкельстайном [28] (фирма ТСА, Беверли-Хилс, шт. Кали¬
форния) [28]. Авторы видели опытную установку по проверке
принципов работы этого двигателя в 1978 г. на заводе в Лос-
Анжелесе. Однако с тех пор не удалось получить ни подроб¬
ных чертежей, ни фотографий. По фотографии (рис. 1.66) мож¬
но получить представление о реальных размерах силовых
установок Стирлинга. Двигатели Стирлинга двойного действия
имеют такие же размеры, как и двигатели Дизеля сравнимой
мощности.
1.6. НЕКОТОРЫЕ РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ
1. Мощность, вырабатываемая двигателем Стирлинга, как
показывает практика, почти прямо пропорциональна среднему
давлению цикла. Поэтому, чтобы получить высокие значения
абсолютной и удельной мощности, давление в двигателе долж¬
но составлять 10—20 МПа. Такие высокие значения давления
создают специфические проблемы при проектировании двигате¬
лей. Особую трудность представляет решение проблем, связан¬
ных с
— герметизацией рабочего тела;
— напряжениями в теплообменнике;
— нагрузками на подшипники и детали механизма привода.
Поскольку величина давления влияет на развиваемую мощ¬
ность, управление изменением давления позволяет регулировать
крутящий момент двигателя.
2. КПД двигателя Стирлинга может достигать 65—70 %
КПД цикла Карно при современном уровне проектирования и
п-хнологии изготовления. КПД двигателя почти не зависит от
скорости двигателя при условии, что температура в трубках
нагревателя не изменяется во всем диапазоне рабочих режимов
тнигателя и температура в холодильнике не возрастает. Темпе¬
ратуру в трубках нагревателя следует поддерживать на воз¬
можно более высоком уровне. При повышении температуры
охлаждающей жидкости на один градус КПД двигателя падает
па п.!) %. Вследствие непрерывного" воздействия высоких темпе-
ра I \ р тля обеспечения длительного срока службы требуются
высококачественные сплавы.
.'1 lli-рабочие объемы (мертвый объем) в двигателе Стир-
.||нн1 а иоретически могут быть сведены к нулю, однако на
ирам им- пип достигают 50 % внутреннего объема, занимаемого
га.юм Такая величина мертвого объема необходима для разме¬

74 Глава 1
щения теплообменника и обеспечения достаточной плошали по¬
верхности теплообмена. Мертвый объем снижает выходную
мощность двигателя; влияние же его величины на КПД двига¬
теля неоднозначно и зависит от местоположения этого объема.
Изменением мертвого объема при работе двигателя можно ре¬
гулировать вырабатываемую мощность.
4. С увеличением рабочего объема возрастает выходная
мощность двигателя при условии, что давление и температура
постоянны. Не существует никакой эмпирической зависимости,
связывающей рабочий объем и выходную мощность. Заданный
рабочий объем обеспечивается при отношении диаметра цилин¬
дра к ходу поршня, близком к 2, что дает оптимальное соот¬
ношение между потерями на теплопередачу и на трение в уп¬
лотнениях.
5. С ростом скорости двигателя потери на сопротивление
газа (аэродинамическое сопротивление) приобретают решающее
значение, поскольку они пропорциональны квадрату скорости.
Для уменьшения этих потерь в качестве рабочего тела исполь¬
зуют газы с малой молекулярной массой, такие, как гелий и
водород. Однако предотвращение утечки этих газов, в особен¬
ности водорода, весьма затруднительно, поскольку водород об¬
ладает свойством диффундировать сквозь металлические стенки.
6. Для обеспечения стабильности выходной мощности изме¬
нения объема полости расширения должны опережать измене-
нения объема полости сжатия. Для получения оптимальной
выходной мощности это опережение должно соответствовать
фазовому углу 90°. При таком значении фазового сдвига необя¬
зательно достигается оптимальный КПД или фазовый сдвиг
90° между сочленениями поршень — кривошип, поскольку этот
сдвиг зависит от конфигурации двигателя. Из-за необходимости
обеспечивать такой фазовый угол может затрудниться механи¬
ческая балансировка двигателя.
7. Выбор рабочего тела зависит исключительно от конкрет¬
ного назначения двигателя, поскольку один и тот же КПД мож¬
но получить безотносительно к рабочему телу при условии, что
конструкция двигателя оптимальна по отношению к выбранно¬
му рабочему телу. Однако для получения более высоких удель¬
ных мощностей требуются более легкие газы.
8. Двигатель Стирлинга по своей природе обладает низким
уровнем шума. Механический и аэродинамический шумы этого
двигателя существенно ниже, чем у его конкурентов. Однако,
чем выше давление цикла, тем выше шум, вызываемый рабо¬
той двигателя. По сравнению с сопоставимым дизельным дви¬
гателем уровень аэродинамического шума двигателя Стирлинга
ниже на 18 дБ. Основными источниками шума современных
двигателей Стирлинга являются синхронизирующие зубчатые

Общее описание двигателей Стирлинга 75
колеса и нагнетатель воздуха. Двигатели «Флюидайн» имеют
весьма низкий уровень шума, однако свободнопоршневые дви¬
гатели могут быть чрезвычайно шумными при некоторых режи¬
мах работы.
9. В двигателях Стирлинга можно использовать источники
энергии, не производящие никаких загрязняющих атмосферу
выбросов. Даже при использовании природных топлив прису¬
щий этим двигателям устойчивый процесс горения позволяет
значительно понизить уровень концентрации токсичных веществ,
выбрасываемых в атмосферу, по сравнению с уровнями концен¬
трации таких веществ, выбрасываемых другими двигателями,
при условии, что предусмотрены специальные меры для сниже¬
ния температуры ниже порога образования окислов азота. Авто¬
мобильный двигатель Стирлинга является в настоящее время
единственной энергосиловой установкой, удовлетворяющей жест¬
ким стандартам штата Калифорния по допустимым уровням со¬
держания токсичных веществ в автомобильных выбросах, на¬
меченным к введению в 1985 г.
10. Доля энергии цикла, которая отводится через холодиль¬
ник, в двигателе Стирлинга на 60	250 % выше, чем в обыч¬
ных поршневых двигателях. Чтобы справиться с такой тепловой
нагрузкой, необходимы радиаторы больших размеров. В тех
случаях, когда установка предназначена для использования всех
видов вырабатываемой энергии, это может дать двигателю
Стирлинга дополнительные преимущества.
11. Энергосиловая установка автомобиля с двигателем Стир¬
линга имеет большие перспективы с точки зрения устранения
выбросов, загрязняющих окружающую среду, уменьшения рас¬
хода топлива и соответственно снижения затрат на эксплуата¬
цию. В ближайшем будущем, однако, такая энергосиловая ус¬
тановка будет еще излишне тяжелой и дорогой в изготовлении.
В период до 1990 г. автомобильный двигатель Стирлинга вряд
ли составит серьезную конкуренцию усовершенствованному дви¬
гателю. работающему по циклу Отто, однако применительно к
грузовым автомобилям его конкурентоспособность может ока¬
заться более высокой. Действующие в настоящее время в США
программы совершенствования двигателя Стирлинга имеют до¬
статочные шансы на успех в области проектирования, однако
шансов на коммерческий успех у них несколько меньше.
Ознакомимся теперь с рабочими характеристиками этого
класса тепловых двигателей и влиянием, которое оказывают
эти характеристики на требования к конструкции двигателей,
предназначенных для практического использования. Анализ
этих характеристик позволит понять, почему в настоящее время
вновь возник интерес к двигателям Стирлинга. Прежде чем
приступить к анализу характеристик двигателя, заметим, что

76 Глава 1
все рассматриваемые здесь результаты получены при испыта¬
ниях двигателей в рабочих режимах. Наш опыт показывает,
что в некоторых публикациях невозможно понять, каким спосо¬
бом получены характеристики двигателя — измерены ли они
или рассчитаны. Если расчет сделан на основе достоверной мо¬
дели и с помощью ЭВМ, то между расчетными и эксперимен¬
тальными данными не будет больших различий. К сожалению,
так бывает не всегда. Поэтому, когда мы сочтем целесообраз¬
ным более полно осветить такие конкретные случаи и аномалии,
мы будем сравнивать их с идеальными характеристиками. Тен¬
денции совершенствования рабочих характеристик, значения па¬
раметров и характеристики, получаемые в идеальном цикле и
практически достижимые при современном уровне конструиро¬
вания, рассматриваются в гл. 2. В настоящей главе рассматри¬
ваются характеристики, связанные с фундаментальными термо¬
динамическими параметрами — давлением и температурой.
1.6.1.	Влияние давления на рабочие характеристики
Термодинамический анализ идеального цикла Стирлинга,
выполненный для дискретных значений объема двигателя, а
также для случаев его изменения по простому гармоническому
закону и реальному закону, имеющему место в существующих
двигателях, показал, что выходная мощность двигателя Стир¬
линга должна быть прямо пропорциональна среднему давле-
рщо цикла, что подтверждается на практике. Типичные зави¬
симости, характеризующие влияние давления на выходную
мощность, показаны на рис. 1,67 для двигателя GPU-3 с ром¬
бическим приводом [45]. Если эти зависимости перестроить,
ИзМенйв параметры, откладываемые по осям координат, то
влияние давления будет еще нагляднее (рис. 1.68), причем
можно видеть, что изменение мощности не точно следует ли¬
нейному закону, но весьма близко к нему. Такая тенденция
характерна для всех двигателей Стирлинга, в том числе и для
Р-40. Чтобы подтвердить это, на рис. 1.69 приведены кривые
мощности двигателя Р-40 фирмы «Юнайтед Стирлинг», полу¬
ченные при постоянных значениях среднего давления [29]. По
ним легко видеть, что и здесь существует почти линейная зави¬
симость между выходной мощностью и средним давлением цик¬
ла. Следует заметить, однако, что в реальных двигателях Стир¬
линга среднее давление цикла существенно не превышает
20 МПа, так что при более высоких давлениях отмеченные
тенденции могут и не проявиться.
Моделирование на ЭВМ, выполненное авторами, показало,
что давления выше 25 МПа могут неблагоприятно отразиться
на рабочих характеристиках. Причиной этого могут быть кон-

Среднее
Скорость двигателя, об/мин
Рис. 1.67. Мощность в зависимости от скорости вращения и среднего давле¬
ния цикла двигателя GPU-3 [45].
Е
to
В 6
и
о
X
3
Скорость, ой/мин
3000
2400
1800
1200
Среднее давление в рабочей полости, МПа
Рис. 1.68.. Мощность в зависимости от скорости вращения и среднего давле¬
ния цикла двигателя GPU-3.
Срейнее давление, МПа
Рис. 1.69. Мощность в зависимости
от скорости вращения и среднего дав¬
ления цикла двигателя Р-40 [29].
Скорость, об/мин

78 Глава 1
структивные неполадки в теплообменниках или особенности ра¬
бочих характеристик двигателей Стирлинга при очень высоких
Среднее давление, МПа
= 150
|юо
г
I 50
Максимальное давление, МПа
14
25С
Скорость, об/мин
1250
Скорость, об/мин
2500
Среднее давление,
МПа
Рис. 1.70. Крутящий момент в зависимости от давления цикла,
а — двигатель GPU-3 {45); б — двигатель фирмы «Финтс» мощностью 3.) кВт с ромбическим
приводом {15].
давлениях. Имеется только один способ выяснить этот во¬
прос— провести испытания двигателя при среднем давлении
свыше 25 МПа.
Давление является основным фактором, влияющим на кру¬
тящий момент двигателя, и характер этого влияния такой же,
3gi	как и на выходную мощность.
Поэтому крутящий момент из¬
меняется весьма незначитель¬
но в широком диапазоне ско¬
ростей двигателя. Следова¬
тельно, высокий крутящий мо-
* мент можно получить и при
малых скоростях. Это является
определяющим фактором для
начальной фазы ускорения.
Взаимосвязь между давлением
и моментом для двигателя
GPU-3 [45] и для двигателя
фирмы «Филипс» мощностью
30 кВт [15] показана на
рис. 1.70.
Давление оказывает также влияние и на КПД двигателя.
Как правило, с ростом среднего давления цикла возрастает и
КПД. Типичные зависимости для двигателя Р-75 фирмы
«Юнайтед Стирлинг» [53] показаны на рис. 1.71.
Общий КПД двигателя состоит из грех компонент; КПД
перехода энергии, заключенной в топливе, в тепло; КПД пере¬
г-? зо
1=7
С
20
15с:
Скорость, об/мин
зооо
Рис. 1.71. КПД в зависимости от
среднего давления цикла двигателя
Р-75 [53].

Общее описание двигателей Стирлинга 79
хода тепла в механическую энергию; КПД механизма привода
от поршня до выходного вала. Увеличение давления в двигате¬
ле может сказаться на всех трех компонентах. Уровень давле¬
ния в двигателе оказывает влияние на газодинамические и тер¬
модинамические параметры рабочего тела. Это в свою очередь
влияет на характеристики теплопередачи и характеристики га¬
зового потока рабочего цикла. Например, при росте давления
рабочее тело способно поглотить больше тепла, и эта дополни¬
тельная энергия может реализоваться в дополнительной меха¬
нической энергии. Давление влияет также на нагруженность и,
следовательно, на динамические характеристики механизма
привода, от которых зависит механический КПД привода.
В настоящее время, по имеющимся у нас сведениям, нет дан¬
ных по сравнительному влиянию давления на каждую из трех
компонент, составляющих общий КПД двигателя. Эта область
исследований может представить интерес для исследователь¬
ских подразделений университетов, и хотя результаты, полу¬
ченные в таких исследованиях, не обязательно приведут к
улучшению рабочих характеристик, они, несомненно, будут
способствовать расширению и углублению наших знаний по
данному вопросу. В конце концов, исследования всегда полез¬
ны для углубления знаний.
Однако уже сейчас —- на первой стадии нашего анализа ра¬
бочих характеристик двигателя Стирлинга—становится ясно,
что очень трудно (а порой и почти невозможно) выделить «ин¬
дивидуальное» влияние какого-либо параметра, поэтому при
интерпретации полученных результатов необходимо соблюдать
большую осторожность. Влияния температуры, давления и ско¬
рости часто могут перекрываться, и в тех случаях, когда «ин¬
дивидуальные» влияния противоположны, общий эффект может
быть весьма малым. Более того, такие параметры, как темпе¬
ратура и давление, по-разному влияют на различные рабочие
тела. Например, удельная теплоемкость одного из трех наибо¬
лее распространенных рабочих тел — гелия — не зависит от
давления и температуры в пределах .обычных для таких двига¬
телей диапазонов рабочих значений этих параметров, в то же
время удельная теплоемкость двух других часто используемых
рабочих тел — водорода и воздуха — существенно зависит от
этих параметров. Тем не менее мы попытаемся, где это воз¬
можно, разделить индивидуальные влияния параметров, что
сделает более понятной их значимость и их вклад в формиро¬
вание общих рабочих характеристик двигателя. Однако, даже
если это будет сделано, в реальных условиях необходимо про¬
следить влияние всех параметров в широком диапазоне рабо¬
чих режимов двигателя, и для выяснения общего характера
влияния потребуется полная рабочая диаграмма двигателя.

80 Глава 1
Кроме того, при определении числовых значений основных па¬
раметров, характеризующих особенности работы двигателя
Стирлинга, мы воспользуемся выведенными ранее эмпириче¬
скими зависимостями общего характера.
Как уже было отмечено во вступлении к данной главе, в
подавляющей части публикаций, посвященных двигателям
Стирлинга, влияние параметров на рабочие характеристики
рассматривается безотносительно к их значимости для проек¬
тирования и изготовления двигателей. Причина этого состоит
в том, что во многих таких публикациях описываются опытные
двигательные установки и их потенциальные возможности. Бо¬
лее того, часть подобных публикаций, по существу, мало отли¬
чается от рекламных проспектов. Однако и в таком подходе
есть резон, поскольку он привлекает внимание к описываемому
двигателю. Следует также принять во внимание, что до недав¬
него времени только отдельные исследователи имели доступ к
экспериментальным данным и могли использовать накоплен¬
ный опыт эксплуатации, а это совершенно необходимо для по¬
нимания влияния изменения рабочих параметров на конструк¬
цию и эксплуатационные характеристики двигателя. В настоя¬
щее время положение значительно улучшилось. Поэтому при
рассмотрении рабочих характеристик мы по возможности бу¬
дем прослеживать взаимосвязь этих характеристик с физиче¬
скими процессами. В некоторых случаях, чтобы обеспечить тре¬
буемые рабочие характеристики, в двигателях Стирлинга ис¬
пользуют конструктивные компоненты, присущие только этим
двигателям или по крайней мере удовлетворяющие требова¬
ниям, предъявляемым замкнутым .рабочим циклом. Такие ком¬
поненты необходимо анализировать более детально, и это сде¬
лано в следующей главе.
Влияние среднего давления на конкретные конструкторские
решения является хорошей иллюстрацией сказанного. Посколь¬
ку величина среднего давления оказывает значительное влия¬
ние на выходную мощность и КПД, то для повышения двух по¬
следних параметров увеличение давления является на первый
взгляд наиболее простым путем. Например, увеличение давле¬
ния в двигателе, скажем, в 100 раз может дать в некоторых
случаях дополнительные 25 % КПД, а вырабатываемая мощ¬
ность при этом возрастает почти в 100 раз. Поэтому не должен
вызывать удивления факт, что в наиболее совершенных двига¬
телях Стирлинга, разработанных тремя ведущими их изготови¬
телями — фирмами «Филипс», «Юнайтед Стирлинг» и объеди¬
нением MAN — MWM — среднее давление имеет значения 10—
20 МПа. Однако такие высокие значения давления создают
определенные трудности при конструировании и изготовлении,
и самая большая из них — это герметизация рабочего тела.

Общее описание двигателей Стирлинга 81
В устройствах, работающих по замкнутому циклу, в том чис¬
ле и в двигателе Стирлинга, необходимо избегать потерь рабо¬
чего тела, поскольку такие потери снижают среднее давление
цикла и, следовательно, выходную мощность. Имеется много
путей для просачивания рабочего тела из внутренней полости
щигателя; например, водород под действием высоких давлений
и температур будет диффундировать сквозь металлические пе¬
регородки, изготовленные из большинства металлов и сплавов
(особенно это относится к нержавеющей стали). Однако чаще
всего основной причиной утечки является просачивание газа
под давлением около поршней и их штоков. На первый взгляд
такую утечку можно ликвидировать, установив обычные уплот¬
нения, т. е. металлические кольца или кольца из шнура, по¬
скольку, например, газовые компрессоры работают при давле¬
ниях, превышающих давление в двигателях Стирлинга. Однако
рабочие температуры в двигателях Стирлинга выше, чем в
компрессорах, и это усложняет решение проблемы уплотнений.
В двигателях внутреннего сгорания рабочие температуры сопо¬
ставимы с температурами в двигателях Стирлинга, однако в
двигателях Стирлинга уплотнения должны работать в атмосфе¬
ре, не содержащей масла, поскольку при попадании масла из
картера в рабочие полости происходит его пиролиз и образова¬
ние углеродных отложений, засоряющих теплообменники и
особенно высокопористые регенераторы. Кроме того, масло в
картере может загрязняться просачивающимся рабочим те¬
лом. Усовершенствование уплотнений не должно производить¬
ся за счет увеличения трения, поскольку это может приве¬
сти к недопустимому падению рабочих характеристик на валу
двигателя. Из сказанного видно, что создание работоспособной
конструкции уплотнения для двигателей Стирлинга с высоким
внутренним давлением представляет достаточно серьезную про¬
блему. Этот вопрос рассматривается в разд. 1.7. Необходимо
уяснить, что использование газообразного рабочего тела, нахо¬
дящегося под высоким давлением, делает чрезвычайно вероят¬
ной утечку газа безотносительно к степени совершенства уплот¬
няющих устройств. Следовательно, чтобы поддерживать выход¬
ную мощность двигателя на одном уровне в течение длительного
периода эксплуатации, такая утечка должна компенсиро¬
ваться. Практически это означает, что на двигателях Стирлин¬
га с высоким давлением должен быть установлен компрессор,
автоматически нагнетающий сжатый газ в двигатель при паде¬
нии давления цикла ниже определенного уровня; иными слова¬
ми, должен быть обеспечен процесс «подкачки». Компрессор
может быть расположен как внутри двигателя, так и вне его.
В двигателе с косой шайбой «Форд — Филипс» имеется вну¬
тренний поршневой компрессор, состоящий из небольших порш-
6 Зак. 839

82 Глава 1
Рис. 1.72. Механизм привода с косой шайбой двигателя «Форд 4-215». (С раз¬
решения фирмы «Форд г.отор», США.)
ней, соединенных с нижней стороной рабочих поршней двигате¬
ля (рис. 1.72).
Такой компрессор работает со скоростью, равной скорости
двигателя. В настоящее время наметилась тенденция устанав¬
ливать наружные компрессоры с приводом непосредственно от
выходного вала двигателя. Затраты мощности на привод ком¬
прессора несколько снижают преимущества, достигаемые за
счет высокого давления цикла.
Помимо трудноразрешимой проблемы уплотнений при ис¬
пользовании высоких давлений возникает проблема высоких
циклических механических нагрузок на механизм привода, теп¬
лообменники и рабочие цилиндры, которые необходимо учиты¬
вать при конструировании этих элементов. В двигателе просто¬
го действия, если отсутствует буферная полость и в картере
нет избыточного давления, нагрузки на подшипники будут
выше, чем в обычных двигателях внутреннего сгорания. Не¬
смотря на то что пиковые давления цикла в двигателе вну¬
треннего сгорания могут быть выше, чем в двигателе Стирлин¬
га, их воздействие весьма непродолжительно, в то время
как в двигателе Стирлинга давление удерживается на доста¬
точно высоком уровне в течение полного оборота вала дви¬
гателя.

Общее описание двигателей Стирлинга 83
Закон изменения давления в двигателе Стирлинга близок к
синусоидальному (рис. 1.73) при среднем давлении цикла, рав¬
ном приблизительно половине максимального, что много выше,
чем в-сопоставимом двигателе внутреннего сгорания. Нагрузки
на подшипники и их долговечность пропорциональны кубиче¬
скому корню из среднего давления в цилиндре [30], и, следо¬
вательно, подшипники, используемые в обычных устройствах
возвратно-поступательного действия, преобразующих тепловую
/ % /
’ Срейнее давление	/
Угол поворота кривошипа
Рис. 1.73. Типичным характер изменения давления в цилиндре за рабочий
ЦИКЛ.
энергию в механическую, мало подходят для двигателя Стир¬
линга, а если их и установить в нем, то срок их службы суще¬
ственно сократится. Поэтому для двигателей Стирлинга требу¬
ются более мощные, а следовательно, и более дорогие кон¬
струкции подшипников. Однако если под поршнями разместить
буферную полость с избыточным давлением (рис. 1.42), то на¬
грузки на подшипники можно существенно уменьшить. Избы¬
точное давление в картере дает тот же эффект.
Уменьшение нагрузок путем создания избыточного давле¬
ния в буферной полости или картере имеет и отрицательные
последствия, так как двигатель при этом должен быть более
прочным, а следовательно, и более тяжелым.
Двигатели двойного действия изначально имеют полость,
которая выполняет функции как буферная полость в процессе
работы двигателя. В двигателе двойного действия (рис. 1.24)
максимальная разность давлений, действующих по обе стороны
поршня, равна разности максимального и минимального давле¬
ний цикла, поскольку поршень обоими своими торцами сопри¬
касается с рабочими полостями. В двигателе простого дей¬
ствия, не имеющем избыточного давления в буферной полости
о
s
х
V
к
о
сз
«=[
6*

84 Глава 1
или картере, разность давлений равна максимальному давле¬
нию цикла за вычетом атмосферного давления в картере. От¬
сюда следует, что в двигателе двойного действия реальные на¬
грузки на подшипники существенно ниже, и проблема уплотне¬
ния поршня стоит не так остро, однако уплотнение штока
поршня по-прежнему работает в тяжелых условиях. Поэтому
даже в двигателях двойного действия иногда поддерживают
небольшое избыточное давление в картере, что позволяет упро¬
стить конструкцию уплотнения штока.
Давление в рабочих полостях двигателя вызывает механи¬
ческие напряжения в основных деталях двигателя независимо
от того, какой это двигатель — простого или двойного дей¬
ствия. Особенно высокие напряжения возникают в стенках ци¬
линдра и регенератора и в трубках теплообменника. Эти меха¬
нические напряжения усугубляются из-за тепловых нагрузок,
особенно в нагревателе. Поэтому, если двигатель рассчитан на
высокую удельную мощность, то из-за высоких значений напря¬
жений в нем можно использовать только материалы, предна¬
значенные официальными нормативными документами для со¬
судов под давлением. При конструировании холодильника не¬
обходимо принимать во внимание способность материалов
воспринимать напряжения изгиба, вызываемые высокими дав¬
лениями. Отношение длины к диаметру прямых участков тру¬
бок холодильника таково, что каждая трубка может быть упо¬
доблена распорке и, следовательно, подвержена опасности
поломки в результате изгиба. Поэтому при конструировании хо¬
лодильника необходимо тщательно выбирать материалы, кото¬
рые позволили бы избежать излишней жесткости корпуса хо¬
лодильника.
Здесь необходимо упомянуть еще один аспект, связанный с
воздействием давления. Поскольку мощность, вырабатываемая
двигателем, зависит от давления в двигателе, то изменением
давления можно регулировать мощность на валу. Таким обра¬
зом, регулирование уровня давления в двигателе является од¬
ним из средств управления его скоростью и крутящим момен¬
том. Однако, несмотря на кажущуюся простоту такой идеи,
реализовать ее практически не так просто. Поэтому, отказав¬
шись от поверхностного описания вопросов, связанных с управ¬
лением двигателем, позже рассмотрим их более подробно.
1.6.2.	Влияние температуры
Термический КПД двигателя Стирлинга, так же как и дру¬
гих тепловых двигателей, возрастает с повышением температу¬
ры при подводе тепловой энергии и с понижением температуры
при отводе тепловой энергии. Влияние температуры при под¬

Общее описание двигателей Стирлинга 85-
воде и отводе тепла на термический КПД прямо следует из
уравнения Карно для идеального случая
  j Температура при отводе энергии	П	2)
^TSC	Температура	при	подводе	энергии '	\	• /'
Строго говоря, уравнение (1.2) следовало бы назвать уравне¬
нием Стирлинга, поскольку цикл Стирлинга появился на не¬
сколько лет раньше цикла Карно, однако именно цикл Карно
был принят в качестве идеального при оценке термического
КПД. Следует знать также, что этому уравнению, определяю¬
щему верхний предел КПД, удовлетворяют не только циклы
Стирлинга и Карно, но и некоторые другие идеальные циклы,
например цикл Эриксона [7] и цикл Рейтлингера [31]. Вли¬
яние температур на термические КПД идеального цикла Отто
и дизельного двигателя не так велико, как на КПД цикла
Стирлинга. Максимальный КПД этих циклов определяется
уравнением [32]
  ^	/	Температура	при	отводе	энергии \0,5
V Температура при подводе энергии )
Разумеется, эти идеальные значения КПД не достигаются в
реальных двигателях, однако они полезны для сравнительной
оценки потенциальных возможностей двигателя Стирлинга и
его конкурентов. Хотя значения КПД, вычисленные по форму¬
ле (1.2), и не достигаются в реальных двигателях, зависимость
КПД от температуры, определяемая этой формулой, не слиш¬
ком далека от реальной. Даже в наиболее совершенных двига¬
телях Стирлинга максимальные значения термического КПД
не превышают 65—70 % КПД цикла Карно. Потенциальные
возможности повышения КПД двигателя Стирлинга будут по¬
дробно рассмотрены ниже, здесь же ограничимся рассмотре¬
нием реальных значений.
Термический КПД, определяемый по формуле (1.2),—это
КПД идеального цикла, основанный на предположении, что
тепловая энергия подводится и отводится при соответствующих
постоянных температурах. Вопрос о том, в какой мере это до¬
стигается на практике, является важнейшим при оценке терми¬
ческого КПД реального двигателя, для определения которого’
пользуются обычно формулой
(Энергия, получаемая \ /Энергия, отводимаяЧ
от источника энергии/ \ в холодильник /	П	4V
"йтЕ	Энергия, получаемая от источника энергии
Необходимо подчеркнуть, что это выражение еще не опре¬
деляет действительный индикаторный КПД двигателя, по¬
скольку тепловая энергия, отдаваемая источником энергии или

'86 Глава 1
содержащаяся в нем, не обязательно полностью поглощается
рабочим телом. Поэтому более точное выражение для индика¬
торного КПД будет следующим:
Л/ = Лел'Пт'.Е-	(1-5)
КПД источника энергии t]£s идентичен КПД горелки в тех
случаях, когда для получения тепловой энергии применяют
сжигаемое топливо, однако, поскольку в двигателях Стирлинга
можно использовать и другие источники энергии, предпочти¬
тельнее пользоваться более общим термином. В некоторых слу¬
чаях можно допустить, что T]£s близок к 100 %. Механическая
энергия поршней должна быть передана на выходной вал че¬
рез различные звенья механического привода, а в ряде случаев
и через зубчатые колеса. Поэтому эффективный («тормозной»)
КПД определяется как отношение энергии, снимаемой с выход¬
ного вала, к энергии, выделяемой источником энергии. Этот КПД
можно найти также, умножив индикаторный КПД на механи¬
ческий КПД:
Лв — т1мт1/>	(1-6)
  Энергия, снимаемая с вала двигателя
Энергия, выделяемая источником энергии '	"	*
Формулы (1.4) — (1-7) являются аналитическим развитием
■основных уравнений, определяющих КПД и рассматривавших¬
ся выше. Необходимо также заметить, что в некоторых реаль¬
ных случаях эффективный КПД будет еще меньше из-за внеш¬
них устройств, приводимых в действие непосредственно или
косвенно от двигателя. Например, при установке двигателя на
автомобиле он приводит в действие помимо основной силовой
передачи ряд вспомогательных устройств.
Подробный анализ различных определений КПД, приведен¬
ный выше, может показаться ненужным и даже искусствен¬
ным, но мы считаем, что подробное освещение различных по
своей природе КПД и их составляющих весьма полезно, по¬
скольку в литературе достаточно часты случаи, когда приво¬
димые КПД не оговариваются, и это нередко приводит к из¬
лишне оптимистичным заявлениям о преимуществах рабочих
характеристик двигателя Стирлинга по сравнению с другими
тепловыми двигателями. Поэтому при рассмотрении в этой главе
различных аспектов воздействия температуры на рабочие ха¬
рактеристики мы будем тщательно оговаривать, где это воз¬
можно, приводимые результаты. Индикаторный, эффективный
или какой-либо другой КПД двигателя Стирлинга весьма силь¬
но зависит от уровня температуры, при которой энергия источ¬
ника передается рабочему телу. Этим объясняется, почему
большинство двигателей Стирлинга работает при постоянной

Общее описание двигателей Стирлинга 87
£	Скорость,	об/мин
Рис. 1.74. Влияние температуры в нагревателе [53].
а — на мощность; б — КПД.
температуре наружных стенок трубок нагревателя во всем диа¬
пазоне рабочих скоростей. При обеспечении таких условий
КПД двигателя практически не зависит от его скорости, что
позволяет получить высокие рабочие характеристики при час¬
тичных нагрузках. Влияние повышения температуры со сторо¬
ны источника тепловой энергии на параметры, определяющие
рабочие характеристики двигателя — мощность и КПД,— пока¬
зано на рис. 1.74.
При поверхностном взгляде на эти кривые может показать¬
ся, что утверждения относительно независимости КПД от ско¬
рости и частичных нагрузок не слишком обоснованны. Однако
такое впечатление получается из-за масштабов, в которых по¬
строены графики, и при более внимательном анализе можно
увидеть, что в диапазоне скоростей, включающем 4000 об/мин„

88 Глава 1
КПД изменяется всего .на 4 % в лучшем случае и на 10 % в
худшем. КПД, представленный на рис. 1.74, б, именуется в пуб¬
ликации, из которой заимствованы эти зависимости, эффектив¬
ным КПД. Однако мы считаем, что это не эффективный, а ин¬
дикаторный КПД. Наше утверждение основано на значениях
КПД, которые были сообщены нам в частных беседах с изго¬
товителями двигателей и лицами, эксплуатирующими такие
двигатели. Результаты, представленные на этих графиках, ти¬
пичны для двигателей с жестко связанными поршнями и для
свободнопоршневых двигателей. В то же время двигатели
«Флюидайн» имеют такие характеристики только в «сухой»
модификации. В «мокрой» модификации влияние изменения тем¬
пературы со стороны источника энергии носит несколько спе¬
цифический характер, в основном из-за двухфазной и двухком¬
понентной природы рабочего тела в некоторых рабочих режи¬
мах. В ряде режимов определяющим является рабочий цикл с
сухим воздухом в качестве рабочего тела, в других — рабочий
цикл с парами жидкости. Неполнота эмпирических данных
пока еще не позволяет сделать какие-либо общие выводы отно¬
сительно рабочих характеристик «Флюидайна». Однако в на¬
шем распоряжении имеются некоторые данные по «Флюидай¬
ну», работающему в режиме насоса [13]. Большая часть име¬
ющейся информации относится к «мокрым» «Флюидайнам» с
реактивной струей и косвенным нагнетанием. Эта информация
постоянно поступает из Королевского морского инженерного
колледжа (Плимут, Великобритания). Значительным количе¬
ством данных располагают также лаборатории Научно-исследо¬
вательского центра по атомной энергии (Харуэлл, Англия), од¬
нако по коммерческим соображениям эти данные пока еще не
доступны всем желающим. Мы надеемся, что новая книга Уоке¬
ра и Уэста [33] улучшит сложившуюся ситуацию. В конце на¬
стоящего раздела мы все же приведем некоторые общие сообра¬
жения относительно рабочих характеристик двигателей «Флюи¬
дайн» на основе результатов, полученных Королевским морским
инженерным колледжем.
Температура «холодной стороны» (со стороны отвода теп¬
ла) двигателя «Флюидайн» обычно равна температуре окружа¬
ющей среды, за исключением наиболее совершенных образцов.
•Однако имеет место общий эффект повышения КПД установки
при снижении температуры со стороны отвода тепла. Возмож¬
но, этот путь не кажется особенно перспективным, но в дей¬
ствительности он дает хорошие результаты. Расчет идеального
цикла показывает, что в цикле Отто и в цикле дизельного дви¬
гателя преобладают аналогичные зависимости.
На практике же двигатель с принудительным зажиганием
и дизель имеют совершенно другие характеристики, при кото-

Общее описание двигателей Стирлинга 89
Рис. 1.75. Влияние температуры в холодильнике на рабочие характеристики
двигателя [15].
рых КПД уменьшается с уменьшением температуры в системе
охлаждения (холодильнике) и увеличивается с ее повышением.
В самом деле, в таких двигателях температуру в системе
охлаждения стремятся поддерживать на возможно более высо¬
ком уровне, ограниченном только необходимостью обеспечить
сплошную пленку масла между поршневыми кольцами и стен¬
ками цилиндра. Это условие, разумеется, не имеет отношения
к двигателю Стирлинга.
Несмотря на то что влияние понижения минимальной тем¬
пературы цикла на КПД рассматривается во многих публика¬
циях, до сих пор нет достаточного количества результатов, по¬
лученных на реальных двигателях и подтверждающих эту тен¬
денцию. Нельзя утверждать, что этот эффект не наблюдается
на практике, однако весьма желательно было бы иметь значи¬
тельно больше определенных результатов. К счастью, мы рас¬
полагаем некоторыми, хотя и ограниченными данными. В рабо¬
те [15] приводятся экспериментальные результаты по влиянию
температуры холодильника на эффективную мощность и эф¬
фективный КПД двигателя с ромбическим приводом мощ¬
ностью 30 кВт. Неясно, обладают ли точно такими характери¬
стиками все двигатели Стирлинга, однако несомненно, что сама
тенденция характерна для всех двигателей Стирлинга, за;

■80 Глава I
исключением «мокрого» «Флюидайна». Было опубликовано не¬
сколько работ, в которых влияние изменения температуры хо¬
лодильника рассчитывалось аналитическими методами, однако
только в работе [34] этот расчет основан на достоверной мате¬
матической модели и выполнен на ЭВМ. Результаты работ
[15, 34] представлены соответственно на рис. 1.75 и 1.76.
Специалисты ведущей фирмы в США по программе разра¬
ботки автомобильного варианта двигателя Стирлинга «Микени-
кел технолоджи инкорпорейшн» (МТИ) установили, что каж¬
дые 10 К прироста температуры холодильника дают 5 % поте¬
ри мощности. Из приведенных
данных по температурам, так же
как и из уравнения Карно, сле¬
дует, что двигатель Стирлинга
должен работать при максималь¬
но возможной температуре со
стороны подвода энергии и ми¬
нимально возможной темпера¬
туре со стороны отвода энергии.
Последняя в значительной степе¬
ни определяется температурой
окружающей среды, а в случае
установки на автомобиле — и эф¬
фективностью радиатора. Тем¬
пература источника тепловой энергии лимитируется характе¬
ристиками материала нагревателя при высоких температурах,
наиболее известной из которых является точка плавления.
'Однако, если температура материала ниже точки плавления,
допустимый уровень температур должен определяться с учетом
и других свойств материала. Наиболее существенными факто¬
рами, которые необходимо учитывать при выборе материала
■нагревателя, являются:
1) напряжения при высоких температурах;
2) растворимость рабочего тела в материале;
3) стоимость материала;
4) доступность;
5) технологичность.
"Второе из перечисленных свойств особенно важно, когда в ка¬
честве рабочего тела используются газы с малой молекулярной
массой, такие, как водород и гелий.
Требования, предъявляемые к современным двигателям
■Стирлинга, включают работоспособность в условиях высоких
температур. К этому добавляются и нагрузки, вызываемые вы¬
соким давлением, что усугубляет серьезные трудности, связан¬
ные с выбором подходящих материалов. Суммарные постоян-
'Рис. 1.76. Влияние температуры в
холодильнике на КПД двигателя
[34].
По оси абсшсс отложена температура
>0 нагревателе.

Общее описание двигателей Стирлинга ЭР
ные напряжения, возникающие в нагретых деталях двигателя,
вызывают ползучесть материала и в конечном счете разруше¬
ние. Далее, поскольку напряжения эти по своей природе цик-
личны, может произойти также усталостное разрушение. Сум¬
марные напряжения в нагревательной головке двигателя Р-40
фирмы «Юнайтед Стирлинг» при полной мощности имеют зна¬
чения примерно 50 МПа и могут достигать 65 МПа в процес¬
се холодного пуска и последующего прогрева [35]. Такие уров¬
ни напряжений сужают выбор материалов до минимума, вклю¬
чающего жаростойкую сталь и высоколегированные сплавы на
основе кобальта или никеля (табл. 1.1).
Таблица 1.1. Свойства материалов при высоких температурах
Сплав
Предел ползучести после 10 ООО ч работы, МПа.
700° С
760° С
870° с
Нержавеющая сталь марки 304
46,2
30.4
15,2
Нержавеющая сталь марки 321
57,3
37,3
17,3
Малтимет (N-155)
165,6
113,9
82,8
Инконель 617
207
120,8
65,6
19-9DL
96,6
62,1
34,5
А-286
103,5
62,1
24,2
Хейнес стеллит 31
193,2
138
96,6
Из таблицы следует, что с повышением температуры веро¬
ятность поломки увеличивается. С ростом температуры источ¬
ника тепла также повышается интенсивность просачивания во¬
дорода сквозь стенки трубок нагревателя, и при очень высоких
температурах все рабочее тело улетучилось бы через несколь¬
ко сот часов работы, если бы не было системы «подкачки» ра¬
бочего тела. Типичные кривые потерь водорода приведены на
рис. 1.77 [36].
При таком высоком уровне температур окисление и корро¬
зия также создают серьезные проблемы. Кроме того, при дли¬
тельном использовании в качестве рабочего тела водорода ма¬
териал конструкции становится хрупким. В настоящее время
эти проблемы еще не решены полностью, однако частичным ре¬
шением может стать защита трубок нагревателя путем нанесе¬
ния покрытий на кремниевой основе. К сожалению, на практи¬
ке нанесение таких покрытий — пока скорее искусство, чем
научно разработанная технология. Использование в источнике
энергии высоких температур связано также со многими други¬
ми проблемами стойкости материалов, к важнейшим из ко¬
торых относятся изготовление головки и работа предвари¬
тельного подогревателя воздуха. Поскольку для изготовления!

92 Глава 1
нагревательной головки применяются высоколегированные спла¬
вы, для монтажа трубок и их надежной фиксации в головке ис¬
пользуют дорогостоящие припои и трудоемкую технологию пай¬
ки [37]. Что касается предварительного подогревателя, то,
если топливо для горелки имеет высокое содержание серы
(более 1 %), могут возникнуть трудности, связанные с конден¬
сацией двуокиси серы, поскольку она вызывает значительную
Рис. 1.77. Кривые, характеризующие диффузию водорода сквозь различные
материалы [36].
1 — инколой 830; 2 — малтимет (N-155); 3 — А 285; 4 — 316S.
коррозию материала предварительного подогревателя воздуха
(рис. 1.43). Эта коррозия не связана непосредственно с воз¬
действием высоких температур, однако косвенной причиной ее
является необходимость поддержания высоких температур в
трубках нагревателя. При рабочей температуре в трубках
выше 700 °С температура горения должна быть около 2000 °С.
Это означает, что газы на выходе из нагревателя содержат
большое количество энергии, которую необходимо вновь ис¬
пользовать в предварительном подогревателе. В эффективно
работающем подогревателе температура газов на выходе из
него может быть весьма близкой к температуре конденсации
двуокиси серы. Высокая температура, преобладающая в горя¬
чей полости двигателя, воздействует и на горячий поршень
(вытеснитель), и по многим соображениям, изложенным ниже,

Общее описание двигателей Стирлинга 93
вынуждает предусматривать в вытеснителе вытянутую куполо¬
образную головку, известную как головка типа «Хейландт»
(рис. 1.78).
Если требования к прочности и к сопротивлению газопрони¬
цаемости удовлетворяются, то материалы следует выбирать с
учетом факторов 3—5 из приведенного выше перечня. Как уже
выяснилось, материалы для изготовления горячих деталей
весьма дороги, сравнительно труднодоступны и порождают тех¬
нологические проблемы. По этой причине
в Льюисском исследовательском центре
НАСА проводится интенсивный поиск
альтернативных материалов в рамках
выполняемой в США программы по соз¬
данию автомобильных двигателей Стир¬
линга.
1.6.3.	Влияние объемных характеристик
На работу любого двигателя оказы¬
вает влияние суммарный объем рабочих
полостей. Из фундаментальной термоди¬
намической зависимости
W = §pdV	(1.8)
непосредственно следует, что при неиз¬
менных среднем давлении цикла и тем¬
пературе рост величины циклического из¬
менения объема dV приводит к росту мощности, вырабатывае¬
мой при данной скорости двигателя. Однако, хотя абсолютная
мощность может возрасти, увеличения мощности, приходящейся
на единицу массы и единицу объема (т. е. удельной мощности),
может и не быть. Циклическое изменение объема в двигателе
Стирлинга происходит благодаря изменению объема полостей
расширения и сжатия. Это изменение можно увеличить чере¬
дованием объемов, вытесняемых в горячей и холодной по¬
лостях, однако это не обязательно приведет к возрастанию
мощности; на самом деле мощность может даже уменьшиться.
Следовательно, в двигателе Стирлинга имеются какие-то опти¬
мальные соотношения между вытесняемыми объемами в поло¬
стях сжатия и расширения, и анализ изменения объема надо
выполнять с большой тщательностью. Однако в большинстве
двигателей Стирлинга объем сжатия и объем расширения — это
один и тот же объем. Поэтому обычно делают вывод, что уве¬
личение вытесняемых объемов действительно приводит к уве¬
личению развиваемой мощности, однако для построения досто¬
верной зависимости между мощностью и рабочим объемом
Рис. 1.78. Головка порш¬
ня типа «Хейландт».
1—головка типа «Хейландт»;
2—теплозащитный	экраи;
3—шток поршня.

94 Глава 1
пока еще недостаточно данных. Теоретическая зависимость
должна быть прямо пропорциональной, но практика этого не
подтверждает.
Рабочий объем можно увеличить, удлинив ход поршня, или
увеличив диаметр цилиндра, или же обоими способами одно¬
временно. Первый способ влияет на длину двигателя, а следо¬
вательно, на его общую высоту и компактность (занимаемый
объем), в то время как во втором способе увеличиваются не
только размеры двигателя, но и, что более важно, площадь
уплотнения поршня, а это уже является недостатком, особен¬
но при использовании газов с малой молекулярной массой при
я
<=t
При увеличении
мертвого
объема
Срейнее
йавление
Время
Увеличение мертвого
объема,%
Рис. 1.79. Влияние мертвого объема
на давление цикла [7].
Рис. 1.80. Влияние мертвого объема;
иа мощность, развиваемую двигате¬
лем [38].
высоком давлении. Изменения хода поршня и диаметра ци¬
линдра по-разному влияют на термодинамические и аэродина¬
мические потери. В основном ход поршня стараются сделать
как можно меньше, так, чтобы отношение диаметра цилиндра
к ходу поршня было равно примерно 2. Требования, предъяв¬
ляемые к длине хода поршня и диаметру цилиндра, влияют на
выбор механизма привода в случае, когда компактность сило¬
вой установки является одним из определяющих факторов.
Если конструкция и конструктивные параметры двигателя
Стирлинга оказывают влияние на уровни давления и темпера¬
туры, а также на циклические изменения характеристик энер¬
госиловой установки, то они влияют и на выходную мощность,
и на КПД двигателя. В каждом двигателе Стирлинга имеются
полости, из которых рабочее тело не вытесняется при движении
поршня, в особенности в современных двигателях с трубчаты¬
ми теплообменниками и решетчатыми регенераторами. Эти не-
вытесняемые объемы образуют, как уже было сказано выше,
«мертвый объем двигателя Стирлинга». Этот термин представ¬
ляется весьма удачным, поскольку мертвый объем в букваль¬
ном смысле является таковым. При данном значении массы ра¬
бочего тела, заключенного в двигателе, возрастание мертвого*

Общее описание двигателей Стирлинга 95
-объема означает уменьшение уровня давлений, достигаемых в
рабочем цикле, что отрицательно влияет на рабочие характери¬
стики двигателя. Увеличением мертвого объема можно пони¬
зить степень сжатия, что повлияет на перепады давлений в ра¬
бочем цикле (рис. 1.79).
Поскольку циклические изменения объема и давления
влияют на выходную мощность и КПД двигателя Стирлинга,
то возрастание мертвого объема должно также оказывать
влияние на эти параметры. Объединение MAN — MWM прове¬
ло экспериментальную работу на своем двигателе мощностью
7,5 кВт, чтобы определить такое влияние. Для этого первона¬
чальный мертвый объем экспериментального двигателя целена¬
правленно увеличивался и оп¬
ределялось относительное из¬
менение мощности по сравне¬
нию с первоначальной [38].
При увеличении мертвого объ¬
ема наблюдалось плавное па¬
дение выходной мощности и
КПД (рис. 1.80 и 1.81).
Такое падение мощности с
увеличением мертвого объема
•открывает простой путь регу¬
лирования мощности [39].
Результаты, представленные объединением MAN — MWM,
характеризуют относительное влияние мертвого объема. Возни¬
кает вопрос: имеется ли оптимальная величина мертвого объ¬
ема? Простой термодинамический анализ цикла Стирлинга по¬
казывает, что такой оптимальный объем должен быть равен
нулю. В современных двигателях Стирлинга, как уже говори¬
лось, мертвый объем неизбежен. Казалось бы, объем теплооб¬
менника (нагреватель — регенератор — холодильник) необходи¬
мо свести к минимуму. Однако имеются взаимоисключающие
требования, влияющие на практическую величину мертвого
объема. С чисто конструкторской точки зрения количество ма¬
териала теплообменника определяется необходимостью проти¬
востоять возникающим напряжениям, особенно в нагревателе.
Необходимо также обеспечить достаточную площадь теплопе¬
редачи нагревателя и холодильника (как наружную, так и вну¬
треннюю) для подвода и отвода соответствующего количества
тепловой энергии в процессе работы двигателя. Следовательно,
‘если при данной длине теплообменника необходимо увеличить
площадь теплопередачи, единственное, что можно сделать, это
увеличить внутренний или внешний диаметр трубок или оба
диаметра. При этом мертвый объем будет увеличиваться про¬
порционально квадрату внутреннего диаметра. В реальных
Ывеличение мертвого
объема, %
Рис. 1.81. Влияние мертвого объема
па КПД [38].

96 Глава 1
установках можно лишь в незначительной степени уменьшить
мертвый объем, поскольку его величина в значительной степе¬
ни определяется факторами, не относящимися к термодинами¬
ке. В современных, достаточно совершенных двигателях мерт¬
вый объем занимает 40—50 % полного объема двигателя.
Наши знания о влиянии мертвого объема на характеристи¬
ки двигателя ни в коей мере нельзя считать удовлетворитель¬
ными, и требуются дополнительные исследования по этому во¬
просу, как теоретические, так и экспериментальные. Например,
при выполнении анализа адиабатного цилиндра методом, из¬
вестным как полуадиабатный метод, поскольку в нем принято
считать теплообменники внутренне изотермическими, авторы
установили, что индикаторный КПД конкретного двигателя
можно увеличить, увеличивая мертвый объем в этом двигате¬
ле, если дополнительный объем разместить в холодной зоне.
Этот не предполагавшийся заранее результат тем не менее
легко объясним. При наличии дополнительной холодной поло¬
сти большее количество рабочего тела будет подвергаться дей¬
ствию пониженных температур цикла, и как прямое следствие
основных термодинамических зависимостей, выраженных урав¬
нением (1.2), КПД увеличится. Однако если дополнительный
объем располагается в горячей зоне, то, поскольку двигатель
Стирлинга работает при постоянной температуре нагревателя,
не будет условий для повышения КПД; дополнительный объем
будет влиять в сторону понижения температуры в горячей зоне
и, следовательно, КПД. Влияние увеличения мертвого объема
на выходную мощность будет в обоих случаях одинаковым:
безотносительно к месту расположения дополнительного объ¬
ема мощность будет уменьшаться.
Другие исследователи также обратили внимание на этот
эффект, связанный с увеличением мертвого объема, но до кон¬
ца 70-х годов не было экспериментальных данных, подтвержда¬
ющих теоретические предположения. Однако некоторые из
основных изготовителей двигателей Стирлинга соглашались,
что эффект, близкий к предполагаемому, наблюдается в испы¬
таниях по управлению двигателем посредством изменения
мертвого объема. В 1980 г. фирма «Форд» опубликовала неко¬
торые результаты, относящиеся к влиянию мертвого объема
[40], которые приведены на рис. 1.82.
Как видно из приведенных зависимостей, результаты полу-
адиабатного анализа подтверждаются, однако еще раз следует
подчеркнуть, что к обобщению полученных результатов надо
подходить с осторожностью. Работа, выполненная фирмой
«Форд», была направлена на выяснение возможностей управле¬
ния двигателем с помощью мертвого обьема. Анализ результа¬
тов этой работы будет дан в разд. 1.7.

Общее описание двигателей Стирлинга 97
Мертвый объем / Рабочий объем
Рис. 1.82. Влияние мертвого объема на рабочие характеристики двигателя
[40].
Мы рассмотрели влияние фундаментальных термодинамиче¬
ских параметров на рабочие характеристики двигателей Стир¬
линга. Однако имеются параметры, определяющие режимы ра¬
боты двигателя и связанные непосредственно с конструктивны¬
ми особенностями двигателя, которые также влияют на рабо¬
чие характеристики. Наибольшее влияние оказывают скорость
двигателя и фазовый угол, характеризующий взаимосвязь
между изменяемыми объемами горячей и холодной полостей
(фазовый угол объемов). Оба этих параметра, как правило,
или устанавливаются заранее, или определяются конкретными
условиями применения двигателя. Влияние каждого из них бу¬
дет рассматриваться отдельно.
1.6.4.	Влияние скорости
Теоретически мощность на выходе двигателя Стирлинга,
как и других тепловых двигателей, прямо пропорциональна
скорости вращения выходного вала, в то время как КПД
цикла полностью не зависит от скорости. Однако, как и при
7 Зак. 8.39

98 Глава 1
более
анализе многих других влияний, здесь также имеют расхожде¬
ния между теорией и практикой. Основной причиной такого
расхождения в данном случае являются потери на аэродинами¬
ческое сопротивление рабочего тела. Эти потери пропорцио¬
нальны произведению плотности рабочего тела на квадрат ско¬
рости потока рабочего тела. Следовательно, с увеличением ско¬
рости поршня аэродинамическое сопротивление становится все
доминирующим фактором, хотя следует отметить, что
воздействие этого фактора имеет
и некоторые положительные сто¬
роны, поскольку сопротивление
нагревателя повышает темпера-
туру рабочего тела и уменьшает
количество тепловой энергии, не¬
обходимой для подвода в дви¬
гатель. Однако сопротивление
холодильника повышает нагруз¬
ку на охлаждающие элементы,
а сопротивление в регенераторе
вызывает неоднозначные явле¬
ния. Когда рабочее тело про¬
ходит через регенератор по на¬
правлению к полости сжатия,
трение газового потока умень¬
шает эффект регенерации, а ког¬
да поток меняет направление и
движется через регенератор в направлении к нагревателю, эф¬
фект регенерации усиливается. При конструировании двигателя
все эти различные эффекты необходимо тщательно сбалансиро¬
вать, поскольку суммарное воздействие аэродинамического со¬
противления на мощность двигателя отрицательно.
Увеличение скорости существенно влияет на механизмы
двигателя из-за возрастания сил инерции, неуравновешенности
двигателя и т. п. По достижении определенных скоростей ма¬
ховик двигателя может разрушиться, а неуравновешенные
силы могут вызвать недопустимо высокие уровни вибрации.
Все эти явления наблюдаются и в других поршневых двигате¬
лях и не составляют отличительных особенностей двигателя
Стирлинга, хотя о них, пожалуй, слишком часто забывают при
обсуждении вопросов, связанных с двигателями Стирлинга.
Однако имеется эффект воздействия скорости, специфичный
для двигателя Стирлинга и связанный с возрастанием скоро¬
стей частиц рабочего тела. Скорость двигателя может достичь
такого уровня, что рабочее тело не будет успевать полностью
перемещаться из горячей полости в холодную и обратно. Мало
что известно об этом эффекте, за исключением того, что приня-
спороешь
Рис. 1.83. Общий характер зависи¬
мостей мощности от скорости вы¬
ходного вала двигателя.
1 — идеальная зависимость; 2 — дейст¬
вительная зависимость.

Общее описание двигателей Стирлинга 99
Рис. 1.84. Зависимости мощности двигателя от скорости выходного вала [17].
а—для двигателя с высокой степенью совершенства; б—для модели двигателя (темпера¬
тура нагревателя 300° С). 	 при постоянном среднем давлении цикла;	при
постоянном эффективном КПД.
тые в настоящее время принципы конструирования теплообмен¬
ников могут оказаться не подходящими для двигателей, рабо¬
тающих на высоких скоростях. Читателей мы отсылаем к пре¬
красной статье [41], являющейся единственной известной нам
работой, посвященной влиянию высоких рабочих скоростей на
газодинамику рабочего тела.
Общий характер кривых зависимостей мощности от скоро¬
сти выходного вала показан на рис. 1.83.
Этот характер зависимостей прослеживается как для дви¬
гателей с высокой степенью совершенства, так и для сравни¬
тельно небольших моделей двигателя (рис. 1.84).
Влияние скорости на КПД двигателя рассматривалось нами
ранее.
1.6.5.	Влияние фазового угла
Чтобы получить на валу двигателя Стирлинга полезную
мощность, необходимо обеспечить фазовый сдвиг между изме¬
нениями объема в горячей полости (полости расширения) и в
холодной полости (полости сжатия). При этом изменения объ¬
ема расширения должны предшествовать изменениям объема
сжатия. Теоретически фазовый угол должен быть заключен

100 Глава 1
между 1 и 179° по углу поворота кривошипа. Обычно при¬
дают большое значение «магическому» значению фазового
угла 90°. Это часто приводит к недоразумениям, когда узнают,
например, что в двигателях фирмы «Филипс» с размещением
рабочего и вытеснительного поршня в одном цилиндре фазо¬
вый угол не равен 90°. Причина заключается в том, что тер¬
мин «фазовый угол» понимают неоднозначно. Значение угла
90° относится к фазовому сдвигу между изменяемыми объема¬
ми полостей. Это значение не обязательно будет соответство¬
вать фазовому углу между двумя взаимосвязанными поршня¬
ми, отсчитываемому по углу поворота кривошипа. Для двига¬
теля двухпоршневого типа (в котором поршни размещены в
разных цилиндрах) термины «фазовый угол объемов» и «фа¬
зовый угол кривошипа» —- синонимы, однако в двигателях с
другими кинематическими схемами этого совпадения может и
не быть. Далее, фазовый угол объемов, соответствующий мак¬
симальной мощности на выходе, не обязательно совпадает с
фазовым углом, соответствующим максимальному КПД. Угол
90° в действительности соответствует максимальной выходной
мощности двигателя. Следовательно, когда от двигателя требу¬
ется максимальная удельная мощность, а не максимальный
КПД, то следует стремиться к этому значению фазового угла.
Более подробно этот вопрос рассматривается в гл. 3, посвящен¬
ной конструкции двигателя.
Влияние изменения фазового угла объемов на рабочие ха¬
рактеристики двигателя Стирлинга часто преувеличивают, так
как в диапазоне 80—100° мощность на выходе двигателя от¬
носительно нечувствительна к фазовому углу объемов для
большинства двигателей. Теоретически изменение выходной
мощности в зависимости от фазового угла объемов должно но¬
сить гармонический характер (рис. 1.85) [7].
Насколько четко эта тенденция проявляется в реальных
установках, трудно судить из-за недостатка опубликованных
данных. Испытания, проведенные на испытательных установ¬
ках, где проверялись основные принципы работы двигателя,
показали, что выходная мощность двигателя быстро уменьша¬
ется при фазовом угле, меньшем 60° и большем 120°. Ван-
Экелен (фирма «Филипс») представил некоторые результаты
при выяснении возможности регулирования мощности двигате¬
ля путем изменения фазового угла [42], однако из его статьи
неясно, как определялся фазовый угол. Тем не менее влияние
фазового угла очевидно (рис. 1.86).
Чтобы обеспечить максимальный КПД, необходим, по-види¬
мому, фазовый угол, превышающий 90° [43]. До настоящего
времени не было данных о влиянии фазового сдвига на харак¬
теристики свободнопоршневых двигателей Стирлинга, однако

Общее описание двигателей Стирлинга 101
эти данные могут оказаться в работе [33], еще не вышедшей
в свет ко времени написания данной книги. Этот вопрос, а
также вопросы, относящиеся к «Флюидайну», более подробно
будут рассмотрены в конце настоящей главы. Независимо от
формы двигателя влияние фазового сдвига на работу двигате¬
ля двойного действия будет невелико, поскольку значение фа¬
зового угла в таком двигателе определяется его конфигура¬
цией и числом цилиндров.
С точки зрения механики
может существенно затруднить
Фазовый угол объемов, гра5
Рис. 1.85. Изменение мощности в за¬
висимости от фазового угла объемов
[7].
фазовый угол кривошипа 90°
уравновешивание двигателя, о
Скорость,об/мин
Рис. 1.86. Влияние фазового угла [42].
чем подробнее говорится в гл. 2. Здесь же достаточно привлечь
внимание к тому обстоятельству, что выбор угла сдвига фаз
по кривошипу зависит от зачастую противоречащих одно дру¬
гому требований обеспечения уравновешенности двигателя и
оптимальных значений мощности и КПД. Среди лиц, имеющих
отношение к двигателям Стирлинга, распространено мнение,
что угол фазового сдвига объемов следует назначать равным
90°, несмотря на связанные с этим нежелательные эффекты,
так как этот угол обеспечивает по крайней мере приемлемые
уровни мощности. Однако пока не существует реальных обосно¬
ваний для предпочтения именно этого угла, и определенно не¬
обходимыми представляются дальнейшие исследования в этой
области.
1.6.6.	Общие тенденции и обобщенные характеристики
Выше были рассмотрены в отдельности влияния, которые
оказывают различные конструкционные и рабочие параметры
на рабочие характеристики двигателя Стирлинга. На практике
некоторые или даже все эти параметры могут изменяться при
работе двигателя, однако влияние изменяющихся параметров

102 Глава 1
будет совместное. При этом рабочее тело не может быть заме¬
нено в процессе работы без тщательных подготовительных ра¬
бот и контрольной аппаратуры. Поэтому, хотя в нашем распо¬
ряжении имеются рабочие диаграммы двигателей, которые на
одном графике отображают, по существу, влияние всех пара¬
метров двигателя на рабочие характеристики, надо иметь в
виду, что эти диаграммы составлены для конкретного рабочего
тела. Следовательно, пока нет полных рабочих диаграмм дви¬
гателя, фиксирующих его характеристики при использовании
различных рабочих тел, влияние на эти характеристики раз¬
личных рабочих тел будет предметом дискуссий.
За исключением «мокрого» «Флюидайна», в двигателях
Стирлинга используются однокомпонентные рабочие тела, если
воздух считать «чистым» газом. Эти рабочие тела не только
однокомпонентны, но и однофазны. Нет никаких причин, пре¬
пятствующих использованию многокомпонентных многофазных
рабочих тел, тем более что такие тела могут дать некоторые
термодинамические преимущества, поскольку могут восприни¬
мать более высокие степени сжатия. Тем не менее в настоящее
время используются исключительно газообразные рабочие
тела, причем практически без исключений только воздух
(азот), гелий и водород. Как уже было показано выше, влия¬
ние рассмотренных нами параметров не зависит от того, какой
из трех газов использовался в качестве рабочего тела. Однако,
хотя тенденции и совпадают, конкретные цифры различны.
Большая часть имеющейся литературы, если обратиться к пуб¬
ликациям достаточно общего характера, создает впечатление,
что водород является наиболее подходящим рабочим телом, и
в процессе первоначального изучения нами основных принци¬
пов и конструктивных особенностей двигателей Стирлинга это
впечатление усилилось. Однако если водород обладает столь
очевидными преимуществами, то почему все еще используют и
остальные два газа, особенно гелий, хотя он и более дорогой?
Мы уже рассмотрели некоторые проблемы, связанные с исполь¬
зованием водорода, например необходимость компенсировать
просачивание водорода через материалы, с которыми он кон¬
тактирует, и повышение хрупкости этих материалов, но если
водород имеет такие неоспоримые преимущества, то с этими
проблемами надо смириться. В первых аналитических работах
(например, [44]) высказываются предположения, что водород
является лучшим рабочим телом с точки зрения обеспечения
высоких рабочих характеристик только в некоторых режимах
работы, в других режимах наиболее подходящими могут ока¬
заться другие два обычно используемых газа. Однако необхо¬
димо помнить, что большая часть усилий по совершенствова¬
нию двигателей Стирлинга предпринимается с целью установ¬

Общее описание двигателей Стирлинга 103
ки этих двигателей на автомобиль, а для этого необходимы
высокооборотные двигатели, скорость вращения выходного
вала которых достигает 5000 об/мин. Для таких двигателей наи¬
более подходящим рабочим телом является водород.
Выбор рабочего тела для обеспечения необходимых рабо¬
чих характеристик двигателя в значительной степени зависит
от предполагаемой скорости двигателя. Обоснование этого
Рис. 1.87. Влияние рабочего тела на характеристики двигателя Стирлинга [45].
утверждения будет дано позже. При выборе рабочего тела с
учетом практического использования двигателя необходимо
принимать во внимание и другие факторы, такие, как стои¬
мость. доступность, безопасность и т. п. Влияние рабочего тела
на характеристики двигателя Стирлинга показано на рис. 1.87
и 1.88. Эти данные были получены исследовательской лабора¬
торией фирмы «Дженерал моторе» и фирмой «Юнайтед Стир¬
линг».
На основании результатов аналитического исследования
идеализированной модели [44] было выдвинуто предположе¬
ние, что величина максимально возможного индикаторного
КПД не зависит от рабочего тела. Более тщательное и досто¬
верное моделирование на ЭВМ [34] подтвердило это предпо¬
ложение. Иными словами, пиковое значение КПД будет одина¬
ковым для любого рабочего тела при условии, что конструкция

104 Глава 1
двигателя для выбранного рабочего тела оптимальна. Од¬
нако характеристики КПД для каждого рабочего тела будут
иметь свои индивидуальные особенности. То же можно сказать
и о выходной мощности. Например, мощность, развиваемая при
использовании воздуха или азота в качестве рабочего тела, бу¬
дет на 15—20 % ниже, чем мощность, развиваемая при исполь¬
зовании более легких газов. Эта зависимость имеет существен¬
ное значение для определения перспектив использования дви¬
гателя Стирлинга в будущем, о чем более подробно говорится
в разд. 1.10. Во всяком случае, совершенно ясно, что выбор
рабочего тела не такая простая задача, как это иногда утвер¬
ждают. При анализе сравнительных достоинств конкретного
рабочего тела необходимо проявлять большую осторожность.
Ведь только предполагается, что если двигатель оптимизиро¬
ван для использования в качестве рабочего тела водорода, то
именно водород будет во всех случаях превосходить в этом ка¬
честве воздух или гелий. Однако несомненно, что более легкие
газы будут в целом обладать преимуществами в отношении
термодинамических, тепловых и газодинамических свойств и
что при заданных значениях температур при подводе и отводе
тепла водород обеспечивает более высокие значения удельной
мощности. Необходимо тем не менее продолжить исследования
других рабочих тел.
Как уже отмечалось ранее, двигатели Стирлинга, как пра¬
вило, работают на заранее выбранном рабочем теле при по¬
стоянной температуре в трубках нагревателя. В процессе ра¬
боты нагрузка и скорость могут изменяться, среднее давление
цикла может оставаться на заданном уровне или также изме¬
няться. Поэтому на рабочих диаграммах двигателей Стирлинга
обычно представлены зависимости нагрузки (крутящего момен¬
та) от скорости и давления при постоянных значениях мощно¬
сти и КПД, как показано на рис. 1.89 для двигателя 4-215=
совместного производства фирм «Форд» и «Филипс».
Рис. 1.88. Влияние рабочего тела на
характеристики двигателя Стирлинга
[29].
Скорость, об/мин

Общее описание двигателей Стирлинга 105
Скорость, об/мин
Рис. 1.89. Рабочая диаграмма двигателя 4-125 совместного производства
фирм «Форд» и «Филипс» [40].
	среднее давление; 	общий	КПД.
Скорость Овигателя, об/мик
Рис. 1.90. Рабочая диаграмма двигателя Р-40 фирмы «Юиайтед Стирлинг».

106 Глава 1
Подобную диаграмму имеет также и другой двигатель про¬
грессивной конструкции — Р-40 фирмы «Юнайтед Стирлинг»
(рис. 1.90).
Отсутствие периодических взрывов и клапанного механизма
обусловливает более низкий уровень шума двигателя Стирлин¬
га по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгора¬
ния. Это существенное свойство совершенно справедливо отме¬
чается во многих публикациях, однако, подобно многим другим
характеристикам двигателя Стирлинга, и в этом случае обычно
приводят общие цифры по уровню шума без сколько-нибудь де¬
тального анализа. Даже при таком сравнении двигатели Стир¬
линга на практике имеют меньший уровень шума, чем другие
сопоставимые двигатели, которые сами по себе достаточно ти¬
хие. Результаты измерений характеристик шума и вибрации
двигателей Стирлинга были получены главным образом в тече¬
ние двух промежутков времени: до середины 70-х годов и в
конце 70-х годов. В период с 1966 по 1978 г. было выполнено
сравнительно мало экспериментальных работ в этой области,
и это, возможно, объясняет, почему двигатели Стирлинга счи¬
тают «тихими», не подкрепляя это утверждение достаточным
объемом информации.
Прежде чем делать выводы на основании опубликованных
результатов, подчеркнем, что при анализе этих результатов не¬
обходимо различать вибрации, вызываемые аэро- и газодина¬
мическими причинами, и вибрации, возникающие в конструк¬
тивных элементах двигателя. Кроме того, для анализа недоста¬
точно знать общий уровень шума, не менее важно иметь весь
его частотный спектр.
Более ранние по времени испытания на определение уров¬
ня шума, выполненные фирмой «Дженерал моторе», имели до¬
статочно детальный характер, поскольку предполагалось ис¬
пользование двигателей в сухопутных войсках и на флоте
США [45]. Эти испытания были сосредоточены на элементах
самого двигателя. Сравнительно недавно в США были выпол¬
нены экспериментальные исследования как часть программы
исследования возможности использования двигателей Стирлин¬
га на автомобилях, и в них основное внимание уделялось уров¬
ням наружного и внутреннего шума автомобилей с установ¬
ленными на них двигателями Стирлинга. Все это дает возмож¬
ность составить достаточно полное представление об общих
шумовых характеристиках двигателей Стирлинга.
В обстановке возрастающего внимания к охране окружаю¬
щей среды двигатель с низким уровнем шума, очевидно, дол¬
жен привлечь внимание. Как аэродинамический, так и механи¬
ческий шум можно понизить с помощью шумоизоляции и спе¬
циального крепления двигателя, поглощающего вибрации.

Общее описание двигателей Стирлинга 107
110
90
70
100
1000
Частота,Гц
10000
Рис. 1.91. Сравнение уровней аэродинамического шума двигателя Стирлинга
и дизеля [97].
1 — дизель: 2 — двигатель Стирлиига.
Однако такие устройства повышают стоимость и увеличи¬
вают массу силового агрегата в целом, что нежелательно при
его установке на автомобиль. Дополнительные элементы кон¬
струкции затрудняют также обслуживание двигателя и кон¬
троль его работы в процессе эксплуатации, в особенности это
относится к мощным силовым установкам. Несмотря на это,
уровень шума двигателя необходимо снижать для улучшения
условий работы в помещениях, где находятся двигатели. Еще в
1964 г. Ассоциацией инженеров Швеции было установлено, что
из 182 лиц, занимающих командные инженерные должности
на флоте и прошедших обследование на остроту слуха, 86 %
имели дефекты слуха. Следовательно, двигатели с низким
уровнем шума имеют перспективы не только с точки зрения
охраны окружающей среды.
До сих пор, рассматривая характеристики двигателей Стир¬
линга, мы не сравнивали их с другими двигателями. При ана¬
лизе шумовых характеристик без сравнения не обойтись, по¬
скольку оценку уровня шума можно получить только сравни¬
тельным методом. На рис. 1.91 представлены уровни звукового
давления, вызываемого аэродинамическим шумом, замеренные
на расстоянии 1 м от четырехцилиндрового двигателя Стир¬
линга мощностью 300 кВт с ромбическим приводом и дизеля
«Кертис — Райт». Из приведенных зависимостей видно, что
двигатель Стирлинга обладает значительно меньшим уровнем
шума: в широком диапазоне частот разница в уровнях шума

108 Глава 1
достигает 18 дБ. Аналогичные тенденции наблюдаются и для
шума, вызываемого элементами конструкции, характеристики
которого приведены на рис. 1.92.
Однако на этом графике наблюдается и исключение из об¬
щей тенденции — при частоте 1600 Гц дизель имеет более низ¬
кий уровень шума. Показанная на этом графике характеристи¬
ка шума двигателя Стирлинга снята с двигателя с ромбиче¬
ским приводом, который, как правило, имеет более низкий
уровень шума, чем двигатели Стирлинга с приводами обычного
типа. Помимо отсутствия клапанного механизма и взрывов в
рабочей полости, что характерно для всех двигателей Стирлин¬
га, ромбический привод обеспечивает снижение уровня шума
благодаря отсутствию ударов поршня о стенки цилиндров, так
как на поршень практически не действуют боковые силы. Од¬
нако в ромбическом приводе имеются шестерни, необходимые
для синхронизации движения поршней, которые, очевидно, яв¬
ляются источником шума. Далее в двигателях Стирлинга, ра¬
ботающих на жидком топливе, обычно применяются нагнетате¬
ли для подачи воздуха в камеру сгорания, которые также яв¬
ляются источниками шума. Это заставляет предположить, что
скорость двигателя может оказывать влияние на уровень шума,
и такое предположение подтверждается результатами испыта¬
ний двигателя мощностью 300 кВт (рис. 1.93).
Тем не менее двигатель Стирлинга с ромбическим приводом
GPU-3, уже упоминавшийся ранее, выдержал испытания на
определение уровня шума, проведенные в соответствии с тре-
Частоша, Гц
Рис. 1.92. Сравнение уровней механического шума двигателя Стирлинга и
дизеля [97].
1—дизель; 2—двигатель Стирлинга.

Общее описание двигателей Стирлинга 109
Частота ,Гц
Рис. 1.93. Влияние скорости на уровень шума [97].
бованиями, принятыми в армии США в 1966 г. Эти требования
заключаются, в частности, в том, чтобы источник шума не был
слышен на расстоянии 100 м в условиях отсутствия шума на
местности, где проводятся испытания. Результаты армейских
испытаний [45] представлены на рис. 1.94 в сравнении с шумо¬
вым фоном местности.
Недавно были опубликованы новые данные [46] по уров¬
ням звукового давления, создаваемого автомобильными двига¬
телями Стирлинга. Следует заметить, что эти результаты
относятся ко всему автомобилю, а не к одному двигателю. Объ¬
ектом испытаний был автомобиль фирмы «Опель» с установ¬
ленным на нем двигателем Р-40. Для сравнения был взят ав¬
томобиль «Опель рекорд 2100» выпуска 1977 г. с дизельным
Рис. 1.94. Испытания на определение уровня шума двигателя GPU-3 по про¬
грамме армии США [45].
I — уровень шума двигателя на расстоянии 100 м от него; 2 — окружающий шумовой фон.

110 Глава 1
Измерения на расстоянии 7 м от двигателя: а — при проезде мимо микрофона; б — на
холостом ходу; в—внутренний шум.
двигателем. Испытания проводились в соответствии с суще¬
ствующими стандартами. В процессе испытаний дизельный
двигатель мощностью 45 кВт заменялся двигателем Р-40 мощ¬
ностью 34 кВт. На рис. 1.95 показаны сравнительные уровни
внутреннего шума в автомобиле и внешнего на расстоянии 7 м
от него.
Для лучшего понимания результатов, приведенных на
рис. 1.95, заметим, что единицей измерения шума (уровня зву¬
кового давления) является децибел (дБ), определяемый по ло¬
гарифмической шкале:
Интенсивность (дБ)=10^/л,	(1.9)
где /4 — акустическая интенсивность шума, отнесенная к за¬
данному уровню. Это означает, что два двигателя, каждый из
которых имеет уровень шума 65 дБ, будут иметь суммарный
уровень шума 68 дБ, а не 65 + 65= 130 дБ. Отметим также,
что уровень шума в децибелах можно было бы определять как
201g/, где I — отношение измеренного акустического звукового
давления к заданному. В этом случае суммарный уровень
шума двух двигателей с уровнем шума по 65 дБ каждый был
бы равен 71 дБ. Из сказанного следует, что, например, при
проезде мимо установленных микрофонов шум автомобиля с
дизелем марки 2100 эквивалентен суммарному шуму 13 авто¬
мобилей с двигателями Стирлинга.
Значительную долю в шуме, генерируемом двигателями
Стирлинга, составляет, как мы уже отмечали, шум шестерен

Общее описание двигателей Стирлинга 111
Рис. 1.96. Влияние давления рабочего тела на уровень шума при скорости
2400 об/мин. (По данным МТИ.)
ромбического или U-образного кривошипного привода, а также
шум нагнетателя камеры сгорания, если в качестве источника
тепла используется жидкое природное топливо. Силовые уста¬
новки, использующие другие источники энергии и не имеюшие
в своей конструкции зубчатых зацеплений, могут иметь значи¬
тельно более низкий уровень шума. Если в силовых установках
используются шестерни, а для автомобильных двигателей это яв¬
ляется обычной практикой, то на уровень шума будет влиять и
среднее давление цикла, поскольку, чем выше нагрузка на ше¬
стерни и их подшипники, тем больше деформация деталей.
Влияние давления на шум от механизма привода показано на
рис. 1.96 и 1.97.
Испытания на определение шумовых характеристик, прове¬
денные на двигателе Стирлинга мощностью 300 кВт, соединен-
Частота,Гц (е диапазоне 1/3 октавы)
Рис. 1.97. Влияние давления рабочего тела на уровень шума при скорости
2400 об/мин. (По данным МТИ.)

112 Глава 1
Частота, ГЦ
Рис. 1.98. Влияние нагнетателя камеры сгорания на уровень шума двигателя
Стирлинга [97].
1—суммарный шум; 2— шум нагнетателя.
ном с генератором, показали явное влияние нагнетателя каме¬
ры сгорания на уровень шума (рис. 1.98).
На основании этих результатов, полученных на опытных
двигателях, для которых не предусматривалось специальных
изменений конструкции для снижения шума, можно сделать
уверенный вывод, что двигатель Стирлинга обладает низким
уровнем шума. Свободнопоршневой двигатель Стирлинга мо¬
жет иметь существенно более высокий уровень шума при рабо¬
те в режиме «банг-банг», в то же время двигатель «Флюи-
дайн» практически бесшумен. Несомненно, что при введении
специальных изменений в конструкцию двигателя Стирлинга
уровень шума можно снизить еще больше. Бесшумный двига¬
тель не только способствует охране окружающей среды, но и
создает более комфортные условия работы в машинном отделе¬
нии и тем самым способствует повышению производительности
труда присутствующего там персонала.
Не меньшее внимание, чем шуму, производимому двигате¬
лем, уделяется выбросам в атмосферу продуктов сгорания.
Двигатель Стирлинга может использовать различные виды
энергии; например, при использовании солнечной энергии не
будет никаких выбросов. Однако в обозримом будущем двига¬
тели Стирлинга будут использовать существующие природные
топлива (газообразные, жидкие и твердые) и, вероятнее всего,
менее очишенные и потому более дешевые продукты перегонки
сырого топлива. На первый взгляд может показаться, что та¬
кие выбросы в атмосферу, как окислы азота N0*, несгоревшие

Общее описание двигателей Стирлинга 113
углеводороды НС и окись углерода СО, у двигателей Стирлин¬
га должны иметь такие же концентрации, как и у обычных дви¬
гателей внутреннего сгорания. Однако это не так, поскольку
двигателю Стирлинга нужен непрерывный приток энергии и,
следовательно, непрерывный процесс сгорания. Это позволяет
более эффективно управлять процессом сгорания, что предо¬
ставляет больше возможностей для снижения концентрации
вредных веществ в продуктах сгорания, особенно если учесть,
что сгорание здесь протекает при атмосферном давлении, а не
при повышенных давлениях, как в двигателях с принудитель¬
ным воспламенением рабочей смеси и дизелях.
В выбросах основное беспокойство вызывают их составляю¬
щие, производящие загрязнение атмосферы. Это, как уже отме¬
чалось ранее,— углеводороды, окись углерода и окислы азота.
В литературе, опубликованной до начала 70-х годов, часто при¬
водились данные, показывающие значительное преимущество
двигателей Стирлинга в этой области по сравнению с обычны¬
ми двигателями с принудительным зажиганием, газовыми тур¬
бинами особенно двигателями Дизеля без наддува. С тех пор
была проведена большая работа по снижению токсичности вы¬
бросов, и сейчас уже недостаточно сравнивать только двигатели
в чистом виде: необходимо рассматривать энергосиловые уста¬
новки в целом. Для сравнения характеристик непрерывного про¬
цесса сгорания двигателя Стирлинга и прерывистого процесса
сгорания двигателей внутреннего сгорания мы использовали
фактические данные, полученные для двух различных областей
применения энергосиловых установок. Первая из них — это под¬
земные работы [47] (табл. 1.2).
Таблица 1.2. Загрязняющие выбросы в атмосферу при подземных
работах
Загрязняющие выбросы
Содержание, 10
4 %
Двигатель
Стирлинга
В-40
Дизель
с прямым
впрыском
Дизель с впрыском
в дополнительную
камеру
Окись углерода СО
1,0
5,8
4,0
Углеводороды НС
0,01
0,74
0,5
Окислы азота NOx
0,5
10,2
8,0
Вторая область — это автомобили. Эту область применения
иллюстрируют результаты, полученные при выполнении приня¬
той в США программы разработки двигателей для автомобилей,
в рамках которой проводились исследования как обычных дви¬
гателей, так и двигателей Стирлинга (табл. 1.3). Выбросы в
8 Зак. 839

114 Глава 1
Таблица 1.3. Загрязняющие выбросы в атмосферу автомобильных
двигателей, работающих на бензине
Содержание, г/км
двигатель
НС
СО
NO*
Двигатель Стирлинга
«Форд Торино 4-215» с косой шайбой
0,36
1,81
0,35
«МТИ Спирит Р-40»
0,075—0,014 1,88—1,47
0,37—0,25
Прототип двигателя «Форд 4-215»
0,063
0,19
0,11
(данные получены на стенде)
«Опель рекорд Р-40»
0,14
0,69
0,28
Двигатель с принудительным зажи¬
ганием (двигатель Отто)
«Сааб турбо»
0,14
1,56
0,46
«Хонда» со слоистым зарядом
0,19
1,69
0,75
Прототип двигателя Ванкеля фир¬
0.19
0,38
0,41
мы NSU с УСТ ')
«Катлесс» фирмы «Дженерал мо¬
0,39
2,36
0,99
торе» с УСТ
«Вольво-240» с непосредственным
0,12
1,68
*1,12
впрыском и УСТ
Дизельный двигатель
«Турбо Рэббит» фирмы «Фольксва¬
0,14
0,61
0,58
ген»
«Катлесс» фирмы «Дженерал мо¬
0,59
1,37
0,70
торе»
«Мерседес-Бенц-ЗООО»
0,06
0,62
0,93
Газовая турбина
«Крайслер Плимут»
1,55
5,34
0,27
«Уильямс Хорнет WR26»
0,17
4,23
1,80
*) УСТ — устройство для снижения токсичности отработавших газов.
этом случае измерялись в граммах на километр, что в большей
степени соответствует оценке автомобильных выбросов. В таб¬
лице собраны данные из работ [48—51]. Предельные значения
уровней выбросов, установленные стандартами США, приведе¬
ны в табл. 1.4 [52].
Находящийся в настоящее время в процессе доработки дви¬
гатель «МТИ Спирит» удовлетворяет требованиям как феде¬
рального стандарта США, так и стандарта шт. Калифорния. Ни
один другой двигатель не удовлетворяет обоим этим стандар¬
там одновременно. Двигатель с турбонаддувом «Сааб» фирмы
«Фольксваген» и роторный двигатель Ванкеля фирмы NSO по
уровню выбросов удовлетворяют требованиям федерального
стандарта США, вводимым в действие в 1985 г. С учетом объе¬
ма работ, затраченных на совершенствование, двигатель Стир-

Общее описание двигателей Стирлинга 115
Таблица 1.4. Предельные значения уровней выбросов загрязняющих
веществ для легковых автомобилей и легких грузовиков
Год
Требования федеральных
стандартов США, г/км
Требования стандартов
Калифорния, г/км
шт.
НС
со
NO*
НС
со
N0*
1973
1,99
24,24
1,86
1,99
24,24
1,86
1975
0,93
9,32
1,86
0,56
5,59
1,24
1980
0,25
9,32
1,24
0,25
5,59
0,62
1985
'0,25
2,11
0,62
0,25
5,59
0,25
линга при небольшой интенсивности таких работ превосходит
по своим показателям обычные двигатели, совершенствованию
которых были посвящены многочисленные развернутые про¬
граммы, осуществлявшиеся в течение многих лет. Сказанное от¬
носится прежде всего к преимуществам, обусловленным самой
природой непрерывного процесса сгорания. Тем не менее име¬
ется возможность уменьшить уровень загрязняющих выбросов
от обычных двигателей с помощью специальных устройств, та¬
ких, как каталитические конверторы и рециркуляторы отрабо¬
тавших газов. К сожалению, использование таких устройств
обычно приводит к увеличению расхода топлива, что создает
для двигателей внутреннего сгорания трудноразрешимое про¬
тиворечие.
В энергосиловых установках Стирлинга также имеются свои
проблемы, особенно связанные со снижением уровня выброса
окислов азота. Дело в том, что для обеспечения на стенках
трубок нагревателя постоянной температуры 700 800 °С тем¬
пература пламени в камере сгорания должна быть значительно
выше, чтобы компенсировать падение температуры в процессе
передачи тепла от пламени к стенкам трубок. Наличие предва¬
рительных подогревателей воздуха вызывает дополнительное
падение температуры. Все это приводит к тому, что для под¬
держания температуры в трубках нагревателя в указанных пре¬
делах температура пламени должна быть заключена в диапа¬
зоне 1800—2000°С. При таких температурах весьма интенсивно
образуются окислы азота. Для снижения уровня концентрации
этих окислов первоначально использовали метод рециркуля¬
ции отработавших газов (рис. 1.99), что уменьшало темпера¬
туру пламени. В настоящее время предпочитают другой ме¬
тод—рециркуляцию продуктов сгорания. Основное различие
между этими методами заключается в том, что в первом отра¬
ботавшие газы проходят через предварительный подогреватель
воздуха перед тем, как вновь попадают в камеру сгорания, а

116 Глава 1
во втором отработавшие газы непосредственно попадают в ка¬
меру сгорания (рис.1.100).
Общий характер влияния рециркуляции отработавших газов
на концентрацию окислов азота показан на рис. 1.101. Недо-
Рис. 1.99. Система рециркуляции отработавших газов.
I — нагнетатель; 2—предварительный подогреватель воздуха; 3 — камера сгорания;
4—трубки нагревателя.
статном этой системы является высокий уровень расхода через
предварительный подогреватель, что вызывает существенное па-
дение давления. Те же явления преобладают в нагнетателе ка¬
меры сгорания, и в конечном счете это приводит к уменьшению
5
Рис. 1.100. Система рециркуляции продуктов сгорания.
1—нагнетатель; 2—предварительный подогреватель воздуха; 3 — камера сгорания;
4 — трубки нагревателя; 5 — эжектор; 6—предварительный подогреватель воздуха.
мощности силовой установки. В системе рециркуляции продук¬
тов сгорания имеются эжекторы, с помощью которых часть от¬
работавших газов засасывается обратно в двигатель и смеши¬
вается с поступающим воздухом, прежде чем попасть в камеру
сгорания. В этой системе также имеются потери из-за падения
давления при прохождении потока через камеру сгорания, и

Общее описание двигателей Стирлинга 117
если это явление удается компенсировать с помощью эжекто¬
ров, действующих от проходящего через них подогретого возду¬
ха, то тогда не только достигается снижение уровня окислов
азота до приемлемого уровня, но также улучшаются и рабочие
характеристики двигателя по сравнению с тем, что дает систе¬
ма рециркуляции отработавших газов. Описанные методы сни¬
жения концентрации окислов азота не единственные, и в этой
области имеется достаточное по¬
ле деятельности для исследова¬
ний и усовершенствований. В ко¬
нечном же счете, какие бы мето¬
ды ни использовались, их цель
одна — снижение максимальной
температуры в камере сгора¬
ния.
Хотя инженеры-практики и
потребители промышленной про¬
дукции понимают значение кри¬
вых, характеризующих КПД
двигателя, их больше заботит
при покупке тепловых агрегатов
(будь то турбина или поршне¬
вой двигатель) удельный эффек¬
тивный расход топлива системы
в целом во всем диапазоне ра¬
бочих режимов. В общем слу¬
чае этот параметр обратно
пропорционален КПД системы. Следовательно, если газовая
турбина имеет сравнительно высокий удельный эффективный
расход при частичных нагрузках, целесообразно объединить-
в одной установке два или более небольших агрегатов, ко¬
торые при частичной нагрузке на систему давали бы тре¬
буемую мощность с приемлемым значением удельного рас¬
хода за счет работы части небольших агрегатов при полной на¬
грузке, вместо того чтобы использовать мощный агрегат при
частичной нагрузке. Любой двигатель с удельным эффективным
расходом топлива, мало зависящим от величины нагрузки на
двигатель, будет весьма перспективным для практического при¬
менения, при условии что сам удельный расход невелик.
Удельный эффективный расход топлива двигателя Стирлин¬
га можно оценить только в сравнении с другими двигателями
при условии, что используется жидкое природное топливо. Мы
проведем такое сравнение в соответствующем разделе, а здесь
отметим лишь общие тенденции. Поскольку, как уже отмеча¬
лось, удельный эффективный расход обратно пропорционален
КПД системы, то для двигателя Стирлинга этот параметр будет
рог, %
Рис. 1.101. Влияние рециркуляции'
отработавших газов на содержа¬
ние окислов азота при полной на¬
грузке и избытке окислителя 60 %.
(С разрешения фирмы «Филипс».)
РОГ — процентная доля отработавших
газов, участвующая в рециркуляции.

118 Глава 1
мало зависеть от скорости двигателя, и это действительно на¬
блюдается на современных двигателях [53] (рис. 1.102).
Работа при частичных нагрузках не является проблемой для
двигателя Стирлинга. Проблемой остается общий уровень аб¬
солютных значений удельного эффективного расхода для кон¬
кретного двигателя. Хотя желательно было бы располагать
большим количеством данных, числовой пример также может
служить хорошей иллюстрацией. В этой связи мы приведем
опубликованные данные по двигателю Р-40, у которого при
среднем давлении цикла 15 МПа удельный эффективный расход
0,50 р
0,48
S .
Е to
х а
Й S
■е к
В с:
| 7
Е
ш 0,24
X О *
|| 0,12
-гэ *-
0.36-
0	0,5
Мощиость/Максималъная мощность
1,0
Рис. 1.102. Удельный эффективный расход топлива, типичный для двигателя
Стирлинга [53].
топлива составил 0,225—0,275 кг/(кВт-ч) при скорости вра¬
щения вала 850—2800 об/мин.
О характеристиках крутящего момента уже вкратце говори¬
лось ранее, и здесь мы только отметим общие тенденции. Ре¬
альные циклические изменения крутящего момента и их разли¬
чия для двигателей простого и двойного действия будут рас¬
смотрены ниже. Типичная зависимость крутящего момента от
скорости выходного вала для двигателей Стирлинга с механи¬
ческим приводом показана на рис. 1.103. Для сравнения на том
же графике показаны зависимости крутящего момента от ско¬
рости вала для других тепловых двигателей.
Эти результаты подтверждают сказанное ранее в этой гла¬
ве о двигателях Стирлинга. Высокие значения крутящего мо¬
мента при малых оборотах у этого двигателя дают возможность
или достичь более интенсивного ускорения транспортного сред¬
ства, на котором он установлен, при данной мощности, или же
сохранить неизменным ускорение при существенно меньшей
мощности.
В заключение этого краткого обзора общих тенденций и
обобщенных характеристик двигателя Стирлинга мы приводим
типичное распределение потоков энергии в энергосиловой уста¬
новке Стирлинга. Чтобы стали ясными особенности этого рас¬

Общее описание двигателей Стирлинга 119’
пределения, оно сравнивается с распределением потоков энер¬
гии в обычных двигателях внутреннего сгорания — двигателе с
принудительным зажиганием и дизеле (табл. 1.5). Предполага¬
ется, что все сравниваемые двигатели работают на жидком при-
Рис. 1.103. Зависимости крутящего момента от скорости вращения вала
сравниваемых двигателей [53].
I — двухвальная газовая турбина; 2—двигатель Стирлинга; 3 — двигатель с принудитель¬
ным зажиганием и гомогенным зарядом; 4—двигатель с принудительным зажиганием
и слоистым зарядом; 5—дизель с нормальной системой впуска; 6 — одновальиая газовая
турбина. N/N* — отношение скорости двигателя к скорости при максимальной мощности;
MJM*— отношение крутящего момента к крутящему моменту при максимальной мощности.
родном топливе. В табл. 1.6 дается сравнительный баланс энер¬
гии этих же двигателей, причем за основу для сравнения при¬
няты потоки энергии, характерные для двигателя с принуди¬
тельным зажиганием.
Таблица 1.5. Распределение потоков энергии в двигателях
различных типов
Тип двигателя
Распределение потоков энергии, %
На выходе
(полезная
энергия)
в охлаждающую
жидкость
в отработав¬
шие газы
С принудительным зажиганием
30
30
40
Дизель
36
20
44
Двигатель Стирлинга
36
50
14

■120 Глава 1
Таблица 1.6. Распределение потоков энергии в двигателях различных типов,
отнесенных к потокам энергии в двигателе с принудительным
зажиганием и гомогенным зарядом
Тип двигателя
Распределение потоков энергии
на выходе
(полезная
энергия)
в охлаждающую
жидкость
в отработав¬
шие газы
С принудительным зажиганием
1,0
1,0
1,0
Дизель
1,2
0,67-
1,1
Двигатель Стирлинга
1,2
1,67
0,35
Это помогает лучше представить себе величину потока энер¬
гии, отводимого в систему охлаждения двигателя Стирлинга, и
влияние величины этого потока на размеры радиатора и кон¬
струкцию холодильника в автомобильном варианте этого двига-
ПоОоойимая энергия
100 %
К- / Тепловые
I	потери 5%
Предварительный
подогреватель
воздуха АЪ%
Охлаждающая
жидкость 46%
Отработавшие
газы ЙГ
=== Механические
потери 5%
Мощность на.
выхоОном валц
32%
Рис. 1.104. Схема разделения потоков энергии двигателя Стирлинга.
теля. Схема разделения потоков энергии в энергосиловой уста¬
новке Стирлинга, показанная на рис. 1.104, не требует специ¬
альных комментариев.
Все же относительная величина некоторых потоков требует
кратких пояснений. Чрезвычайно интенсивен поток энергии,
протекающий через регенератор, что наглядно демонстрирует
высокую эффективность таких систем повторного использования
энергии. Однако связанная с этим высокая тепловая нагрузка
ставит перед конструкторами регенераторов определенные проб¬
лемы. Потери энергии, уходящей с отработавшими газами
(14 %), можно снизить, применяя рекуперацию, хотя предвари¬
тельный подогрев и рециркуляция также позволяют использо¬

Общее описание двигателей Стирлинга 121
вать вновь часть энергии, заключенной в отработавших газах.
Однако для маломощных двигателей сложные предварительные
подогреватели и системы рециркуляции, как правило, не окупа¬
ются, и поэтому рекуперация в таких двигателях может оказать
существенное влияние на повышение общего КПД двигателя.
В Батском университете (Англия) с конца 70-х годов проводятся
исследования по использованию рекуперации для маломощных
двигателей Стирлинга [54].
Если потери энергии, показанные на рис. 1.104, удалось бы
уменьшить, то помимо увеличения части тепловой энергии, пре¬
образующейся в полезную работу, увеличилась бы и тепловая
нагрузка на холодильник, что в автомобильном варианте двига¬
теля потребовало бы дополнительного увеличения теплового по¬
тока через радиатор, поскольку, как мы уже говорили, повыше¬
ние температуры в холодильнике вызывает заметное снижение
КПД. Поэтому, когда требование компактности энергосиловой
установки является определяющим, то улучшение рабочих ха¬
рактеристик не только дает преимущества, но и создает опре¬
деленные проблемы. Поскольку целью продолжающегося совер¬
шенствования двигателей Стирлинга является улучшение их ра¬
бочих характеристик, то, по-видимому, необходимо испытать
какие-то иные охлаждающие жидкости для использования в
силовой установке Стирлинга, например фреон, который благо¬
даря своим характеристикам, связанным с изменением фазово¬
го состояния, имеет хорошие перспективы в этом качестве.
Происходящая сейчас во всем мире интенсивная разработка
двигателей Стирлинга увеличивает количество эксперименталь¬
ной и расчетной информации, характеризующей их работу, и,
несомненно, потребуется большой срок, прежде чем эта инфор¬
мация будет должным образом оценена. Общие тенденции, свя¬
занные с двигателями Стирлинга, которые рассматривались в
этой главе, основаны на информации, полученной до конца
1980 г. Мы взяли на себя роль интерпретаторов той информа¬
ции, которая была в нашем распоряжении. При этом мы пыта¬
лись дать объективную оценку двигателя Стирлинга с учетом
предъявляемых к нему требований, его преимуществ и недо¬
статков.
В последних разделах этой главы двигатель Стирлинга
сравнивается с другими существующими или имеющими шансы
на практическое применение типами двигателей, а также прово¬
дится анализ особенностей двигателя «Флюидайн». Дается обзор
типичных характеристик, которые достижимы уже в настоящее
время. Этот обзор может помочь тем, кто интересуется практи¬
ческим использованием двигателей Стирлинга, оценить их по¬
тенциальные возможности в различных областях применения.
Преподавателям инженерных учебных заведений мы уже предо¬

122 Глава 1
ставили достаточный материал, из которого можно извлечь по¬
лезные сведения по конструкции и принципам работы двигателя
Стирлинга. Намечены также перспективные области исследова¬
ния, которые, как мы надеемся, заинтересуют выпускников выс¬
ших учебных заведений.
1.6.7.	Сравнение с другими двигателями
До сих пор мы рассматривали особенности работы двигате¬
лей Стирлинга и предъявляемые к ним требования без сравне¬
ния с другими типами тепловых двигателей. Поэтому, чтобы за¬
вершить оценку, проведем детальное сравнение с другими дви¬
гателями. Помимо таких параметров, характеризующих работу
двигателей, как КПД, удельная выходная мощность и т. п., при
сравнении будут учтены и такие факторы, как стоимость, тех¬
нологичность и возможность применения альтернативных топ¬
лив. Сравнение с учетом всех этих факторов необходимо для
достижения его полноты и объективности. Слишком часто при¬
ходится сталкиваться в публикациях с произвольными сравне¬
ниями, которые делаются или с излишним энтузиазмом по от¬
ношению к двигателям Стирлинга, или со столь же необъектив¬
ным отрицательным к ним отношением. Авторам первых меньше
везло, в то время как предвзятость авторов последних можно
легко понять. Сейчас во всяком случае ясно, что нужны не не¬
обоснованные и сверхоптимистичные предсказания блестящего
•будущего двигателей Стирлинга, а конкретные эксперименталь¬
ные значения рабочих характеристик и результаты расчетов,
подтвержденных экспериментальными данными.
Во многих случаях программы разработки двигателей Стир¬
линга были почти сведены на нет необоснованными предсказа¬
ниями и преувеличенно оптимистичной рекламой. Первоначаль¬
ная эйфория тех, кто финансировал такие программы, слишком
часто сменялась внезапным осознанием реальной ситуации, ко¬
гда вслед за предварительной обработкой результатов, получен¬
ных на опытном двигателе, наступало время реальной оценки
всех действующих факторов. Эти неблагоприятные обстоятель¬
ства, которых можно было бы избежать, порождали у многих
исследователей и целых коллективов скептицизм в отношении
двигателей Стирлинга вообще и привели к тому, что многие ин¬
женеры с весьма широким кругозором заняли позицию глубоко¬
го недоверия к любым положительным высказываниям об этих
двигателях. Такую предвзятость трудно преодолеть, особенно
если учесть, что в настоящее время имеется множество других
доступных двигателей, которые совсем не столь уж плохи или
устарели, как это иногда предполагают. Когда приняты во вни¬
мание и осмыслены все факторы, тогда появляются основания
.для более реалистичной оценки перспектив.

Общее описание двигателей Стирлинга 123*'
Авторы стоят на позиции тщательного анализа возможностей
практического использования двигателя Стирлинга в различных
областях. Если провести широкое сравнение этого двигателя с
его конкурентами, то во многих случаях двигатель Стирлинга
будет иметь больше преимуществ. Такой подход необходим, что¬
бы убедить высокие инстанции вложить необходимые капита¬
лы в разработку коммерчески выгодных и привлекающих по¬
требителей конструкций двигателей Стирлинга. Нет сомнений,,
что когда приняты во внимание все действующие факторы, то
ожидания тех, кто будет финансировать такие программы, бу¬
дут более обоснованны. Слишком восторженные заявления
только вредят любому возможному в будущем прогрессу дви¬
гателей Стирлинга и лишь способствуют возникновению недо¬
верия к серьезным и обоснованным доводам относительно прак¬
тического использования этих двигателей. Исходя из изложен¬
ного, мы попытались продемонстрировать в этом разделе на
ограниченном количестве экспериментальных результатов все
особенности работы двигателя. Представленные результаты ха¬
рактеризуют общий уровень разработки двигателей Стирлинга,
достигнутый к настоящему времени, и не являются специально
подобранными данными. Эти результаты необходимо сравнить,
с данными, полученными на двигателях других типов, которые
применяются в настоящее время или находятся в стадии раз¬
работки.
Однако при сравнении двигателей различных типов возни¬
кает проблема подбора эквивалентных систем, иначе сравнение
не принесет большой пользы. Например, сравнение наиболее со¬
вершенного двигателя Стирлинга с дизелем наиболее неудачной
конструкции вряд ли окажется полезным. Имется еще один фак¬
тор, усугубляющий проблему,— неточность термина «эквива¬
лентный» применительно к энергосиловым установкам. Напри¬
мер, какие двигатели следует сравнивать — дающие одинаковую
мощность на выходном валу, имеющие близкие значения удель¬
ной мощности или имеющие одинаковую цену? В конкретных
условиях применения различные двигатели, имеющие одинако¬
вую мощность, не обязательно обеспечат одинаковые рабочие
характеристики. Например, различные типы двигателей для
большого семейного автомобиля, обеспечивающие заданное зна¬
чение времени ускорения при разгоне с места до скорости
100 км/ч, будут иметь технические характеристики, приведен¬
ные в табл. 1.7 [55].
Из таблицы видно, что такие двигатели имеют различные
значения мощности и удельной мощности (на единицу массы
автомобиля), причиной чего являются различные формы зави¬
симостей крутящего момента от скорости, различия в комплек¬
тации двигателей вспомогательными агрегатами (топливным

124 Глава 1
Таблица 1.7. Сравнение основных параметров энергосиловых установок
Тип двигателя
Максимальная
мощность,
кВт
Масса
автомобиля,
кг
Отношение
мощности
к массе,
кВт/кг
Обычный двигатель с принудитель¬
131
1820
0,072
ным зажиганием
Двигатель с принудительным зажи¬
134
1860
0,072
ганием и слоистым зарядом
Дизель
136
1920
0,071
Одновальная газовая турбина
88
1545
0,057
Двигатель Стирлинга
102
1770
0,058
Паровая машина
124
1880
0,066
насосом, водяной помпой, радиаторами различных размеров
и т. п.), различные требования к трансмиссии и т. д. Поэтому
единственно реалистическим подходом является сравнение ос¬
новных характеристик в определенных диапазонах мощностей
и в определенных областях применения. Так, судовой двигатель
Стирлинга средних размеров следует сравнивать с судовым ди¬
зелем таких же размеров, а отнюдь не с авиационной газовой
турбиной средних размеров или с малолитражным автомобиль¬
ным двигателем с принудительным зажиганием. К сожалению,
мы не можем назвать таких конкретных диапазонов мощностей
и областей применения, для которых можно было бы подобрать
все необходимые для сравнения рабочие характеристики и
предъявляемые требования. Все же для одной области приме¬
нения — автомобилей — существует весьма большой объем не¬
обходимой информации по различным типам двигателей, и в
дальнейшем изложении мы будем широко пользоваться этими
данными.
В середине 70-х годов, в условиях обостряющегося энергети¬
ческого кризиса, федеральное правительство США через мини¬
стерство энергетики заключило контракты со многими фирмами
и учебными заведениями на исследования двигателей для авто¬
мобилей, которые в перспективе могли бы оказаться более эко¬
номичными, чем существующие двигатели, меньше загрязнять
атмосферу и использовать нетрадиционные топлива. Из многих
двигателей, рассмотренных первоначально, некоторые все еще
остаются объектами такого исследования, хотя основные про¬
граммы, по крайней мере те, которые финансируются прави¬
тельством, в настоящее время сосредоточены на разработке
двигателя Стирлинга и газовой турбины. К наиболее перспек¬
тивным силовым установкам относятся следующие:
1) двигатель Стирлинга двойного действия (СДД);
2) дизель с турбонаддувом (ТНД);

Общее описание двигателей Стирлинга 125
3) бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и
слоистым зарядом (СЗБ);
4) одновальная газовая турбина (ОВГТ).
Характеристики этих двигателей постоянно сравнивались с
характеристиками трех энергосиловых установок, широко при¬
меняемых в настоящее время. Этими установками являются:
1) дизель с нормальной системой впуска (НВД);
2) бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и
гомогенным зарядом (ГЗБ);
3) двухвальная газовая турбина (ДВГТ).
Для устранения возможных недоразумений и неоднозначно¬
сти в интерпретации терминологии, использованной нами для
наименования этих двигателей, ниже мы приводим краткие
•описания сравниваемых двигателей (за исключением двигателя
■Стирлинга, уже описанного ранее).
Бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и го¬
могенным зарядом.
Это обычный двигатель внутреннего сгорания с искровым
зажиганием, почти полностью вытеснивший другие поршневые
Топливо
Рис. 1.105. Схема двигателя с принудительным зажиганием и гомогенным
зарядом [55].
двигатели в качестве источника механической энергии для
автомобилей. В этом двигателе сгорает сформированная в кар¬
бюраторе бензо-воздушная смесь. В исследованиях, финансируе¬
мых министерством энергетики США, такие двигатели комплек¬
товались каталитическими дожигателями для уменьшения за¬
грязнения окружающей среды. Схема двигателя приведена на
рис. 1.105. На схеме показан поршневой двигатель возвратно¬
поступательного действия, однако к этому классу двигателей
можно отнести также и роторный двигатель Ванкеля.
Бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и слои¬
стым зарядом
Этот двигатель практически идентичен предыдущему, за
исключением способа образования бензо-воздушной смеси.

126 Глава 1
В двигателях этого типа вместо карбюрации часто используют
прямой впрыск топлива в цилиндры. Окислитель — обычный
воздух поступает в цилиндр через обычный клапанный меха¬
низм с тарельчатым клапаном, а около запального устройства
Рис. 1.106. Схема двигателя с принудительным зажиганием и слоистым за¬
рядом [55].
образуется зона обогащенной топливо-воздушной смеси. Горе¬
ние, начавшись в этой зоне, проникает в другую зону, где нахо¬
дится обедненная часть смеси. Термин «слоистый заряд» обязан
своим происхождением тому, что в цилиндре такого двигателя
заряд состоит из различных слоев бензо-воздушной смеси. Ти¬
пичный бензиновый двигатель со слоистым зарядом показан на
рис. 1.106.
Дизель с турбонаддувом
Дизель с турбонаддувом схематически показан на рис. 1.107.
На таком двигателе устанавливается воздушный компрессор.
Рис. 1.107. Схема дизеля с турбонаддувом [55].
приводимый в действие колесом турбины, вращаемым отрабо¬
тавшими газами. Компрессор сжимает поступающий воздушный
заряд и тем самым увеличивает количество воздуха в цилиндре.
Это позволяет увеличить мощность, вырабатываемую двигате-
Топливная форсунка
Вс
Турбонагнетатель
бота#-

Общее описание двигателей Стирлинга 127
лем, но мало влияет на КПД установки. Турбонаддув способст¬
вует также более эффективной очистке (продувке) цилиндров
от продуктов сгорания.
Дизель с нормальной системой впуска
Этот дизель аналогичен показанному на рис. 1.107, но не
имеет турбокомпрессора.
Одновальная газовая турбина
В одновальной газовой турбине общий вал соединяет воздуш¬
ный компрессор и рабочую турбину, являясь одновременно и
рабочим валом. Такая схема предопределяет использование бес¬
ступенчатой трансмиссии между рабочим валом турбины и рас¬
положенным соосно с ним конечным приводом. В простейшем
Рис. 1.108. Схема одновальной газовой турбины [55].
виде это может быть гидромуфта. Создание работоспособной
конструкции бесступенчатой трансмиссии представляет собой
серьезную проблему. Для повышения КПД такой установки
(рис. 1.108) используют вращающийся регенератор, с помощью
которого часть отводимой энергии идет на предварительный по¬
догрев сжимаемого воздушного заряда.
Двухвальная газовая турбина
Двухвальная газовая турбина может также быть названа
газовой турбиной со свободным рабочим колесом. Расширитель
турбины имеет две ступени, связанные газовым потоком, а не
жестким валом. Первая ступень служит для привода компрес¬
сора, а вторая — для привода рабочего вала. Такая схема ме¬
нее перспективна, чем предыдущая, но ее характеристики луч¬
ше изучены. Схематическое изображение установки дано на
рис. 1.109.
ВозОух ^УР6°
. а комттп
Выходной
бал
Отработао-
шие газы

128 Глава 1
Топливо
Рис. 1.109. Схема двухвальной газовой турбины [55].
а.	КПД установки
Потенциальный КПД двигателя Стирлинга выше, чем у
других сравниваемых с ним двигателей, однако на совершенст¬
вование двигателей с разомкнутым циклом было затрачено зна¬
чительно больше усилий. Результаты сравнения различных дви¬
гателей по их КПД не имеют большого распространения, по¬
скольку, как уже отмечалось ранее, изготовители автомобилей
и те, кто эксплуатируют стационарные установки, как правило,
предпочитают сравнивать двигатели по удельному эффективно¬
му расходу топлива. Хотя этот параметр прямо связан с КПД,
Температура источника
тепла, К
Рис. 1.110. Потенциальные КПД энергосиловых установок [27].
I—предельные КПД двигателя Стирлинга; 2 — предел прочности материала; 3 — предель¬
ные КПД двигателя с принудительным зажиганием; 4 — потенциально достижимые КПД
Двигателя Стирлинга; 5 — двигатели внутреннего сгорания; 6 — паровая машина; 7 — двига¬
тель Стирлинга.
тем не менее полезно рассмотреть и результаты измерения не¬
посредственно КПД. Прекрасной иллюстрацией достигнутых в
настоящее время рабочих характеристик двигателей и потенци¬
альных значений их КПД является график, составленный в ра¬
боте [32] и представленный на рис. 1.110 в несколько изменен¬
ном виде.
Достигнутые к настоящему значения КПД эксперименталь¬
ных двигателей Стирлинга показаны на рис. 1.111.

Общее описание двигателей Стирлинга 129
Рис. 1.111. Реальные КПД экспериментальных двигателей Стирлинга по дан¬
ным НАСА, Rpt CR-I59 631, перестроенным авторами.
1 — данные фирмы «Дженерал моторе»; 2—данные фирмы «Юнайтед Стирлинг» (Швеция);
3 — данные фирм «Форд» н «Филипс».
б.	Удельный эффективный расход топлива
Прежде чем сравнивать конкретные двигатели по удельному
эффективному расходу топлива, желательно было бы собрать и
обобщить больше информации о различии в рабочих характе¬
ристиках сравниваемых двигателей, используя совокупность ре¬
зультатов по целому ряду типичных двигателей каждого типа.
Необходимо заметить, что большое количество результатов, от¬
носящихся к двигателям Стирлинга, получено на динамометри¬
ческих стендах, а не при испытаниях автомобилей, а некоторые
данные получены на основе расчета на ЭВМ моделей, обладаю¬
щих достаточной степенью достоверности. Результаты испыта¬
ний автомобилей вплоть до 1980 г. не совпадали с достаточной
степенью точности с расчетными данными, однако намечали пу¬
ти реализации потенциальных возможностей двигателя. Удель¬
ные эффективные расходы топлива различных энергосиловых
установок, предназначенных для использования в качестве ав¬
томобильных источников энергии, сравниваются на рис. 1.112
[53].
На этом графике наглядно видны преимущества двигателя
Стирлинга во всем диапазоне рабочих режимов. Поскольку
удельный эффективный расход топлива рассматривается и как
функция скорости, и как функция нагрузки, то на рис. 1.113 и
1.114 приведены соответствующие кривые для полного диапазо¬
на рабочих скоростей при 50 и 20 % полной нагрузки соответ¬
ственно.
Преимущества двигателя Стирлинга весьма наглядны и в
этом случае. Исходные данные для этих обобщающих графиков
9 Зак. 839

Мощность / Максимальная мощность
Рис. 1.112. Сравнение удельных эффективных расходов топлива различных
эиергосиловых установок [53].
1—дизель с нормальной системой впуска; 2—дизель с турбонаддувом; 3—‘бензиновый
двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным аарядом; 4—одновальная газовая
турбина; 5—двухвальная газовая турбина; 6—двигатель Стирлинга.
ас
55	0,4
£ =г
«э _
С CD
Я X
■e-fe
в- -02
r> (Z 1
J I I 1 I
J L
0,5
Скорость/Максимальная скорость
1.0
Рис. 1.113. Сравнение удельных эффективных расходов топлива различных
энергосиловых установок при 50 % нагрузки [53].
1—одновальная газовая турбина; 2—двухвальная газовая турбина; 3 — дизель с турбо¬
наддувом; 4—бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом;
5—двигатель Стирлинга.

Общее описание двигателей Стирлинга 131
были взяты из работы [53]. Поскольку цены на топливо про¬
должают повышаться, удельный эффективный расход становит¬
ся все более определяющей характеристикой, и, хотя не прекра¬
щаются активный поиск и исследования по другим источникам
энергии, нет сомнения, что в обозримом будущем углеводород¬
ные топлива останутся основным ее источником. Более того,
Рис. 1.114. Сравнение удельных эффективных расходов топлива различных
энергосиловых установок при 20 % нагрузки [53].
1—дизель с турбонаддувом; 2—бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и
гомогенным зарядом; 3—одновальная газовая турбина; 4—двухвальная газовая турбина;
5—двигатель Стирлинга.
даже в условиях астрономического роста цен снижение потреб¬
ления топлива будет незначительным. Опыт стран Запада пока¬
зывает, что с начала нефтяного кризиса в 70-х годах цены на
нефть оказывали незначительное влияние на потребление топ¬
лива. Исследование, опубликованное в 1980 г. министерством
энергетики США, показало, что при повышении цен на топливо
даже на 100 % потребление топлива уменьшится только на
11 %. Если на потребление топлива не слишком сильно влияют
экономические факторы, то маловероятно, что оно понизится,
уступая политическому давлению. Влияние официальных регла¬
ментаций, направленных на экономию топлива, также пробле¬
матично.
Очевидно, что снижение удельного эффективного расхода топ¬
лива может способствовать уменьшению потребления топлива,
9*

132 Глава 1
поскольку уменьшение расхода топлива на 10 % позволило бы
сэкономить, например, для США свыше 305 млн. л импорти¬
руемой сырой нефти в сутки, что соответствует экономии свыше
5 млрд. долл. в год. Однако в целом это очень небольшая эко¬
номия. Поэтому, хотя снижение удельного эффективного расхо¬
да топлива является важным, оно не дает решения проблемы
энергии для большинства стран. Источники энергии, заменяю¬
щие жидкие углеводороды, могут дать более ощутимый эффект
в обозримом будущем, и проблемы, связанные с этим вопросом,
будут рассмотрены позже. Кроме того, необходимо отметить,
что доступность энергии имеет такое же существенное значение,
как и ее стоимость.
в.	Развиваемая мощность
Обоснованное сравнение по этому показателю может быть
сделано только на основе отношения массы к развиваемой мощ¬
ности, и сравниваемые двигатели должны быть предназначены
для одной и той же области применения. Далее необходимо
сравнивать значения отношения массы всей энергосиловой уста¬
новки к развиваемой мощности. Энергосиловая установка, пред¬
назначенная для использования на автомобиле, будет включать
агрегаты трансмиссии, аккумуляторные батареи, систему охлаж¬
дения и т. д. Для двигателей, отобранных для сравнения, эти
данные представлены на рис. 1.115 и 1.116.
В обоих случаях, как видно из графиков, двигатель Стир¬
линга не обладает явными преимуществами, однако необходимо
учитывать, что при разработке двигателей Стирлинга до сих
пор не уделялось большого внимания оптимизации отношения
мощности к массе, что и отразилось на представленных резуль¬
татах. Нельзя рассчитывать на то, что для такой оптимизации
имеются большие возможности, с другой стороны, было бы не¬
верно утверждать, что достигнутые результаты — предел. При
выполнении программы разработки двигателей в США, по кото¬
рой к 1984 г. было намечено достичь стадии начала производ¬
ства, предпринимаются большие усилия по снижению массы
двигателя. При этом следует учитывать, что, как показано
в табл. 1.7, в силу присущих им рабочих характеристик двига¬
тели Стирлинга (как и одновальные газовые турбины) не дол¬
жны иметь те же значения развиваемой мощности, что и другие
двигатели, и поэтому могут иметь меньшую массу, чем сущест¬
вующие автомобильные двигатели.
Еще один фактор, который необходимо принять во внима¬
ние,— это размеры двигателя данной мощности. Этот фактор
важен не только с точки зрения компактности, но, например,
при установке на судне с точки зрения потери полезного объе¬
ма трюмов. Установлено, что двигатель Стирлинга занимает

Рис. 1.115. Соотношение между мас¬
сой двигателя и развиваемой им
мощностью для энергосиловых уста¬
новок различных типов [53].
1—дизель с нормальной системой впуска;
2 — двигатель Стирлинга; 3 — дизель с турбо¬
наддувом; 4 — бензиновый двигатель с при¬
нудительным зажиганием и слоистым
зарядом; 5 — бензиновый двигатель с при¬
нудительным зажиганием и гомогенным
зарядом; 6—двухвальная газовая турбина;
7—одновальная газовая турбина.
Мощность Ьоигателя,
кВт
Рис. 1.116. Соотношение между массой установки и развиваемой ею мощ¬
ностью для энергосиловых установок различных типов [53].
1—дизель с нормальной системой впуска; 2—двигатель Стирлинга; 3 — дизель с турбо-
наддувом; 4 —бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и слоистым зарядом;
5 — бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом; 6—ротор¬
ный двигатель с принудительным зажиганием; 7—двухвальная газовая турбина; 8 — одно-
иальная газовая турбина.

134 Глава 1
примерно такое же пространство, что и эквивалентный дизель
[56, 57]. Более свежие данные [53] позволяют составить
сводную таблицу значений отношения мощности к занимае¬
мому объему для разных двигателей мощностью 78—126 кВт
(табл. 1.8).
Таблица 1.8. Отношение мощности двигателя Р к объему V,
занимаемому энергосиловой установкой
Тип двигателя
Р/К,
кВт/м3
Мощность,
кВт
Двигатель с принудительным зажиганием и
498
97
гомогенным зарядом
Двигатель с принудительным зажиганием и
337
95
слоистым зарядом
Двигатель Стирлинга
309
126
Дизель с турбонаддувом
262
78
Дизель С нормальной системой впуска
203
90
Двухвальная газовая турбина
186
90
Одновальная газовая турбина
Нет
данных
Из таблицы следует, что двигатели с принудительным зажи¬
ганием и гомогенным зарядом все еще превосходят по этому
показателю все другие двигатели, однако перспективные двига¬
тели со слоистым зарядом не будут иметь такого неоспоримого
преимущества, как двигатели с гомогенным зарядом. Если в дви¬
гателях Стирлинга и газовых турбинах найдут применение кера¬
мические компоненты, то ситуация может резко измениться. При
современном уровне технического прогресса двигатель Стирлин¬
га в целом превосходит дизельные двигатели.
г.	Крутящий момент
Изменения крутящего момента двигателя Стирлинга в зави¬
симости от скорости и давления уже рассматривались ранее
в сравнении с другими энергосиловыми установками. При исполь¬
зовании этого двигателя на автомобиле особенности его харак¬
теристик крутящий момент — скорость особенно благоприятны
с точки зрения эффективного ускорения автомобиля и способ¬
ствуют упрощению и удешевлению агрегатов трансмиссии. Од¬
нако для полноты картины необходимо сказать несколько слов
о циклических колебаниях крутящего момента. В литературе со¬
общается, что двигатель Стирлинга отличается более плавными
изменениями крутящего момента по сравнению с другими дви¬
гателями возвратно-поступательного действия. «Плавный» озна¬
чает, по-видимому, что изменения крутящего момента с измене¬
нием угла поворота кривошипа этого двигателя сравнительно
малы. Мы намеренно употребили слово «по-видимому», посколь¬

Общее описание двигателей Стирлинга 135
ку, когда спрашивают, что в точности означает термин «плав¬
ный», мы не в состоянии дать однозначного определения. Этот
вопрос подробно рассматривается в гл. 2. Здесь достаточно бу¬
дет отметить, что изменения крутящего момента в зависимости
от угла поворота кривошипа у многоцилиндрового двигателя
Стирлинга меньше, чем, например, у двигателя с принудитель¬
ным зажиганием (рис. 1.117).
Меньшие колебания крутящего мо¬
мента означают также, что колебания
угловой скорости у двигателя Стир¬
линга также существенно меньше, чем
у других двигателей. Это утверждение
относится, разумеется, к двигателям
без маховиков. Практически это озна¬
чает, что двигатели Стирлинга мож¬
но комплектовать менее массивным
маховиком и что пуск двигателя
Стирлинга требует меньших механиче¬
ских усилий. Далее, благодаря ма¬
лым циклическим колебаниям момен¬
та и скорости вращения двигатели
Стирлинга могут оказаться более под¬
ходящими для автономных электроге¬
нераторов.
Эти утверждения, однако, нужда¬
ются в проверке, поскольку, хотя от¬
ношение пикового крутящего момента
к его среднему значению у четырехци¬
линдрового двигателя Стирлинга без
маховика близко к 1,1, для одноци¬
линдрового двигателя Стирлинга это значение увеличивается до
3,5, что выглядит не так уж многообещающе. Тем не менее у че¬
тырехцилиндрового двигателя Стирлинга это отношение такое
же, как у восьмицилиндрового двухтактного дизеля, и наполови¬
ну меньше, чем у четырехцилиндрового четырехтактного дизеля.
д.	Стоимость
Оценка стоимости всегда затруднительна, а ее прогноз с
учетом будущих разработок весьма неточен. Однако несомнен¬
но, что такая оценка необходима для сравнения альтернатив¬
ных двигателей, если при этом учитывать наиболее дорогостоя¬
щие компоненты. Стоимость двигателя Стирлинга приблизи¬
тельно в 1,5—15 раз выше, чем эквивалентного дизеля. Такая
оценка сделана на основе технической литературы; она приво¬
дилась на технических конференциях и совещаниях. На первый
взгляд эта оценка кажется необоснованной, но, скорее всего.
Угол поворота
Kpyieouinna, грай.
Рис. 1.117. Крутящий мо¬
мент в зависимости от угла
поворота кривошипа [53].
1 — двигатель с принудительным
зажиганием; 2—двигатель Стир¬
линга.

136 Глава 1
она верна, и это станет ясно из дальнейшего изложения. Бездо¬
казательные утверждения о предполагаемой стоимости, как
правило, не имеют смысла, но, к сожалению, такие утверждения
делаются во многих публикациях. Однако в настоящее время
благодаря программам, выполняемым по заказу министерства
энергетики США, стали доступными результаты более подроб¬
ных исследований в этой области.
Стоимость может определяться различными факторами, из
которых основными являются:
1) затраты труда;
2) материалы;
3) капитальное оборудование;
4) производственное оборудование;
5) эксплуатация и техническое обслуживание;
6) разработка конструкции.
Этот список ни в коей мере не является исчерпывающим.
Многие составляющие стоимости непосредственно зависят от
массовости производства. Хотя это и очевидно, не мешает еще
раз повторить это утверждение, поскольку подобным аспектом
оценки стоимости пренебрегают во многих публикациях. Зави¬
симость экономики от масштабов выпуска продукции может
означать, что двигатель одного типа дороже другого при мелко¬
серийном выпуске, но дешевле при увеличении объема продук¬
ции. Необходимо принимать во внимание и область применения
двигателя. Например, стоимость автомобильного двигателя со¬
ставляет только небольшую часть общей стоимости автомобиля,
поэтому при сравнении стоимости различных двигателей необ¬
ходимо учитывать, что существенное различие в стоимости дви¬
гателей может и не повлиять заметно на стоимость автомобиля
при установке этих двигателей. Эту особенность можно проил¬
люстрировать простым расчетом. Если принять для примера,
что стоимость двигателя составляет 10 % общей стоимости авто¬
мобиля, то при стоимости автомобиля 6000 долл. двигатель бу¬
дет стоить 600 долл. Предположим, что другой двигатель вдвое
дороже, т. е. стоит 1200 долл.; тогда полная стоимость автомо¬
биля будет 6600 долл., т. е. только на 10 % выше, и покупатель,
возможно, предпочтет уплатить немного большую цену за бо¬
лее подходящий для него автомобиль.
Прежде чем рассматривать стоимость и издержки в услови¬
ях промышленного производства, нам хотелось бы на основе
собственного опыта рассмотреть эволющию стоимости при соз¬
дании или покупке опытного образца двигателя Стирлинга
или двигателя этого типа, предназначенного для исследователь¬
ских целей. Мощность таких двигателей будем считать ограни¬
ченной значением 100 кВт. Цена такого двигателя при покупке

Общее описание двигателей Стирлинга 137
с учетом уровня цен 1981 г. будет около 6700 долл./кВт. Одна¬
ко, если двигатель построен той же организацией, которая бу¬
дет его использовать, или изготовлен сторонней организацией по
детально разработанной документации и с помощью машинно¬
го проектирования, его стоимость будет заключаться в пределах
2000—3500 долл./кВт. По мере того как двигатель Стир¬
линга будет становиться более массовым и менее «исследова¬
тельским», его стоимость будет резко падать. Один из изготови¬
телей небольших двигателей Стирлинга (менее 1 кВт) считает,
что при производстве 1000 таких двигателей в год стоимость
одного двигателя по сравнению с его стоимостью при индиви¬
дуальном изготовлении может уменьшиться в 30 раз.
Такая зависимость стоимости от масштабов производства
подтверждается недавними исследованиями ряда двигателей,
работающих на солнечной энергии, выполненными Лаборатори¬
ей реактивных двигателей (США) [58]. Было проведено срав¬
нение двигателя Стирлинга и газовой турбины в модификациях,
рассчитанных на использование солнечной энергии. Газовая
турбина была специально сконструирована фирмой «Гарретт»,
а двигатель Стирлинга был взят из серии, выпускаемой фир¬
мой «Юнайтед Стирлинг». Результаты проведенных исследова¬
ний, приведенные к уровню цен и обменному курсу валюты
1981 г., приведены в табл. 1.9.
Таблица 1.9. Зависимость стоимости от объема выпуска (сравнение
двигателя Стирлинга и газовой турбины)
Суммарная удельная стоимость, долл./кВт
^	Газовая	турбина	Двигатель Стирлинга
Годовой объем 	3_	^
выпуска, шт.
„	Силовая	„	Силовая
Двигатель	установка	Двигатель	установка
I 000
100
268
198
420
25 000
90
105
83
140
100 000
85
102
45
80
400 000
77
88
43
67
Суммарная удельная стоимость включает издержки на оп¬
лату рабочей силы, стоимость материалов, затрату на капи¬
тальное оборудование и инструмент. Влияние, оказываемое на
стоимость объемом производства, хорошо видно из представлен¬
ных данных. Суммарная удельная стоимость газовой турбины с
увеличением объема выпуска уменьшается в 3 раза, в то время
как тот же показатель двигателя Стирлинга уменьшается более
чем в 6 раз. При малом объеме выпуска двигатель Стирлинга

138 Глава 1
более чем на 50 % дороже газовой турбины, а при годовом вы¬
пуске 400 000 двигателей — на 30 % дешевле. Для рассматрива¬
емых целей объем выпуска 400 000 двигателей в год представ¬
ляется несколько завышенным, однако для автомобильных дви¬
гателей такой объем можно считать обычной нормой [53].
Потенциальные изготовители двигателей Стирлинга в боль¬
шей степени заинтересуются предполагаемой стоимостью этих
двигателей, предназначенных для использования на автомоби¬
лях. Стоимость изготовления, приведенная в табл. 1.10, учиты-
Таблица 1.10. Стоимость изготовления автомобильных двигателей при
объеме выпуска 400 000 шт./год (в ценах 1981 г.)
Мощность двигателя 75 кВт
Мощность двигателя 112 кВт
Тип двигателя
Удельная
стоимость,
долл. /кВт
Доля
материалов
и оборудо¬
вания, %
Удельная
стоимость,
долл /кВт
Доля
материалов
я оборудо¬
вания, %
Двигатель с принуди¬
12,06
59,7
13,84
42,3
тельным зажиганием
и гомогенным зарядом
Двигатель с принуди¬
12,49
60,5
14,18
42,5
тельным зажиганием
и слоистым зарядом
Двухвальная газовая
17,37
67,5
18,63
46,0
турбина
Двигатель Стирлинга
19,89
69,7
22,12
47,7
вает издержки на оплату рабочей силы, стоимость материалов,
капитального оборудования и инструмента и во многом анало¬
гична по своей структуре стоимости, подсчитанной для солнеч¬
ных двигателей. Однако в автомобильном варианте двигатели
имеют более развитую конструкцию, чем в варианте солнечного
двигателя. Для двигателя Стирлинга и для газовой турбины в
отличие от обычных двигателей требуются различные специаль¬
ные материалы. Разумеется, это в значительной степени вопрос
снабжения и конъюнктуры, так что если бы двигатель Стирлин¬
га или газовая турбина были бы «обычными» двигателями, то
материалы для них могли бы иметь меньшую стоимость, по¬
скольку горнодобывающая промышленность и сталеплавильная
промышленность были бы ориентированы на производство этих
материалов, а материалы для производства двигателей с при¬
нудительным зажиганием и дизелей стали бы «специальными».
Более того, специальные материалы часто требуют соответству¬
ющего специального производственного оборудования, что спо¬
собствует добавочному росту стоимости. С учетом применяемых
в настоящее время в автомобильной промышленности материа¬

Общее описание двигателей Стирлинга 139
лов и производственного оборудования следует ожидать, что с
точки зрения стоимости обычные двигатели будут предпочти¬
тельнее. Чтобы прояснить этот аспект формирования стоимости
изготовления, в табл. 1.10 приведены стоимости двигателей двух
значений мощности (75 и 112 кВт) и указаны также процент¬
ные доли общей стоимости, приходящиеся на материал и про¬
изводственное оборудование.
Потребители двигателей интересуются продажными ценами,
а не стоимостью изготовления, что и не удивительно. Поэтому
в табл. 1.11 представлены продажные цены автомобильных дви¬
гателей при годовом выпуске на уровне 400 000 шт. Там же
указана разница в цене по сравнению с обычным бензиновым
двигателем с принудительным зажиганием и гомогенным заря¬
дом (ГЗБ).
Таблица 1.11. Продажная цена автомобильных двигателей при объеме вы¬
пуска 400 000 шт./год (в ценах 1981 г.)
Мощность двигателя 75 кВт
Мощность двигателя 112 кВт
Тип двигателя
Удельная
цена,
долл./кВт
Разница в цене
по отношению
к ГЗБ, %
Удельная
цена,
долл./кВт
Разница в цене
по огошению
к ГЗБ, %
Двигатель с принуди¬
тельным зажиганием
25,25
—
18,74
—
и гомогенным заря¬
дом (ГЗБ)
Двигатель С принуди¬
тельным зажиганием
26,53
+5,1
19,49
+4,0
и слоистым зарядом
Двухвальная газовая
турбина
Двигатель Стирлинга
36,04
39,74
+42,7
+57,4
25,41
28,92
+35,6
+54,3
С точки зрения стоимости изготовления и продажной цены
двигатели Стирлинга дороже других двигателей, хотя при бла¬
гоприятных для них объеме выпуска и области применения они
могут стать экономически более выгодными, чем их конкуренты.
Однако совершенно ясно, что с увеличением мощности двигате¬
лей Стирлинга и объема их производства они станут с эконо¬
мической точки зрения все более конкурентоспособными. Взаи¬
мосвязь между составляющими стоимости, рассмотренными в
настоящем разделе, показана на рис. 1.118.
Распределение суммарной стоимости двигателя Стирлинга с
косой шайбой фирмы «Форд» по элементам конструкции, со¬
ставляющим энергосиловую установку, приведено в табл. 1.12
для годового объема выпуска 400 000 шт. [53].

140 Глава I
Таблица 1.12. Составляющие стоимости двигателя Стирлинга
Подсистема двигателя
Доля общей стоимости, %
Мощность Мощность
двигателя двигателя
75 кВт 112 кВт
Система сжигания топлива
19,4
18,1
Т еплообменники
29,5
34,8
Основные механические компоненты
19,4
19,3
Уплотнения
8,0
6,7
Система управления мощностью
8,0
6,7
Вспомогательные агрегаты двигателя
15,7
14,4
Наибольшую относительную стоимость имеют теплообменни¬
ки, и фирма искала возможности снизить ее приблизительно до
17 % за счет совершенствования конструкции и технологии из¬
готовления [37], пока ее программа совершенствования двига¬
телей Стирлинга не прекратила свое существование.
Рис. 1.118. Взаимосвязь между составляющими стоимости.
Даже если для двигателя Стирлинга будут применяться ме¬
нее дорогие материалы и будет достигнут соответствующий
объем производства, то и в этом случае вряд ли двигатель
Стирлинга будет дешевле, чем, скажем, двигатель с принуди¬
тельным зажиганием и гомогенным зарядом. Однако, как уже
говорилось выше, потребитель, возможно, будет готов пойти на
дополнительные расходы ради преимуществ, которые будут свя¬
заны с этим двигателем. Если удастся реализовать потенциаль¬
ные возможности двигателя по экономии топлива и смазочного
масла и увеличению установленной долговечности, то снижение
стоимости эксплуатации двигателя Стирлинга может повлечь за
собой экономию суммарных затрат на приобретение и эксплу-

Общее описание двигателей Стирлинга 141
атацню двигателя, что на потребителя должно произвести боль¬
шее впечатление, чем соображения охраны окружающей среды
и преобразования энергии. Особое внимание на такую экономию
должны обратить в Западной Европе, где «экономичные» авто¬
мобили с низким расходом топлива становятся все более по¬
пулярными, хотя первоначальная стоимость таких автомобилей
ненамного меньше, чем более роскошных, но менее экономич¬
ных автомобилей. Интересно,	км/гой
что на рынке подержанных ав¬
томобилей «экономичный» ав¬
томобиль перепродается часто
по более высокой цене, чем его
«собратья» более высокого
класса. Расчет общей рента¬
бельности, которой можно ожи¬
дать от двигателя Стирлинга,
был выполнен фирмой «Юнай¬
тед Стирлинг» для случая
установки двигателя на грузо¬
вой автомобиль [59]. Опубли¬
кованные данные относятся к
уровню цен 1973 г., однако по¬
следовавший катастрофиче¬
ский рост инфляции и рост в
геометрической прогрессии цен
на топливо и смазочные мате¬
риалы затрудняют перевод по¬
лученных результатов к уров¬
ню цен 1981 г., в то же время публикация здесь расчетов стои¬
мости на уровне 1973 г. вряд ли целесообразна.
Коэффициент экономической рентабельности (КЭР) вычис¬
лялся по следующей формуле:
Рис. 1.119. Время компенсации перво¬
начальной разницы в стоимости дви¬
гателя Стирлинга и дизеля в процес¬
се эксплуатации. (С разрешения фир¬
мы «Юнайтед Стирлинг», Швеция.)
(Данные скорректированы авторами.)
КЭР — коэффициент экономической рента¬
бельности.
КЭР
(Разность стоимостей^ /Разность первоначальныхЧ
  эксплуатации ) у	стоимостей	)
Разность первоначальных стоимостей
(1.10)
при этом разности определяются между соответствующими по¬
казателями двигателя Стирлинга и эквивалентного дизеля.
Из результатов, полученных фирмой «Юнайтед Стирлинг» и
скорректированных авторами (рис. 1.119), следует, что при экс¬
плуатационном пробеге 16 000 км в год КЭР = 0 после 4,1 года
эксплуатации; иными словами, за этот период меньшие затра¬
ты на эксплуатацию двигателя Стирлинга по сравнению с дизе¬
лем уравновесят его большую первоначальную стоимость, а че¬
рез 5,7 года КЭР достигнет значения 0,5, т. е. будет получена
экономия, равная половине разности первоначальных капитало-

142 Глава 1
вложений. При годовом пробеге 100 000 км — среднем для Ев¬
ропы при международных автомобильных перевозках — перво¬
начальные дополнительные капиталовложения окупятся через
2—3 месяца эксплуатации. Эти результаты получены для оди¬
ночного автомобиля. Аналогичный расчет, проведенный для ав¬
токолонны, дал бы еще более благоприятные результаты. Даже
такой краткий обзор вопросов, связанных со стоимостью двига¬
телей Стирлинга, позволяет сделать обоснованный вывод, что
этот двигатель, хотя и имеет большую стоимость изготовления,
зато потенциально менее дорог в эксплуатации. При дальней¬
шем повышении стоимости нефтепродуктов и затруднениях в
их приобретении преимущества двигателя Стирлинга могут
стать еще более ощутимыми.
Хотя двигатель Стирлинга может работать на самых раз¬
личных источниках энергии, несомненно, что еще и в начале
будущего столетия основным источником энергии для наземно¬
го транспорта останутся углеводородные топлива. Это не озна¬
чает, что углеводородные топлива по-прежнему будут получать
из существующих источников и что они сохранят современный
вид. Этот вопрос предстоит изучить, так как возможны допол¬
нительные экономические выгоды за счет способности двигате¬
ля Стирлинга работать на различных видах топлива. Поэтому
вслед за обсуждением технологичности двигателя Стирлинга
мы рассмотрим возможности использования альтернативных
углеводородных топлив.
е.	Технологичность
Хотя этот вопрос рассматривается отдельно от стоимости; на
самом деле стоимость изготовления прямо связана с техноло¬
гичностью. Однако для большей четкости изложения удобнее
рассмотреть вопросы, связанные с технологичностью, отдельно.
Как видно из табл. 1.10, двигатель Стирлинга имеет большую
стоимость, чем другие варианты автомобильных двигателей; со¬
ставляющие этой стоимости приведены в табл. 1.12. Основная
причина такой относительной дороговизны двигателя Стирлин¬
га — использование высоколегированных сплавов для изготов¬
ления теплообменников. Конструкция теплообменников преду¬
сматривает применение весьма дорогой технологии пайки и до¬
рогостоящих материалов для пайки, при этом длина паяных
швов весьма значительна [37]. Допуски на обработанные по¬
верхности деталей двигателя Стирлинга, как правило, более
жесткие, что является следствием применения замкнутого рабо¬
чего цикла. Для свободнопоршневых двигателей Стирлинга ка¬
чество механической обработки является, вероятно, наиболее
важным требованием для обеспечения нормальной работы дви¬
гателя.

Общее описание двигателей Стирлинга 143
Сборка основных механических компонентов двигателя
Стирлинга должна производиться с большой тщательностью,
особенно сборка уплотняющих устройств. Любая неточность
сборки поведет к поломке двигателя. Уплотнение типа «скаты¬
вающийся чулок» особенно чувствительно к небрежностям сбор¬
ки, и при установке такого тонкого и хрупкого уплотнения тре¬
буется особая чистота места сборки.
Таблица 1.13. Время, затрачиваемое на изготовление двигателя
(распределение по видам работ)
Доля затраченного времени, %
Вид работ
Двигатель
Стирлинга
двгт
ГЗБ
СЗБ
Литье
Сборка
Механическая обработка
60
30
10
40
20
40
60
10
30
60
20
20
Таблица 1.14. Стоимость произведенного оборудования и
(в ценах 1981 г.)
сооружений
Стоимость, долл./двигатель
Тип оборудования
Двигатель
Стирлинга
ДВГТ
ГЗБ
СЗБ
Оборудование для механической
обработки (станки)
Литейное оборудование
Инструмент
Капитальное строительство
590
506
219
405
844
268
219
439
287
223
203
287
371
257
203
318
Суммарные капиталовложения
1720
1770
1000
1149
На изготовление двигателя Стирлинга затрачивается при¬
близительно такое же время, как и на изготовление других дви¬
гателей, однако квалификация персонала должна быть выше
по упомянутым выше причинам. Хотя время, затрачиваемое
при сборке, возможно, и такое же, как при сборке других дви¬
гателей, распределение этого времени по отдельным операциям
будет иным, и, разумеется, это может повлиять на общую стои¬
мость. Соображения, высказанные в этом кратком обсуждении,
подтверждаются данными, приведенными в табл. 1.13 и 1.14.
Суммарное время, затрачиваемое на изготовление одного дви¬
гателя, принято равным 10 ч независимо от типа двигателя.
Из таблиц следует, что, хотя на литье деталей двигателя
Стирлинга требуется столько же времени, сколько на литье

144 Глава 1
деталей двигателя с принудительным зажиганием, стоимость ли¬
тейного оборудования для первого двигателя в два раза выше.
Исходя из этого, следует ожидать высоких первоначальных ка¬
питаловложений, требуемых для строительства заводов двига¬
телей Стирлинга, и это, вероятно, объясняет сдержанность изго¬
товителей двигателей при решении вопроса о широкой произ¬
водственной программе; они ожидают момента, когда отпадут
все сомнения в том, что этот двигатель сможет реализовать
свои потенциальные преимущества. Причины, по которым стои¬
мость 1 кВт, развиваемого опытным двигателем Стирлинга ин¬
дивидуального изготовления, весьма высока, также вполне по¬
нятны.
ж.	Альтернативные источники энергии
Происшедший энергетический кризис касался только одного
источника энергии — сырой нефти и жидких углеводородных
топлив, получаемых из нее. За последнее десятилетие (1971—
1981 гг.) результатом кризиса были возрастание в геометриче¬
ской прогрессии цен на топливо, а также трудность сохранения
гарантированных поставок топлива. Однако необходимо по¬
мнить, что наша планета не располагает неограниченными ре¬
зервами сырой нефти, хотя пройдет немало лет, прежде чем
имеющиеся резервы истощатся настолько, что это окажет замет¬
ное глобальное воздействие. Кризис усугубился неравномерным
распределением нефти по регионам, так что в настоящее время
весьма мало стран, которые сами обеспечивают свои потреб¬
ности в нефти, и совсем немного стран, которые располагают
таким количеством, нефти, что имеют большие ее излишки.
Большинство стран вынуждено импортировать часть или даже
все необходимое им углеводородное топливо, на что уходит зна¬
чительная сумма иностранной валюты. К 1980 г. 44,6 % мирово¬
го потребления энергии будет удовлетворяться за счет сырой
нефти [60], и это число показывает чудовищную трудность
проблемы, которую предстоит решить.
Структура потребления энергии различна в разных странах,
однако в качестве примера мы взяли структуру потребления в
США, поскольку США потребляет больше энергии, чем любая
другая страна. Структура потребления на 1977 г. дана в
табл. 1.15 [61].
Потребление жидких углеводородов -в США аналогично об¬
щемировому и составляет 48,8 % общего потребления энергии,
что соответствует 795 млн. т/год; 54,5 % этого топлива расхо¬
дуется на нужды транспорта. США приходится импортировать
50 % требуемого им количества нефти, что составляет около
375 млн. т/год и приводит к затрате многих миллиардов дол¬
ларов. Естественно, такие затраты побуждают поиск альтерна-

Общее описание двигателей Стирлинга 145
Таблица 1.15. Структура годового потребления энергии в США
Область потребления
Потребление энергии, %
Суммарное
Ископаемое
топливо
Жидкие углево¬
дороды (в том
числе)
Торговые предприятия
14,8
13,3
5,8
Жилые здания
21,2
18,9
6,0
Т ранспорт
28,0
27,9
26,6
Промышленность
36,0
33,1
10,4
тивных топлив. Однако замена жидких углеводородов в каче¬
стве источников энергии представляет собой труднейшую зада¬
чу и потребует многих лет интенсивных исследований и разра¬
боток. Решению задачи может помочь использование солнечной
и геотермальной энергии, энергии ветра, однако развитие этих
источников в настоящее время показывает, что в целом они не
будут иметь большого значения по меньшей мере до начала
будущего столетия. Атомные электростанции и гидроэлектро¬
станции будут, как предсказывают, к 1990 г. удовлетворять
около 15 % энергопотребления. Это означает, что на долю неф¬
ти останется около 40 % мирового потребления энергии. Одна¬
ко все эти альтернативные источники окажут незначительное
влияние (или вообще его не окажут) на расход нефти на транс¬
порте, если только не увеличится перевозка грузов по железным
дорогам и не будет осуществлена полная электрификация же¬
лезных дорог. Даже в этом случае проблема снабжения топли¬
вом безрельсового пассажирского и грузового транспорта оста¬
ется. Очевидно, имеются три возможных варианта:
1) использование иных, чем нефть, ископаемых топливных
ресурсов;
2) использование углеводородов с меньшей степенью
очистки;
3) использование синтетических жидких углеводородов.
Вариант 1 связан с многочисленными трудностями, среди ко¬
торых не последнее место занимает обеспечение энергетическо¬
го эквивалента 795 млн. т нефти, составляющего 4-1018 Дж.
Для обеспечения этого эквивалента необходимы нереально
быстрые темпы развития индустрии твердого и газообразного
ископаемого топлива. В ближайшем будущем возможно увели¬
чение производства этих топлив на существующих предприяти¬
ях, и, хотя это поможет решению проблемы, возникнет другая
проблема — как использовать эти виды топлива на современ¬
ных двигателях.
10 Зак. 839

146 Глава 1
Для энергосиловых установок с внешним подводом тепла,
таких, как двигатели Стирлинга и паровые машины, это не со¬
ставило бы трудностей. Проблему в основном можно решить и
для мощной стационарной газовой турбины. Другие рассматри¬
ваемые двигатели не так легко приспособить к альтернативным
топливам, что видно из табл. 1.16 [62], где знак X обозначает
возможность использования данного топлива, знак ОХ — проб¬
лематичную возможность такого использования, а прочерк озна¬
чает, что топливо не может быть использовано.
Таблица 1.16. Приспособленность двигателей к различным видам топлива
Вид топлива
ГЗБ
СЗБ
Авиационная
газовая
турбина
Дизель
На основе угля
Смесь угольной пыли и остат¬
ох
ков перегонки нефти
Смесь угольной пыли и метанола
—
—
ох
Жидкое топливо на основе угля
Бензин
X
X
Смесь дизельного топлива и
—
X
—
X
топлива для реактивной авиа¬
ции
Т яжелое топливо (мазут)
_

X
Жидкое топливо из сланцев
Бензин
X
X
X
Смесь дизельного топлива и
—
X
—
X
топлива для реактивной авиа¬
ции
Топливо на основе нефтеоргани¬
X
X
X
ческих отходов '
Метанол
X
X
X
X
Водород
X
X
X
X
Метан
X
X
X
X
Данные табл. 1.16 свидетельствуют, что ситуация не слиш¬
ком обнадеживающая, и похоже, что времени для улучшения
ситуации в случае варианта 1 не так уж много.
Вариант 2 получил определенную поддержку в популярной
прессе, однако октановое и цетановое числа таких углеводоро¬
дов недостаточны для надежной работы существующих двигате¬
лей. Даже если эти двигатели удастся приспособить для рабо¬
ты на этих топливах, экономия энергии будет не столь значи¬
тельна, как это кажется на первый взгляд. Подсчитано, что
при использовании менее очищенных углеводородов экономия

гг
Общее описание двигателей Стирлинга 147
энергии составит не более 3,8 % [53], и, поскольку использова¬
ние таких топлив отрицательно скажется на удельных расходах
топлива и на содержании выбросов в атмосферу, этот вариант
также не является решением проблемы.
Таким образом, единственный вариант, который остается,—
это производство синтетических жидких углеводородов, т. е.
углеводородов, получаемых не из ископаемой нефти, а, напри¬
мер, из угля, горючих сланцев, смолистых песков. К недостат¬
кам этого варианта следует отнести большие затраты энергии
на процесс получения синтетических топлив. Например, жидкое
топливо, получаемое из угля, особенно предназначенное для
двигателя с принудительным зажиганием, теряет в процессе
своего производства до 40 % энергии, содержащейся в источни¬
ке, из которого оно получено. Однако производство топлива из
угля, предназначенное для двигателя Стирлинга, не требует
сложной технологии, и на получение такого топлива затрачива¬
лось бы существенно меньше энергии. Из сказанного следует,
что для подсчета общего термического КПД установки, работа¬
ющей на синтетическом топливе, необходимо учитывать также
КПД преобразования первоначального вида энергии в ее вид,
пригодный для использования в данной установке. Результаты
таких расчетов представлены в табл. 1.17 [63].
Таблица 1.17. Термические КПД, характеризующие преобразование энергии
заключенной в источнике топлива, в полезную работу
на выходе из двигателя
Синтетическое
топливо
Источник топлива
КПД пре-
образова¬
ния
энергии
источника
в энергию
топлива, %
Тип
двигателя
кпд
двигателя,
%
Общий
КПД,
%
Бензин
Сырая нефть
90
ГЗБ
16
144
»
Уголь
55
СЗБ
18
9,9
»
Сланцевое мас¬
ло
65
СЗБ
18
П,7
Дизельное топ¬
ливо
Сырая нефть
92
тнд
20
18,4
То же
Сланцевое мас¬
ло
67
тнд
22
14,7
Продукты пере¬
гонки
Сырая нефть
94
Г азовая тур¬
бина
20
18,8
То же
То же
94
СЗБ
23
21,6
»
» »
94
Двигатель
Стирлинга
25
23,5
»
Уголь
67
То же
25
16,8
»
Сланцевое мас¬
ло
70
» »
25
17,5
10*

148 Глава 1
По этим результатам вариант 3 представляется более при¬
влекательным, за исключением того, что все перспективные дви¬
гатели, для которых получены удовлетворительные результа¬
ты,— двигатели с принудительным зажиганием и слоистым за¬
рядом, дизели с турбонаддувом, двигатели Стирлинга и газовые
турбины,— требуют значительных капиталовложений для произ¬
водства в объемах, обеспечивающих их рентабельность. В мо¬
дифицированном варианте 3 рассмотрена возможность использо¬
вания горючих смесей, составленных из синтетического топлива
и бензина, полученного из нефти. Одна такая смесь испы¬
тывалась в условиях эксплуатации — это газохол (10% этано¬
ла, полученного из гранулированного сырья, и 90 % неэтилиро¬
ванного бензина). Результаты испытаний показали, что эта
смесь имеет свойства, почти идентичные свойствам бензина, со¬
ставляющего ее основу, и обеспечивает почти те же рабочие ха¬
рактеристики двигателя, что и бензин, а несколько меньший
энергетический потенциал единицы объема смеси перекрывается
ее более высоким октановым числом. Можно также использо¬
вать смеси бензина с метанолом [61].
Использование смесей, однако, лишь в незначительной
степени снизит остроту проблемы импорта нефти, а именно
пропорционально процентному содержанию синтетического топ¬
лива в смеси. В то же время капиталовложения, необходимые
для строительства заводов по производству сравнительно не¬
большого количества таких смесей, превысили бы возможности
малых стран и даже многих многонациональных компаний. На¬
пример, согласно оценкам, для производства 17,2 млн. т/год
газохола к 1990 г. (иными словами, всего 2 % общей потребно¬
сти в жидких углеводородах) понадобилось бы не менее
10 млрд. долл. Этот расчет выполнен для смеси этанола с бен¬
зином в отношении 5 : 95, так что общее количество потребляе¬
мой нефти уменьшится на величину, составляющую 5 % от 2 %,
т. е. на 0,1 %. С учетом современных цен на нефтепродукты та¬
кое строительство обойдется в 20 раз дороже, чем закупка со¬
ответствующего количества нефти.
Из сказанного следует, что, хотя необходимость заставляет
искать альтернативные источники топлива, потребуются колос¬
сальные капиталовложения, чтобы эти источники смогли оказы¬
вать хоть какое-то влияние на структуру потребления топлива
вплоть до конца первой четверти следующего столетия, в осо¬
бенности синтетические топлива. Тяжелые нефтяные топлива и
уголь смогут оказать некоторое влияние на структуру потреб¬
ления топлива стационарными силовыми установками как ма¬
лой, так и большой мощности. Для транспортных силовых уста¬
новок единственным выходом из положения остается снижение
расхода топлива, причем это относится не только к автомоби¬

Общее описание двигателей Стирлинга 149
лям, но и к морским судам, где 72 % бортовых силовых устано¬
вок составляют дизельные двигатели [60]. Сокращение норм
потребления топлива, как уже говорилось, только частично раз¬
решает проблему: двигатели с существенно меньшим расходом
топлива окажут большее влияние на решение проблемы эконо¬
мии энергии, особенно если они будут способны работать на
различных видах топлива. Двигатель Стирлинга продемонстри¬
ровал, что уже на современном этапе своего развития он может
обеспечить существенную экономию топлива. Однако с учетом
интенсивности проводимых в настоящее время исследователь¬
ских и конструкторских разработок эта экономия может быть
еще больше. Фирма «Форд» к моменту завершения своей про¬
граммы работ по двигателям Стирлинга прогнозировала, что с
уровнем достоверности 73 % можно ожидать снижения расхода
топлива на 38 %, а с уровнем достоверности 52 % —на 81 %
[40].
1.6.8.	Характеристики двигателя «Флюидайн»
Двигатели «Флюидайн» как «мокрого», так и «сухого» типов
были созданы в Центре по атомной энергии в Харуэлле (Анг¬
лия), и начиная с 1970 г. по этим двигателям была выполнена
большая теоретическая и экспериментальная работа. К сожале¬
нию, подробная информация об этой работе еще не опублико¬
вана. Однако в других институтах также была выполнена рабо¬
та по этим двигателям, достаточная для того, чтобы вынести
определенные суждения о рабочих характеристиках двигателей
«Флюидайн». Большинство опубликованных работ относится к
двигателю «Флюидайн», используемому в качестве насоса
(рис. 1.40 и 1.41). Эти исследования в целом хорошо докумен¬
тированы, имеют подробные описания экспериментов, однако
полученные результаты не слишком детализированы. Это не
удивительно, поскольку имеются определенные трудности в по¬
лучении фундаментальных результатов из-за отсутствия обору¬
дования и приборов, которые можно было бы приобрести для
таких исследований [64, 65]. Кроме того, «Флюидайн» — на¬
столько необычное устройство, что у исследователей появляется
соблазн «поиграть» с ним — изменяя конструктивные параметры,
наблюдать, что из этого получится.
В этой главе собраны все имеющиеся экспериментальные
данные по этим двигателям. Для обобщения характеристик дви¬
гателей «Флюидайн» этих данных явно недостаточно. Когда ста¬
нут доступными публикации центра в Харуэлле и будет опубли¬
кована книга Уокера и Уэста [33], мы будем располагать зна¬
чительно большим объемом информации для изучения. Однако
одно обобщение можно сделать уже сейчас, и оно касается двух

150 Глава 1
режимов работы двигателей «Флюидайн». В «мокром» режиме
в горячем цилиндре происходит значительное парообразование.
Это увеличивает изменения давления в цикле, так что при нор¬
мальных рабочих температурах амплитуда колебаний давления
в цикле в 5—7 раз выше, чем в случае однофазного газа.
Соответственно возрастает развиваемая мощность, и, следо¬
вательно, мощность на единицу массы выше, чем в «сухом»
режиме. Однако при наличии парообразования необходимо
увеличивать подвод тепла в систему, чтобы сбалансировать
скрытую теплоту парообразования. В результате общий КПД
получается весьма низким — обычно менее 1 %• Если вос¬
препятствовать парообразованию, то, несмотря на падение
удельной мощности и уменьшение количества подводимой энер¬
гии, можно достигнуть увеличения КПД до 10%. В то время
как «мокрый» «Флюидайн» может работать при весьма низких
температурах в горячей полости (80—100 °С), работа в «сухом»
режиме протекает при значительно более высоких температу¬
рах (в среднем при 400 °С). При выборе между «мокрым» и
«сухим» режимами работы необходимо тщательно взвесить все
«за» и «против».
«Флюидайн» с подкачкой энергии, осуществляемой реактив¬
ной струей, из-за простоты своей конструкции и очевидной нечув¬
ствительности к выбору размеров практически без исключе¬
ний применяется в экспериментальных исследованиях и для ра¬
боты в качестве насоса. Опубликованные результаты исследова¬
ний приведены в табл. 1.18. Устройства, на которых были по¬
лучены эти результаты, имели различные размеры, и отобран¬
ные результаты следует рассматривать только как эксперимен¬
тальные данные.
Таблица 1.18. Характеристики двигателя «Флюидайн»
(типичные значения параметров)
кпд, %
Высота подъема
жидкости, м
Производитель¬
ность, л/ч
Источник
0,2
1,0
11,4
[66]
0,35
1,6
378
[67]
0,08
0,9
43,5
168]
0,15
0,3
22,6
[69]
0,18
1,1
113,6
[70]
Ряд исследований «мокрого «Флюидайна» с реактивной
струей был выполнен в отделении исследований двигателя Стир¬
линга Королевского морского инженерного колледжа (Англия).
В табл. 1.19 приведены типичные результаты. Полностью эти
результаты опубликованы Хенсманом [13] и Льюисом [21].

Общее описание двигателей Стирлинга 151
Таблица 1.19. Характеристики двигателя «Флюидайн», полученные
в Королевском морском инженерном колледже (Англия)
Подводимая
мощность,
Вт
Tss
ДГЯС- °с
Высота
подъема
жидкости, м
Производи¬
тельность,
' л/ч
кпд, %
Идеальный
КПД, %
51,9
0,024
17
0,94
68,4
0,52
4,67
49
0.026
19
0,94
65
0,34
5,20
40
0,032
22
0,94
50,5
0,33
6.20
49
0,029
20
1,00
68,6
0,38
5,64
67
0,062
42
1,00
73,6
0,30
11,51
В серии экспериментов Хенсмана подводимая энергия варьиро¬
валась от испытания к испытанию с целью определить, имеет ли
«Флюидайн» наиболее благоприятные режимы работы с точки
зрения подводимой энергии и параметра Tss, обеспечивающего
самозапуск двигателя (см. равенство (1.1)). При подготовке
эксперимента были приняты меры для уменьшения утечки теп¬
ла из горячей полости в окружающее пространство, и это спо¬
собствовало снижению величины Tss ниже значения 0,1, кото¬
рое ранее считалось критическим. В этих и других испытаниях
было установлено, что «Флюидайн» может работать при разно¬
сти температур между двумя полостями ЛГяс = 17 °С, которая
является весьма низкой величиной. Все упомянутые параметры
приведены в табл. 1.19.
Эти параметры типичны для «Флюидайна» и содержат ряд
интересных особенностей, например такую, что увеличение раз¬
ности температур горячей и холодной полостей необязательно
влечет за собой увеличение теплового потока и КПД. Эта осо¬
бенность, вероятно, отличает «мокрый» «Флюидайн» не только
от других двигателей Стирлинга, но и вообще от других уст¬
ройств, вырабатывающих механическую энергию. В основе это¬
го необычного свойства лежит, по-видимому, тот факт, что в
этом двигателе рабочее тело двухфазное и двухкомпонентное
[21, 65], поэтому для «мокрого» «Флюидайна» наиболее благо¬
приятными являются рабочие режимы, в которых последова¬
тельно преобладают рабочие циклы либо с сухим воздухом, ли¬
бо с влажным паром.
Циклические изменения давления и фазового угла «мокрого»
«Флюидайна» также отличаются от соответствующих характе¬
ристик обычного двигателя Стирлинга, в то время как «сухой»
«Флюидайн», как утверждают, имеет рабочие характеристики,
аналогичные рабочим характеристикам обычного двигателя
Стирлинга с жестким кривошипно-шатунным механизмом. Пе¬
ремещения мениска жидкости, эквивалентные движению твердо¬
го поршня, не точно следуют синусоидальному закону. Между

152 Глава 1
Рис. 1.120. Профили перемещения менисков жидкости в трубах «мокрого»
«Флюиданна» [21].
1—«горячая» труба; 2—«холодная» труба; 3—выходная труба.
перемещениями трех менисков в выходной, горячей и холодной
трубах не поддерживается постоянный сдвиг по фазам в тече¬
ние рабочего цикла. Эта особенность показана на рис. 1.120.
Циклические перемещения наблюдались с помощью фототех¬
ники, однако в работе [64] описывается аппаратура, позволяю¬
щая упростить измерения этих перемещений. Типичные измене¬
ния давления цикла в горячей и холодной полостях показаны
на рис. 1.121, а изменения температуры цикла — на рис. 1.122.
Что касается последнего параметра, то, хотя наличие изме¬
нений очевидно, они весьма малы по своей величине, и для рас¬
четов процесс можно считать в среднем изотермическим. Этот
вопрос, однако, требует дальнейшего исследования. В работе
[71] высказывается предположение, что холодную полость мож¬
но считать изотермической, а горячую — адиабатной. Полу¬
ченных результатов недостаточно, чтобы принять или отверг¬
нуть это предположение. Двигатели «Флюидайн», испытанные в
отделении исследований двигателей Стирлинга Королевского
морского инженерного колледжа, имели рабочие частоты в диа¬
пазоне 0,7—2,0 Гц, и, судя по опубликованным данным, этот
диапазон типичен для всех двигателей «Флюидайн», построенных
к настоящему времени.
Необходимо сделать еще одно замечание относительно опуб¬
ликованных описаний экспериментов. Это замечание касается

Общее описание двигателей Стирлинга 153
устойчивости колебаний системы. «Флюидайн» обладает способ¬
ностью к «самовозбуждению» (иными словами, способностью к
«самозапуску») и, будучи пущенным в ход, начинает работать с
установившимися колебаниями. Эта способность дает возмож¬
ность ввести более точную классификацию двигателей «Флюи¬
дайн» [21, 65]. Такая классификация состоит из двух частей.
Первая дает определение «Флюидайна» как автономной си¬
стемы, что является прямым следствием неявного вида произ¬
водной по времени в гидродинамических уравнениях, описываю¬
щих систему. В таких системах частота колебаний является
функцией их амплитуды, и это подтвердилось в экспериментах с
«Флюидайном». Вторая связана с тем, что из-за демпфирования
в системе «Флюидайна» описывающие ее уравнения неконсерва¬
тивны. В общем случае в такой системе колебания должны бы¬
ли бы экспоненциально затухать со временем, чего, однако, не
происходит во «Флюидайне», в котором колебания носят устой¬
чивый характер. Это дает основание утверждать, что система
работает в режиме «ограниченного цикла» [21]. Наиболее важ¬
ным следствием этого утверждения является то, что система,
работающая в ограниченном цикле, может самовозбуждаться.
В случае «Флюидайна» это проявляется в способности системы
«самозапускаться». Самовозбуждение возможно в двух фор¬
мах — «жесткой» и «мягкой», причем существование той или
иной формы определяется конкретным параметром системы.
В колебательной электрической цепи таким параметром может
быть общая индуктивность, в то время как в случае «Флюи¬
дайна» им, очевидно, является температурный параметр самоза-
пуска TSS. Когда достигнуто критическое значение ключевого
Рис. 1.121. Изменения давления цикла в «мокром» «Флюидайне».
1—полость расширения; 2—полость сжатия.

154 Глава I
Время, с
б	Бремя,	О
Рис. 1.122. Изменения температуры цикла в «мокром» «Флюидайне».
а—холодная полость; б—горячая полость.
параметра и возникают самовозбуждающиеся колебания, то воз¬
буждение определяется как «мягкое», если амплитуда колеба¬
ний нарастает медленно; когда же самовозбуждение возникает
быстро и амплитуда также быстро достигает своего предельного
значения, то преобладает «жесткое» самовозбуждение. Экспери¬
ментальные наблюдения свидетельствуют, что «Флюидайн» яв¬
ляется «жесткой» системой.

Общее описание двигателей Стирлинга 155
Это обсуждение вопросов устойчивости работы «Флюидайна»
может показаться несколько академическим, однако анализ и
математическое моделирование «Флюидайна» с помощью обыч¬
ных термодинамических и гидродинамических методов весьма
затруднительны и требуют значительного машинного времени
для решения уравнений. В то же время моделирование метода¬
ми устойчивости, которые хорошо разработаны в рамках теории
регулирования, позволяет упростить решение проблемы и полу¬
чить более точное описание процессов, протекающих во «Флюи¬
дайне», и более достоверные результаты. Это даст возможность
не только применить более научный подход к конструированию
двигателя, но и сопоставить и объяснить результаты экспери¬
ментов.
Двигатели «Флюидайн» просты и не требуют больших за¬
трат на изготовление. Они представляются идеальными устрой¬
ствами для проведения исследований в университетах. Тем не
менее, хотя рабочий цикл «Флюидайна» интересен с академиче¬
ской точки зрения, такой подход не должен быть единственным
в ущерб насущно необходимому эмпирическому исследованию,
целью которого должно быть определение перспектив «Флюи¬
дайна» в том плане, сможет ли он стать коммерчески выгодным
изделием или останется изящной игрушкой.
1.7. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА
ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА
Имеется ряд агрегатов и вспомогательных систем, применя¬
емых исключительно в двигателях Стирлинга, и, хотя об этих
агрегатах и системах уже упоминалось ранее, хотелось бы, учи¬
тывая их оригинальность, описать их подробнее. Многие компо¬
ненты обычного двигателя подвергаются модификации для по¬
следующего использования в двигателе Стирлинга, однако в
этом разделе речь пойдет не о них, а- об агрегатах и подсисте¬
мах, применяемых исключительно в двигателях Стирлинга или
подобных им двигателях возвратно-поступательного действия с
замкнутым циклом. Объекты, рассматриваемые в настоящем
разделе, были тщательно отобраны с этой точки зрения. Выбор
пал на три таких объекта: уплотняющее устройство, систему
регулирования и систему рециркуляции отработавших газов.
Последняя система, служащая для снижения уровня выбросов
окислов азота, применяется только в двигателях Стирлинга, ис¬
пользующих внешнее сгорание для подвода энергии к двигате¬
лю. На конструкцию системы уплотнений способ подвода энер¬
гии не оказывает влияния, однако при разработке системы
регулирования необходимо принимать во внимание способ под¬
вода энергии.

156 Глава 1
1.7.1.	Уплотнения
В двигателе Стирлинга имеются две уплотняющие систе¬
мы — уплотнения поршня и уплотнения штока поршня. Именно
последняя система и создает проблему герметизации двигателя
Стирлинга. Причины, по которым потребовалась установка та¬
ких уплотняющих систем, уже рассматривались в предыдущих
разделах. Здесь же основное внимание будет уделено методам,
с помощью которых достигается уплотняющий эффект. В двига¬
телях с кривошипным приводом применяются два основных ви¬
да уплотнений штока поршня — диафрагменное уплотнение и
динамическое скользящее уплотнение, причем последнее наибо¬
лее часто применяется в двигателях двойного действия.
1.7.2.	Диафрагменное уплотнение
Дифрагменное уплотнение, или уплотнение типа «скатываю¬
щийся чулок», представляет собой эластичную дифрагму из по¬
лиуретана, кромки которой жестко закреплены на штоке рабо¬
чего поршня или вытеснителя и стенках картера, обеспечивая
герметичную изоляцию рабочей полости цилиндра (рис. 1.52),
находящейся под действием высокого давления, от картера, где
нет избыточного давления, или от находящейся под действием
избыточного давления буферной полости. До настоящего време¬
ни еще не найдено подходящего материала для диафрагмы, до¬
статочно эластичного, чтобы следовать за штоком, достаточно
прочного, чтобы выдерживать значительную разность давлений
по обе стороны диафрагмы, и достаточно жесткого, чтобы не
вытягиваться в процессе эксплуатации. Поэтому «скатывающий¬
ся чулок» приходится поддерживать с помощью масляной поло¬
сти, в которой с помощью регулирующего клапана (рис. 1.52)
создается избыточное давление, обеспечивающее разность давле¬
ний по обе стороны диафрагмы в заданных пределах. В двига¬
теле «Форд» с косой шайбой эта разность поддерживалась в
пределах 0,14—0,35 МПа [40], однако «скатывающийся чулок»
способен выдерживать разность давлений до 0,45 МПа [72].
Масло в полость подается с помощью нагнетательного коль¬
ца, которое на работающем двигателе служит масляным уплот¬
нением, противостоящим высокому давлению, а на остановлен¬
ном двигателе позволяет поддерживать статическое давление в
масляной полости. Кольцо (рис. 1.123) представляет собой ци¬
линдрическую втулку из латуни или алюминия, покрытую
изнутри слоем серебра. Иногда применяют втулку из белого ме¬
талла. Внутренняя поверхность кольца коническая с расшире¬
нием книзу, и масло, которое поступает в конический зазор ме¬

Общее описание двигателей Стирлинга 157
жду кольцом и штоком, при ходе расширения создает давление,
достаточное для перемещения кольца вверх; тем самым кольцо
функционирует как масляный насос высокого давления. Если
через кольцо нагнетается недостаточно масла или же происхо¬
дит значительная утечка масла при ходе поршня вниз, то регу¬
лирующий клапан автоматически открывает перепускной канал,
и поступающий в масляную полость газ под высоким давлением
восстанавливает заданную разность давлений по обе стороны
диафрагмы. Как показано на рис. 1.52, шток и корпус имеют
ступенчатые поверхности, что обеспечивает постоянный объем
2
Рис. 1.123. Нагнетательное кольцо системы уплотнений [72].
1 — латунная втулка; 2— стяжка на кольце.
масляной полости между нагнетательным кольцом и диафрагмой
в процессе выполнения рабочего цикла двигателя. Благодаря
этому перемещение штока не оказывает влияния на давление
масла.
Свойства полиуретана в значительной степени зависят от
температуры и в меньшей степени от влажности среды. При не¬
благоприятных условиях диафрагма размягчается, что в конеч¬
ном счете приводит к ее усталостному повреждению (разрыву).
Нормальная рабочая температура для первых образцов диа-
фрагменных уплотнений была около 40 °С. Было установлено,
что каждые 7 °С повышения температуры уменьшают на поря¬
док величину долговечности уплотнения. Использовавшие ли¬
цензию фирмы «Филипс» сотрудники концерна «Дженерал
моторе» намеревались достичь долговечности 10 ООО ч при темпе¬
ратуре 94 °С, и, хотя фирма «Филипс» считала это вполне
достижимым, в «Дженерал моторе» после 7 лет интенсивных ис¬
следовательских и конструкторских работ была получена долго¬
вечность полиуретанового уплотнения только 5489 ч при темпе¬
ратуре 40 °С, а уплотненения из материала вайтон 3200 ч при
температуре 116°С [54]. В 1978 г. фирма «Филипс» опублико¬
вала некоторые результаты испытаний диафрагменных уплотне¬
ний на одноцилиндровом двигателе .с ромбическим приводом
при скорости 3000 об/мин с гелием в качестве рабочего тела в
диапазоне давлений 7,5—10 МПа [72]. Весьма интересные ре¬
зультаты, опубликованные в этой статье, приведены в табл. 1.20.
Первоначальная длина диафрагм составляла 22,5—22,8 мм для
штока вытеснителя и 25,0—25,4 мм для штока поршня.

158 Глава 1
Таблица 1.20. Испытания на долговечность диафрагменных уплотнений,
проведенные фирмой «Филипс» [72] *)
Идентифика¬
ционный
код
уплотнения
Запланиро¬
ванная
продолжи¬
тельность
испытаний,
103 ч
Время работы
уплотнения
до выхода из
строя, ч
Остаточное
удлинение
диафрагмы,
%
Причина
выхода
уплотнения
из строя
П19
10
3162,5
35,1
п
П36
10
189,5
13,6
Р; П
П38
10
319,2
14,3
Р; П
П41
10
5478,8
20,8
ИЗ
В28
10
118,5
9,6
П
В37
10
2017
15,9
Р
В50
10
678,2
30.6
Р
В51
10
973
11,9
Р
В53
10
189,5
29,3
Р; П
В55
10
319,2
27,6
Р
В92
10
651,3
14,7
Р
В93
10
1823,9
29,8
П
В109
10
3175,4
8,8
ИЗ
П26
5
1556,6
18,9
П
П34
5
638,9
22,0
Р; П
П40
5
567,3
25,4
Р; П
П43
5
438,5
18,3
Р; П
П71
5
246
15,0
Р; П
П99
5
1000
13,0
ИЗ
В35
5
1479,5
21,5
п
В143
5
438,5
8,4
р
В52
5
77,1
3,1
р
В56
5
1206,2
27,8
р
В89
5
246,0
32,7
р
В91
5
570,7
11,4
р
В96
5
1000
32,6
р
*) Идентификационный код
обозначает: П — уплотнение штока
рабочего поршня.
В—уплотнение
вытеснителя, число — порядковый номер
уплотнения.
Причина выхода из
строя: П — повреждение (разрыв), Р — размягчение. ИЗ означает, что испытания завершены.
Из статьи неясно, сколько уплотнений было испытано и на¬
сколько представительными являются приведенные результаты.
По данным фирмы «Дженерал моторе», из уплотнений одной
партии некоторые разрушаются уже в течение первого часа ра¬
боты, в то время как другие выдерживают свыше 1000 ч. По
данным, опубликованным в работе [45], в 1969 г., последнем
году программы «Дженерал моторе» по работе над уплотнения¬
ми, срок службы полиуретановых диафрагм достигал 1400 ч;
средний срок службы их в 1978 г. был 1098 ч.
Несмотря на повышение долговечности, надежность все же
остается неудовлетворительной. Разрыв диафрагмы приводит к
катастрофическим последствиям и требует полной переборки
двигателя и очистки его внутренних полостей. Для устранения

Общее описание двигателей Стирлинга 159
этой опасности в фирме «Форд» разработана дублирующая си¬
стема, связанная с контрольным клапаном и предохраняющая
двигатель при разрыве диафрагмы, отказе контрольного клапана
или внезапной утечке рабочего тела. Чтобы система уплотнений
работала при возможно более низкой температуре, применяют
охлаждение блока цилиндров, а горячий поршень делают удли¬
ненным с головкой типа «Хейландт» и внутренними теплоотра¬
жательными экранами. Обычно горячий поршень имеет значи¬
тельное удлинение (его длина примерно в три раза превышает
ход поршня). Даже в таких условиях и при температуре масла,
поддерживаемой около 27 °С, температуры в окрестности
уплотнения остаются еще слишком высокими, не обеспечивая
нормальной работы диафрагменного уплотнения (рис. 1.124).
Ленинградское
Места установки термопары
Рис. 1.124. Распределение температур в зоне уплотнения штока при среднем
давлении цикла 100 МПа Г90].

160 Глава 1
В целом система диафрагменного уплотнения сложная и до¬
рогая. Полиуретан весьма чувствителен к загрязнениям, темпе¬
ратуре, водяным парам, которые могут содержаться в конси¬
стентной смазке, и погрешностям монтажа. Нагнетательное
кольцо не слишком успешно выполняет свою функцию статиче¬
ского уплотнения, так что после нескольких часов работы
обычно начинается утечка масла у кромки кольца. Масло проса¬
чивается сквозь микроскопические дефекты контактирующих по¬
верхностей в зоне контакта длиной 0,2 мм между кольцом
и штоком. Несмотря на то что для двигателей с кривошипным
приводом диафрагменное уплотнение является единственным,
реально существующим герметичным уплотнением, оно после
почти 20 лет доработок все еще не удовлетворяет требованиям
стабильной долговечности, простоты монтажа и замены. Поэто¬
му большие усилия сосредоточены на разработке скользящих
уплотнений (уплотнений сальникового типа).
1.7.3.	Скользящие уплотнения
Скользящее уплотнение — это устройство типа поршневого
кольца. Его главное преимущество с точки зрения массового
производства и стоимости — отсутствие дорогостоящей системы
регулирования давления масла, столь необходимой в случае
диафрагменных уплотнений. При установке кольцевых уплотне¬
ний некоторая утечка неизбежна даже при полированных што¬
ках поршней, а из-за необходимости обеспечения плотного кон¬
такта между уплотнением и штоком потери на трение будут
большими, чем при установке диафрагм. Потери мощности на
трение таких уплотнений при работе двигателя. Стирлинга в
нормальном режиме составляют 0,7—1,0 кВт на одно уплотне¬
ние [73]. Эти уплотнения имеют дополнительные преимущества,
не связанные с простотой изготовления и установки. Это — зна¬
чительно меньшая подверженность катастрофическим разруше¬
ниям. Узел скользящего уплотнения (рис. 1.53) обычно заклю¬
чен в металлический корпус, что значительно упрощает замену
и делает ее доступной для большинства работников сферы тех¬
нического обслуживания и ремонта, что особенно важно при
использовании таких уплотнений на автомобилях и морских
судах.
Шведская компания «Юнайтед Стирлинг» всегда применяла
скользящие уплотнения, что вполне обоснованно. В рамках про¬
граммы фирмы «Дженерал моторе» по работе над двигателями
Стирлинга в 60-е годы также проводились исследования по вы¬
бору и разработке основного уплотняющего элемента [74]. Со¬
вместная программа фирм «Форд» и «Филипс» тоже включала
разработку конструкции скользящих уплотнений [40]. Однако,

Общее описание двигателей Стирлинга 161
хотя конструкция скользящего уплотнения «Форд — Филипс»
принципиально весьма близка к конструкции уплотнения
«Юнайтед Стирлинг», его разработка так и не была полностью
завершена к намеченному сроку. Недавно фирма «Филипс»
вновь начала работу по созданию скользящего уплотнения и
уже разработала несколько новых конструкций. Об этой работе
сообщалось на конференции по уплотнениям в апреле 1981 г.
[75]. При использовании скользящего уплотнения необходимо
предусматривать устройство для вос¬
полнения рабочего тела, чтобы ком¬
пенсировать неизбежную его утечку;
следует также уделить больше вни¬
мания уплотнениям поршня, чтобы све¬
сти к минимуму утечку через уплотне¬
ние штока и уменьшить потери мощно¬
сти. Должны быть предусмотрены так¬
же устройства, предохраняющие масло
в картере от попадания в него рабо¬
чего тела двигателя. Чтобы макси¬
мально уменьшить утечку рабочего те¬
ла, полированная поверхность штока
поршня в зоне его контакта с основ¬
ным уплотнением должна иметь высоту
неровностей в пределах 150—200 мкм,
а овальность сечения штока не долж¬
на превышать 12,7 мкм. Это означает, что шлифование не
должно производиться на бесцентровых шлифовальных станках.
Динамическое скользящее уплотнение состоит из двух основ¬
ных элементов: уплотнения штока и так называемого уплотняю¬
щего колпачка. Основное уплотнение штока названо ленинград¬
ским и обычно изготавливается из политетрафторэтилена [76].
Ленинградское уплотнение изолирует внутренние рабочие поло¬
сти двигателя от картера и, таким образом, является элемен¬
том, изолирующим рабочее тело двигателя. Форма этого уплот¬
нения показана на рис. 1.125, и, по существу, этот кольцевой
уплотняющий элемент в сборочном узле уплотнения выполняет
роль диафрагмы.
При возвратно-поступательном движении штока масло будет
перемещаться по его поверхности и продавливаться через основ¬
ное уплотнение, поэтому над ним располагается маслосъемное
кольцо из тефлона, снимающее натеки масла. Предусмотрена
некоторая дополнительная зона за пределами длины хода пор¬
шня, выше которой, как предполагается, масло не будет прохо¬
дить через уплотнение (так называемый свободный ход штока).
Основное уплотнение и маслосъемное кольцо заключены в жест¬
кий металлический корпус уплотнения, в котором оставлено
Рис. 1.125. Ленинградское
уплотняющее кольцо.
1 —ленинградское	уплотнение
2—шток поршня.
11 Зак. 839

162 Глава 1
место для свободного хода штока. Этот корпус изолирует уплот¬
няющие элементы от рабочей полости переменного объема, об¬
разованной под поршнем двигателя двойного действия. У верх¬
него торца корпуса уплотнения над границей свободного хода
штока располагается скользящее кольцевое уплотнение (уплот¬
няющий колпачок), которое препятствует прониканию рабочего
тела из полости под поршнем в полость корпуса уплотнения.
Однако утечка все же будет происходить, и в полости корпуса
уплотнения может возникнуть избыточное давление, величина
которого достигнет величины среднего давления цикла. Такое
давление будет способствовать прониканию масла в рабочие
полости двигателя. Чтобы этого не произошло, в корпусе уплот¬
нения поддерживается давление, несколько большее минималь¬
ного давления цикла в рабочем теле. Таким образом, уплотняю¬
щий колпачок служит также и для предохранения полости кор¬
пуса уплотнения от колебаний давления.
Ленинградское уплотнение, изготовленное из политетрафтор¬
этилена (ПТФЭ), чувствительно к температуре, а поскольку
уплотнение сидит на штоке с натягом, то из-за трения в соеди¬
нении будет выделяться большое количество тепла. Масло, по¬
падающее в корпус уплотнения, будет действовать как охлаж¬
дающая жидкость и обеспечивать работу ленинградского уплот¬
нения при такой температуре, как если бы масляная струя пря¬
мо направлялась на поверхность штока непосредственно под
корпусом уплотнения. Смесь масла и рабочего тела отводится
из полости корпуса уплотнения в систему сепаратор — осуши¬
тель. Пузырьки масла опускаются в поддон сепаратора, служа¬
щий резервуаром для сбора масла. Когда масла накопится до¬
статочное количество, открывается поплавковый клапан, и мас¬
ло возвращается в картер двигателя. Остатки масла конденси¬
руются в осушителе из смеси газа (рабочего тела) с маслом и
присоединяются к маслу, уже скопившемуся в резервуаре сепа¬
ратора. Рабочее тело из осушителя направляется через обрат¬
ный клапан в цилиндр двигателя. Обратный клапан, открыва¬
ясь, пропускает газ в рабочую полость в непосредственной бли¬
зости от корпуса уплотнения, когда давление в корпусе уплот¬
нения превышает давление в цилиндре. Следовательно, рабочее
тело непрерывно циркулирует -между системой уплотнений и
цилиндром двигателя.
Из практических соображений под ленинградским уплотне¬
нием устанавливают дополнительное маслосъемное кольцо, ко¬
торое прижимается к стенкам цилиндра обычным механическим
пружинным устройством. Конструктивная схема системы сколь¬
зящего уплотнения в целом показана на рис. 1.126.
Ленинградское уплотнение, уплотняющий колпачок и масло¬
съемные кольца обычно изготавливают из ПТФЭ. В фирмах

Общее описание двигателей Стирлинга 163
«Форд» и «Филипс» пытались использовать для этой цели так¬
же металлические маслосъемные кольца. Предпочтительнее
ПТФЭ был и в значительной степени еще остается материал на
основе ПТФЭ, известный под названием «рулон». Имеется не¬
сколько модификаций этого материала. Одно время казалось,
что концепция скользящего уплотнения с применением рулона
Рис. 1.126. Система скользящего уплотнения [40].
1 — уплотняющий колпачок; 2—отверстие для выхода масла и газа; 3—маслосъемное
кольцо; 4—ленинградское уплотнение; 5 — бронзовый направляющий подшипник; 6 — сепа¬
ратор; 7 — поплавковый клапан; 8 —входное отверстие для масла-
успешно осуществлялась в рамках автомобильной программы
«Форд», и в период завершения программы испытаний двигате¬
лей с января по август 1978 г., не было ни одного случая выхо¬
да из строя двигателя из-за неисправности скользящих уплотне¬
нии. Однако наибольшее время непрерывной работы уплотнения
составило только 200 ч. И поскольку скорость изнашивания уп¬
лотнений еще велика, а масло попадает в рабочую полость [40],
то система уплотнений продолжает нуждаться в усовершенст¬
вовании.
Кроме того, программы исследований уплотнений, как тео¬
ретические, так и экспериментальные, входят в проект поиско¬
вых работ по автомобилям в США и в английский проект «Сер¬
пент». Аналогичные работы ведут фирмы «Юнайтед Стирлинг»
11*

164 Глава 1
1
и «Филипс». Однако к настоящему времени еще нет достаточ¬
ной информации о достигнутом уровне совершенства уплотнений
с точки зрения интенсивности утечек, скорости изнашива¬
ния, влияния температуры и т. п. К счастью, имеется значитель¬
но более полная информация о рабочих характеристиках порш¬
невых колец, и поскольку для поршневых колец используются
те же материалы, что и для ос¬
новных уплотняющих элементов
и маслосъемных колец скользя¬
щих уплотнений, то из этой ин¬
формации можно извлечь полез¬
ные идеи о совершенствовании
уплотнений штоков.
Что касается уплотнений што¬
ков поршней, то работы по их
совершенствованию в рамках ав¬
томобильных программ фирмы
«Юнайтед Стирлинг» и прави¬
тельства США представляются
весьма многообещающими. Речь
идет о комбинации диафрагмен-
ного уплотнения со скользящим
(ленинградским). Таким обра¬
зом, в одном уплотнении реали¬
зуются преимущества уплотне¬
ний обоих видов. Резиновая диа¬
фрагма расположена в корпусе
уплотнения между верхним мас¬
лосъемным кольцом и уплот¬
няющим колпачком. Диафрагма
обеспечивает эффективную гер¬
метизацию без необходимости искусственного поддержания вы¬
сокого давления под диафрагмой, поскольку полости с обеих
сторон	диафрагмы	соединены,	так что рабочее тело под давле¬
нием воздействует	на	обе	поверхности диафрагмы. Разрыв диа¬
фрагмы не будет иметь катастрофических последствий, посколь¬
ку комбинированное уплотнение в этом случае будет действо¬
вать как скользящая уплотняющая система. Комбинированное
уплотнение показано на рис. 1.127. Более подробная информа¬
ция об уплотнениях содержится в работах [74, 81].
1.7.4.	Поршневые кольца
Поршневые кольца являются неотъемлемыми элементами
двигателей как простого, так и двойного действия. При этом в
конфигурациях двигателей простого действия гамма- и бета-
компоновочных модификаций вытеснитель может и не иметь
Рис. 1.127. Комбинированное уп¬
лотнение [45].
1 —поршень; 2— уплотняющий колпачок;
3—шток поршня; 4—диафрагма;
5—маслосъемное кольцо; 6—ленин¬
градское уплотнение.

Общее описание двигателей Стирлинга 165
уплотнительных колец. В свободнопоршневых двигателях коль¬
ца могут не устанавливаться, однако уплотнение все же необ¬
ходимо, и оно часто осуществляется за счет посадки с жесткими
допусками. Проблема уплотнений в свободнопоршневых двига¬
телях будет подробно рассмотрена ниже.
Накоплен большой опыт расчета, конструирования и изго¬
товления поршневых колец, особенно устанавливаемых в двига¬
телях с принудительным зажиганием
и дизелях, однако уплотнение поршня
двигателя Стирлинга связано с рядом
■специфических проблем, поскольку
кольца должны работать без смаз¬
ки. Эти уплотнения изолируют рабо¬
чую полость от буферной, и их назна¬
чение заключается в ограничении
утечки рабочего тела, а не в полном
•ее устранении. Некоторая утечка до¬
пускается, поскольку ее устранение
связано с чрезвычайно интенсивным
треннем.
За многолетний период фирмы
«Дженерал моторе» [82] и «Филипс»
выполнили огромный объем работ по
уплотняющим кольцам. Основными
проблемами, требовавшими решения,
■были выбор материалов, оптимальное
число колец и оптимальные допуски,
чтобы обеспечить минимальную утечку при минимальном тре¬
нии. Самые первые варианты колец фирмы «Филипс» отли¬
вали из чугуна и ставили в количестве трех — пяти. Они ра¬
ботали без поломок, однако пропускали масло в рабочую по¬
лость [45]. В настоящее время применяются кольца из ПТФЭ.
В начале 60-х годов фирма «Филипс» разработала весьма эф¬
фективное уплотнение с жесткими допусками. Выступающая ра¬
бочая поверхность уплотнения формировалась на стенке порш¬
ня, покрытой сплавом олова и свинца или дисульфидом молиб¬
дена M0S2. Поршень при глубоком охлаждении устанавливали
в цилиндр двигателя и двигатель принудительно прокручивали
в течение нескольких часов для притирки уплотнения к стенкам
цилиндра. К сожалению, далеко не в каждом случае удавалось
достичь надежного уплотнения, которое являлось скорее слу¬
чайной удачей. В связи с этим фирма «Дженерал моторе» при¬
ступила к разработке системы поршневых колец более традици-
ционного типа. Значительное место в этих разработках заняло
уплотнение фирмы «Грин Твид», Норт-Уэльс, шт. Пенсильва¬
ния, США (рис. 1.128).
Рис. 1.128. Уплотнение порш¬
ня, разработанное фирмой
«Грин Твид» [45].
1—стопорное кольцо; 2 — кольцо
фирмы «Грин Твид»; 3—поршень;
4—стенка цилиндра.

166 Глава 1
Основное кольцо изготовлено из эластомера Буна-N, имею¬
щего низкую проницаемость по отношению к водороду. Однако
этот материал не выдерживает температуры в зоне контакта
уже около 120 °С. В то же время при нормальной работе дви¬
гателя достигаются температуры 160—200 °С.
Почти все ведущие изготовители и разработчики двигателей
Стирлинга после многолетних исследований остановились на си¬
стеме двух поршневых колец, изготавливаемых из ПТФЭ; при
этом значительное внимание было уделено микронеровностям и
волнообразности поверхности цилиндра. Кольца или механиче¬
ски прижимаются к стенкам цилиндра нагруженным пружиной
внутренним стопорным кольцом, или же этот прижим осущест¬
вляется искусственным давлением, создаваемым с помощью по¬
лого поршня с головкой типа «Хейландт». Зазор между кольца¬
ми поддерживается с помощью диагональной или ступенчатой
проставки. Кольца, изготовленные из материала рулон на основе
полимера ПТФЭ, обладают значительным коэффициентом теп¬
лового расширения, поэтому при выборе допусков для посадки
уплотнения в зеркало цилиндра необходимо учитывать влияние
температур.
Хотя проблемы, возникающие при уплотнении поршней с
помощью колец, по своей сути гораздо проще проблем, связан¬
ных с уплотнением штоков, до сих пор не было создано доста¬
точно совершенных конструкций таких колец, и скорости изна¬
шивания и утечек не соответствуют требованиям, предъявляе¬
мым к серийным изделиям. В настоящее время поршневое коль¬
цо является элементом, лимитирующим долговечность двигате¬
ля Стирлинга. Скорость изнашивания обычного уплотнения за¬
висит от коэффициента pv (разность давлений по обе стороны
уплотнения X скорость перемещения трущейся поверхности из
полимера) и боковых сил, действующих на кольцо. Значения
последних существенно зависят от типа механизма привода, ис¬
пользуемого в данном двигателе. В кривошипно-шатунных ме¬
ханизмах боковые силы обычно значительны, однако их можно
Таблица 1.21. Влияние скорости двигателя и разности давлений
на массовую скорость утечки гелия
Скорость двигателя.
Массовая
скорость утечки (кг/ч) при указанной разности
давлений
11,5 МПа
8,5 МПа
3,5 МПа
2600
1,206
0,576
0,450
2000
1.044
2,250
0,414
1400
0,900
1,746
0,414
700
0,702
1,746
0,576

Общее описание двигателей Стирлинга 167
-резко уменьшить в дезаксиальных кривошипно-шатунных меха¬
низмах, таких, как ромбический привод.
На трение и степень негерметичности оказывают влияние
скорость и разность давлений. Это следует из эксперименталь¬
ных данных фирмы «Филипс» [72], приведенных в табл. 1.21 и
1.22. Кольца были изготовлены из материала рулон LD, а гиль¬
за цилиндра — из азотированного чугуна. Зеркало цилиндра
было отполировано до чистоты, соответствующей высоте микро¬
неровностей 0,4—0,6 мкм.
Таблица 1.22. Влияние скорости двигателя и разности давлений
на силу трения
Скорость двигателя.
Сила трения (Н) при указанной разности давлений
об/мин
11,5 МПа
8,5 МПа
3,5 МПа
0 МПа
2600
345
312
220
400
2000
350
281
195
380
1400
331
350
205
365
700
430
300
197
365
Средняя скорость изнашивания зеркала цилиндра после ра¬
боты колец в течение не менее 1000 ч характеризовалась уве¬
личением диаметра на 0,114 мкм/ч для верхнего кольца и
0,325 мкм/ч для нижнего кольца. По этим результатам трудно
сделать какую-либо оценку, однако такие испытания позволяют
сравнивать между собой кольца из различных материалов и
■ определять общие потери мощности на трение.
Различными организациями было испытано около 30 вари¬
антов колец из различных материалов (табл. 1.23) на основе
Таблица 1.23. Материалы уплотнений
Коммерческое название
материала
Наполнитель
Фнрма-изгото-
витель *)
'Рулон LD
Стекловолокно + окись железа
«Диксон»
Рулон J
Полиамид
»
Рулон II
Термопластик
»
Рулон Е
Стекловолокно + ?
»
Диксон 7035
?
»
Диксон TFE-GL-HL-800-2
Стекловолокно + графит
Кроссфлон 905
Керамическое волокно + графит,
MoS2
«Кроссли»
Флюон VXI
Стекловолокно + соли металлов
ICI
Полипенко GL25
Стекловолокно
«Полипенко»
’) Указанной фирме принадлежи! патент на данный материал.

168 Глава 1
полимера ПТФЭ. Эти испытания дали хорошие результаты, од¬
нако для окончательной оценки необходимы дополнительные
данные [83, 84].
1.7.5.	Потери мощности в уплотнениях
Силы трения, возникающие на поршневых кольцах, приве¬
дены в табл. 1.22. Реальные потери мощности, вызванные этими
Скорость, об/мин
Рис. 1.129. Потери мощности на трение в уплотнении при принудительном
прокручивании двигателя (по данным НАСА, Rpt CR-159 631.)
1—поршневое кольцо; 2—утечки; 3—скользящее уплотнение; 4 — уплотняющий колпачок»
силами, показаны на рис. 1.129. Там же показаны потери мощ¬
ности, вызываемые в других элементах системы уплотнений
двигателя.
Эти результаты, получены на двигателе Р-40 при принуди¬
тельном прокручивании двигателя. Как видно из кривых по¬
терь, основная часть потерь приходится на поршневые кольца.
Это подтверждается данными по потерям мощности, приходя¬
щимся на различные элементы двигателя при скорости прокру¬
чивания двигателя 3000 об/мин (табл. 1.24). В целом эти по-

Общее описание двигателей Стирлинга 169
Таблица 1.24. Потери мощности на трение в уплотнениях при принудительном
прокручивании двигателей
Конструктивный элемент
Потери мощности, %
Поршневое кольцо
25
Скользящее уплотнение
и
Уплотняющий колпачок
5
тери составляют около 1,6 кВт на один цилиндр. Последние ра¬
боты по уплотнениям, выполненные в Японии, рассматриваются
в гл. 6.
1.7.6.	Уплотнение свободнопоршневых двигателей
Основная часть информации по уплотнению свободнопоршне¬
вых двигателей является собственностью организаций, занима¬
ющихся их изготовлением и испытаниями, однако в работе [33]
имеется несколько глав, посвященных конструкции свободно¬
поршневых двигателей, написанных разработчиками и изгото¬
вителями таких двигателей, что помогает составить более
полную картину методов уплотнения, применяющихся в этих
двигателях. В свободнопоршневых двигателях нет многих трудно¬
стей, связанных с уплотнениями, которые встречаются в двига¬
телях с кривошипно-шатунным приводом. Так, например, нет
проблемы уплотнения штоков, поскольку весь агрегат можно за¬
ключить в герметичный корпус, как это делается в линейных
генераторах переменного тока и инерционных компрессорах.
Однако остается проблема уплотнения поршня, хотя она и уп¬
рощается благодаря отсутствию значительных боковых сил и
нагрузок на подшипники, поскольку нет механического приво¬
да, что позволяет применять в таких двигателях газовые
подшипники. Применение газовых подшипников делает невоз¬
можным установку обычных эластичных колец, даже изготов¬
ленных из тефлона, поскольку микрочастицы, отделяющиеся
при работе таких колец, выводят из строя эти подшипники. По¬
этому в свободнопоршневых двигателях для уплотнения в ци¬
линдре рабочего поршня и вытеснителя, а также уплотнения
штока вытеснителя в рабочем поршне используют уплотнения
за счет жестких допусков. Это требует полировки всех сколь¬
зящих поверхностей, и эти поверхности часто покрывают аноди¬
рованным алюминием или окисью хрома [85]. Без сомнения,
секрет успешной работы свободнопоршневых двигателей Стир¬
линга заключен в высоком качестве механической обработки.
Необходимость обеспечения минимального зазора между
.движущимися частями является одним из следствий уравнения

170 Глава 1
Гриннела [86], которое связывает массовую скорость утечки
через уплотнение с величиной зазора:
,,	(Зазор)3 X (Разность давлений)2 ,, 11V
Массовая скорость утечки =  	^—-	—	.	(1.1	IV
J	Длина уплотнения	'	'
По наблюдениям авторов над некоторыми из двигателей Била,
если оставить такой двигатель неработающим на ночь, то на
следующее утро его не всегда удается запустить, однако после
разборки и полировки поршней он начинает успешно работать.
В харуэллской машине проблема уплотнений практически ре¬
шена полностью благодаря использованию металлической диа¬
фрагмы вместо рабочего поршня. Вытеснитель имеет посадку с
зазором около 1 мм, и в двигателе используется щелевая регене¬
рация.
Имеются также другие методы создания уплотнений; некото¬
рые из них в настоящее время изучаются. Однако методы, из¬
ложенные в настоящей книге, в наибольшей степени подходят
к данному двигателю и наиболее тщательно разработаны. Для
ознакомления со всеми возможными методами уплотнений мы
отсылаем читателя к работе [27].
1.7.7. Регулирование мощности
Здесь будут рассмотрены только методы регулирования
мощности двигателей с кривошипно-шатунным приводом, по¬
скольку эти методы являются наиболее совершенными, и, кроме
того, они в принципе применимы к свободнопоршневым двига¬
телям Стирлинга. Имеются два основных метода регулирования
мощности, применяемых как в отдельности, так и совместно:
1) регулирование среднего давления цикла (РСД);
2) регулирование мертвого объема (РМО).
Существуют различные технические способы осуществления
этих методов регулирования.
1.7.8. Регулирование среднего давления цикла
Как уже упоминалось ранее, выходная мощность двигателя
Стирлинга прямо пропорциональна среднему давлению цикла в
рабочем теле. Следовательно, если с помощью каких-либо внеш¬
них устройств удастся изменять уровень давления в цилиндре,
то тем самым можно будет регулировать и мощность, развива¬
емую двигателем. Простейшим методом для достижения этого
эффекта является стравливание рабочего тела из цилиндра для
уменьшения мощности и подкачка рабочего тела в цилиндр для

Общее описание двигателей Стирлинга 171
ее увеличения. Эта простейшая идея лежит в основе рассматри¬
ваемого метода. На практике же для изменения среднего дав¬
ления цикла требуются достаточно сложные устройства.
Метод регулирования среднего давления использовался для
регулирования мощности еще в XIX в. в двигателях, работаю¬
щих на подогретом воздухе [7], и был принят фирмой «Филипс»
в ее ранних работах 40-х годов. Когда применение в качестве
рабочего тела газов с низкой молекулярной массой стало пре¬
обладающим, это вызвало ужесточение требований к системе
регулирования. Такой газ был слишком дорогим, чтобы просто
Рис. 1.130. Принципиальная схема регулирования среднего давления цикла.
J — полость А; 2 — клапан подачи; 3 — газовый резервуар; 4 — компрессор; Б — стравли¬
вающий клапаи; 6 — перепускной клапан; 7 — полость Б.
стравливать его в атмосферу; кроме того, его стравливание и
подкачка должны были осуществляться при сравнительно высо¬
ких давлениях. Поэтому появилась необходимость в резервуаре
для хранения газа и газовом компрессоре, встроенном в систе¬
му регулирования. Необходимость быстрого изменения нагруз¬
ки, что характерно для автомобильных двигателей, требует
дальнейшего совершенствования системы регулирования, на¬
правленного на уменьшение времени реакции. В некоторых об¬
ластях применения, таких, как стационарные электрогенерато¬
ры, изменение нагрузки не должно вызывать изменения скоро¬
сти вращения, так как необходимо поддерживать постоянной
частоту переменного тока, вырабатываемого генератором. Это
заставляет комплектовать систему регулирования дополнитель¬
ными устройствами. Принципиальная схема системы регулиро¬
вания давления показана на рис. 1.130.
Если требуется увеличение мощности двигателя, то дополни¬
тельное количество рабочего тела должно быть подано в дви¬
гатель буквально в доли секунды, при условии что давление в
резервуаре с рабочим телом достаточно высокое. В случае замк¬
нутой системы питания (подпитки) проблема усложняется, если

172 Глава 1
требуется уменьшить мощность двигателя, так как рабочее те¬
ло, стравливаемое из двигателя, должно поступать в компрес¬
сор, который увеличивает давление рабочего тела, чтобы оно
могло проникнуть в резервуар. Для быстрого завершения этого
процесса потребовался бы компрессор нереально больших раз¬
меров-. Чтобы избежать этого, в системе регулирования преду¬
смотрены перепускные клапан и трубопровод. Клапан служит
для соединения двух или более изолированных рабочих полос¬
тей двигателя. В двигателе с ромбическим приводом такими
полостями могут быть полость сжатия и буферная полость.
Если перепускной клапан открывается одновременно со страв¬
ливающим клапаном, то произойдет не только истечение рабо¬
чего тела из двигателя: соединение двух полостей вызовет из¬
менение амплитуды и фазы колебания давления в этих полос¬
тях, в результате чего мощность уменьшится до такого уровня,
что выходная мощность станет равной нулю, и вся установка
будет работать в режиме самоторможения.
Эта система регулирования, столь простая по принципу
действия, становится значительно более сложной на практике,
поскольку синхронизация действия клапанов и регулирование
степени их открытия должны осуществляться и контролировать¬
ся с высокой точностью. Например, если требуется увеличить
мощность, то дополнительное количество рабочего тела должно
быть подано в момент, когда давление в цилиндре близко к
своему максимальному значению. Такое же воздействие на дав¬
ление в цилиндре может быть осуществлено при открытом пе¬
репускном клапане, однако результатом этого будет нежела¬
тельное уменьшение крутящего момента. В процессе уменьше¬
ния мощности время открытия перепускного и стравливающего
клапанов не обязательно должно быть одинаковым. Далее, не¬
смотря на необходимость уменьшения мощности, может оказать¬
ся, что скорость вращения должна оставаться неизменной. Все
эти варианты требуют, чтобы скорость вращения находилась
под постоянным контролем и по ней можно было бы регулиро¬
вать работу клапанов. С практической точки зрения при нали¬
чии большого количества отдельных клапанов и соответствую¬
щих трубопроводов невозможно создать компактную систему
регулирования, и замена системы клапанов различного назна¬
чения, показанных на рис. 1.130, одним многофункциональным
клапаном обеспечивает значительные преимущества.
На практике проблема обеспечения синхронизации облегча¬
ется за счет канавок, профрезерованных в корпусе штока порш¬
ня. Когда поршень двигателя двойного действия находится око¬
ло нижней мертвой точки, канавки открываются, обеспечивая
рабочему телу проход в полость сжатия при достижении давле¬
нием рабочего цикла своего максимума. Имеющейся в системе

Общее описание двигателей Стирлинга 173
регулирования один многофункциональный управляющий кла¬
пан приводится в действие гидравлическим сервомеханизмом.
Схема системы регулирования среднего давления цикла четы¬
рехцилиндрового двигателя двойного действия показана на
рис. 1.131. Видно, что имеются три трубопровода, ведущие к
двигателю: трубопровод синхронной подачи газа, трубопровод
Рис. 1.131. Схема системы регулирования среднего давления цикла двигателя
Стирлинга двойного действия [40].
I — нагреватель; 2— регенератор; 3 — холодильник; 4 — трубопровод ргаах; 5 — трубо¬
провод pmln; 6 — трубопровод синхронной подачн газа: 7 — клапан короткозамкнутой
перепускной линии; 8 — распределительный клапан; 9 — клапан подачи; 10 — резервуар;
II—запорный клапан линии нагнетания; 12 — компрессор.
минимального давления цикла и трубопровод максимального
давления цикла. Последние два трубопровода соединены между
собой, образуя короткую перепускную линию для быстрого
уменьшения мощности. Компрессор в системе регулирования мо¬
жет быть встроенным в двигатель или располагаться снаружи
и иметь отдельный привод. Эти варианты нами уже рассматри¬
вались ранее. После многочисленных работ со встроенным ком¬
прессором фирма «Форд» решила принять принцип внешнего
компрессора, используемый фирмой «Юнайтед Стирлинг». Вся
система клапанов (рис. 1.131) объединена в один управляющий
клапан (рис. 1.132). Первоначально каждый клапан приводился
в действие своим собственным кулачковым валом, и, несмотря
на удачные результаты, такая система оказалась все же слиш¬
ком громоздкой.

174 Глава 1
Рис. 1.132. Комбинированный управляющий клапан системы регулирования
среднего давления цикла. (С разрешения фирмы МТИ.)
При использовании одного управляющего клапана необходи¬
мо обеспечить надежное уплотнение и точное положение бурти¬
ков, так как неточность их положения повлияет на работу дви¬
гателя и нарушит расчетное быстродействие. Имеются сведения,
что в настоящее время проводятся исследования по управлению
многофункциональным клапаном с помощью микропроцессора,
причем предпочтение отдается электрическому или пневматиче¬
скому приводу, а не гидравлическому.
Очевидно, что система регулирования упростится при устра¬
нении компрессора и использовании фиксированного количества
рабочего тела. Среднее давление цикла при этом можно будет
поддерживать неизменным, а изменять амплитуду давления в
цикле, тем самым изменяя мощность. Для обеспечения такого
изменения амплитуды давления необходимо изменять величину
степени сжатия. Следовательно, желательно изменять в процессе
работы двигателя его рабочий объем. Имеются различные спосо¬
бы изменения рабочего обьема, однако в основе их всех лежит
один и тот же принцип — увеличение мертвого объема двигателя.
1.7.9.	Регулирование мертвого объема
С увеличением мертвого объема двигателя Стирлинга его
мощность падает. Но это не обязательно связано с уменьшени¬
ем КПД. Однако в системе регулирования мертвого объема,

Общее описание двигателей Стирлинга 175
разработанной фирмой «Юнайтед Стирлинг», КПД уменьшается
весьма значительно. В блоке двигателя этой системы при его
отливке предусмотрены многочисленные полости для рабочего
газа, соединяемые с основной рабочей полостью каналами с за¬
порными клапанами [87]. Получая с помощью этих дополни¬
тельных полостей мертвый объем различной величины, можно ре¬
гулировать суммарный мертвый объем в широких пределах. Оче¬
видно, на практике число индивидуальных полостей, определяю¬
щих рабочий объем, ограничено требованиями компактности всей
системы в целом, а это приводит к тому, что изменения мерт¬
вого объема можно осуществлять только ступенчато, и соот¬
ветственно крутящий момент на выходе двигателя тоже будет
изменяться ступенчато, а не плавно
(рис. 1.133).
Такая система использовалась
для регулирования одного из перво¬
начальных двигателей фирмы
«Юнайтед Стирлинг», установлен¬
ных на автомобиле «Форд пинто»
[40]. Эта система регулирования
вызывала трудности, связанные с
необходимостью размещения боль¬
шого числа мертвых объемов, тре¬
буемых для регулирования мощ¬
ности во всем ее диапазоне, что
привело к созданию весьма громоздкого и тяжелого двигателя.
Ступенчатое изменение крутящего момента оказалось также ма¬
ло подходящим для работы трансмиссии и управления автомо¬
билем. Нам в точности не известно, какова была величина до¬
полнительного мертвого объема в этой конструкции, однако для
двигателя 4-215 с косой шайбой совместного производства фирм
«Форд» и «Филипс» потребовался мертвый объем, по крайней
мере в четыре раза превышающий рабочий объем двигателя,
чтобы регулировать двигатель в диапазоне от режима полной
мощности до режима холостого хода [40]. Расчеты, выполнен¬
ные фирмами «Юнайтед Стирлинг» и «Филипс», показали, что,
если ограничить мертвый объем величиной, равной трехкратно¬
му рабочему объему, можно добиться увеличения КПД на 2—
3 %• Тем не менее был сделан вывод, что регулирование мощ¬
ности путем изменения мертвого объема «в чистом виде» не
является лучшим решением проблемы. Однако в работе [38]
были получены другие результаты. Эта работа проводилась на
автомобильном двигателе с косой шайбой с переменным углом
наклона, что иногда смешивают с регулированием посредством
изменения фазового угла рабочего объема. В этом двигателе
величина хода поршня изменяется в процессе работы за счет
Рис. 1.133. Крутящий момент
двигателя в зависимости от ве¬
личины мертвого объема in

176 Глава 1
изменения угла наклона шайбы. Эта идея ранее была предме¬
том исследования в Редингском университете. Преимущество
такого способа регулирования заключается в возможности отка¬
за от специального дополнительного мертвого объема, связан¬
ного с двигателем, поскольку этот объем образуется за счет ра¬
бочего объема двигателя при уменьшении хода поршня. Еще
одно преимущество этого способа связано с тем, что один из
основных источников потерь в дви¬
гателе Стирлинга — потери на пере¬
мещение рабочего тела, возникаю¬
щие из-за разности температур меж¬
ду стенками цилиндра и поршнем,
прямо пропорциональны длине хода
поршня; тем самым при уменьше¬
нии хода поршня уменьшаются и
потери на такое перемещение. Тео¬
ретически этот способ регулирова¬
ния мертвого объема является бо¬
лее быстрым, чем способ с исполь¬
зованием дискретных объемов, и,
как утверждают, позволяет улуч¬
шить характеристики крутящего
момента двигателя при установке
Рис. 1.134. Рабочая диаграмма «а автомобиле. Теоретическая ра-
двигателя с системой регулиро-	бочая	диаграмма при этом	виде
вания мертвого объема. (С раз-	регулирования	показана на	рис.
решения фирмы «Филипс»,	1.134.
Эйндховен.)	дта система регулирования была
ч—кпд "?KJIOHa косой шай6ы:	установлена	на двигателе «Адвен-
ко 4-290» фирмы «Филипс», одна¬
ко, насколько нам известно, экспе¬
риментальные данные, полученные на этом двигателе, не были
опубликованы. Известно,	что и	другие	организации заинте¬
ресованы в этом методе регулирования мощности, осо¬
бенно те, которые разрабатывают холодильные машины, ос¬
нованные на цикле Стирлинга, Действительно, метод представ¬
ляется весьма перспективным, поскольку отпадает необходи¬
мость в подкачке и стравливании рабочего тела, а также в до¬
полнительных полостях для размещения рабочего тела. Правда,
требуется некоторое устройство для изменения длины хода
поршня. Ранее механизм привода с косой шайбой служил также
и приводом гидравлического насоса, что усложняло механизм
привода.
Скорость, od/мин

Общее описание двигателей Стирлинга 177
1.7.10.	Смешанные системы регулирования
Фирмой «Форд» [40, 89] разработана смешанная система
регулирования, объединяющая два рассмотренных выше мето¬
да. По сути дела в системе, показанной на рис. 1.131, добавляет¬
ся еще по одному трубопроводу на каждый цилиндр. При этом
дополнительный мертвый объем 308 см3 (1,42 рабочего объема)
располагается рядом с цилиндром и присоединяется с помощью
Эффективный крутящий момент, Н-м
Рис. 1.135. Сравнение рабочих характеристик двигателя при различных мето¬
дах регулирования [40].
1 — смешанный метод регулирования; 2 — регулирование мертвого объема; 3 — регулирование
среднего давления цикла.
патрубка с запорным клапаном к устройству, соединяющему
«накоротко» рабочие полости цилиндра. Как ни странно, но
такое устройство повышает компактность всей системы. По
причинам, упомянутым ранее, мертвый объем соединен с холод¬
ной полостью (полостью сжатия) каждого цилиндра, чтобы
увеличить индикаторный КПД двигателя по сравнению с тем,
который обычно имеет место при частичных нагрузках. Это
означает, что удельный эффективный расход топлива также
можно улучшить в режиме частичных нагрузок двигателя. Рас¬
считанные на ЭВМ характеристики двигателя при трех спосо¬
бах регулирования сравниваются на рис. 1.135.
Существуют и другие методы регулирования, однако ни один
из них пока еще не превосходит метод регулирования мертвого
объема. Обзор различных методов регулирования дается в ра¬
ботах [23, 63]. Однако нет сомнения в том, что, какой бы ме¬
12 Зак. 839

178 Глава 1
тод регулирования ни применялся, при существующем уровне-
конструктивного совершенства двигателей Стирлинга системы
регулирования мощности этих двигателей — весьма сложные
и дорогостоящие устройства, особенно если требуется обеспечить
быстродействие (например, при установке на автомобиле). Да¬
лее, необходимо отдавать себе отчет в том, что система регули¬
рования мощности взаимосвязана с другими системами двига¬
теля. На величину мощности, развиваемой двигателем, оказыва¬
ют влияние не только изменение среднего давления цикла или
амплитуды колебания давления в рабочем цикле, но и режим
работы источника энергии. Поэтому при конструировании и
анализе работы системы регулирования мощности в целом не¬
обходимо учитывать температуру трубок нагревателя и поток
энергии от источника, не забывая при этом о работе системы
охлаждения при повышенных нагрузках. Все это повышает
сложность системы регулирования мощности и скорости дви¬
гателя.
1.7.11.	Рециркуляция газов
Эта проблема возникает только в установках с использова¬
нием жидких углеводородов в качестве источника энергии.
Устройство для рециркуляции газов относится к энергосиловой
установке в целом и к области ее использования, а не собствен¬
но к двигателю. Тем не менее без такого устройства низкий
уровень окислов азота в продуктах сгорания (одно из преиму¬
ществ, приписываемых двигателю Стирлинга) не может быть-
обеспечен. Причины этого уже рассматривались нами ранее.
В настоящем разделе будут рассмотрены методы снижения кон¬
центрации окислов азота в выбросах в атмосферу.
Известны два основных метода снижения концентрации
окислов азота — рециркуляция отработавших газов (РОГ)
(рис. 1.99) и рециркуляция продуктов сгорания (РГ1С)
(рис. 1.100). Эти методы не единственные, и в работе [63] да¬
ется обзор существующих методов. Знание механизма образо¬
вания окислов азота могло бы оказать неоценимую помощь при
выборе наиболее эффективного метода снижения их концентра¬
ции в продуктах сгорания. Однако в настоящее время еще нет
полного понимания кинетики горения, хотя в работах [90, 91]
предлагаются методы расчета массовой скорости образования
продуктов окисления в процессе горения. Тем не менее очевид¬
но, что образование продуктов окисления и массовая скорость
такого образования экспоненциально зависят от температуры,
преобладающей в зоне горения. Таким образом, попытки пони¬
зить уровень содержания окислов на практике сводятся к пони¬
жению уровня температуры. Учет расходов воздуха и топлива.

г
Общее описание двигателей Стирлинга 179
времени присутствия отработавших газов в камере сгорания,
■формы топливной форсунки и т. п. при конструировании каме¬
ры сгорания может улучшить характеристики процесса сгора¬
ния и тем самым снизить концентрацию окислов азота. Однако
в существующих конструкциях без применения рециркуляции
газов в какой-либо форме невозможно добиться соответствия
концентрации окислов азота предельным нормам, установлен¬
ным в официальных нормативных документах для автомобиль¬
ного транспорта, если температура будет превышать 1675°С
[63]. Следовательно, температура в зоне горения должна под¬
держиваться ниже этого уровня. Одним из методов достижения
этой цели может быть подача дополнительного количества воз¬
духа в заряд, поступающий в камеру сгорания, что определенно
снизит конечную температуру, однако при этом появится до¬
полнительная возможность химического соединения атомов во¬
дорода и кислорода. Все же в системах сгорания применяется
подача избытка воздуха — обычно в количестве 25—45 %. Этот
метод обеспечивает требуемую полноту сгорания и снижение
концентрации углеводородов и окиси углерода в продуктах сго¬
рания. Отвод тепла от трубок нагревателя дает дальнейшее по¬
нижение температуры продуктов сгорания, а рециркулирующие
■отработавшие газы еще более снижают их температуру.
Отработавшие газы подаются обратно в систему сгорания
на входе в нагнетатель воздуха. Сравнительно высокая темпе¬
ратура отработавших газов снижает потенциальную долговеч¬
ность нагнетателя, однако одновременно снижает и тепловую
нагрузку предварительного подогревателя воздуха. В процессе
работы соотношение воздуха и топлива в рабочей смеси и тем¬
пература в трубках нагревателя регулируются в зависимости
•от изменений нагрузки, чтобы сохранить постоянство темпера¬
туры и пониженное содержание топлива в рабочей смеси (бед¬
ную смесь). Если рециркулирует постоянная доля отработавших
газов, то при некоторых значениях нагрузки это будет ухуд¬
шать рабочие характеристики двигателя. В одном случае ко¬
нечная температура смеси будет слишком низкой и процесс го¬
рения будет нестабильным, в то время как, например, при пол¬
ной нагрузке отработавшие газы не будут охлаждаться в
нужной степени. Следовательно, поток рециркулирующего газа
необходимо регулировать в соответствии с условиями нагрузки
и температурой рабочей смеси. Процентное содержание отрабо¬
тавших газов в системе рециркуляции обычно колеблется от 74
до 140% и в среднем составляет 90'%. При этом процентное
содержание рециркулирующего газа определяется по формуле
]92]:
PQP  Масса рециркулирующего газа . ,
Масса поступающего воздуха	'	‘
12*

180 Глава 1
Даже при столь высоком процентном содержании отрабо¬
тавших газов влияние рециркуляции на концентрацию окислов
азота меньше, чем это можно было бы предположить, хотя аб¬
солютный уровень этой концентрации и удовлетворяет норма¬
тивным документам, упомянутым выше. Таким образом, рецир¬
куляция отработавших газов выполняет свое назначение, одна¬
ко нельзя считать этот метод идеальным с точки зрения его
эффективности. Из других методов в настоящее время разрабо¬
тана и подкреплена проведенными испытаниями только рецир¬
куляция продуктов сгорания. В системе РПС горячие продукты
сгорания не проходят через нагнетатель и подогреватель возду¬
ха, а направляются по кратчайшему пути обратно в камеру
сгорания. Число дополнительных трубопроводов в этой системе-
меньше, чем в предыдущей системе, комплектуемой трубопрово¬
дом, соединяющим выпускную трубу с патрубком для подвода
наружного воздуха. Регулирование процентного содержания
рециркулирующего газа при РПС осуществляется так же, как
и при РОГ, с помощью встроенного в систему перепускного'
клапана. Поскольку нагнетатель исключен из контура рецирку¬
ляции, продукты сгорания подаются в выходной патрубок на¬
гнетателя посредством эжектора и горячие газы эффективно-
впрыскиваются в рабочую смесь топлива с воздухом.
Были проведены сравнительные испытания обеих систем ре¬
циркуляции в лабораторных условиях, когда работала только
система сгорания, а не полностью весь двигатель. Результаты
испытаний показали, что обе системы примерно в равной сте¬
пени снижают концентрацию окислов азота при одинаковом
процентном содержании рециркулирующих газов, однако при
использовании системы РПС из-за того, чтр ее контур не вклю¬
чает в себя предварительный подогреватель воздуха и нагнета¬
тель, расход топлива уменьшается по сравнению с системой
РОГ. Система сгорания, включающая РПС, получается более
сложной [92].
В настоящее время обе системы находятся еще в стадии
доработки, причем особое внимание уделяется совершенствова¬
нию регулирующего клапана системы РОГ и перепускного кла¬
пана системы РПС. Кроме того, как отмечалось выше, исследу¬
ются и другие методы снижения концентрации окислов азота,
однако в настоящее время только РОГ и РПС дают реальный
эффект.
1.8.	ЧЕМ ОБЪЯСНЯЕТСЯ РОСТ ИНТЕРЕСА
К ДВИГАТЕЛЯМ СТИРЛИНГА?
Двигатели Стирлинга существуют еще с прошлого века.
Некоторый интерес к этим двигателям проявляли и ранее, од¬
нако только в последнее время интерес к ним стал настолько

Общее описание двигателей Стирлинга 181
активным, что, возможно, приведет к коммерческой выгоде их
производства. Несомненно, что в настоящее время интерес к
двигателям Стирлинга вызван их потенциальной экономич¬
ностью в расходовании топлива. Однако имеется много путей
экономии топлива, удовлетворяющих нормативным требовани¬
ям, и двигатели Стирлинга должны иметь какие-то другие до¬
стоинства и преимущества, привлекающие к ним внимание.
В основных чертах этот вопрос уже разбирался в разд. 1.6.
В настоящем разделе достоинства двигателей Стирлинга будут
проанализированы более подробно.
Достоинства эти;: двигателей и основные характеристики, их
определяющие, известны уже давно. Поэтому простое перечи¬
сление свойств, вновь вызвавших повышение интереса к двига¬
телям Стирлинга, не даст полного ответа на поставленный во¬
прос, и весьма важно, чтобы свойства двигателей Стирлинга
были сопоставлены с требованиями, которые будут предъяв¬
ляться в будущем к устройствам для получения механической
энергии. Следует отметить, что интерес к альтернативным дви¬
гателям существовал с момента появления тепловых двигате¬
лей. В противном случае не был бы возможен прогресс таких
источников механической энергии, применяемых в настоящее
время, как газовые и паровые турбины, двигатели внутреннего
сгорания с искровым зажиганием и воспламенением от сжатия,
роторные двигатели внутреннего сгорания и т. д. Поскольку в-
XX в. социальные и технические требования с течением време¬
ни изменяются, это является постоянным стимулом поиска но¬
вых форм источников механической энергии. Двигатель Стир¬
линга не исключение. Поэтому, прежде чем детально анализи¬
ровать положительные особенности двигателя Стирлинга с точ¬
ки зрения существующих в настоящее время энергетических
проблем, мы кратко коснемся тенденций, которые привели к
повторному открытию этого двигателя.
Вплоть до середины 60-х годов основными направлениями
исследований в области тепловых двигателей были снижение их
стоимости и повышение надежности. Растущая озабоченность
загрязнением окружающей среды выбросами тепловых и осо¬
бенно автомобильных двигателей привела в конце 60-х годов к
поиску двигателей, которые обеспечивали бы уменьшение вред¬
ных выбросов либо за счет совершенствования современных
конструкций, либо за счет каких-то присущих новым двигателям
особенностей протекания рабочего процесса, не ухудшающих
рабочих характеристик и экономичности потребления топлива.
Именно в это время возник и начал расти интерес к двигате¬
лям Стирлинга, особенно со стороны изготовителей автомобиль¬
ных двигателей в США. Требования к топливной экономичности

982 Глава 1
тогда еще не имели определяющего значения, и в целом было
принято считать, что на современных двигателях допустимо
снижение токсичности выбросов за счет некоторого ухудшения
топливной экономичности. Двигатель Стирлинга открывал воз¬
можность выполнения требований стандартов, ограничивающих
предельное содержание вредных веществ в выбросах, при со¬
хранении желаемого уровня топливной экономичности. В 70-е
годы в связи с энергетическим кризисом требования к топлив¬
ной экономичности стали основными. Ситуация особенно обо¬
стрилась в период нефтяного эмбарго 1973—1974 гг. В настоя¬
щее время наблюдается тенденция к разработке двигателя с
уменьшенным выбросом вредных веществ в атмосферу при од¬
новременном повышении топливной экономичности. При этом
учитывается, что через некоторое время, возможно, потребуется
переоборудование этих двигателей для работы на альтернатив¬
ных топливах вместо ископаемых жидких топлив.
В свете трудностей, связанных с топливами, получаемыми
из сырой нефти, четче выявились энергетические проблемы на¬
стоящего времени. Причины сегодняшних проблем возникли за¬
долго до 1974 г., поскольку создание Уаттом паровой машины
не только возвестило начало промышленной революции, но и
заставило человека отвернуться от неограниченного, но нена¬
дежного и слабого энергетического источника — солнечной энер¬
гии, на которую он до этого времени полагался, и начать экс¬
плуатировать более концентрированные и стабильные источни¬
ки энергии, зачастую весьма неэффективно и беспорядочно.
Вследствие такой бесконтрольной эксплуатации источников
энергии мир в настоящее время переживает «энергетический
кризис», причинами которого являются как увеличение цены
энергии, так и истощение ее источников. Количество материа¬
лов, богатых энергией, которые может получить потребитель
(угля, нефти, газа и т. п.) в настоящее время, зависит от цены,
которую он может заплатить. Однако доступность энергии не
определяется полностью рыночными факторами, так как неко¬
торые виды топлива служат средствами политического давле¬
ния, а ресурсы получения топлива ограниченны. Следовательно,
страны, обладающие ограниченными собственными источниками
энергии или со столь высоким уровнем потребления энергии,
что самообеспечение их энергией становится затруднительным,
сталкиваются с серьезными экономическими трудностями, свя¬
занными с высокими темпами инфляции и спадом производства,
вызванными быстрым ростом стоимости энергии. Эта ситуация
может стать еще более острой в ближайшем будущем, если
учесть, что, как утверждают, к 2000 г. население земного шара
удвоится, а стоимость энергии возрастет по меньшей мере в
той же пропорции.

Общее описание двигателей Стирлинга 185
По мере роста стоимости энергии возрастали и усилия, на¬
правленные на поиск новых источников энергии и возобновле¬
ние эксплуатации уже известных источников, которые ранее
считались нерентабельными, на повышение КПД существующих
преобразователей энергии и на разработку новых или альтер¬
нативных систем преобразования энергии. С преобразованием
энергии связано и образование вредных выбросов, и, хотя это
неизбежное следствие физических законов, человечество стало
испытывать неудобства от возрастающего загрязнения атмосфе¬
ры. Требование снижения этого загрязнения до приемлемого-
уровня было подкреплено во многих странах соответствующими
законодательными мерами. К сожалению, методы, используемые
для уменьшения выбросов, как правило, не повышают КПД
преобразования энергии, часто увеличивают массу и сложность
систем преобразования энергии и всегда повышают стоимость их
изготовления. Проблема усложняется еще больше во многих кон¬
кретных приложениях, особенно в судоходстве, где в будущем
предполагается использовать тяжолые углеводородные топлива,
которые на существующих силовых установках вызовут еще бо¬
лее значительное выделение вредных выбросов в атмосферу.
В промышленном производстве многие процессы, например
изготовление стекла, связаны с поглощением значительного ко¬
личества энергии. Достаточно тревожна ситуация и в области
производства энергии. Общество не может больше позволить
себе быть столь нерасчетливым, и наше потребление энергии
должно быть решительно изменено в сторону большей экономии..
Правда, это легче сказать, чем сделать, так как сточные воды
промышленных предприятий, хотя и содержат энергию, но, как
правило, при столь низкой температуре, что обычные устройства
для получения механической энергии не могут ее использовать
без повторного сжигания топлива.
Солнечная энергия, переставшая привлекать внимание после
изобретения Уатта, сейчас вновь вызывает интерес. Разраба¬
тывается новая технология производства солнечных элементов,
однако эти элементы еще не вырабатывают энергии в таких
масштабах, чтобы найти в настоящее время широкое практиче¬
ское применение. Поскольку двигатель Стирлинга может ис¬
пользовать любой источник тепловой энергии, то, фокусируя
солнечные лучи на головке цилиндра, можно получить устрой¬
ство, преобразующее солнечную энергию в механическую. Пря¬
мое преобразование солнечной энергии в энергию на валу без
устройств промежуточного преобразования энергии уменьшает
как стоимость, так и сложность установки в целом.
С расширением масштабов использования богатств океанов
росла и необходимость в постоянных источниках электроэнер¬
гии для электрических систем стационарных установок, работа¬

184 Глава 1
ющих как на поверхности воды, так и под водой. Для выработ¬
ки мощности порядка сотен киловатт наиболее совершенным
агрегатом в настоящее время является авиационная газовая
турбина, но для таких областей применения, как радиобуи, ре¬
трансляторы связи, навигационные средства и гидрофоны, дви¬
гатели Стирлинга благодаря их автономности и способности ра¬
ботать на различных топливах подходят значительно лучше,
чем обычные аккумуляторные батареи. Например, батарея ем¬
костью 25 Вт-год имела бы массу, превышающую 1000 кг.
Простые по конструкции солнечные двигатели Стирлинга и дви¬
гатели Стирлинга, использующие отработавшее тепло различных
производственных процессов, весьма перспективны и заслужива¬
ют должного внимания. Применение этих двигателей вряд ли
окажет существенное влияние на топливный баланс в мировом
масштабе, однако в некоторых областях земного шара эффект
будет достаточно ощутимым. Основной вклад двигателей Стир¬
линга в решение проблемы экономии энергии и повышения
КПД ее преобразования может выразиться в использовании при¬
родных топлив, не требующих дорогих и сложных устройств по
их очистке и перегонке. Правительства многих государств от¬
дают себе отчет в том, что в будущем внутреннему наземному
транспорту, прежде всего автомобильному, а также торговому
флоту в числе первых придется столкнуться с резким снижени¬
ем поставок высококачественного топлива. В некоторых странах
все поставки жидкого топлива будут со временем прекращены
и доступным для этих видов транспорта будет только твердое
топливо. В таких условиях двигатели Стирлинга, работающие
по замкнутому циклу, становятся особенно привлекательными
Таблица 1.25. Перспективы использования двигателей Стирлинга
Свойства двагателя Старлинга,
Возмижные тенденции и требования	отвечающие	этим тенденциям
н требованиям
У величение стоимости природного
топлива
Истощение источников обычного
топлива
Использование альтернативных
топлив и источников энергии
Уменьшение вредных выбросов
в атмосферу
Использование отработавшего тепла
производственных процессов
Высокий КПД
Низкий расход топлива
Низкий расход смазочного масла
Способность работать на различных
топливах
То же
Низкий уровень шума
Использование источников энергии,
отличных от ископаемого топлива
Полное сгорание ископаемых топлив
(в случае их применения)
Способность работать при низких
температурах рабочего цикла

Общее описание двигателей Стирлинга 185
из-за присущей им независимости от источника получаемого
тепла. Эти преимущества двигателей Стирлинга как с точки
зрения ситуации, имеющей место в мире в настоящее время,
так и с учетом будущих требований перечислены в табл. 1.25.
Будущее всегда неопределенно, и, хотя это и маловероятно,
возможно, к концу десятилетия станут доступными богатые ис¬
точники дешевого природного топлива, а требования стандартов
на предельное содержание вредных веществ в выбросах будут
снижены. При такой ситуации, несомненно, интерес к двигате¬
лям Стирлинга уменьшится.
1.9.	КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ
ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА
Роберт Стирлинг начал совершенствовать свой двигатель,
работающий на подогретом воздухе, примерно в то же время,
когда войска Наполеона и Веллингтона встретились в битве
при Ватерлоо, за 6 лет до публикации знаменитой статьи Кар¬
но о термодинамике и за 42 года до рождения Рудольфа Ди¬
зеля. К 1908 г. двигатель Стирлинга был уже настолько усо¬
вершенствован, что по обе стороны Атлантического океана ши¬
роко использовались регенератор и принцип двойного действия
в нем. Обсуждение возможных областей Применения и перспек¬
тив этого двигателя регулярно проводилось в известных жур¬
налах, таких, как «Труды института инженеров-механиков»
(Великобритания). С середины XIX в. и до начала первой ми¬
ровой войны воздушно-тепловые двигатели как с разомкну¬
тым, так и с замкнутым циклом имели значительный коммерче¬
ский успех, удовлетворяя технические потребности человечества
в чрезвычайно широком диапазоне — от энергетических устано¬
вок на судах до приводов швейных машин, ирригационных на¬
сосов и агрегатов для подачи воздуха в церковные органы. Эта
последняя область применения была, пожалуй, первым случа¬
ем, когда основанием для применения двигателя была бесшум¬
ность его работы. Удивительно, что до сих пор существует до¬
вольно много таких двигателей, и они находятся в хорошем ра¬
бочем состоянии. Области применения некоторых из них кажут¬
ся почти неправдоподобными. Совсем недавно один из авторов
этой книги, обсуждая с поставщиком вопрос о материалах для
двигателя, неожиданно узнал, что у того имеются два двига¬
теля Стирлинга, изготовленные в прошлом веке, один из кото¬
рых ранее использовался в качестве источника энергии для
вращения контейнеров с молоком при изготовлении творога на
молокозаводе, а с помощью другого в парикмахерской враща¬
лись щетки для укладки волос! Однако, хотя двигатель Стир¬
линга в отличие от паровой машины был вполне безопасным.

186 Глава 1
отсутствие подходящих материалов для головки цилиндра огра¬
ничивало рабочие давления в двигателе весьма малыми вели¬
чинами, и его удельная мощность и КПД были очень низки —
1 кВт/т и 1 % соответственно. Температура головки цилиндра
была гораздо более низкой, чем в современных двигателях
■Стирлинга, опять-таки из-за отсутствия подходящих материа¬
лов, и это тоже оказывало влияние на его рабочие характери¬
стики. Тем не менее двигатели были надежными и особенно ус¬
пешно использовались для привода домашних водяных насосов,
причем предпочтение отдавалось, как правило, модификации
Райдера (рис. 1.22).
Еще в 1908 г. была предложена солнечная установка для
привода водяного насоса с помощью двигателя Стирлинга! По¬
пулярность водяных насосов Райдера подтверждалась наличием
в фирменных каталогах рекомендаций, подписанных такими из¬
вестными личностями, как король Эдуард VII, хедив Египта,
султан Турции и Эндрью Карнеги [9]. Но несмотря на этот
успех, к 20-м годам нашего века интерес к двигателям Стир¬
линга угас. Этот процесс в значительной степени ускорился
вследствие разработки во время войны двигателей других ти¬
пов. Появление двигателей внутреннего сгорания с принуди¬
тельным зажиганием и электродвигателя было основной причи¬
ной утраты интереса к двигателям Стирлинга, и здесь заклю¬
чена определенная ирония, поскольку в настоящее время дви¬
гатель Стирлинга многими рассматривается как естественный
преемник двигателя с принудительным зажиганием. Еще боль¬
шей иронией следует считать то, что как раз тогда, когда на¬
чал падать интерес к двигателям Стирлинга, был налажен вы¬
пуск нержавеющей стали, которая могла бы существенно улуч¬
шить характеристики двигателя Стирлинга, сохранив его высо¬
кую надежность.
Этапы разработки двигателей Стирлинга можно проследить
по многим статьям, опубликованным начиная с 1818 г., однако
разнообразие характера публикаций и обилие источников, в ко¬
торых эти публикации появлялись, до сих пор затрудняло сбор
необходимых данных и составление достаточно полной истории
вопроса. Хотя такая исследовательская работа представляется
весьма заманчивой и может привлечь внимание историков тех¬
ники, в настоящей книге наибольшее внимание уделяется совер¬
шенствованию двигателей Стирлинга начиная с 1938 г. Чита¬
телей, которых заинтересует развитие этих двигателей в более
ранний период, мы отсылаем к прекрасной серии статей [5].
Заслуживают внимания также более поздние публикации [9,
23].
В краткой истории, изложенной в настоящей книге, мы не
пытались каталогизировать все созданные двигатели и рассмат¬

Общее описание двигателей Стирлинга 187
ривать детально все случаи их применения. Наше внимание
было сосредоточено скорее на важнейших вехах истории разра¬
ботки современных двигателей Стирлинга. Мы надеемся, что
при таком подходе причины разнообразия типов двигателей
Стирлинга и областей их применения станут более понятными.
Несомненно, что разработка конструкций двигателей Стир¬
линга с 1938 г. прошла через определенные этапы, и учет этого
поможет лучше понять существующие в настоящее время тен¬
денции и пути развития. При этом современный этап не дол¬
жен рассматриваться изолированно, и к ряду идей и новшеств,
предложенных в более ранний период, необходимо вернуться
вновь в свете современных знаний. Бил (фирма «Санпауэр»)
провел такое исследование по поиску подходящих конструктив¬
ных решений. Двигатель, созданный в лаборатории Била, по
своему виду напоминал ранние двигатели Хенричи, однако с
помощью ЭВМ, облегчающих разработку конструкции, и совре¬
менной технологии материалов удалось получить более чем
двадцатикратное увеличение удельной мощности на единицу
массы. Такой резкий скачок в характеристиках двигателя Стир¬
линга побудил фирму «Филипс» в конце 30-х годов начать соб¬
ственные исследовательские работы по этому двигателю. Это
было время широкого распространения радиовещания, однако
электрификация еще не была всеобщей даже в сравнительно
развитых странах. Во многих районах легче было достать топ¬
ливо, чем получить электроэнергию не только через электросеть,
но даже от аккумуляторных батарей. Поэтому возникла потреб¬
ность в портативных электрогенераторах, использующих тепло¬
вую энергию, которые могли бы питать радиоприемники и дру¬
гие подобные устройства. Двигатели таких устройств должны
были иметь малые размеры и низкий уровень шума и не воз¬
буждать электрических помех. Дизельные двигатели не удов¬
летворяли первому из этих требований, а двигатели с принуди¬
тельным зажиганием — последнему. Сотрудники фирмы «Фи¬
липс» пришли к выводу, что имеются только два реальных
устройства, удовлетворяющие этим требованиям, — паровая ма¬
шина с замкнутым циклом и двигатель Стирлинга.
К 30-м годам, несмотря на то что двигатель Стирлинга в
целом был практически забыт, еще выпускались отдельные ма¬
ломощные двигатели, в основном для использования в условиях
тропического климата для привода домашних вентиляторов.
Один из таких малых двигателей и был использован фирмой
«Филипс» в радиоустановке с генератором (рис. 1.136). При
этом обнаружилось, что многие усовершенствования, ранее
предложенные для этого двигателя, например регенератор, не
использовались и что двигатели, по существу, не совершенство¬
вались с начала 1900-х годов. Поэтому КПД двигателя состав-

388 Глана I
Рис. 1.136. Портативный электрогенератор с двигателем фирмы «Филипс»
(первоначальный вариант).
лял лишь 1 %, в то время как термодинамический КПД цикла
Карно для двигателя Стирлинга превышает 50 %■
Сотрудникам фирмы «Филипс» сразу же стало ясно, что у
двигателя Стирлинга значительно больше потенциальных воз¬
можностей, чем у паровой машины. И когда над Европой на¬
висла угроза второй мировой войны, фирма начала работы с
двигателем Стирлинга, вернувшись к. первоначальной концеп¬
ции 1816 г.— одноцилиндровому двигателю, хотя одним из пер¬
вых прототипов был двигатель в модификации Райдера с про¬
тивоположно расположенными цилиндрами. Мы предполагаем,
что работа велась в период 1938—1945 гг., поскольку в 1946 г.
были опубликованы многочисленные технические статьи, содер¬
жащие обширную информацию, которая могла быть получена
только в результате работ, продолжавшихся несколько лет. За
•сравнительно короткий период (немногим менее 10 лет) при
неблагоприятной международной обстановке были достигнуты
значительные успехи. Фирма «Филипс» взялась за почти забы¬
тый двигатель, дала ему новое название, увеличила его удель¬
ную мощность (на килограмм массы) почти в 50 раз, умень¬
шила его размеры на единицу мощности почти в 125 раз и
повысила КПД в 15 раз. Таким образом, двигатель Стирлинга
вступил в современную фазу своего развития.
Ранние двигатели «Филипс», один из которых показан на
рис. 1.50, имели в качестве рабочего тела сжатый воздух, и на
них устанавливались оребренные нагревательные головки без
трубчатой структуры, которая появилась позднее. Двигатель,
показанный на рис. 1.50, развивал мощность до 0,7 кВт и ис¬
пользовался в качестве механического привода в генераторной

Общее описание двигателей Стирлинга 189
установке мощностью 200 Вт (рис. 1.51), которая успешно
применялась во время катастрофического наводнения в Гол¬
ландии в 1953 г. Было изготовлено 50 таких установок.
Однако к этому времени благодаря усовершенствованиям
в аккумуляторных батареях и электронных устройствах умень¬
шилась потребность в портативных генераторных установках
малой мощности. И все же удивительно, что двигатель Стирлин¬
га повышенной мощности не был доведен до стадии серийного
производства, хотя еще в 1948 г. двигатель двойного действия
V-4 мощностью 11 кВт был продемонстрирован в лаборатории
фирмы «Филипс» ( г. Эйндховен) крупнейшему изготовителю
двигателей — Генри Форду II [9], а аналогичных размеров
двигатель двойного действия с косой шайбой был подготовлен
к выпуску к началу 50-х годов [95]. Дальнейшему прогрессу
двигатель Стирлинга обязан фирме «Дженерал моторе», ко¬
торая предложила фирме «Филипс» разработать совместную
программу разработок таких двигателей, однако в то время
«Филипс» уклонилась от этого предложения [45]. О причинах
этого можно только гадать, но фактом является то, что пример¬
но в 1946—1947 гг. в фирму «Филипс» влилась новая группа
исследователей, после чего предпочтение было отдано использо¬
ванию двигателя в качестве рефрижератора и холодильной
машины, а не источника механической энергии. Сразу же нача¬
ла выполняться соответствующая программа, принесшая фирме
«Филипс» существенный коммерческий успех в этой области.
Одноступенчатая машина, построенная в 1963 г., обеспечивала
температуру 12 К с охлаждающим эффектом, достаточным для
получения сверхпроводимости в пластине из сплава ниобия с
оловом, так что стержневой магнит мог висеть в воздухе над
этой пластиной. В этот первый период совершенствования дви¬
гателя обратного действия (т. е. двигателя, работающего в ре¬
жиме холодильной машины) были достигнуты важные резуль¬
таты, связанные с применением в качестве рабочего тела водо¬
рода и гелия, что уменьшило потери на перетекание и улучши¬
ло рабочие характеристики. Успех работ по холодильным ма¬
шинам и утрата предполагавшегося рынка для двигателя
Стирлинга как источника механической энергии, казалось бы,
закрывали перспективы использования этого двигателя для
получения мощности на выходном валу. Однако благодаря
энтузиазму и энергии Мейера — одного из инженеров фирмы
«Филипс» — эти работы были продолжены, а изобретение Мейе¬
ром в 1953 г. ромбического привода обеспечило двигателю
Стирлинга будущее. Генераторная установка с ромбическим
приводом показана на рис. 1.137.
Если бы не работы этого выдающегося инженера, то вряд ли
двигатели Стирлинга достигли современного уровня развития.

190 Глава 1
Рис. 1.137. Портативный генератор фирмы «Филипс» с ромбическим приво¬
дом.
Использование ромбического привода, трубчатых теплообмен¬
ников и газов с малой молекулярной массой позволило фирме
«Филипс» изготавливать к концу 50-х годов двигатели с эффек¬
тивным КПД до 30 % и мощностью порядка десятков киловатт,,
так что фирма уже намеревалась получить из своих работ ком¬
мерческую выгоду. С этого времени все наиболее существенные
усовершенствования двигателя Стирлинга с кривошипным при¬
водом основывались на разработках фирмы «Филипс» —■ как на
созданных ею конструкциях, так и на лицензиях этой фирмы.
Краткая хроника развития двигателей Стирлинга в этот пери¬
од приведена ниже.
1937—1938 гг.
Фирма «Филипс» проявляет интерес к двигателям с замкну¬
тым циклом, работающим на подогретом воздухе и предназна¬
ченным для электрогенераторов малой мощности.
1938—1947 гг.
Создано несколько опытных образцов двигателей с лучшими
рабочими характеристиками по сравнению с двигателями
30-х годов.
1948—1953 гг.
Внимание переключается на холодильные машины. Выясня¬
ется, что применение газов с малыми молекулярными массами

Общее описание двигателей Стирлинга 191
улучшает рабочие характеристики. Тем не менее продолжается
исследование и разработка двигателей — источников механиче¬
ской энергии как простого, так и двойного действия. Интерес
к ним проявляют фирмы «Форд» (США) и «Дженерал моторе».
Резкий скачок в разработке двигателя Стирлинга был сделан
в 1953 г., когда Мейер изобрел ромбический привод, что позво¬
лило использовать более высокие рабочие давления. Развитие
конструкций двигателей — источников механической энергии и
холодильных машин пошло различными путями.
1954—1958 гг.
В течение этого периода было построено и испытано много
двигателей с ромбическим приводом, при этом в двигателе
1-365 с водородом в качестве рабочего тела среднее давление
цикла достигло 14 МПа. С использованием газа при высоких
давлениях возникла проблема надежности уплотнений. Чугун¬
ные поршневые кольца не подходили из-за значительной утечки
масла. Уплотнения сальникового типа для картера также ока¬
зались неподходящими. Было разработано уплотнение поршня
с плотной посадкой. Поршень изготавливался с нанесенными на
нем кольцевыми слоями сплава олова, свинца и сернистого мо¬
либдена. Затем поршень при сильном охлаждении вставлялся
в цилиндр. «Дженерал моторе» в 1957 г. вновь проявляет инте¬
рес к двигателю Стирлинга и работам фирмы «Филипс». В но¬
ябре 1958 г. между ними заключается соглашение по предо¬
ставлению лицензий сроком на 10 лет [45], которое обошлось
в конечном счете фирме «Дженерал моторе» в 1,2 млн. долл. (по
курсу 60-х годов).
1958—1962 гг.
«Филипс» продолжает работу над двигателем 1-98 с ромби¬
ческим приводом. Было построено свыше 30 вариантов этого
двигателя. Некоторые из них использовались в качестве приво¬
да генератора мощностью 4 кВт. Было достигнуто среднее дав¬
ление цикла 22 МПа, а при среднем давлении 11 МПа были
проведены испытания на долговечность продолжительностью
10 000 ч. Двигатель 1-365 был установлен на моторную яхту
«Джон де Вит». На стенде двигатель развивал мощность до
42 кВт при КПД 38 % и среднем давлении цикла 16,5 МПа,
в то время как двигатель 1-98 развивал мощность 19 кВт при
КПД 33 % и среднем давлении цикла 21 МПа.
Были намечены три основные области применения двигате¬
лей Стирлинга, в которых фирма «Дженерал моторе» намерева¬
лась проводить дальнейшую работу: подвесной мотор для су¬
дов, генератор для спутников, работающий на солнечной энер¬
гии, и компактный генератор ГПУ (англ. GPU — Ground Power

192 Глава 1
Unit) для работы в полевых условиях для армии СИТА Другие
возможные области применения включали силовые установки
для речных и каботажных морских судов, подводных лодок и
железнодорожного транспорта.
Первым двигателем, который испытывался фирмой «Джене¬
рал моторе», был одноцилиндровый двигатель мощностью
23 кВт с плотной посадкой поршня в цилиндре.
Применение колец из тефлона упростило проблему уплотне¬
ния поршня, однако дальнейшая разработка двигателя стала
возможной только после изобретения в 1960 г. уплотнения типа
«скатывающийся чулок». Это позволило проектировать двигате¬
ли увеличенных размеров, особенно после того, как стали при¬
менять более эффективные трубчатые и оребренные теплооб¬
менники и сетчатые регенераторы. В «Дженерал моторе» двига¬
тель 1-98 был использован в качестве базового для установки
ГПУ и генератора для спутника. Затем «Дженерал моторе»
отказалась от уплотнения с плотной посадкой в пользу уплот¬
нения фирмы «Грин Твид», разработка которого началась
в 1960 г. Кольцевые уплотнения этого типа испытывались па¬
раллельно с кольцевыми уплотнениями других типов, предназ¬
наченных для штока поршня. По существу, это были первые
уплотнения скользящего типа. В 1961 г. «Дженерал моторе»
получила детальную документацию на уплотнение типа «скаты¬
вающийся чулок» и начала заниматься параллельно этим типом
уплотнения и уплотнением скользящего типа. Однако наиболее
важным событием в конце этого периода было решение «Дже¬
нерал моторе» установить на автомобиле двигатель Стирлинга,
работающий на природном топливе с использованием аккуму¬
лятора тепловой энергии.
1963—1968 гг.
Изобретение ромбического привода и уплотнения типа «ска¬
тывающийся чулок», а также усовершенствования процесса сго¬
рания, теплообменников и систем регулирования позволили
приступить к созданию более мощных двигателей. Продолжа¬
лась интенсивная работа с двигателем ГПУ, и его мощность
была доведена до 9 кВт. Кроме того, и «Филипс», и «Дженерал
моторе» провели исследования и построили двигатели мощно¬
стью 200 кВт, причем «Филипс» предполагала использовать та¬
кой двигатель (рис. 1.48) в силовой установке универсального
типа, а «Дженерал моторе» — специально для морских судов.
При этом военно-морские силы США испытывали также и дви¬
гатель фирмы «Филипс», однако первое практическое примене¬
ние он нашел на автобусе (рис. 1.138).
«Дженерал моторе» изучала проблему аккумулирования
тепловой энергии с начала 50-х годов, совмещая эту работу с

Общее описание двигателей Стирлинга 193
совершенствованием двигателя Стирлинга. Предполагалось
создать ряд двигателей для подводных лодок с диапазоном
мощностей 3—3750 кВт. Фирма «Филипс» также проявила
достаточно большой интерес к этим работам и выполнила ряд
собственных исследований. К середине 60-х годов двигатель
Стирлинга, по крайней мере с технической точки зрения, стал
вполне конкурентоспособным с дизелем, однако еще не пред¬
ставлял собой достаточно серьезного соперника двигателю с
Рис. 1.138. Автобус с энергосиловой установкой, включающей двигатель Стир¬
линга фирмы «Филипс». (С разрешения фирмы «Филипс», Эйндховен.)
принудительным зажиганием. Поэтому в 1964 г. фирма «Фи¬
липс» принимает решение вернуться к двигателю двойного дей¬
ствия. С точки зрения дальнейшего развития двигателей Стир¬
линга вплоть до настоящего времени это решение явилось свое¬
го рода водоразделом. Однако, несмотря на то что решение
приняла фирма «Филипс», ведущее положение в конструирова¬
нии и разработке занимала фирма «Дженерал моторе». К мо¬
менту, когда «Филипс» начала работу по созданию двигателя
4-65 DA мощностью 45 кВт с косой шайбой (1968 г.), «Джене¬
рал моторе» закончила (или была близка к завершению) рабо¬
ту над двигателем для автомобиля мощностью 186 кВт и дви¬
гателем для торпеды мощностью 375 кВт. В последнем в каче¬
стве источника энергии использовалась высокая теплота реак¬
ции горения металла. Были начаты также исследования других
двигателей на основе двигателя DA, чтобы найти вариант с
наилучшей компактностью.
13 Зак. 839

194 Глава 1
Продолжались работы и над двигателем простого действия,
которые наиболее интенсивно вела фирма «Дженерал моторе».
Филиал этой фирмы «Аллисон» построил и провел испытания
двигателя PD67 для спутника. Двигатель подвергался испыта¬
ниям на долговечность продолжительностью 1000 ч, однако по¬
дробные результаты этих испытаний не были опубликованы.
Известно, что передача энергии должна была происходить через
натриево-калиевую эвтектическую жидкость, однако осталось
неизвестным, использовался ли этот процесс при испытаниях.
«Дженерал моторе» также испытывала различные способы
аккумулирования тепла. В 1964 г. на автомобиле марки «Кал¬
вер» был испытан двигатель Стирлинга простого действия мощ¬
ностью 23 кВт, тепловая энергия для которого поступала от
теплового аккумулятора энергии на основе окиси алюминия
[96]. Четырьмя годами позднее гибридный силовой агрегат,
включающий двигатель Стирлинга и электрическую аккумуля¬
торную батарею, был установлен на автомобиль марки «Опель
кадет». Двигатель Стирлинга (модифицированный ГПУ) ис¬
пользовался не для привода колес автомобиля, а для непрерыв¬
ной подзарядки батареи.
На основе информации, полученной при конструировании
и испытании опытных двигателей, «Дженерал моторе» и «Фи¬
липс» разработали весьма подробную и сложную программу
проектирования с помощью ЭВМ. Хотя в последующем эти дви¬
гатели подвергались изменениям, они все еще остаются основой
для работ по конструированию и совершенствованию, проводи¬
мых ведущими фирмами-изготовителями. Обнадеживающие
результаты, полученные за этот переломный десятилетний пери¬
од разработки двигателя, привлекли внимание и других фирм
по изготовлению двигателей, и в 1968 г. фирма «Филипс» за¬
ключила еще два лицензионных соглашения: одно — с фирмой
«Юнайтед Стирлинг» (Швеция), а другое — с объединением
MAN — MWM (ФРГ). Оба концерна, входящие в объединение,
прямо или косвенно связаны с производством дизельных двига¬
телей.
В этот же период исследовательский коллектив Харуэллской
лаборатории и группа Била начали исследования свободно¬
поршневых двигателей и двигателей с жидкими поршнями.
Были созданы и испытаны с разной степенью успеха опытные
образцы таких двигателей. Работы по свободнопоршневым дви¬
гателям проводились также в различных институтах США.
1968—1978 гг.
Это был период интенсивных исследований, однако без
крупных достижений, поскольку «Дженерал мдторс» в момент
явно наметившегося полного технического успеха прекратила

Общее описание двигателей Стирлинга 195
Рис. 1.139. Двигатель 4-615 с ромбическим приводом фирмы «Юнайтед Стир¬
линг». (С разрешения фирмы «Юнайтед Стирлинг».)
все свои работы над двигателями Стирлинга. К сожалению, ре¬
зультаты огромной по объему конструкторской и исследова¬
тельской работы, проводившейся в течение многих лет, не были
опубликованы, и другие исследователи так и не получили до¬
ступа примерно к 300 научным отчетам. Однако работа над ав¬
томобильным двигателем Стирлинга не прекратилась, и ее
продолжили фирмы «Форд» (США) и «Филипс» в соответст¬
вии с соглашением, подписанным в 1972 г. Шведская фирма
«Юнайтед Стирлинг» также совершенствовала свои автомо¬
бильные двигатели, предназначенные для тяжелых грузовиков
и автобусов. Объединение MAN — MWM не раскрыло предпо¬
лагаемую область применения своих двигателей, однако пред¬
полагалось [7, 27], что эти двигатели предназначены для воен¬
но-морских судов. Фирмы, приобретшие лицензию фирмы «Фи¬
липс» в 1968 г., начали работу над двигателем «Филипс 1-98»
с ромбическим приводом, и «Юнайтед Стирлинг» построила
свой двигатель 4-615 (рис. 1.139). Однако, затем и «Юнайтед
Стирлинг» и MAN — MWM отвергли ромбический привод и со¬
средоточили свое внимание на различных модификациях криво¬
шипно-шатунного привода, в то время как фирма «Форд» рабо¬
13*

196 Глава 1
тала над приводом с косой шайбой. Итак, эпоха ромбического
привода закончилась к 1971 г.
К концу рассматриваемого периода были достигнуты значи¬
тельные успехи в разработке двигателя Стирлинга, работающе¬
го на жидком природном топливе и предназначенного для ис¬
пользования на легковых и грузовых автомобилях. «Юнайтед
Стирлинг» разработала скользящее уплотнение, которое, хотя
и не решило полностью проблему уплотнения штока, облегчило
дальнейшую работу над пригодным для коммерческого исполь¬
зования двигателем Стирлинга. Не считая фирм «Филипс» и
«Форд», в этот период никто не пытался совершенствовать
уплотнения типа «скатывающийся чулок», а затем и сами эти
фирмы переключили свое внимание на скользящее уплотнение.
Достижения программы фирмы «Форд» привели к заключению
в 1975 г. контракта с Управлением энергетических исследований
и разработок США (ERDA) и в 1977 г. — с министерством энер¬
гетики.
Успешные испытания двигателей серии Р фирмы «Юнайтед
Стирлинг», в которых использовался U-образный кривошипный
привод Рикардо, вызвали интерес нескольких европейских и
американских промышленных фирм. Были рассмотрены помимо
автомобильного транспорта другие области возможного приме¬
нения, такие, как электрические генераторы, использующие сол¬
нечную энергию, установки для подводных лодок и дистанцион¬
но управляемые стационарные электрогенераторы, работающие
не на жидком топливе. В настоящее время вопросом при¬
менения двигателей Стирлинга в различных областях занимает¬
ся столь большое число различных организаций, что просто
невозможно проследить все пути совершенствования этих дви¬
гателей. В Великобритании и Японии образовались консорциу¬
мы из представителей промышленности и университетов, и к
концу 1978 г. более сотни таких групп работало над двигате¬
лем Стирлинга.
Работы над свободнопоршневым двигателем в этот период
достигли такого уровня развития, что стало возможным присту¬
пить к коммерческому выпуску двигателей как в модификации
Харуэллской лаборатории, так и в модификации Била. Были
предприняты работы по совершенствованию двигателя «Флюи¬
дайн» с целью использования его на Индийском субконтинен¬
те. Изучались также возможности использования «сухой» мо¬
дификации этого двигателя, работающей на угле.
Период начиная с 1978 г.
Работа по совместной программе фирм «Форд» и «Филипс»
и министерства энергетики США была прекращена в конце
1978 г. по причинам, не имеющим отношения к самому двигате¬

Общее описание двигателей Стирлинга 197
лю Стирлинга, и основная часть этой программы, относящаяся
к использованию двигателей Стирлинга на автомобилях,
была продолжена группой фирм, состоящей из «Микеникел
технолоджис», «Юнайтед Стирлинг» и «Америкен моторе дже¬
нерал». Основное направление работ переключилось с двига¬
теля с качающейся шайбой на энергосиловую установку Р-40
с U-образным кривошипным приводом. Интенсивность исследо¬
ваний, связанных с двигателем Стирлинга, с 1978 г. возросла
примерно в 10 раз, однако все усилия были направлены в ос¬
новном на доводку существующих конструкций, а не на разра¬
ботку новых. Нельзя, конечно, утверждать, что работа над но¬
выми конструкциями вообще не велась. Но направление работ
во всех областях в большей степени ориентировалось на созда¬
ние промышленных образцов двигателей, поскольку почти все
программы ориентированы на определенную область примене¬
ния двигателя Стирлинга.
1.10.	ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОШЛОМ, НАСТОЯЩЕМ
И БУДУЩЕМ
Двигатель Стирлинга можно использовать во всех облас¬
тях, где требуется преобразование тепловой энергии в механи¬
ческую. В самом деле, почти нельзя назвать ни одной сколько-
нибудь серьезной области потенциального применения двигате¬
ля Стирлинга, в которой уже не было бы предпринято попытки
его использования или по крайней мере такая возможность не
изучалась. При этом нельзя выделить каких-то необычных об¬
ластей применения, поскольку во всех случаях имеются альтер¬
нативные источники механической энергии аналогичного назна¬
чения. По рабочим характеристикам или приспособленности
альтернативные установки могут уступать двигателю Стирлин¬
га, однако нет оснований утверждать, что двигатель Стирлин¬
га — это единственно подходящий источник механической энер¬
гии для данной области применения, хотя было бы трудно, на¬
пример, представить паровую турбину или дизельный двигатель
в качестве привода искусственного сердца. Развитие двига¬
телей Стирлинга, как и других источников механической энер¬
гии, стимулировалось, как правило, техническими и социально-
экономическими требованиями времени. Так, например, о воз¬
можности использования двигателя Стирлинга на автомобиле
особенно не задумывались до 1962 г., когда общество начало
испытывать беспокойство но поводу загрязнения окружающей
среды, и только в 70-х годах, в условиях энергетического кри¬
зиса, влияние которого ощущается еще и сейчас, в программы
совершенствования автомобильных двигателей Стирлинга нача¬
ли вкладывать значительные средства.

198 Глава 1
Первоначально предполагавшееся фирмой «Филипс» приме¬
нение двигателей Стирлинга в качестве составной части порта¬
тивных электрогенераторов не состоялось из-за быстрого совер¬
шенствования других устройств, предназначенных для той же
цели, однако в настоящее время под воздействием экономиче¬
ских факторов эта область применения вновь привлекает вни¬
мание. Области применения, в которых двигатель Стирлинга
использовался в XIX в. и был в конечном счете вытеснен, те¬
перь изучаются вновь. Поэтому нецелесообразно перечислять от¬
дельные случаи применения двигателя Стирлинга в хроноло¬
гической последовательности. Вместо этого выделим три общие
области применения этого двигателя за весь период его суще¬
ствования. Эти области применения отличаются способом ис¬
пользования вырабатываемой энергии:
1) для поступательного движения;
2) для получения электрической энергии;
3) для получения механических перемещений, отличных от
поступательного движения.
1.10.1.	Поступательное движение
Хотя и предполагается, что двигатель Стирлинга предназна¬
чался для аэропланов еще за 50 лет до полета братьев Райт
[9], первое свидетельство его использования для поступатель¬
ного движения — это энергосиловая установка судна «Эрик¬
сон», которая действительно работала [9]. Это был наиболее
тяжелый из всех когда-либо построенных двигателей, работаю¬
щих на подогретом воздухе, с ходом поршня 183 см и диамет¬
ром цилиндра 427 см. Хотя двигатель был действующим, ожи¬
даемые характеристики не были получены, и в конечном счете
после того, как судно затонуло, дальнейших разработок в этой
области не предпринималось.
Использование двигателя Стирлинга для осуществления по¬
ступательного движения вновь стало предметом серьезного
внимания только в конце 50-х годов XX в., когда фирма «Дже-
нерал моторе» достигла окончательного соглашения с фирмой
«Филипс» относительно совместной программы исследований.
Отделение «Кливленд Дизеле» фирмы «Дженерал моторе» на¬
чало изучать перспективы использования двигателя Стирлинга
в качестве энергосиловой установки для подводных лодок, а
также для речных и портовых судов. Были построены и испы¬
таны отдельные секции двигателя мощностью до 295 кВт
(рис. 1.47). Однако этот двигатель получился чрезвычайно тя¬
желым, хотя его шумовые и вибрационные характеристики
(рис. 1.92 и 1.93) были весьма многообещающими [97], а до¬
стигнутый удельный расход топлива оказался существенно

Общее описание двигателей Стирлинга 199
меньше, чем у эквивалентного дизеля. В 1968 г., когда закан¬
чивался срок действия лицензионного соглашения с фирмой
«Филипс», «Дженерал моторе» отработала конструкцию таин¬
ственного трехцилиндрового судового двигателя модели W
мощностью 105 кВт, а вскоре после этого было принято реше¬
ние о прекращении работ по двигателю Стирлинга, и это после
того, как на совершенствование двигателя были затрачены мно¬
гие сотни человеко-часов и когда близок был явный успех!
Причины, заставившие прекратить исследовательские работы,
так и остались неизвестными. Однако эти работы продемонстри¬
ровали возможность использования двигателя Стирлинга на
морских судах, и с учетом последних работ по совершенствова¬
нию технологии материалов и техники проектирования судовой
двигатель Стирлинга становится весьма реальной перспективой.
Один японский консорциум работает над судовым двигателем
4-5070 мощностью 600 кВт, который должен быть построен фир¬
мой «Дайатцу Дизеле» [98]. Это будет среднеоборотный дви¬
гатель двойного действия с гелием в качестве рабочего тела. Тех¬
нические данные двигателя свидетельствуют о его предназначе¬
нии скорее для привода генератора, чем непосредственно для
движения судна. О предполагаемом назначении двигателя еще
не объявлено.
Начиная с 60-х годов возрос интерес к использованию двига¬
телей Стирлинга на подводных транспортных средствах, пред¬
назначенных как для гражданских, так и для военных целей,
и были намечены испытания опытной установки. Эта установка
представляет собой небольшое закрытое управляемое подвод¬
ное устройство, разработанное совместно фирмами «Комекс
индустри» (Франция) и «Юнайтед Стирлинг» (Швеция) [99].
Устройство схематически показано на рис. 1.140. Испытания
этого устройства в условиях открытого моря были намечены на
начало 80-х годов.
Источником тепловой энергии для модифицированного дви¬
гателя Р-40 должна была стать скорее всего смесь дизельного
топлива и жидкого кислорода, которая сгорала бы в камере
при избыточном давлении. Работы, проводившиеся фирмой
«Дженерал моторе», предусматривали использование тепло¬
вых аккумуляторов и процесса горения металла. Такие источ¬
ники тепловой энергии не требуют окислителя и не зависят от
■окружающей ч:рсды. Этот вопрос более подробно будет рас¬
смотрен в гл. 4, здесь же достаточно упомянуть, что сами эти
источники энергии и устройство для передачи тепла от источни¬
ка к двигателю еще не были доведены до стадии промышлен¬
ных образцов, когда уже началось изучение возможных областей
практического применения двигателя Стирлинга в широких
масштабах, хотя стендовые испытания различных элементов

200 Глава 1
Рис. 1.140. Энергосиловая установка для подводных лодок совместной раз¬
работки фирм «Комекс» и «Юнайтед Стирлинг» [99].
1—энергосиловая установка с двчгателем Стирлинга; 2 — двигатель Стирлинга; 3 — электро¬
генератор.
и проведенное изучение возможностей использования двнга-
теля казались весьма многообещающими [100]. Ситуация из¬
менилась в последнее десятилетие, и исследовательская работа
возобновилась, однако предполагаемой областью применения
теперь уже были энергосиловые установки автомобилей.
Перспективы использования двигателя Стирлинга для мор¬
ских судов представляются особенно привлекательными, по¬
скольку многих проблем, связанных с использованием двигателей
Стирлинга на суше, в условиях открытого моря не сущест¬
вует. Скорость вращения вала судового винта или ротора элект¬
рогенератора намного ниже скорости вращения вала автомо¬
бильного двигателя. Следовательно, можно отдать предпочте¬
ние использованию в качестве рабочего тела гелия или воздуха
(или азота), а не водорода, поскольку это не повлечет за собой
ухудшения рабочих характеристик (рис. 1.87 и 1.88).
Отказ от водорода в значительной степени снимает пробле¬
му герметизации рабочего тела, в особенности проблему диффу¬
зии сквозь стенки трубок нагревателя, и, следовательно, умень¬
шает опасность взрыва в машинном отделении из-за утечки
водорода. Использование морской воды для охлаждения предо¬
ставляет практически неограниченную возможность отвода теп¬
ла при низкой температуре среды, а это, как показано на

Общее описание двигателей Стирлинга 201
рис. 1.75, может оказать существенное положительное влияние
на рабочие характеристики двигателя.
В таких условиях двигатель может работать при понижен¬
ных рабочем давлении и температуре, что повысит перспекти¬
вы его коммерческого использования. Установка двигателя
Стирлинга на морских судах представляется наиболее вероят¬
ной областью его применения в ближайшем будущем. Основа¬
нием для такого предположения является факт, что уже в на¬
стоящее время двигатель Стирлинга является более серьезным
конкурентом дизеля, чем двигатель с принудительным зажига¬
нием, причем, как уже говорилось выше, три четверти всех дви¬
гателей морских судов в мире в настоящее время — дизели.
Однако, если не считать работ по энергосиловым установкам
моторных яхт, выполненных фирмами «Филипс» и «Юнайтед
Стирлинг», в настоящее время нет достоверных сведений о ка¬
ких-либо испытаниях двигателя Стирлинга на морских судах.
Эту ситуацию в ближайшее время должна изменить программа
работ, выполняемая в Японии.
Проводятся интенсивные испытания энергосиловых устано¬
вок, включающих двигатели Стирлинга, для автомобилей, и
шансы на успешное завершение этих работ, по нашему мнению,
возросли, так как произошло кардинальное изменение в подхо¬
де изготовителей автомобилей к этому вопросу. Вместо того
чтобы пытаться установить двигатель Стирлинга на уже суще¬
ствующий автомобиль, как это делала фирма «Форд», фирма
МТИ создает автомобиль, рассчитанный на установку двигате¬
ля Стирлинга, и два Таких автомобиля уже построены. Это ав¬
томобили «Спирит» (рис. 1.41) и «Конкорд» (рис. 1.142).
Рис. l.Hl. Автомобиль «Спирит». (С разрешения Льюисского цеьтра НАСА и
фирмы МТИ.)

Рис. 1.142. Автомобиль «Конкорд». (С разрешения Льюисского центра НАСА
и фирмы МТИ.)
Важнейшей характеристикой двигателя Стирлинга, опреде¬
ляющей его применимость в автомобиле, является компакт¬
ность, которая обусловливает приспособленность двигателя к
автомобилю с точки зрения его конструкции и эксплуатации.
Как видно из рис. 1.143 и 1.144, ранее построенные двигатели
полностью заполняли подкапотное пространство существующих
автомобилей.
Разумеется, перспективы, которые открывает успешная
установка двигателя Стирлинга на легковом автомобиле,
огромны, но столь же велик и риск, поскольку может оказать¬
ся, что двигатель Стирлинга не сможет противостоять двигате¬
лю с принудительным зажиганием в условиях преобладающего
использования жидкого углеводородного топлива. Для дальних
грузовых перевозок двигатель Стирлинга может стать более
приемлемым, поскольку здесь его конкурентом является ди¬
зель. При дальнейших успешных разработках в областях ак¬
кумулирования тепловой энергии, сжигания металлов и водо¬
рода использование двигателем Стирлинга этих источников
энергии может дать ему решающие преимущества, особенно
в сфере общественного транспорта. Не следует забывать, одна¬
ко, что двигатель Стирлинга достиг современного уровня, на
котором он становится сопоставимым с двигателями внутренне¬
го сгорания, всего за несколько лет интенсивных работ, в то
время как работы по двигателям внутреннего сгорания, причем
более интенсивные, ведутся уже многие десятилетия, и, хотя

Общее описание двигателей Стирлинга 203
Рис. 1.144. Двигатель «Форд 4-125» в моторном отсеке автомобиля «Форд
Таунус». (С разрешения фирмы «Форд мотор».)

204 Глава 1
к перспективам применения двигателя Стирлинга на автомоби¬
лях необходимо относиться с некоторой осторожностью, все же
имеется много оснований для оптимизма.
1.10.2.	Получение электрической энергии
Если говорить о получении мощностей порядка сотен мега¬
ватт, то в обозримом будущем предпочтение будет отдано паро¬
вой турбине, в то время как для передвижных генераторных
установок мощностью в несколько десятков мегаватт вне кон¬
куренции будет авиационная газовая турбина. Однако для
Рис. 1.145 Установка фирмы «Юнайтед Стирлинг», работающая на биомассе.
(С разрешения фирмы «Юнайтед Стирлинг», Мальме.)
1—пусковое устройство; 2—камера сгорания; 3 — предварительный подогреватель воздуха;
4—комбинированный нагреватель воздуха; 5—расходомер для воздуха; &—предохрани¬
тельный клапан; 7—индикатор уровня; 8 — расходомеры для топлива; 9 —гибкий шлаиг;
10 — Электронное устройство; 11 — бак с биомассой.
установок мощностью 3—1000 кВт весьма перспективен двига¬
тель Стирлинга. Успешное решение технических проблем на
маломощных электрогенераторах фирмы «Филипс» и установ¬
ках фирмы «Дженерал моторе» серии ГПУ открывает возмож¬
ность использования двигателей Стирлинга в небольших до¬
машних установках. Однако перспективы применения двигате¬
лей в диапазоне мощностей 40—750 кВт могут оказаться более
привлекательными и более вероятными. В наше время в усло¬
виях высокой стоимости производства и распределения элек¬
троэнергии особое внимание привлекают местные источники
топлива. Во многих районах земного шара древесные и другие
органические материалы более доступны, чем обычное топливо.
Системы из двигателя и генератора, использующие такие энер-

Общее описание двигателей Стирлинга 205
Рис. 1.146. Схема установок Льюисского исследовательского центра НАСА
для использования солнечной энергии с размещением двигателя в фокусе
коллектора.
<
гонасыщенные материалы, могут существенно облегчить пла¬
тежный дефицит во многих странах и уменьшить зависимость
от импортируемого топлива. Фирма «Юнайтед Стирлинг» уже
проводит эксперименты с двигателями Стирлинга, работающи¬
ми на органических отходах и биомассе. Типичная установка
такого типа, созданная на базе двигателя Р-40, показана на
рис. 1.145.
Аналогичные соображения могут быть выдвинуты в отноше¬
нии использования солнечной энергии, и, в самом деле, объеди¬
нение «Юнайтед Стирлинг» — Лаборатория реактивных двига¬
телей в больших масштабах исследует возможность создания
таких установок (рис. 1.146). В несколько меньших масштабах
такая работа проводится фирмой «Санпауэр», шт. Огайо,
США (рис. 1.147). Имеются все основания утверждать, что эта
специфическая область применения станет весьма плодотвор¬
ным рынком сбыта для двигателей Стирлинга.
Выработка электроэнергии на морских судах и в городских
условиях представляется лучшей перспективой для двигателей
Стирлинга, чем более ограниченная область применения в сол¬
нечных установках. Ранее уже рассматривались многие пре¬
имущества использования двигателя Стирлинга на морских су¬
дах. Установку с двигателем Стирлинга можно также исполь¬
зовать с максимальной эффективностью, если утилизовать всю

206 Глава 1
Рис. 1.147. Свободнопоршневой двигатель Стирлинга, работающий на солнеч¬
ной энергии [9].
выделяемую энергию, поскольку значительное ее количество
содержится в охлаждающей жидкости. Концепции утилизации
всей энергии исследуются Аргоннской национальной лаборато¬
рией (США) [101] , а также в Дании [102]. Объединением
MAN — MWM создана конструкция системы с полным исполь¬
зованием энергии, однако неизвестно, продолжается ли эта ра¬
бота в настоящее время.
Свободнопоршневой двигатель, соединенный с линейным ге¬
нератором переменного тока, теперь достиг уровня мощности,
превышающего 1 кВт, и это представляется довольно перспек¬
тивной областью применения в будущем, особенно для работы
в космосе или для армейских полевых установок [103]. В на¬
стоящее время установка из свободнопоршневого двигателя и

Общее описание двигателей Стирлинга 207
генератора переменного тока имеет большую стоимость и мень¬
шую удельную мощность на единицу массы по сравнению с ее
конкурентами, но ее способность работать как на твердом топ¬
ливе, так и на солнечной энергии и низкий уровень шума в ко¬
нечном счете могут оправдать ее применение в качестве аль¬
тернативы существующим устройствам. Однако необходимо
дальнейшее совершенствование установки, прежде чем можно
будет сказать что-либо определенное относительно перспектив
ее коммерческого использования.
Работающий на воздухе двигатель, предложенный Билом
[104], имеет больше шансов на успех в недалеком будущем,
чем свободнопоршневой двигатель, только потому, что двига¬
тель возвратно-поступательного действия лучше принимается
публикой, так как его конструкция более привычна. Если этот
двигатель будет по своей компоновке напоминать двигатели
Хенричи или Райдера, то в таком случае под «горячим» ци¬
линдром будет поддерживаться огонь в буквальном смысле
слова, и двигатель, по своим размерам сопоставимый с домаш¬
ней посудомоечной машиной и работающий при малых давле¬
ниях цикла, может вырабатывать достаточное количество энер¬
гии для электроснабжения помещения для одной семьи или
сельской мастерской. КПД таких устройств при скорости вра¬
щения вала не более 1200 об/мин находится в пределах 18—
25 %.
С расширением масштабов эксплуатации океанского дна
растет потребность в небольших электрогенераторах для пита¬
ния подводных наблюдательных устройств. В настоящее время
для их питания используют передачу электроэнергии по прово¬
дам и батареи, однако применение тепловых двигателей для
этой цели сделало бы такие устройства более мобильными и
менее дорогими. Двигатель Стирлинга с химическим аккумуля¬
тором энергии или сжиганием металла мог бы найти здесь
должное применение.
1.10.3.	Механические перемещения, отличные
от поступательного движения
Эта область применения связана в основном с получением
энергии для перекачки жидкостей. В прошлом, как отмечалось
выше, двигатель Райдера был популярен именно в этой обла¬
сти. При использовании в этом качестве двигателя Стирлинга
обычной конструкции с кривошипным приводом пришлось бы
комплектовать его отдельным перекачивающим устройством,
однако в случае применения двигателя «Флюидайн» или сво¬
боднопоршневого двигателя (в том числе модификации со
«свободным цилиндром») перекачивающий насос становится

208 Глава 1
составной частью двигателя. Это дает определенные преимуще¬
ства с точки зрения рабочих характеристик, габаритов и удобства
эксплуатации. В настоящее время, однако, этот вариант уста¬
новки можно применять только для определенных нужд и
весьма специфических целей. Размеры перекачивающего насо¬
са, выполненного совместно со свободнопоршневым двигате¬
лем, теоретически неограниченны, и если успешно работающий
двигатель Била малой мощности удастся усовершенствовать и
одновременно увеличить его размеры, то масштабы использова¬
ния этого двигателя для орошения неизбежно расширятся.
В этом случае способность двигателя работать на самых раз¬
личных видах топлива обеспечит ему дополнительные преиму¬
щества.
1.10.4.	Заключение
Двигатель Стирлинга в конечном счете найдет применение,
однако в настоящее время при рассмотрении всего многообра¬
зия возможных областей его применения, в том числе и тех,
для которых этот двигатель уже построен, создается впечатле¬
ние, что нужны двигатели с мощностями менее 1 кВт и более
500 кВт. Автомобильный двигатель не попадает в этот диапа¬
зон мощностей, однако вполне возможно, что место двигателя
Стирлинга именно на автомобиле. Только время может дать
окончательный ответ на этот вопрос.
1.11.	ТЕРМИНОЛОГИЯ и КЛАССИФИКАЦИЯ
Опубликованная литература по двигателям Стирлинга, ра¬
ботающим на нагретом воздухе, содержит более чем 1500 ста¬
тей, однако, как ни странно, в этой области нет устоявшейся
терминологии. Большинство публикаций, с которыми нам уда¬
лось ознакомиться, представляют собой исследования, нося¬
щие случайный характер. К тому же за последние 160 лет само
появление публикаций по двигателям Стирлинга также было
достаточно случайным. Все это не способствовало упорядоче¬
нию или по крайней мерс уточнению терминологии. С начала
70-х годов, однако, начал расти интерес к двигателю Стирлин¬
га со стороны широких кругов специалистов, не связанных не¬
посредственно с исследованием этих двигателей; более того,
двигатель Стирлинга, хотя и медленно, становится все более
привычным предметом изучения в курсах, преподаваемых в
колледжах и университетах. Этот двигатель все чаще упомина¬
ется и обсуждается в качестве одной из возможных альтерна¬
тив существующим двигателям. Поэтому сейчас уже настало
время попытаться сформулировать стандартную номенклатуру
терминов и определений.

Общее описание двигателей Стирлинга 209
Уокер [7] составил перечень терминов и определений, и
хотя этот перечень не полон, тем не менее он крайне полезен,
поскольку из-за отсутствия общепринятых терминов наблюда¬
ются многочисленные разногласия в применении терминов и
определений. Такая неблагоприятная ситуация будет существо¬
вать до тех пор, пока не будет предпринята серьезная попытка
сформулировать полный набор терминов, определений и т. п.
При этом необходимо учитывать, что в условиях быстрого со¬
вершенствования конструкции двигателей Стирлинга, особенно_
свободнопоршневых двигателей, по-настоящему полный пере¬
чень составить невозможно, одйако в распоряжении исследова¬
телей уже имеется достаточный материал, чтобы сделать пер¬
вый значительный шаг в этом направлении. В настоящей книге
предпринята такая попытка, и, хотя было бы самонадеянным
считать, что охвачены все термины и определения или что
предлагаемые термины и определения станут общепринятыми,
мы надеемся, что в конце концов придем к общепринятой тер¬
минологии и завершим дело, начатое Уокером. Преподаватели
технических дисциплин могли бы внести заметный вклад в это
дело, приняв из рекомендуемой терминологии то, что они най¬
дут приемлемым. Знакомство с принятой терминологией и при¬
вычка к ее употреблению приведут к тому, что номенклатура
стандартных терминов и определений будет распространяться
и вытеснять неточную и неоднозначную терминологию из лите¬
ратуры.
Разработка общепринятой терминологии открывает путь к
взаимопониманию. В наше время отсутствие такой терминоло¬
гии совершенно очевидно, и в литературе можно найти много
примеров, когда это приводило к недоразумениям. Так, напри¬
мер, некоторые авторы утверждают, что для двигателей Стир¬
линга необходимы высокие значения степени сжатия, в то всемя
как другие утверждают столь же категорично, что необходимы
низкие значения степени сжатия. Хотя это может пока¬
заться невероятным, но правы и те и другие, поскольку авто¬
ры пользовались (без соответствующих разъяснений) различ¬
ными определениями степени сжатия. В одном случае использо¬
валось определение степени сжатия, аналогичное принятому
для двигателя внутреннего сгорания:
_	Объем	цилиндра	,, 1п,
Степень сжатия =-рг	;—^—.	(1.13)
Остаточный объем
В другом случае использовалось определение, учитывающее
особенности конструкции и работы двигателя Стирлинга:
„	Максимальный суммарный объем газа ,, ,
Степень сжатия = -tj	=— 		—;—*	.	(1.14)
Минимальный суммарный объем газа '	’
14 Зак. 839

210 Глава 1
Путаница в применении термина «степень сжатия» легко пре¬
одолима, однако при интерпретации термина «фазовый угол»
в применении к работе двигателя Стирлинга могут встретиться
серьезные трудности. В наших предыдущих исследованиях мы
часто становились в тупик перед очевидными несоответствиями
в литературе при использовании этого термина, и прошло неко¬
торое время, прежде чем была внесена ясность. Этот вопрос
уже поднимался в разд. 1.6, однако мы возвращаемся к нему
вновь, чтобы еще раз подчеркнуть необходимость выработки
четких определений. Очевидные затруднения, возникающие при
употреблении термина «фазовый угол», основаны на том, что
имеется множество различных конфигураций двигателя Стир¬
линга. Поэтому требуются не только стандартные термины и
определения, но и системы идентификации различных типов
двигателя.
Со времени изобретения двигателя Стирлинга в 1815—
1816 гг. построено множество двигателей различных конфигу¬
раций и еще большее число конфигураций было предложено.
На протяжении многих лет все эти существующие и гипотети¬
ческие двигатели имели кривошипный привод в том или ином
виде, однако в период, примерно соответствующий последним
десяти годам, с изобретением свободнопоршневых двигателей
типа двигателя Била и харуэллской машины, а также двигате¬
ля «Флюидайн» к существующему списку конфигураций двига¬
теля Стирлинга (и так достаточно обширному) добавились но¬
вые формы. И до настоящего времени продолжают изобретать
новые формы этого двигателя. Такое разнообразие форм двига¬
теля Стирлинга существует скорее всего потому, что до сих пор
не найдены оптимальная конфигурация двигателя или опти¬
мальный режим работы, которые удовлетворяли бы всему раз¬
нообразию условий работы, и такой двигатель вряд ли возмо¬
жен. Эта ситуация не является специфичной именно для двига¬
теля Стирлинга. Она имеет место и в отношении к другим теп¬
ловым двигателям, однако двигатель Стирлинга отличается,
пожалуй, наибольшим разнообразием форм.
Несмотря на отсутствие оптимальной конфигурации, некото¬
рые формы все же более предпочтительны, однако это предпо¬
чтение носит во многом субъективный характер. Чтобы облег¬
чить процесс такого отбора, полезно было бы разработать
классификационную схему, которая по простым и естественным
признакам объединяла бы двигатели в группы. Такая схема не
только облегчила бы идентификацию двигателей, но оказала
бы неоценимую помощь в улучшении взаимопонимания специа¬
листов, поскольку каждый находился бы в полной уверенно¬
сти, что при обсуждении или ссылке на какой-либо материал
речь идет об одной и той же форме двигателя.

Общее описание двигателей Стирлинга 211
В 60-е годы, незадолго до изобретения двигателей со сво¬
бодными поршнями и двигателей с жидкими поршнями, Керк-
ли и Уокер [105], работавшие в то время в Ньюкаслском уни¬
верситете (Великобритания), предложили простую систему
классификации двигателей Стирлинга, согласно которой все
формы этих двигателей были разделены на три группы: аль¬
фа, бета и гамма. В течение долгого времени эта система была
общепризнанной, особенно среди университетских исследовате¬
лей, однако недавно некоторые исследователи отказались от
нее, о чем приходится только сожалеть, поскольку эта класси¬
фикация оказывала существенную помощь в идентификации
двигателей. К сожалению, классификация альфа — бета — гам¬
ма не учитывает особенности работы двигателя, форму криво¬
шипного привода или другого механизма для отбора мощности
от двигателя и, следовательно, представляет собой только ча¬
стичную классификацию различных типов двигателей Стирлин¬
га. Чтобы избавиться от недостатков системы Керкли — Уоке¬
ра и принять во внимание разработки последних 20 лет, мы
предложили схему классификации, которая включает в себя
первоначальную систему, совершенствуя и расширяя ее.
Настоящий раздел посвящен детальному разбору самой
классификационной схемы. Перечень терминов и определений
дан в приложении В. До некоторой степени терминология раз¬
рабатывалась по мере рассмотрения отдельных вопросов, и
•она приводится постепенно в соответствующих главах. В целом
желательно было бы употреблять обозначения, рекомендуемые
■организациями, ответственными за стандартизацию в соответ¬
ствующих странах. Однако некоторые параметры, такие, как
относительный мертвый объем, относительный рабочий объем
и т. п., используются исключительно применительно к двигате¬
лю Стирлинга, и привлечение для этих параметров общеприня¬
тых обозначений принесло бы определенную пользу.
1.11.1.	Классификационная схема
Предлагаемая схема классификации и идентификации дви¬
гателей Стирлинга включает следующие три признака:
а) режим работы;
б) способ соединения цилиндров;
в) способ соединения поршней.
Каждый признак включает несколько подпризнаков и в пре¬
делах каждого подпризнака возможны еще дополнительные де¬
ления. Очевидно, что предлагаемая система не сможет охва¬
тить всех форм двигателя, однако классификация по трем
основным признакам могла бы в конечном счете помочь систе¬
матизировать все существующие и будущие его формы.
14*

212 Глава 1
а.	Режим работы
Выделены следующие шесть режимов работы двигателей
Стирлинга:
1а) двойного действия;
16) простого действия;
2а) однофазный;
26) многофазный;
За) резонансный;
36) нерезонансный.
Описания двигателей двойного и простого действия были
даны в предыдущих разделах. Термины «однофазный» и «мно¬
гофазный» относятся к физическому состоянию рабочего тела.
До появления «мокрого» «Флюидайна» не было необходимости
в описании фазового состояния, однако после успешной разра¬
ботки «Флюидайна» ряд исследователей выявил преимущества
Рис. 1.148. Классификационная схема рабочих режимов двигателей Стирлинга.
использования многофазного рабочего тела и в двигателях
Стирлинга других видов [106]. Аналогично с изобретением сво¬
боднопоршневых форм двигателя потребовалось выделение
третьей группы режимов работы. Такие двигатели могут рабо¬
тать при скоростях, соответствующих резонансной частоте
упругой системы, которой является такой двигатель, или же в
нерезонансном режиме, известном также как режим «банг-
банг». Двигатели «Флюидайн» также могут быть рассчитаны
на работу при резонансной частоте системы. В двигателях с
обычными кривошипно-шатунными механизмами необходимо
избегать резонансных режимов. Поэтому третья группа режи¬
мов обладает меньшей степенью общности, чем первые две.
Итак, конкретный двигатель может быть описан при помощи
комбинаций трех терминов из шести, как показано на рис. 1.148.

Общее описание двигателей Стирлинга 213
б.	Способ соединения цилиндров
Классификация по второму признаку включает в себя клас¬
сификацию, ранее предложенную Керкли и Уокером. Эта клас¬
сификация идентифицирует способ компоновки пары вытесни¬
тель — поршень по отношению к рабочим полостям переменно¬
го объема. Имеются три типа соединения цилиндров:
1) альфа;
2) бета;
3) гамма.
Соединение альфа включает группу двигателей с двумя от¬
дельными цилиндрами, в каждом из которых имеется уплотнен¬
ный в нем поршень. Горячий и холодный переменные объемы
Рис. 1.149. Типы соединений цилиндров.
а — альфа (с двумя поршнями); б—бета (с рабочим и вытеснительным поршнями); в—гамма
с рабочим и вытеснительным поршнями); 1—вытеснительный поршень (вытеснитель):
2 — рабочий поршень; Н — нагреватель; Р — регенератор; X — холодильник.
формируются независимо друг от друга при движении соответ¬
ствующих поршней. В двигателе с компоновкой бета имеется
один цилиндр, в котором последовательно расположены пор¬
шень и вытеснитель, а переменный холодный объем образуется
при совместном движении поршня и вытеснителя. Соединение
гамма — это в той или иной мере гибрид компоновок альфа и
бета, в котором имеются два отдельных цилиндра, как в спо¬
собе альфа, однако переменный холодный объем образуется
способом бета. Эти три типа соединения цилиндров показалы
на рис. 1.149 на примере двигателей с обычным кривошипно¬
шатунным приводом.

214 Глава 1
в.	Способ соединения поршней
Способ соединения поршней является дополнительным
классификационным признаком. Этот признак подразделяется
на более детальные признаки, примеры которых даны ниже.
В двигателях Стирлинга применяются три основные формы со¬
единения поршней:
1) жесткое соединение;
2) соединение через газ;
3) соединение через жидкость.
В двигателях с жестким соединением используются неде-
формируемые механические звенья, соединяющие движущиеся
возвратно-поступательно элементы, которые определяют после¬
довательность изменений объемов в цилиндрах, а также обра¬
зуют механизм для отвода энергии от двигателя. Типичные ме¬
ханизмы, которые относятся к жестким соединениям, следу¬
ющие:
а) кривошипно-шатунный механизм;
б) ромбический привод;
в) косая шайба;
г) кривошипно-кулисный;
д) кривошипно-балансирный механизм;
е) механизм Росса.
Механизм Росса — это новый тип механизма, запатентован¬
ный Россом [107] и в настоящее время исследуемый в Кем¬
бриджском университете [10].
Изобретение двигателя Била и харуэллской машины потре¬
бовало введения в классификацию соединения через газ. В этих
двигателях взаимное положение поршней определяется газовой
динамикой, а не механическими устройствами. Имеется много
разновидностей соединений этого типа, и они детально описаны
в работе [33]. В качестве примеров соединения этого типа
можно привести:
а) свободнопоршневой двигатель;
б) двигатель со свободным вытеснителем;
в) двигатель со свободным цилиндром.
Последний тип соединения поршней — соединение через
жидкость. Необходимо, однако, подчеркнуть, что использование
в двигателе Стирлинга жидкого рабочего тела не обязательно
означает, что поршни соединяются через жидкость. Например,
в двигателе Стирлинга — Мелоуна [14] поршни соединены
жестким механизмом. В соединении через жидкость поршни
действительно должны соединяться через жидкость. В настоя¬
щее время только двигатели «Флюидайн» попадают в эту кате¬

Общее описание двигателей Стирлинга 215
горию. Имеются по крайней мере три способа, которыми осуще¬
ствляется соединение через жидкость. Эти способы уже были
описаны в разд. 1.4 и 1.6:
а) с помощью реактивной струи;
б) с помощью качающегося стержня;
в) с помощью разности давлений.
Три основных классификационных признака можно также
использовать для точной классификации гибридных двигате¬
лей, в которых, например, рабочий поршень жестко соединен с
выходным валом, однако рабочий поршень и вытеснитель со¬
единены друг с другом через газ. Тем не менее новые формы
двигателей могут потребовать дальнейшего расширения пред¬
лагаемой классификации. Чтобы проиллюстрировать примене¬
ние предлагаемой классификационной схемы, в табл. 1.26 при¬
ведена классификация по этой схеме хорошо известных двига¬
телей Стирлинга.
Таблица 1.26. Классификация двигателей Стирлинга
Двигатель	Описание	в	соответствии	с	классификацией
Фирмы «Филипс» с ром¬
бическим приводом
Р-40 фирмы «Юнай¬
тед Стирлинг»
«Мокрый» «Флюидайн»
с реактивной струей
Свободнопоршневой
Била
Хеиричн
Простого действия, одиофазцый, нерезонансный,
типа бета, с жестким соединением поршней
Двойного действия, однофазный, нерезонансный,
типа альфа, с жестким соединением поршней
Простого действия, многофазный, резонансный,
типа альфа с соединением поршней через
жидкость
Простого действия, однофазный, резонансный,
типа бета, с соединением поршней через газ
Простого действия, однофазный, нерезонансный,
типа гамма, с жестким соединением поршней
Такая система может показаться несколько усложненной,
однако простая система оказалась недостаточной для охвата
всего разнообразия форм двигателей. В будущем могут быть
подобраны подходящие условные обозначения, с помощью ко¬
торых станет возможным создать методику стенографической
классификации. Предлагаемая в настоящей книге классифика¬
ционная схема в полном объеме представлена на рис. 1.150.
Мы надеемся, что эта система не только позволит класси¬
фицировать и идентифицировать существующие двигатели, но и
окажется пригодной для качественной оценки различных форм
двигателей, которые могут быть созданы в будущем. Напри¬
мер, из схемы следует, что возможен двигатель с таким набо¬
ром признаков: двойного действия, многофазный, резонансный,

216 Глава 1
Рис. 1.150. Предлагаемая авторами система классификации.
типа гамма, с соединением поршней через жидкость. В общем
можно описать любую форму двигателя!
1.12.	ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Эта глава, открывающая книгу, имела своей целью дать
читателю обобщенную информацию о достигнутом на сегод¬
няшний день уровне разработок двигателя Стирлинга и совер¬
шенства его рабочего процесса. Глава составляет значитель¬
ную часть всей книги, а в остальных меньших по объему гла¬
вах будут более подробно освещены некоторые особенности
конструкции и рабочих процессов этого двигателя. Тем не ме¬
нее для тех, кто впервые знакомится с двигателями Стирлин¬
га, гл. 1 дает достаточно полный обзор по этим вопросам. Во
многих случаях отбор материала носил несколько субъектив-

Общее описание двигателей Стирлинга 217
ный характер, однако ввиду необозримого количества опубли¬
кованной литературы это было неизбежно. Все же в пределах
отобранного материала мы пытались сохранять объективность
и дать непредвзятую оценку состояния разработок двигателя
Стирлинга на сегодняшний день. Оценку многих опубликован¬
ных данных мы давали в свете нашего собственного опыта.
Утверждения, что уже имеются объективные оценки основопо¬
лагающих принципов для двигателя Стирлинга, представляют¬
ся спорными. Мы надеемся, что проведенная нами работа раз¬
веяла некоторые мифы и легенды, которые обычно связывают
с двигателями Стирлинга, и поставила проблемы разработки
этих двигателей на более прочную основу.
Мы не можем утверждать, что некоторые проблемы, связан¬
ные с двигателями Стирлинга, в особенности со свободно¬
поршневым двигателем, освещены с исчерпывающей полнотой,
однако если учесть ограниченный объем книги, то уже хорошо,
что эти вопросы все же подняты. Мы попытались компенсиро¬
вать беглость изложения ссылками на соответствующую лите¬
ратуру. Несмотря на наше несколько критическое отношение к
проделанной работе, мы все же надеемся, что приведенная
нами информация и ее объем позволят читателю получить
представление о состоянии разработок двигателя Стирлинга,
факторах, обуславливающих его дальнейшее развитие, и пер¬
спективах на будущее. При этом потенциальный покупатель
такого двигателя сможет решить, представляет ли этот двига¬
тель для него интерес. Для студентов и исследователей мы по¬
пытались наметить перспективные области исследований, а для
преподавателей — проследить взаимосвязь основных принци¬
пов цикла Стирлинга с путями его практического усовершен¬
ствования. В конечном счете после прочтения этой главы чита¬
тели будут больше знать о двигателях Стирлинга.
Для тех, кто пожелает углубить свои знания по этому во¬
просу, в последующих главах рассматриваются теоретические
основы расчета и конструирования двигателя и его элементов,
а также приводятся списки литературы, ознакомление с кото¬
рыми даст более полную информацию по затрагиваемым во¬
просам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Walker G., Stirling Cycle Machines, Clarendon Press, Oxford, 1973. [Име¬
ется перевод: Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга. — М.:
Энергия, 1978.1
2. Martini W. R., Martini Engineering Rept, ANL 31-109-38-5304, 1980.
3. Asselman G. A. A., IECEC Record, Paper 789274, 1978.
4. Kohler J. W. L., Philips Technical Review, 16, No. 3 (1954).
5. Finkelstein Т., Engineer, pp. 492—497, 522—527, 568—571,720—723 (1959).

218 Литература
6. Rider-Ericsson Engine Co., Hot Air Pumping Engines Catalogue, 1906.
7. Walker G., Stirling Engines, Oxford University Press, 1980. [Имеется
перевод: Уокер Г. Двигатели Стирлинга. — М.: Машиностроение, 1985.1
8. Beale W. Т., SAE Paper 690230, 1969.
9. Ross М. A., Stirling Engines, Solar Engines, Phoenix, 1977.
10. Beale W. Т., Energy for Rural Development, National Academy of Scien¬
ces, 1980.
11. Gill P., Rept, Royal Naval Engineering College (RNEC), 1980.
12. Rallis E. J. et al., IECEC Record, Paper 779255, 1977.
13. Hensman T. W., Rept RNEC 1980.
14. Malone J. F. J., The Engineer, pp. 97—101 (July 1931).
15. Meijer R. J., Technische Hogeschool, Delft, 1960 (диссертация доктора
философии).
16. Reader G. Т., Clarke M. A., Slowly J., IECEC Record, Paper 809451, 1980.
17. Clarke M. A., University of Bath, 1978 (диссертация магистра наук).
18. Slowly J. et al., IECEC Record, Paper 799249, 1979.
19. Ward G. L., University of Bath, 1972 (диссертация).
20. United Stirling (Sweden), 1978 (частное сообщение).
21. Lewis P. D„ RNEC-TR-78001, 1978.
22. Lewis P. D„ Reader G. Т., IECEC Record, Paper 799238, 1979.
23. Sier R., The Model Engineer, No. 3461, 3463, 3464 (1973).
24. Martini W. R., Stirling Engine News Letter (1978 и далее).
25. Rinia H., du Pre F. K., Philips Technical Review, 8, No 5. (1946).
26. MTI Limited, Rept CR-159827, NASA, 1980.
27. Martini W. R., Stirling Engine Design Manual, 2nd edn, 1980.
28. Finkelstein Т., IECEC Record, Paper 789194, 1978.
29. Bratt P., IECEC Record, Paper 809397, 1980.
30. Carr G., M. Sc. Rept, RNEC, 1979.
31. Kolin I., The Evolution of the Heat Engine, Longmans, London, 1972.
32. Martini W. R., IECEC Record, pp. 1390—1399, 1978.
33. Walker G., West C., Free- and Liquid-piston Engines, 1982.
34. Michels A. P. J., IECEC Record, Paper 769258, 1976.
35. MTI Limited, 79, ASE 77 RE2, 1979.
36. Stephens J. R., NASA-Lewis, Cleveland, 1978 (частное сообщение).
37. United Tehnologies, Research Center Rept	R77-719021,	1979.
38. Zacharias F.	et al., Proc. 9th Int. Cong.	Combustion,	CIMAC,	Paper A26,
1971.
39. Ford Motor Co., Rept CR-159436, NASA, 1978.
40. Kitzner E. W., Rept CR-159836, NASA, 1980.
41. Organ A. J.,	Stirling Engine Conference,	I. Mech. E.,	London,	1982.
42. Van Eekelen	J. A. М., IECEC Record, pp.	1186—1190,	1979.
43. Cornerstone W., RNEC Rept, 1980.
44. Reader G. Т., IECEC Record, pp. 1763—1770, 1978.
45. Percival W. H., Rept CR-121097, NASA, 1974.
46. MTI Limited, Rept 79 ASE 33 to 1, 1979.
47. United Stirling, publicity handout.
48. Byuers, Guide Data, US Environmental Protection Agency, 1973—1978.
49. Nogle T. D., Paper, 4th Int. Symposium of Automotive Propulsion Systems,
Washington, D. C., 1977.
50. United Stirling, Repts 77-0057C, 77-0003C, 1977.
51. Angell P., Golec Т., SAE Paper 760280, 1976.
52. MTI Limited, Rept 79 ASE 43 QT 3, 1979.
53. Jet Propulsion Laboratory, JPL Publication 78-71, 2, 1978.
54. Slowly J., Stirling Engine Conference, I. Mech. E., London, 1982.
55. Stephenson R. R., SAE Special Publication SP399, SP400, 1975.
56. Zacharias F., Paper, 2nd NATO-CCMS Symposium, 1974.
57. Meijer R., Philips Tech. Rewiew, 31, 168—185 (1970).	;

Литература 219
58. Fortrang Н. R., Mayers H. F., Rept CR-163265, NASA, 1980.
59. Rosenquist N. K. G. et al., SAE Paper 770081,	1977.
60. U. S. Department of Energy, Annual Report to	Congress,	1979.
61. Askew W. S., McNamara Т. М., Maxfield D.	P., 5th	Int.	Sym. on Auto.
Prop. Systems, PI—16; Conf. — 800419, 1980.
62. Cant E. N., Jr., Percival J., SAE Paper 790957,	1979.
63. MTI Limited, Rept CR-159631, NASA, 1979.
64. Thwaites G., RNEC Rept, 1978.
65. Reader G. Т., Polytechnic Symposium on Thermodynamics and Heat Trans¬
fer, Leicester, UK Paper 19, 1979.
66. West C., AERE — R6522, 1970.
67. West C. D., AERE—R6775, 1971.
68. Goldberg L. F. et al., IECEC Record, Paper 779255, 1977.
69. Mosby D. C., USNPG Monterey, California, 1978 (диссертация магистра
наук).
70. Bell С., University of Witwatersrand, SA, 1979 (диссертация).
71. West C., IECEC Record, Paper 809453, 1980.
72. Theeuwes G. J. A., Proc. 8th International Conference on Fluid Sealing,
Durham, UK, Paper J1, 1978.
73. Ford Limited, 1978, United Stirling, 1979, Philips, 1979 (см. также [45])
(частное сообщение).
74. General Motors, Rept GMR-2690, Pt 4, 1978.
75. The 9th International Conference on Fluid Sealing, Leeuwenhorst, Holland,
1981.
76. Meijer R. J., Ingenieur, 81, No 18, 19 (1969).
77. Krauter A. I., Cheng H. S., Rept CR-159543, NASA, 1979.
78. Hughes W. F., Yang Y., 5th International Sym. on Auto Prop. Systems,
1980.
79. Theeuwes G. J. A., 9th International Conf. on Fluid Sealing, 1981, pp. 211—
218.
80. Eusepi M. W. et al., 9th International Conf. on Fluid Sealing, Paper F3,
1981.
81. Ouwerkerk C., Theeuwes G. J. A., 9th International Conf. on Fluid Sealing,
1981, pp. 203—210.
82. General Motors, GMR Rept 2690, Pt 5, 1978.
83. Billet A. et al., Stirling Engine Conference, I. Mech. E., London, 1982.
84. MTI Limited, MTI Rept 80, ASE 129, QT8; также NASA CR-159851,
1980.
85. Goldwater B. A., IECEC Record Paper 799246, 1979.
86. Grinnel S. K., Trans. ASME, Paper 55-SA-13, 1956, pp. 765—771.
87. Aim С. B. S. et al., 10th International Conf. on Combustion Engines,
Paper No. 28, 1973.
88. Meijer R. J., IECEC Record, Paper 799258, 1979.
89. Ford Motor Co., Rept C00/2631-22 NTIS 78N-23442, 1977.
90. Lavoie G. A. et al., Combustion Sc. Tech., 1, 313 (1970).
91. Benson R. S. et al., Int. J. Mech. Sci., 17, 97—124 (1975).
92. MTI Limited, MTI Rept 79, ASE 101, QT6; также NASA СR-159744,
1980.
93. Cm. [29].
94. Mattavi J. N., General Motors GMR-2690, Paper 7.111, 1978.
95. Fokker H., van Beukering H. D. J., SAE Paper 730646, 1973.
96. General Motors, Technical Information Department (Handout), 1969.
97. Schab H. A., R and D Rept MEL 152/64, US Navy, 1964,
98. Ishizaki Y., IECEC Record, IEEE Cat No. N79CH1477-9, 1979.
99. Rosenqvist K- et al., 5th International Automotive Propulsion Systems.
Symposium, pp. 238—263, 1980.
100. Meijer R. J., Denkschrift Elektrospeicherfahrzeuge, 11 (1969).

220 Литература
.101. Uherka К. L. et al., IECEC Record, pp. 1124—1130, 1979.
.102. Andersen N. E., Rept RE 79-8, Technical University of Denmark, 1979.
103. Beale W., UCLA Stirling Engine Course Notes (obtainable from Sunpower
Inc.), 1978.
104. Beale W., Paper in Monograph Energy for Rural Development, US Na¬
tional Academy of Sciences. 1980.
105. Kirkley D. W., University of Durham, UK, 1963 (диссертация доктора
философии).
106. Burke J. A., Davoud J. G., 4th Int. Sym. on Auto. Prop. Systems, 3, 1977.
107. Ross А., пат. США 4138897, 1980.
108. Organ A. J., Rix D., Stirling Engine Conference, I. Mech. E., London,
1982.

Глава 2
Теоретические основы —
реальные процессы
I
*
В этой главе излагаются теоретические основы процессов,
происходящих в двигателе Стирлинга. Мы рассматриваем и не¬
которые проблемы, затронутые в гл. 1. Теоретические основы
не отделяются от реальных рабочих характеристик двигателя
Стирлинга и предъявляемых к нему требований, поскольку все
технические вопросы обсуждаются на базе соответствующих
теоретических результатов. Например, в теории принимается,
что процессы расширения и сжатия рабочего тела происходят
изотермически, однако если не использовать весьма сложных и
дорогих способов обеспечения изотермичности, то применение
трубчатых теплообменников в современном двигателе Стирлин;
га исключает возможность реализации такого процесса. Если
без всяких ограничений применять теорию динамики машин с
ромбическим приводным механизмом, то двигатель будет иметь
такие размеры, что его изготовление станет совершенно бес¬
смысленным.
В книге небольшого объема, подобной данной, нет возмож¬
ности дать полное описание теории, поэтому мы излагаем ос¬
новные положения и приводим ссылки на соответствующую ли¬
тературу. В некоторых случаях цитируемая литература не свя¬
зана непосредственно с теорией двигателя Стирлинга, но это
ни в коей мере не является недостатком, поскольку обращение
к соответствующей литературе может облегчить самостоятель¬
ную работу над теорией.
2.1. ТЕРМОДИНАМИКА
Одно из основных преимуществ двигателя Стирлинга — его
термодинамическое совершенство, так как идеальный цикл
Стирлинга имеет максимально достижимый термический КПД
для заданных температур источника и стока тепла. Однако при
изучении этого идеального термодинамического цикла стано¬
вится ясно, что лишь немногие двигатели действительно рабо¬
тают по идеальному циклу Стирлинга и что такой цикл недо¬
статочно точно отражает реальные процессы, хотя при более
детальном анализе можно внести поправки, учитывающие это

222 Глава 2
расхождение. Многие исследователи [1—3] в качестве более
точной модели процессов, протекающих в двигателе, исполь¬
зуют новый, так называемый псевдоцикл Стирлинга, хотя точ¬
ность этой модели вызывает некоторые сомнения. Мы начнем с
вывода основных уравнений, описывающих идеальный цикл и
псевдоцикл Стирлинга, а комментарии относительно возможно¬
сти их применения сделаем позже.
2.1.1.	Идеальный цикл Стирлинга
Идеальный цикл состоит из двух изотермических и двух
изохорных процессов, протекающих в последовательности, по¬
казанной на двух диаграммах термодинамического состояния
(рис. 1.15). Укажем отдельные процессы:
1 — 2 изотермическое сжатие рабочего тела с выделением теп¬
ловой энергии;
2 — 3 изохорное поглощение тепловой энергии;
3 — 4 изотермическое расширение рабочего тела с поглоще¬
нием тепловой энергии;
4 — 1 изохорное выделение тепловой энергии.
Обычно при вычислении КПД идеального цикла считается,
что рабочим телом является однокомпонентная среда, а затем
вносятся соответствующие поправки, но в данном случае ника¬
ких поправок не требуется, поскольку обычным рабочим телом
двигателя Стирлинга действительно служит однокомпонентная
среда. Как и для всех идеальных циклов, предполагается, что
все процессы обратимы и подчиняются законам идеального газа.
Следовательно, используя обычное определение термического
КПД цикла, а именно
■Пц = (Qs— Q«)/Qs»	(2.l)>
где Qs — подведенная тепловая энергия, a Qr — выделяемая-
тепловая энергия, можно провести анализ цикла Стирлинга.
Предполагается, что для идеального цикла Стирлинга тепло¬
вая энергия, выделяемая в процессе 4—1, равна тепловой
энергии, поглощаемой в процессе 2 — 3. Следовательно, тепло¬
обмен с окружающей средой происходит только в ходе процес¬
сов 1 — 2 и 3 — 4. Для этих обратимых изотермических процес¬
сов получаем
Qr = Ql2 = tnRT 1 In Гу,
Qs = Q34 = tnRTalrirv,
где rv = V4/V3 = K1/V2 — степень сжатия цикла. В таком
случае
г]ц = 1 — tnRT j In rv/mRT3 In rv = 1 — T JT3.	(2.2>

Теоретические основы — реальные процессы 223
Температуры Тх и Т3 — это соответственно минимальная и
максимальная температуры цикла, и, следовательно, соотноше¬
ние (2.2) совпадает с выражением для КПД цикла Карно в
тех же температурных пределах.
2.1.2.	Идеальный двигатель Стирлинга
В идеальном двигателе Стирлинга тепловая энергия, выде¬
ляемая в процессе 4—1, должна быть возвращена рабочему
телу в процессе 2—3, и это осу¬
ществляется с помощью регенера¬
тора, который представляет со¬
бой, по существу, насадку из
проволочных сеток, которая по¬
переменно выделяет и поглощает
тепловую энергию. Она действу¬
ет как «тепловая губка». Как
отмечалось выше, регенератор
расположен между нагревателем
и холодильником. Теперь следует
учесть эффективность регенера¬
тора. Если рабочий процесс ре¬
генератора неидеальный, про¬
цесс 2—3 в регенераторе не за¬
вершается полностью и газ до¬
стигает лишь состояния 2'
(рис. 2.1), процесс 2'—3 может происходить в результате тепло¬
обмена с окружающей средой. Эффективность регенератора е
можно выразить формулой
е = (7V — Т i)/(T3 — Т,),	(2.3)
и, следовательно, при определении КПД идеального двигателя
нужно учесть тепловую энергию бДз, затраченную на теплооб¬
мен с внешней средой. Теперь можно найти выражение для
термического КПД идеального двигателя (но не идеального
считать необходимые параметры следующим образом:
Лтерм = WJQs,	(2.4)
где Wx — полезная работа. Рассматривая рис. 2.1, можно рас¬
считать необходимые параметры следующим образом:
4	2
Wx = W3i + Wl2 = J р dV + J Р dV =
Рис. 2.1. Диаграмма состояния
идеального двигателя.
Ч
.= mRT3 J dV/V + mRTx J dV/V = mRT3 In rv — mR Tx In rv. (2.5)

224 Глава 2
то соотношение (2.5) можно переписать в виде
Wx = mCvT3 (V — 1)(1 — Е)1пг„,
(2.6)
где остальные обозначения имеют общепринятый смысл. Те¬
перь нужно определить тепловую энергию, подводимую к дви¬
гателю. В общем случае тепловая энергия подводится извне в
процессе 2' — 3 — 4, так что
Первое слагаемое выражает тепловую энергию, подведенную в
ходе изохорного процесса, которая определяется формулой
а второе выражает тепловую энергию, подведенную в ходе изо¬
термического процесса:
Q34 = mRT3 In rv,
так что соотношение (2.7) принимает вид
Чтобы выразить все параметры через максимальную и мини¬
мальную температуры (Т3 и Тi соответственно), используем
параметр е, такой, что
Следовательно, термический КПД Цтерм двигателя можно най¬
ти, разделив соотношение (2.6) на соотношение (2.9); тогда
11терм = (у — 1) (1 — е)1па>/[(1 — |)(1 — е) + (у— 1)1п/>].	(2.10)
Если эффективность регенератора равна 100%, т. е. е=1, то
соотношение (2.10) сводится к формуле (2.2), выражающей
КПД идеального цикла Стирлинга (и цикла Карно). Отноше¬
ние КПД идеального двигателя Стирлинга к КПД идеального
цикла Стирлинга равно
т1/г = (у— 1) In rv/[(l — е) (1 — 1) — (у — 1)1п/>].	(2.11)
Кроме того, можно определить безразмерный параметр полез¬
ной работы идеального двигателя W0\
Qs — Q2'3 + С?34-
(2.7)
Q2'3 — t:iCv (7’3 — 7V),
Qs = mCv (T3 — T2') + mRT3 In rv.
(2.8)
и тогда
7V = 73[e + (l-e)E],
Qs = mCvT3 [(1 — e) (1 — I) + (v — 1) In rv].	(2.9)
Индикаторное среднее эффективное давление
(2.12)
(2.13)
= 0 — l)rv\nrvl[l(rv — 1)].

Теоретические основы — реальные процессы 225
Этот параметр полезной работы служит в некоторой степени
мерой удельной мощности двигателя Стирлинга, и с его по¬
мощью можно оценить размеры и режимы работы (через дав¬
ление и скорость) двигателя. Ниже мы рассмотрим эти вопро¬
сы. На рис. 2.2 представлены зависимости г)терм, г]« и W0
f-0е4
3,0 S
2.0
V'
Степень сжатия rv
Рис. 2.2. Параметры идеального цикла в зависимости от степени сжатия.
от е и Гр при отношении температур £ = 0,4. Приведенные дан¬
ные не являются произвольными, они типичны для реального
двигателя.
2.1.3.	Реальный двигатель и псевдоцикл Стирлинга
На основании данных, представленных на рис. 2.2, можно
заключить, что при заданных значениях эффективности регене¬
ратора и разности температур термический КПД, относитель¬
ный КПД и параметр полезной работы возрастают с увеличе¬
нием степени сжатия. Следовательно, можно ожидать, что ре
альные двигатели Стирлинга будут работать при степенях
сжатия больше 5; однако если определить степень сжатия по
15 Зак. 839

226 Глава 2
опубликованным данным при использовании соотношений для
идеального цикла, т. е.
rv = (T2p3)l(T3Pl),	(2.14)
то получаются значения, заключенные между 2 и 3, и это под¬
тверждается данными других исследований. Поэтому ясно, что
модель идеального двигателя недостаточно точна. Однако Рал-
лис и Уриелли [3] предложили модель псевдоцикла Стирлин¬
га, в которой изотермические процессы заменены политропны-
ми и в пределе адиабатными. Это довольно реалистическое
Рис. 2.3. Псевдоцикл Стирлинга.
предположение, поскольку вследствие «челночных» потерь при
движении рабочего тела между двумя цилиндрами и конечных
значений тепловых потоков идеальные изотермические условия
не достигаются. Предлагаемая модель цикла показана на
рис. 2.3. Идеальный изотермический процесс 1 — 2 заменяется
адиабатным процессом 1 — 2" и изохорным процессом пере¬
охлаждения 2" — 2, а аналогичный процесс 3 — 4 заменяется
процессами 3 — 4' и 4' — 4. Теперь полезная работа, произво¬
димая в цикле, W,с определяется соотношением
Wx=Wl2»+WZi',
которое для адиабатного процесса принимает вид
Wx = mR [(Гз - ?V) - (7> - 7\)]/(у - 1),
и, поскольку
ТГ = ТМ~' и Т3 = Т4,гу-\
получаем
1У х = mR [ Т3 (1 - г «гу) - 7\ (гу1 - 1) ]/(у - 1).	(2.15)

Теоретические основы — реальные процессы 227
Применяя определение
%Тз~Т\,
приходим к выражению
Wx = mRT3 [(1 - /V) - I (i-v-i - 1)]/(Y - 1).	(2.16)
Теплоподвод Qs к системе в псевдоцикле Стирлинга равен
Qs — 0-2'Я + Qu'>
и, поскольку величина Q34 = 0 (адиабатный процесс),
Qs = mCv [(Гз - Т./) + (У4 - 7Г)],
но
Т2’ = Т3 [е + (1 — е)£] и Т^ = Т3. Следовательно,
Qs = mRT3 [(1 — |)(1 — е) + (1 — rjrv)] (у - 1).	(2.17)
В итоге КПД псевдоцикла г]пц можно найти, разделив соотно¬
шение (2.16) на (2.17):
Чпд^К1-^ V)-^K 1-1)]/[(1-гП + (1-^)(1-е)]. (2-18)
^0 = 4(1 -	- £ (ГГ‘ - !)]/[£ (rv - 1) (V -1)]. (2.19)
Па рис. 2/1 представлены зависимость параметра полезной ра¬
боты Wo от Гу при заданном отношении температур % и за¬
висимости КПД цикла г]Пц от Гу
и е при том же самом отноше¬
нии температур. Можно видеть,
что максимальные значения до¬
стигаются при гу ~ 2,5. В расче¬
тах принималось, что рабочий газ
по своим свойствам близок к воз¬
духу, т. е. у = 1,4.
Анализ псевдоцикла Стирлин¬
га показывает, что для заданных
значений отношения температур
и эффективности регенератора
максимально возможный инди¬
каторный термический КПД до¬
стигается при одной конкретной
величине степени сжатия. При
аналитическом исследовании
этого явления [2, 31 было уста¬
новлено, что, дифференцируя соотношение (2.18) по степени
сжатия гу, приравнивая полученное выражение нулю, чтобы
найти максимум, и решая полученное квадратное урав¬
нение относительно rv, можно найти выражение для макси¬
мального КПД цикла, который не зависит от показателя
Степень сжатия rv
Рнс. 2.4. Параметры псевдоцикла
в зависимости от степени сжатия.
15*

228 Глава 2
адиабаты газа и степени сжатия:
<ц = {(Ф - 6) [(1 + 6) — I (1 + Ч>)Р}/М> (1 + 6)21,	(2-20)
где	x]: = [l-(l+e)(l-er1)J0,5-	(2.21а)
е = (1-Е)(1-е).	(2.216)
Соотношение (2.20) представлено графически на рис. 2.5.
Итак, зная отношение температур и эффективность регене¬
ратора, можно найти максимальный КПД проектируемого или
созданного двигателя. В этом смысле очень полезно соотноше¬
ние (2.20).	Если	применять исходное выражение	для КПД
Рис. 2.5. Максимальный КПД цикла в зависимости от отношения температур
и эффективности регенератора.
(2.18), а также значения отношения температур и эффективно¬
сти регенератора, как это делалось при расчетах, результаты
которых приведены на рис. 2.5, то мы получим, что максималь¬
ная или оптимальная величина КПД достигается только при
некоторой конкретной комбинации Гу и у. Фактически можно
найти универсальное значение оптимального фактора степени
сжатия Г, при котором достигается максимальный КПД:
Г = гр.	(2.22)
Это соотношение показывает, что достичь такого же КПД для
воздуха, как, например, для гелия в одинаковых термодинами¬
ческих условиях, т. е. при одинаковом изменении давления и
температуры в цикле, можно лишь при более высокой степени
сжатия, поскольку величина у для гелия выше, чем для возду¬
ха, и поэтому такое же значение Г будет получено при боль¬
шей величине rv. Приведенное соотношение подтверждает так¬
же вывод одной из первых работ Михелса о том, что при за¬

Теоретические основы — реальные процессы 229
данных термодинамических условиях рабочие характеристики
двигателя Стирлинга не зависят от параметров рабочего тела.
Конструкция двигателя должна учитывать различные свойства
рабочего тела, что отражается на размерах рабочего объема,
теплообменника, расходе охладителя и т. п. Следовательно,
двигатель, работающий на воздухе, будет тихоходнее и боль¬
ше по размерам двигателя такой же мощности, работающего
на водороде. Чем легче газ, тем меньше удельная мощность,
рассчитанная как по массе рабочего тела, так и по массе дви¬
гателя.
Оказалось, что результаты, полученные при использовании
псевдоцикла Стирлинга, соответствуют закономерностям и ха¬
рактеристикам реальных двигателей, хотя некоторые выводы и
вызывают возражения. Основные сомнения связаны с интер¬
претацией идеального цикла, поскольку, по некоторым замеча¬
ниям. в нем используются газодинамические процессы, которые
не достижимы или не встречаются в практическом двигателе.
Подобные замечания справедливы, но довольно очевидны, по¬
скольку идеальные циклы по определению состоят из идеаль¬
ных и обратимых термодинамических процессов, которые не
достижимы в реальных устройствах. Однако использование
идеальных циклов и интерпретацию результатов последующего
анализа необходимо согласовывать с практическими возможно¬
стями. Проблема заключается в том, как найти «золотую сере¬
дину». Например, цикл с двойным сгоранием, используемый
при анализе рабочего процесса, протекающего в дизеле, дает
более «реальные» значения рабочих характеристик, чем исход¬
ный цикл дизеля, но его сочли гипотетическим циклом, выду¬
манным для того, чтобы получить приемлемые результаты,
пока не отражающие идеальных характеристик дизельного дви¬
гателя [4]. Если бы критические замечания относительно псев¬
доцикла Стирлинга основывались на тех же доводах, они были
бы более обоснованными. Во всяком случае, этот вопрос инте¬
ресен в основном для педантов. Трудность проблемы состоит в
том, что двигатели Стирлинга не работают по циклу Стирлин¬
га, и в литературе царит путаница в вопросе о том, какие нуж¬
но применять критерии работы и рабочие характеристики.
При анализе тепловых энергосиловых установок, работаю¬
щих по замкнутому циклу, применяются параметры разных ка¬
тегорий [4]: те, которые получены экспериментально, и те, ко¬
торые получены в результате исследования идеальных термо¬
динамических циклов для сравнимых условий. Первые можно
назвать рабочими характеристиками, вторые — критериями ра¬
боты. Сравнение данных, полученных этими двумя способами,
позволяет судить о совершенстве конструкции и работы энерго¬
силовой установки. Кроме того, правильная модель идеального

230 Глава 2
цикла позволяет выявить закономерности процесса, зная кото¬
рые можно усовершенствовать конструкцию двигателя; напри¬
мер, анализ цикла Отто показал, что увеличение степени сжа¬
тия приводит к возрастанию термического КПД двигателя и
снижению удельного расхода топлива, что и было подтвержде¬
но на практике. Однако следует всегда помнить о том, что кри¬
терии работы получены не на практической основе, а путем
теоретического исследования обратимых