двигатель наружного сгорания

Ответ от Ёмирнов Егор[активный]
К этому классу относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга, газовые турбины внешнего сгорания, а
также другие типы двигателей.
В XIX веке инженеры хотели создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давлений пара и неподходящих материалов их структуры. Хорошая альтернатива паровым машинам появилась с созданием двигателей Стирлинга, который мог преобразовывать в работу любую разницу температур. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Из термодинамики известно, что давление, температура и объём газа взаимосвязаны и следуют закону идеальных газов:
где P — давление газа
V — Объём газа
n — Количество молей газа
R — Универсальная газовая константа
Т — Температура газа в Кельвинах
Это означает, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга.
Газ в закрытом цилиндре использует цикл Карно, состоящий из четырёх фаз и разделённый двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. Разницу объёмов газа можно превратить в работу, чем и занимается двигатель Стирлинга.
где: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь (область нагревания) ; e — охлаждающие ребра (область охлаждения) ;
1) Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень не плотно прилегает к стенкам) .
2) Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части, в охлаждающую камеру.
3) Воздух остывает и сжимается, создавая обратное усилие на рабочий поршень, тем самым опуская его вниз.
4) Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.
Основной недостаток двигателей внешнего сгорания вообще и двигателя Стирлинга в частности обусловлены тем, что источник тепла расположен снаружи и, как следствие этого, медленное реагирование двигателя на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру. Следствием этого недостатка является то, что мощность двигателя невозможно менять быстро и для того чтобы двигатель начал производить работу требуется время на разогрев.
Примером может служить то, что еще в первой половине 1960-х годов военно-морские справочники указывали на возможность установки на подводных лодках типа «Шёурмен» производства Швеции воздухонезависимых двигателей Стирлинга. Однако ни «Шёурмены» , ни последовавшие за ними «Наккены» и «Вестеръётланды» указанные силовые установки так и не получили. И только в 1988 году головная субмарина типа «Наккен» была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10 000 часов. Другими словами, именно шведы открыли в подводном кораблестроении эру вспомогательных анаэробных двигательных установок. И если «Наккен» — первый опытный корабль этого подкласса, то субмарины типа «Готланд» стали первыми серийными лодками с двигателями Стирлинга, которые позволяют им находиться под водой непрерывно до 20 суток. В настоящее время все подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга.