Questa è la parte introduttiva di una serie di articoli dedicati a Motore a combustione interna, che è una breve escursione in una storia che racconta l'evoluzione del motore a combustione interna. Inoltre, l'articolo toccherà le prime auto.

Le parti seguenti descriveranno in dettaglio i vari motori a combustione interna:

Biella e pistone
Rotante
Turbogetto
Jet

Il motore fu installato su una barca che era in grado di risalire il fiume Saona. Un anno dopo, dopo i test, i fratelli ricevettero un brevetto per la loro invenzione, firmato da Napoleone Bonoparte, per un periodo di 10 anni.

Sarebbe più corretto chiamare questo motore un motore a reazione, poiché il suo compito era quello di spingere l'acqua fuori da un tubo situato sotto il fondo della barca...

Il motore era costituito da una camera di accensione e una camera di combustione, un soffietto per l'iniezione dell'aria, un erogatore di carburante e un dispositivo di accensione. Il carburante per il motore era polvere di carbone.

Il soffietto iniettava un flusso d'aria mista a polvere di carbone nella camera di accensione dove lo stoppino fumante accendeva la miscela. Successivamente, la miscela parzialmente accesa (la polvere di carbone brucia relativamente lentamente) è entrata nella camera di combustione dove si è completamente bruciata e si è verificata l'espansione.
Successivamente, la pressione dei gas spingeva fuori l'acqua tubo di scarico, che ha fatto muovere la barca, dopodiché il ciclo si è ripetuto.
Il motore funzionava in modalità a impulsi con una frequenza di ~12 i/min.

Dopo qualche tempo, i fratelli migliorarono il carburante aggiungendovi resina, poi lo sostituirono con olio e progettarono un semplice sistema di iniezione.
Nei successivi dieci anni il progetto non ha ricevuto alcuno sviluppo. Claude andò in Inghilterra per promuovere l'idea del motore, ma sperperò tutti i soldi e non ottenne nulla, e Joseph si dedicò alla fotografia e divenne l'autore della prima fotografia al mondo, "View from a Window".

In Francia, nella casa-museo Niepce, è esposta una replica del “Pireoloforo”.

Poco dopo de Riva montò il suo motore su un carro a quattro ruote che, secondo gli storici, divenne la prima automobile con motore a combustione interna.

A proposito di Alessandro Volta

Volta fu il primo a mettere piastre di zinco e rame in acido per produrre in continuo elettricità, creando il primo al mondo fonte chimica attuale ("Colonna del Volta").

Nel 1776 Volta inventò una pistola a gas: la "pistola Volta", in cui il gas esplodeva da una scintilla elettrica.

Nel 1800 costruì una batteria chimica, che consentiva di generare elettricità utilizzando reazioni chimiche.

L'unità di misura prende il nome da Volta tensione elettrica- Volt.

UN- cilindro, B- "candela, C- pistone, D- “palloncino” con idrogeno, E- cricchetto, F- valvola di scarico dei gas di scarico, G- maniglia per il comando della valvola.

L'idrogeno veniva immagazzinato in un “palloncino” collegato tramite un tubo a un cilindro. La fornitura di carburante e aria, nonché l'accensione della miscela e il rilascio dei gas di scarico venivano effettuati manualmente mediante leve.

Principio di funzionamento:

L'aria è entrata nella camera di combustione attraverso la valvola di scarico dei gas di scarico.
La valvola si stava chiudendo.
La valvola per la fornitura di idrogeno dal palloncino è stata aperta.
Il rubinetto si stava chiudendo.
Premendo un pulsante è stato dato scarica elettrica a "candela".
La miscela divampò e sollevò il pistone.
La valvola di scarico dei gas di scarico si è aperta.
Il pistone cadde sotto il suo stesso peso (era pesante) e tirò una fune che fece girare le ruote attraverso un blocco.

Successivamente, il ciclo si è ripetuto.

Nel 1813 de Riva costruì un'altra vettura. Era un carro lungo circa sei metri, con ruote di due metri di diametro e del peso di quasi una tonnellata.
L'auto è riuscita a percorrere 26 metri con un carico di pietre (circa 700 sterline) e quattro uomini, alla velocità di 3 km/h.
Ad ogni ciclo la macchina si spostava di 4-6 metri.

Pochi dei suoi contemporanei presero sul serio questa invenzione e l'Accademia francese delle scienze sostenne che il motore a combustione interna non avrebbe mai potuto competere in termini di prestazioni con il motore a vapore.

Nel 1833 L'inventore americano Lemuel Wellman Wright registrò un brevetto per un motore a gas a combustione interna a due tempi raffreddato ad acqua.
(vedi sotto) nel suo libro Gas e Olio Engines" ha scritto quanto segue riguardo al motore di Wright:

“Il disegno del motore è molto funzionale e i dettagli sono elaborati con cura. L'esplosione della miscela agisce direttamente sul pistone, che tramite una biella fa ruotare l'albero motore. In apparenza, il motore ricorda un motore a vapore ad alta pressione, in cui gas e aria vengono forniti da pompe da serbatoi separati. La miscela situata in contenitori sferici veniva accesa mentre il pistone saliva al PMS (punto morto superiore) e lo spingeva verso il basso/su. Al termine della corsa, la valvola si apriva e rilasciava i gas di scarico nell’atmosfera”.

Non è noto se questo motore sia mai stato costruito, ma ne esiste un disegno:

Nel 1838, l'ingegnere inglese William Barnett ricevette un brevetto per tre motori a combustione interna.

Il primo motore è un due tempi a semplice effetto (carburante bruciato solo su un lato del pistone) con pompe separate per gas e aria. La miscela veniva accesa in un cilindro separato, quindi la miscela in fiamme scorreva nel cilindro di lavoro. L'aspirazione e lo scarico avvenivano tramite valvole meccaniche.

Il secondo motore ripeteva il primo, ma era a doppio effetto, cioè la combustione avveniva alternativamente su entrambi i lati del pistone.

Anche il terzo motore era a doppio effetto, ma aveva finestre di aspirazione e di scarico nelle pareti del cilindro che si aprivano quando il pistone raggiungeva il punto estremo (come nei moderni motori a due tempi). Ciò ha permesso di rilasciare automaticamente i gas di scarico e di ammettere una nuova carica della miscela.

Una caratteristica distintiva del motore Barnett era che la miscela fresca veniva compressa dal pistone prima dell'accensione.

Disegno di uno dei motori di Barnett:

Nel 1853-57, gli inventori italiani Eugenio Barzanti e Felice Matteucci svilupparono e brevettarono un motore a combustione interna a due cilindri con una potenza di 5 l/s.
Il brevetto è stato rilasciato dall'ufficio di Londra perché la legge italiana non poteva garantire una protezione sufficiente.

La realizzazione del prototipo fu affidata alla Bauer & Co. di Milano" (Helvetica) e completato all'inizio del 1863. Il successo del motore, molto più efficiente di quello a vapore, fu così grande che l'azienda iniziò a ricevere ordini da tutto il mondo.

Primo motore Barzanti-Matteucci monocilindrico:

Modello motore bicilindrico Barzanti-Matteucci:

Matteucci e Barzanti hanno stipulato un accordo per la produzione del motore con una delle aziende belghe. Barzanti si recò in Belgio per seguire personalmente i lavori e morì improvvisamente di tifo. Con la morte di Barzanti tutti i lavori sul motore cessarono e Matteucci tornò al suo precedente lavoro di ingegnere idraulico.

Nel 1877 Matteucci affermò che lui e Barzanti erano i principali creatori del motore a combustione interna, e il motore costruito da August Otto era molto simile al motore Barzanti-Matteucci.

I documenti relativi ai brevetti Barzanti e Matteucci sono conservati presso l'archivio della biblioteca del Museo Galileo di Firenze.

L'invenzione più importante di Nikolaus Otto fu il motore con ciclo a quattro tempi- Ciclo Otto. Questo ciclo è ancora oggi alla base del funzionamento della maggior parte dei motori a gas e benzina.

Il ciclo a quattro tempi fu la più grande conquista tecnica di Otto, ma presto si scoprì che pochi anni prima della sua invenzione, esattamente lo stesso principio di funzionamento del motore era stato descritto dall'ingegnere francese Beau de Rochas (vedi sopra). Un gruppo di industriali francesi contestò il brevetto di Otto in tribunale e la corte trovò le loro argomentazioni convincenti. I diritti di Otto derivanti dal suo brevetto furono notevolmente ridotti, inclusa la cancellazione del suo monopolio sul ciclo a quattro tempi.

Nonostante il fatto che i concorrenti iniziarono a produrre motori a quattro tempi, il modello di Otto, comprovato da molti anni di esperienza, era ancora il migliore e la sua richiesta non si fermò. Nel 1897 furono prodotti circa 42mila di questi motori potere diverso. Tuttavia, il fatto che come combustibile venisse utilizzato il gas illuminante, ne restrinse notevolmente il campo di applicazione.
Il numero di impianti di illuminazione e gas era insignificante anche in Europa, e in Russia ce n'erano solo due: a Mosca e San Pietroburgo.

Nel 1865, l'inventore francese Pierre Hugo ricevette un brevetto per una macchina che era un motore monocilindrico verticale a doppio effetto, in cui due pompe di gomma azionate da albero motore.

Hugo successivamente progettò motore orizzontale simile al motore Lenoir.

Museo della Scienza, Londra.

Nel 1870, l'inventore austro-ungarico Samuel Marcus Siegfried progettò un motore a combustione interna funzionante a combustibile liquido e lo installò su un carro a quattro ruote.

Oggi questa vettura è conosciuta come "La prima Marcus Car".

Nel 1887, in collaborazione con Bromovsky & Schulz, Marcus costruì una seconda vettura, la Second Marcus Car.

Nel 1872, un inventore americano brevettò un motore a combustione interna a due cilindri a pressione costante alimentato a cherosene.
Brayton chiamò il suo motore "Ready Motor".

Il primo cilindro fungeva da compressore, spingendo l'aria nella camera di combustione, nella quale veniva continuamente fornito cherosene. Nella camera di combustione, la miscela veniva accesa e attraverso il meccanismo della bobina entrava nel secondo cilindro di lavoro. Una differenza significativa rispetto agli altri motori era che la miscela aria-carburante bruciava gradualmente e a pressione costante.

Coloro che sono interessati agli aspetti termodinamici del motore possono leggere il ciclo Brayton.

Nel 1878, Signore ingegnere scozzese (cavalierato nel 1917) sviluppato il primo motore a due tempi con accensione della miscela compressa. Lo brevettò in Inghilterra nel 1881.

Il motore funzionava in modo curioso: aria e carburante venivano forniti al cilindro destro, dove veniva miscelato e questa miscela veniva spinta nel cilindro sinistro, dove la miscela veniva accesa da una candela. Si è verificata un'espansione, entrambi i pistoni sono caduti, dal cilindro sinistro (attraverso il tubo sinistro) i gas di scarico furono rilasciati e una nuova porzione di aria e carburante fu aspirata nel cilindro destro. Per inerzia i pistoni si sollevavano e il ciclo si ripeteva.

Nel 1879, ha costruito una benzina completamente affidabile due tempi motore e ne ottenne il brevetto.

Tuttavia, il vero genio di Benz si è manifestato nel fatto che nei progetti successivi è stato in grado di combinarsi vari dispositivi (acceleratore, accensione a batteria, candela, carburatore, frizione, cambio e radiatore) sui loro prodotti, che a loro volta sono diventati uno standard per l’intera industria dell’ingegneria meccanica.

Nel 1883 Benz fondò la società "Benz & Cie" per la produzione di motori a gas e nel 1886 brevettò quattro tempi il motore che usava nelle sue auto.

Grazie al successo di Benz & Cie, Benz fu in grado di progettare carrozze senza cavalli. Unendo la sua esperienza nella produzione di motori e il suo hobby di lunga data di progettazione di biciclette, nel 1886 costruì la sua prima automobile e la chiamò "Benz Patent Motorwagen".

Il design ricorda fortemente un triciclo.

Motore a combustione interna monocilindrico a quattro tempi con cilindrata di lavoro di 954 cm3, montato su " Benz Patent Motorwagen".

Il motore era dotato di un grande volano (utilizzato non solo per la rotazione uniforme, ma anche per l'avviamento), un serbatoio del gas da 4,5 litri, un carburatore di tipo evaporativo e una valvola a cassetto attraverso la quale il carburante entrava nella camera di combustione. L'accensione veniva prodotta da una candela progettata da Benz, la cui tensione veniva fornita da una bobina di Ruhmkorff.

Il raffreddamento era ad acqua, ma non a ciclo chiuso, bensì evaporativo. Il vapore fuoriusciva nell'atmosfera, quindi l'auto doveva essere rifornita non solo di benzina, ma anche di acqua.

Il motore sviluppava una potenza di 0,9 CV. a 400 giri al minuto e accelerava l'auto a 16 km/h.

Karl Benz al volante della sua macchina.

Poco dopo, nel 1896, Karl Benz inventò motore boxer (o motore piatto), in cui i pistoni raggiungono la sommità punto morto allo stesso tempo, bilanciandosi a vicenda.

Museo Mercedes-Benz di Stoccarda.

Nel 1882, l'ingegnere inglese James Atkinson ha inventato il ciclo Atkinson e il motore Atkinson.

Il motore Atkinson è essenzialmente un motore a quattro tempi. Il ciclo di Otto, ma con modificato meccanismo a manovella. La differenza era che nel motore Atkinson, tutti e quattro i tempi avvenivano in un giro dell'albero motore.

L'uso del ciclo Atkinson nel motore ha permesso di ridurre il consumo di carburante e ridurre il rumore di funzionamento grazie alla minore pressione di scarico. Inoltre, questo motore non richiedeva un cambio per azionare il meccanismo di distribuzione del gas, poiché l'apertura delle valvole azionava l'albero motore.

Nonostante una serie di vantaggi (inclusa l'elusione dei brevetti di Otto) il motore non è stato ampiamente utilizzato a causa della complessità della produzione e di alcuni altri difetti.
Il ciclo Atkinson consente migliori prestazioni ed efficienza ambientale, ma richiede ad alta velocità. A basse velocità produce una coppia relativamente ridotta e potrebbe bloccarsi.

Il motore Atkinson è ora utilizzato nei veicoli ibridi. Toyota Prius" e "Lexus HS 250h".

Nel 1884, L'ingegnere britannico Edward Butler, ha presentato i suoi disegni alla mostra ciclistica di Londra "Stanley Cycle Show" tre ruote Con motore a combustione interna a benzina, e nel 1885 lo costruì e lo espose alla stessa mostra, chiamandolo “Velociclo”. Inoltre, Butler è stato il primo a usare la parola benzina.

Il brevetto del "Velociclo" fu rilasciato nel 1887.

Il Velocycle era equipaggiato con un monocilindrico a quattro tempi motore a combustione interna a benzina dotato di bobina di accensione, carburatore, acceleratore e raffreddato a liquido. Il motore sviluppava una potenza di circa 5 CV. con un volume di 600 cm3, e accelerava l'auto a 16 km/h.

Nel corso degli anni, Butler migliorò le prestazioni del suo veicolo, ma gli fu impedito di testarlo a causa della "Legge sulla bandiera rossa" (pubblicato nel 1865), secondo il quale i veicoli non devono superare velocità superiori a 3 km/h. Inoltre, a bordo dell'auto dovevano esserci tre persone, una delle quali doveva camminare davanti all'auto con una bandiera rossa (queste sono misure di sicurezza) .

Nella rivista English Mechanic del 1890, Butler scrisse: "Le autorità hanno proibito l'uso dell'automobile sulle strade e di conseguenza rifiuto ulteriori sviluppi".

A causa della mancanza di interesse pubblico per l'auto, Butler la demolì e vendette i diritti di brevetto a Harry J. Lawson (produttore di biciclette), che ha continuato la produzione del motore per l'utilizzo sulle imbarcazioni.

Lo stesso Butler passò alla creazione di stazionari e motori delle navi.

Nel 1891, Herbert Aykroyd Stewart, in collaborazione con Richard Hornsby and Sons, costruì il motore Hornsby-Akroyd, in cui il carburante (cherosene) veniva iniettato sotto pressione in fotocamera aggiuntiva (per la sua forma veniva chiamata “palla calda”), montato sulla testata e collegato alla camera di combustione tramite uno stretto passaggio. Il carburante veniva acceso dalle pareti calde della camera aggiuntiva e scorreva nella camera di combustione.

1. Telecamera aggiuntiva (palla calda).
2. Cilindro.
3. Pistone.
4. Carter.

Utilizzato per avviare il motore fiamma ossidrica, che riscaldava la camera aggiuntiva (dopo il lancio veniva riscaldato dai gas di scarico). Per questo motivo, il motore Hornsby-Akroyd che era il predecessore del motore diesel progettato da Rudolf Diesel, spesso chiamato "semi-diesel". Tuttavia, un anno dopo, Aykroyd migliorò il suo motore aggiungendovi una “camicia d'acqua” (brevetto del 1892), che consentì di aumentare la temperatura nella camera di combustione aumentando il rapporto di compressione, e ora non era più necessario un'ulteriore fonte di riscaldamento.

Nel 1893, Rudolf Diesel ricevette i brevetti per un motore termico e un "ciclo di Carnot" modificato intitolato "Metodo e apparato per convertire il calore in lavoro".

Nel 1897, presso lo stabilimento metalmeccanico di Augusta (dal 1904 UOMO), con la partecipazione finanziaria delle aziende di Friedrich Krupp e dei fratelli Sulzer, fu creato il primo motore diesel funzionante di Rudolf Diesel
La potenza del motore era 20 Potenza del cavallo a 172 giri, rendimento 26,2% con un peso di cinque tonnellate.
Questo era di gran lunga superiore motori esistenti Otto con un rendimento del 20% e turbine a vapore marine con un rendimento del 12%, che hanno suscitato vivo interesse da parte dell'industria di diversi paesi.

Il motore Diesel era a quattro tempi. L'inventore ha scoperto che l'efficienza di un motore a combustione interna aumenta aumentando il rapporto di compressione della miscela combustibile. Ma è impossibile comprimere troppo la miscela combustibile, perché poi la pressione e la temperatura aumentano e si accende spontaneamente prima del tempo. Pertanto, Diesel ha deciso di comprimere non la miscela combustibile, ma aria pulita e, al termine della compressione, iniettare carburante nel cilindro sotto forte pressione.
A partire dalla temperatura aria compressa raggiunti i 600-650 °C, il combustibile si accendeva spontaneamente, ed i gas, espandendosi, muovevano il pistone. Pertanto, Diesel è riuscita ad aumentare significativamente l'efficienza del motore, eliminare il sistema di accensione e utilizzare invece un carburatore pompa di benzina alta pressione
Nel 1933, Elling scrisse profeticamente: “Quando nel 1882 cominciai a lavorare sulla turbina a gas, ero fermamente convinto che la mia invenzione sarebbe stata richiesta nell’industria aeronautica”.

Sfortunatamente, Elling morì nel 1949, prima dell'avvento dell'era dell'aviazione a turbogetto.

L'unica foto che ho trovato.

Forse qualcuno troverà qualcosa su quest'uomo nel Museo norvegese della tecnologia.

Nel 1903, Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky, sulla rivista "Scientific Review" ha pubblicato un articolo "Esplorazione degli spazi del mondo con strumenti a reazione", in cui per la prima volta ha dimostrato che un razzo è un dispositivo in grado di volare nello spazio. L'articolo proponeva anche il primo progetto di un missile a lungo raggio. Il suo corpo era una camera metallica oblunga dotata di liquido motore a reazione (che è anche un motore a combustione interna). Propose di utilizzare idrogeno e ossigeno liquidi rispettivamente come combustibile e ossidante.

Probabilmente vale la pena concludere la parte storica con questa nota razzo-spaziale, dato che arrivò il 20° secolo e i motori a combustione interna iniziarono a essere prodotti ovunque.

Postfazione filosofica...

K.E. Tsiolkovsky credeva che nel prossimo futuro le persone impareranno a vivere, se non per sempre, almeno per un tempo molto lungo. A questo proposito, ci sarà poco spazio (risorse) sulla Terra e le navi dovranno spostarsi su altri pianeti. Sfortunatamente, qualcosa è andato storto in questo mondo e, con l'aiuto dei primi missili, le persone hanno deciso semplicemente di distruggere la propria specie...

Grazie a tutti coloro che hanno letto.

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Appena un centinaio di anni fa i motori a combustione interna dovettero conquistare il posto che occupano nell’industria automobilistica moderna attraverso una forte concorrenza. Allora la loro superiorità non era affatto così evidente come lo è oggi. In effetti, la macchina a vapore... principale rivale motore a benzina - presentava enormi vantaggi rispetto ad esso: silenziosità, facilità di controllo della potenza, eccellenti caratteristiche di trazione e sorprendente "onnivora", consentendogli di funzionare con qualsiasi tipo di combustibile, dalla legna alla benzina. Ma alla fine, l’efficienza, la leggerezza e l’affidabilità dei motori a combustione interna hanno prevalso e ci hanno costretto a fare i conti con i loro difetti, come inevitabili.
Negli anni '50, con l'avvento delle turbine a gas e dei motori rotativi, iniziò un assalto alla posizione di monopolio occupata dai motori a combustione interna nell'industria automobilistica, assalto che non ha ancora avuto successo. Intorno agli stessi anni furono fatti tentativi di portare sul palco nuovo motore, che unisce sorprendentemente l'efficienza e l'affidabilità di un motore a benzina con la silenziosità e l'“onnivora” di un impianto a vapore. Questo è il famoso motore combustione esterna, che il sacerdote scozzese Robert Stirling brevettò il 27 settembre 1816 (brevetto inglese n. 4081).

Fisica del processo

Il principio di funzionamento di tutti i motori termici, senza eccezioni, si basa sul fatto che quando un gas riscaldato si espande, viene eseguito più lavoro meccanico di quello necessario per comprimerne uno freddo. Per dimostrarlo, tutto ciò di cui hai bisogno è una bottiglia e due pentole di acqua calda e acqua fredda. Innanzitutto, la bottiglia viene immersa in acqua ghiacciata e, quando l'aria al suo interno si raffredda, il collo viene tappato con un tappo e trasferito rapidamente in acqua calda. Dopo pochi secondi si sente uno schiocco e il gas riscaldato nella bottiglia spinge fuori il tappo, facendo lavoro meccanico. La bottiglia può essere rimessa nell'acqua ghiacciata e il ciclo si ripeterà.
i cilindri, i pistoni e le complesse leve della prima macchina di Stirling riproducevano quasi esattamente questo processo, finché l'inventore si rese conto che parte del calore sottratto al gas durante il raffreddamento poteva essere utilizzato per un riscaldamento parziale. Tutto ciò di cui abbiamo bisogno è una sorta di contenitore in cui il calore sottratto al gas durante il raffreddamento possa essere immagazzinato e restituito al gas una volta riscaldato.
Ma, ahimè, anche questo importantissimo miglioramento non ha salvato il motore Stirling. Nel 1885, i risultati ottenuti qui erano molto mediocri: efficienza del 5-7%, 2 litri. Con. potenza, 4 tonnellate di peso e 21 metri cubi di spazio.
I motori a combustione esterna non furono salvati nemmeno dal successo di un altro progetto sviluppato dall'ingegnere svedese Ericsson. A differenza di Stirling, egli propose di riscaldare e raffreddare il gas non a volume costante, ma a pressione costante. 8 Nel 1887, diverse migliaia di piccoli motori Erickson funzionavano perfettamente nelle tipografie, nelle case, nelle miniere e sulle navi. Riempirono i serbatoi dell'acqua e misero in funzione gli ascensori. Erickson provò anche ad adattarli per guidare le carrozze, ma si rivelarono troppo pesanti. In Russia, prima della rivoluzione, un gran numero di tali motori veniva prodotto con il nome di “Heat and Power”.
Tuttavia, tenta di aumentare la potenza a 250 CV. Con. si è concluso con un completo fallimento. La macchina con un cilindro di 4,2 metri di diametro sviluppava meno di 100 CV. Cioè, le camere antincendio si bruciarono e la nave su cui erano installati i motori morì.
Gli ingegneri salutarono questi deboli mastodonti senza rimpianti non appena apparvero motori a benzina e diesel potenti, compatti e leggeri. E all’improvviso, negli anni ’60, quasi 80 anni dopo, si cominciò a parlare di “Stirling” ed “Erickson” (chiamiamoli così per analogia con i motori diesel) come formidabili rivali dei motori a combustione interna. Queste conversazioni continuano ancora oggi. Cosa spiega una svolta così brusca nelle opinioni?

Il prezzo di essere metodici

Quando scopri quello vecchio idea tecnica, ripreso in tecnologia moderna, sorge immediatamente la domanda: cosa ne ha impedito prima l'attuazione? Qual era quel problema, quell’“indizio”, senza la cui soluzione non avrebbe potuto farsi strada nella vita? E quasi sempre si scopre che una vecchia idea deve la sua rinascita a un nuovo metodo tecnologico o nuovo design, a cui i predecessori non avevano pensato, o nuovo materiale. Il motore a combustione esterna può essere considerato una rara eccezione.
I calcoli teorici mostrano che l'efficienza "Stirlings" ed "Ericksons" possono raggiungere il 70%, più di qualsiasi altro motore. Ciò significa che i fallimenti dei loro predecessori sono stati spiegati da fattori secondari, in linea di principio rimovibili. Giusta scelta parametri e ambiti di applicazione, uno scrupoloso studio del funzionamento di ogni unità, un'attenta lavorazione e la messa a punto di ogni dettaglio hanno permesso di realizzare i benefici del ciclo. Già i primi campioni sperimentali hanno fornito un'efficienza del 39%! (L'efficienza dei motori a benzina e dei motori diesel, che sono stati sviluppati nel corso degli anni, è rispettivamente del 28-30 e del 32-35%.) Quali possibilità hanno "esaminato" sia Stirling che Erickson ai loro tempi?
lo stesso contenitore in cui il calore viene alternativamente immagazzinato e rilasciato. Calcolare un rigeneratore a quei tempi era semplicemente impossibile: la scienza del trasferimento di calore non esisteva. Le sue dimensioni sono state prese ad occhio e, come mostrano i calcoli, l'efficienza dei motori a combustione esterna dipende molto dalla qualità del rigeneratore. È vero, il suo brutto lavoro può essere compensato in una certa misura aumentando la pressione.
La seconda ragione del fallimento fu che i primi impianti funzionavano in aria a pressione atmosferica: le loro dimensioni erano enormi, ma la loro potenza era piccola.
Avendo portato l'efficienza rigeneratore al 98% e riempiendo un circuito chiuso con idrogeno o elio compresso a 100 atmosfere, gli ingegneri moderni hanno aumentato l'efficienza e la potenza degli Stirling, che anche in questa forma hanno mostrato efficienza. superiore a quello dei motori a combustione interna.
Basterebbe solo questo per parlare di installazione di motori a combustione esterna nelle auto. Ma l’alta efficienza da sola non esaurisce i vantaggi di queste macchine, riesumate dall’oblio.

Come funziona Stirling?

Rappresentazione schematica di un motore a combustione esterna:
1 - iniettore di carburante;
2 - tubo di uscita;
3 - elementi del riscaldatore d'aria;
4 - riscaldatore d'aria;
5 - gas caldi;
6 - spazio caldo del cilindro;
7 - rigeneratore;
8 - cilindro;
9 - alette più fredde;
10 - spazio freddo;
11 - pistone funzionante;
12 - azionamento rombico;
13 - biella del pistone di lavoro;
14 - ingranaggi di sincronizzazione;
15 - camera di combustione;
16 - tubi riscaldanti;
17 - aria calda;
18 - pistone-dislocatore;
19 - presa d'aria;
20 - fornitura di acqua di raffreddamento;
21 - sigillo;
22 - volume del buffer;
23 - sigillo;
24 - spintore pistone-dislocatore;
25 - spintore del pistone di lavoro;
26 - giogo del pistone di lavoro;
27 - perno della forcella del pistone di lavoro;
28 - biella del pistone-dislocatore;
29 - giogo del pistone-dislocatore;
30 - alberi a gomiti.
Sfondo rosso - circuito di riscaldamento;
sfondo tratteggiato - circuito di raffreddamento

IN design moderno"Stirling" funzionante a combustibile liquido: tre circuiti che hanno solo contatto termico tra loro. Si tratta di un circuito del fluido di lavoro (solitamente idrogeno o elio), un circuito di riscaldamento e un circuito di raffreddamento. Lo scopo principale del circuito di riscaldamento è mantenere una temperatura elevata nella parte superiore del circuito operativo. Supporti del circuito di raffreddamento bassa temperatura nella parte inferiore del circuito di lavoro. Il circuito del fluido di lavoro stesso è chiuso.
Contorno del fluido di lavoro. Due pistoni si muovono nel cilindro 8: il pistone di lavoro 11 e il pistone dislocatore 18. Il movimento verso l'alto del pistone di lavoro porta alla compressione del fluido di lavoro, il suo movimento verso il basso è causato dall'espansione del gas ed è accompagnato dall'esecuzione di lavoro utile. Il movimento verso l'alto del pistone dislocatore spinge il gas nella cavità inferiore e raffreddata del cilindro. Il suo movimento verso il basso corrisponde al riscaldamento del gas. L'azionamento rombico 12 impartisce il movimento ai pistoni corrispondenti a quattro corse del ciclo ((il diagramma mostra queste corse).
Misura I- raffreddamento del fluido di lavoro. Il pistone dislocatore 18 si muove verso l'alto, spremendo il fluido di lavoro attraverso il rigeneratore 7, che immagazzina il calore del gas riscaldato, nella parte inferiore raffreddata del cilindro. Il pistone di lavoro 11 è al PMI.
Misura II- compressione del fluido di lavoro. L'energia immagazzinata nel gas compresso del volume tampone 22 imprime un movimento verso l'alto al pistone di lavoro 11, accompagnato dalla compressione del fluido di lavoro freddo.
Misura III- riscaldamento del fluido di lavoro. Il pistone dislocatore 18, quasi adiacente al pistone di lavoro 11, sposta il gas nello spazio caldo attraverso il rigeneratore 7, nel quale il calore accumulato durante il raffreddamento viene restituito al gas.
Misura IV- espansione del fluido di lavoro - corsa di lavoro. Quando riscaldato in uno spazio caldo, il gas si espande e svolge un lavoro utile. Una parte di esso viene immagazzinata nel gas compresso del volume tampone 22 per la successiva compressione del fluido di lavoro freddo. Il resto viene rimosso dagli alberi motore.
Circuito di riscaldamento. L'aria viene forzata da un ventilatore nella presa d'aria 19, passa attraverso gli elementi riscaldanti 3, si riscalda ed entra negli iniettori di carburante. I gas caldi risultanti riscaldano i tubi 16 del riscaldatore del fluido di lavoro, circolano attorno agli elementi riscaldanti 3 e, dopo aver ceduto il loro calore all'aria utilizzata per la combustione del combustibile, vengono rilasciati attraverso il tubo di uscita 2 nell'atmosfera.
Circuito di raffreddamento. L'acqua viene fornita attraverso i tubi 20 alla parte inferiore del cilindro e, scorrendo attorno alle alette 9 del refrigeratore, le raffredda continuamente.

"Stirling" invece dei motori a combustione interna

I primi test, effettuati mezzo secolo fa, hanno dimostrato che Stirling è quasi perfettamente silenzioso. Non ha carburatore, iniettori ad alta pressione, sistema di accensione, valvole o candele. La pressione nel cilindro, sebbene salga fino a quasi 200 atm, non esplode, come in un motore a combustione interna, ma senza intoppi. Il motore non necessita di marmitte. L'azionamento cinematico dei pistoni a forma di diamante è completamente bilanciato. Nessuna vibrazione, nessun tintinnio.
Dicono che anche se metti la mano sul motore, non è sempre possibile determinare se funziona o meno. Queste qualità del motore di un'auto sono particolarmente importanti, perché in principali città Il problema della riduzione del rumore è acuto.
Ma un'altra qualità è "onnivora". In effetti non esiste fonte di calore che non sia adatta per un motore Stirling. Un'auto con un motore del genere può funzionare con legno, paglia, carbone, cherosene, combustibile nucleare e persino con la luce solare. Può funzionare con il calore immagazzinato nella fusione di sale o ossido. Ad esempio, 7 litri di ossido di alluminio fuso sostituiscono 1 litro di benzina. Tale versatilità non solo può sempre aiutare un conducente in difficoltà. Lo risolverà in modo acuto il problema in questione fumo nelle città. Avvicinandosi alla città, l'autista accende il fornello e scioglie il sale nel serbatoio. Entro i limiti della città, il carburante non viene bruciato: il motore funziona a fusione.
E la regolamentazione? Per ridurre la potenza è sufficiente rilasciare la quantità di gas richiesta dal circuito chiuso del motore in una bombola di acciaio. L'automazione riduce immediatamente l'alimentazione del carburante in modo che la temperatura rimanga costante indipendentemente dalla quantità di gas. Per aumentare la potenza, il gas viene pompato dal cilindro nuovamente nel circuito.
Ma in termini di costi e peso, gli Stirling sono ancora inferiori ai motori a combustione interna. Per 1 l. Con. hanno 5 kg, che è molto più della benzina e motori diesel. Ma non dobbiamo dimenticare che questi sono ancora i primi modelli, non portati ad un alto grado di perfezione.
I calcoli teorici mostrano che, a parità di altre condizioni, gli Stirling richiedono pressioni inferiori. Questa è una virtù importante. E se presentano anche vantaggi progettuali, è possibile che diventino i rivali più formidabili dei motori a combustione interna nell'industria automobilistica. E niente affatto turbine.

"Stirling" da GM

Il serio lavoro per migliorare il motore a combustione esterna, iniziato 150 anni dopo la sua invenzione, ha già dato i suoi frutti. Sono state proposte varie opzioni di progettazione per un motore funzionante secondo il ciclo Stirling. Esistono progetti di motori con una rondella inclinata per regolare la corsa dei pistoni, è stato brevettato un motore rotativo, in una delle sezioni del rotore di cui avviene la compressione, nell'altra - espansione e il calore viene fornito e rimosso nei canali collegamento delle cavità. Pressione massima nelle bombole dei singoli campioni raggiunge i 220 kg/cm 2 e la pressione media effettiva raggiunge 22 e 27 kg/cm 2 e oltre. L'efficienza è aumentata a 150 g/cv/ora.
Il progresso più grande fu ottenuto dalla General Motors, che negli anni '70 costruì uno Stirling a forma di V con un meccanismo a manovella convenzionale. Un cilindro funziona, l'altro è in compressione. Solo il pistone di lavoro si trova nel lavoratore e il pistone dislocatore si trova nel cilindro di compressione. Tra i cilindri si trovano un riscaldatore, un rigeneratore e un dispositivo di raffreddamento. L'angolo di sfasamento, cioè l'angolo di sfasamento di un cilindro rispetto all'altro, in questo “Stirling” è di 90°. La velocità di un pistone dovrebbe essere massima nel momento in cui la velocità dell'altro è zero (ai punti morti superiore e inferiore). Lo sfasamento nel movimento dei pistoni si ottiene posizionando i cilindri con un angolo di 90°. Strutturalmente, questo è lo "stirling" più semplice. Ma è inferiore al motore con un meccanismo a manovella diamantato in equilibrio. Per bilanciare completamente le forze d'inerzia Motore a V il numero dei suoi cilindri dovrebbe essere aumentato da due a otto.

Rappresentazione schematica di uno Stirling a forma di V:
1 - cilindro funzionante;
2 - pistone funzionante;
3 - riscaldatore;
4 - rigeneratore;
5 - giunto termoisolante;
6 - più fresco;
7 - cilindro di compressione.

Il ciclo operativo in un tale motore procede come segue.
Nel cilindro di lavoro 1 viene riscaldato il gas (idrogeno o elio), nell'altro cilindro di compressione 7 viene raffreddato. Quando il pistone si muove verso l'alto nel cilindro 7, il gas viene compresso: una corsa di compressione. A questo punto, il pistone 2 nel cilindro 1 inizia a spostarsi verso il basso. Il gas dal cilindro freddo 7 fluisce nel cilindro caldo 1, passando in sequenza attraverso il raffreddatore 6, il rigeneratore 4 e il riscaldatore 3 - fase di riscaldamento. Il gas caldo si espande nel cilindro 1, compiendo lavoro: la corsa di espansione. Quando il pistone 2 si muove verso l'alto nel cilindro 1, il gas viene pompato attraverso il rigeneratore 4 e il refrigeratore 6 nel cilindro 7: la fase di raffreddamento.
Questo schema "stirling" è più conveniente per la retromarcia. Nell'alloggiamento combinato del riscaldatore, del rigeneratore e del raffreddatore (la loro struttura verrà discussa in seguito) vengono realizzati degli smorzatori per questo scopo. Se li sposti da una posizione estrema all'altra, il cilindro freddo diventerà caldo, il cilindro caldo diventerà freddo e il motore ruoterà nella direzione opposta.
Il riscaldatore è un insieme di tubi in acciaio inossidabile resistenti al calore attraverso i quali passa il gas di lavoro. I tubi vengono riscaldati dalla fiamma di un bruciatore atto a bruciare diversi combustibili liquidi. Il calore del gas riscaldato viene immagazzinato nel rigeneratore. Questa unità è di grande importanza per ottenere un'elevata efficienza. Servirà al suo scopo se trasferisce circa tre volte più calore del preriscaldatore e il processo richiede meno di 0,001 secondi. In una parola, si tratta di un accumulatore di calore ad azione rapida e la velocità di trasferimento del calore tra il rigeneratore e il gas è di 30.000 gradi al secondo. Il rigeneratore, la cui efficienza è di 0,98 unità, è costituito da un corpo cilindrico in cui sono disposte in serie diverse rondelle costituite da groviglio di filo (diametro filo 0,2 mm). Per evitare che il calore venga trasferito al frigorifero, tra queste unità è installato un giunto termoisolante. E infine, il frigorifero. È realizzato sotto forma di una camicia d'acqua sulla tubazione.
La potenza Stirling viene regolata modificando la pressione del gas di lavoro. A tale scopo il motore è dotato di una bombola del gas e di un compressore speciale.

Vantaggi e svantaggi

Per valutare le prospettive di utilizzo dello Stirling sulle auto, analizziamo i suoi vantaggi e svantaggi. Cominciamo con uno dei parametri più importanti per un motore termico, il cosiddetto rendimento teorico. Per Stirling, è determinato dalla seguente formula:

η = 1 - Тх/Тг

Dove η è l'efficienza, Tx è la temperatura del volume “freddo” e Tg è la temperatura del volume “caldo”. Quantitativamente, questo parametro per Stirling è 0,50. Questo è significativamente superiore a quello delle migliori turbine a gas, motori a benzina e diesel, che hanno rispettivamente un'efficienza teorica di 0,28; 0,30; 0,40.
Come un motore a combustione esterna. Stirling può funzionare con vari combustibili: benzina, cherosene, diesel, gassoso e persino solido. Caratteristiche del carburante come cetano e numero di ottano, il contenuto di ceneri, il punto di ebollizione durante la combustione all'esterno del cilindro del motore, per Stirling non hanno importanza. Per lui lavorare combustibili diversi, non sono necessarie modifiche importanti: è sufficiente sostituire il bruciatore.
Un motore a combustione esterna in cui la combustione avviene stabilmente con un rapporto di eccesso d'aria costante pari a 1,3. emette molto meno monossido di carbonio, idrocarburi e ossidi di azoto rispetto a un motore a combustione interna.
Il basso livello di rumore di Stirling è spiegato dal basso rapporto di compressione (da 1,3 a 1,5). La pressione nel cilindro aumenta in modo fluido e non esplosivo, come nella benzina o motore diesel. L'assenza di oscillazioni della colonna di gas nel tratto di scarico determina la silenziosità dello scarico, confermata dai test del motore sviluppato da Phillips in collaborazione con di Ford per l'autobus.
Stirling si distingue per il basso consumo di olio e l'elevata resistenza all'usura dovuta all'assenza di sostanze attive nel cilindro e alla temperatura relativamente bassa del gas di lavoro, e la sua affidabilità è superiore a quella dei motori a combustione interna a noi noti, poiché non lo fa hanno un meccanismo complesso di distribuzione del gas.
Un vantaggio importante dello Stirling come motore di un'auto è la sua maggiore adattabilità ai cambiamenti di carico. È, ad esempio, superiore del 50% rispetto a quello di un motore a carburatore, grazie al quale è possibile ridurre il numero di stadi nel cambio. Tuttavia, abbandona completamente la frizione e il cambio, come in macchina a vapore, è vietato.
Ma perché un motore con vantaggi così evidenti non ha ancora trovato applicazione pratica? Il motivo è semplice: presenta molte carenze ancora irrisolte. Il più importante tra questi è la grande difficoltà di gestione e adattamento. Esistono altri “scogli” non così facili da superare sia per i progettisti che per gli addetti alla produzione. In particolare, i pistoni necessitano di guarnizioni molto efficaci che devono resistere ad alte pressioni (fino a 200 kg/cm2) e impedire l'ingresso di olio nella cavità di lavoro. In ogni caso, il lavoro di 25 anni della società Phillips sulla messa a punto del suo motore non è ancora riuscito a renderlo adatto all’uso di massa nelle auto. Di non poca importanza è la caratteristica dello “stirling”: la necessità di rimuovere una grande quantità di calore con l'aiuto dell'acqua di raffreddamento. Nei motori a combustione interna, una parte significativa del calore viene rilasciata nell'atmosfera insieme ai gas di scarico. Nella "sterlina", solo il 9% del calore generato durante la combustione del carburante finisce nello scarico. Se dentro motore a gasolio La combustione interna con acqua di raffreddamento rimuove dal 20 al 25% del calore, quindi a Stirling fino al 50%. Ciò significa che un'auto con un motore del genere deve avere un radiatore circa 2-2,5 volte più grande di quello di un motore a benzina simile. Lo svantaggio dello Stirling è il suo elevato peso specifico rispetto ai comuni motori a combustione interna. Un altro svantaggio piuttosto significativo è la difficoltà di aumentare la velocità: già a 3600 giri al minuto le perdite idrauliche aumentano notevolmente e il trasferimento di calore si deteriora. E infine. Stirling è inferiore a un motore a combustione interna convenzionale nella risposta dell'acceleratore.
Proseguono i lavori per la creazione e la messa a punto degli “stirling” automobilistici, anche per le autovetture. Possiamo presumere che le questioni fondamentali siano ormai state risolte. Tuttavia, c’è ancora molto lavoro da fare. L'utilizzo di leghe leggere può ridurre il peso specifico del motore, ma sarà comunque più elevato. rispetto a quello di un motore a combustione interna, a causa della maggiore pressione del gas di lavoro. È probabile che il motore a combustione esterna trovi applicazione principalmente nei camion, soprattutto nei veicoli militari, a causa del suo basso fabbisogno di carburante.

L'aggravarsi dei problemi globali che richiedono soluzioni urgenti (esaurimento delle risorse naturali, inquinamento ambientale, ecc.) ha portato alla fine del XX secolo alla necessità di adottare una serie di atti legislativi internazionali e russi nel campo dell'ecologia, della gestione ambientale e della risparmio energetico. I principali requisiti di queste leggi mirano a ridurre le emissioni di CO2, il risparmio di risorse ed energia, la conversione dei veicoli in carburanti ecologici, ecc.

Uno di modi promettenti La soluzione a questi problemi è lo sviluppo e l'implementazione diffusa di sistemi di conversione dell'energia basati su motori (macchine) Stirling. Il principio di funzionamento di tali motori fu proposto nel 1816 dallo scozzese Robert Stirling. Si tratta di macchine che funzionano in un ciclo termodinamico chiuso, in cui processi ciclici di compressione ed espansione avvengono a diversi livelli di temperatura e il flusso del fluido di lavoro viene controllato modificandone il volume.

Il motore Stirling è un motore termico unico perché la sua potenza teorica è pari a massima potenza motori termici (ciclo di Carnot). Funziona tramite l'espansione termica del gas, seguita dalla compressione del gas mentre si raffredda. Il motore contiene un certo volume costante di gas di lavoro, che si muove tra una parte “fredda” (solitamente a temperatura ambiente) e una parte “calda”, che viene riscaldata dalla combustione di vari combustibili o altre fonti di calore. Il riscaldamento viene effettuato esternamente, quindi il motore Stirling è classificato come motore a combustione esterna (ECE). Poiché nei motori Stirling, a differenza dei motori a combustione interna, il processo di combustione avviene all'esterno dei cilindri di lavoro e procede in equilibrio, il ciclo di lavoro viene realizzato in un circuito interno chiuso con tassi di aumento di pressione relativamente bassi nei cilindri del motore, il funzionamento regolare natura dei processi termoidraulici del fluido di lavoro del circuito interno e in assenza di valvole di distribuzione del gas

Da segnalare che all’estero è già iniziata la produzione dei motori Stirling, specifiche che sono superiori ai motori a combustione interna e alle turbine a gas (GTU). Pertanto, i motori Stirling di Philips, STM Inc., Daimler Benz", "Solo", "United Stirling" con potenza da 5 a 1200 kW hanno efficienza. oltre il 42%, vita utile oltre 40mila ore e peso specifico da 1,2 a 3,8 kg/kW.

Nelle revisioni mondiali sulla tecnologia di conversione dell'energia, il motore Stirling è considerato il più promettente del 21° secolo. Basso livello di rumore, bassa tossicità dei gas di scarico, capacità di lavorare con vari combustibili, grande risorsa, buone caratteristiche di coppia: tutto ciò rende i motori Stirling più competitivi rispetto ai motori a combustione interna.

Dove possono essere utilizzati i motori Stirling?

Le centrali elettriche autonome con motori Stirling (generatori Stirling) possono trovare applicazione nelle regioni della Russia dove non ci sono riserve di risorse energetiche tradizionali: petrolio e gas. Come combustibile possono essere utilizzati torba, legno, scisto, biogas, carbone, scarti agricoli e scarti dell'industria della lavorazione del legno. In molte regioni il problema dell’approvvigionamento energetico scompare così.

Tali centrali elettriche sono rispettose dell'ambiente, poiché la concentrazione sostanze nocive nei prodotti della combustione è quasi due ordini di grandezza inferiore a quello delle centrali elettriche diesel. Pertanto, i generatori Stirling possono essere installati in prossimità del consumatore, eliminando così le perdite nella trasmissione di elettricità. Un generatore da 100 kW può fornire elettricità e calore a qualsiasi insediamento con una popolazione di oltre 30-40 persone.

Troveranno centrali elettriche autonome con motori Stirling ampia applicazione e nell'industria del petrolio e del gas della Federazione Russa durante lo sviluppo di nuovi giacimenti (specialmente nelle condizioni dell'estremo nord e della piattaforma dei mari artici, dove è necessaria una seria fornitura di energia per l'esplorazione, la perforazione, la saldatura e altri lavori) . Come combustibile possono essere utilizzati gas naturale non raffinato, gas di petrolio associato e gas condensato.

Ora nella Federazione Russa ogni anno si perdono fino a 10 miliardi di metri cubi. m di gas associato. È difficile e costoso da raccogliere e utilizzare come carburante per motori per i motori a combustione interna ciò è impossibile a causa della composizione frazionaria in costante cambiamento. Per evitare che il gas inquini l'atmosfera, viene semplicemente bruciato. Allo stesso tempo, il suo utilizzo come carburante per motori avrà un effetto economico significativo.

Si consiglia di utilizzare centrali elettriche con una capacità di 3-5 kW nei sistemi di automazione, comunicazione e protezione catodica sui principali gasdotti. E quelli più potenti (da 100 a 1000 kW) servono per la fornitura di elettricità e calore ai grandi campi di rotazione per i lavoratori del gas e del petrolio. Le unità superiori a 1mila kW possono essere utilizzate nei siti di perforazione onshore e offshore nell'industria del petrolio e del gas.

Problemi nella creazione di nuovi motori

Il motore, proposto dallo stesso Robert Stirling, aveva caratteristiche di peso e dimensioni significative e bassa efficienza. A causa della complessità dei processi in un tale motore, associati al movimento continuo dei pistoni, il primo apparato matematico semplificato fu sviluppato solo nel 1871 dal professore praghese G. Schmidt. Il metodo di calcolo da lui proposto si basava su un modello ideale del ciclo Stirling e consentiva di creare motori efficienti. fino al 15%. Solo nel 1953 l'azienda olandese Philips creò i primi motori Stirling ad alta efficienza, superiori in termini di prestazioni ai motori a combustione interna.

In Russia, sono stati fatti più volte tentativi di creare motori Stirling domestici, ma non hanno avuto successo. Esistono diversi problemi principali che ne ostacolano lo sviluppo e l’uso diffuso.

Innanzitutto si tratta della creazione di un modello matematico adeguato della macchina Stirling progettata e del relativo metodo di calcolo. La complessità del calcolo è determinata dalla complessità di implementazione del ciclo Stirling termodinamico auto vere, a causa dell'instabilità dello scambio di calore e di massa nel circuito interno - dovuta al movimento continuo dei pistoni.

La mancanza di modelli matematici e metodi di calcolo adeguati è la ragione principale del fallimento di numerose imprese straniere e nazionali nello sviluppo sia dei motori che delle macchine di refrigerazione Stirling. Senza un’accurata modellazione matematica, lo sviluppo delle macchine progettate si trasforma in molti anni di estenuante ricerca sperimentale.

Un altro problema è la progettazione dei singoli componenti, difficoltà con le guarnizioni, la regolazione della potenza, ecc. Le difficoltà progetto sono determinati dai fluidi di lavoro utilizzati che sono elio, azoto, idrogeno e aria. L'elio, ad esempio, ha una superfluidità, il che impone maggiori requisiti per gli elementi di tenuta dei pistoni funzionanti, ecc.

Il terzo problema è alto livello tecnologie di produzione, necessità di utilizzare leghe e metalli resistenti al calore, nuovi metodi di saldatura e brasatura.

Una questione separata è la produzione di un rigeneratore e di un ugello per garantire, da un lato, un'elevata capacità termica e, dall'altro, una bassa resistenza idraulica.

Sviluppi interni Macchine Stirling

Attualmente, la Russia ha accumulato un potenziale scientifico sufficiente per creare motori Stirling altamente efficienti. Risultati significativi sono stati raggiunti presso lo Stirling Technologies Innovation and Research Center LLC. Gli specialisti hanno condotto studi teorici e sperimentali per sviluppare nuovi metodi per il calcolo dei motori Stirling altamente efficienti. Le principali aree di lavoro riguardano l'utilizzo dei motori Stirling negli impianti di cogenerazione e nei sistemi di sfruttamento del calore dei gas di scarico, ad esempio nei mini-CHP. Di conseguenza, sono stati creati metodi di sviluppo e prototipi di motori da 3 kW.

Particolare attenzione durante la ricerca è stata posta allo sviluppo dei singoli componenti delle macchine Stirling e alla loro progettazione, nonché alla realizzazione di nuovi schemi elettrici installazioni per vari scopi funzionali. Le soluzioni tecniche proposte, tenendo conto del fatto che le macchine Stirling sono meno costose da utilizzare, consentono di aumentare l'efficienza economica dell'utilizzo di nuovi motori rispetto ai tradizionali convertitori di energia.

La produzione dei motori Stirling è economicamente fattibile data la domanda praticamente illimitata di apparecchiature elettriche rispettose dell'ambiente e altamente efficienti sia in Russia che all'estero. Tuttavia, senza la partecipazione e il sostegno dello Stato e delle grandi imprese, il problema della produzione di massa non può essere risolto completamente.

Come aiutare la produzione di motori Stirling in Russia?

È ovvio che l'attività innovativa (in particolare lo sviluppo di innovazioni di base) è un tipo di attività economica complessa e rischiosa. Pertanto, dovrebbe fare affidamento sul meccanismo del sostegno statale, soprattutto all'inizio, per poi passare alle normali condizioni di mercato.

Il meccanismo per creare una produzione su larga scala di macchine Stirling e sistemi di conversione dell'energia basati su di esse in Russia potrebbe includere:
- finanziamento diretto a bilancio condiviso di progetti innovativi sulle macchine Stirling;
- misure di sostegno indiretto esentando i prodotti realizzati nell'ambito dei progetti Stirling dall'IVA e da altre imposte a livello federale e regionale per i primi due anni, nonché fornendo un credito d'imposta per tali prodotti per i prossimi 2-3 anni (tenendo conto che costi di sviluppo (è inappropriato includere un prodotto fondamentalmente nuovo nel suo prezzo, cioè nei costi del produttore o del consumatore);
- esclusione dalla base imponibile dell’imposta sul reddito del contributo dell’impresa al finanziamento dei progetti Stirling.

In futuro, nella fase di promozione sostenibile delle apparecchiature energetiche basate sulle macchine Stirling in ambito domestico e mercati esteri, la ricostituzione del capitale per l'espansione della produzione, la riattrezzatura tecnica e il sostegno di progetti regolari per la produzione di nuovi tipi di attrezzature possono essere effettuati attraverso i profitti e la vendita di quote di produzione sviluppata con successo, risorse creditizie da banche commerciali, nonché come attrazione per gli investimenti esteri.

Si può presumere che, a causa della presenza di una base tecnologica e di un potenziale scientifico accumulato nella progettazione delle macchine Stirling, con ragionevoli risorse finanziarie e politica tecnica La Russia potrebbe nel prossimo futuro diventare leader mondiale nella produzione di nuovi motori ecologici ed altamente efficienti.

Nei motori a combustione esterna, il processo di combustione del carburante e la fonte di influenza termica sono separati dall'unità di lavoro. Questa categoria solitamente include vapore e turbine a gas, così come i motori Stirling. Primi prototipi installazioni simili furono progettati più di due secoli fa e furono utilizzati per quasi tutto il XIX secolo.

Quando un'industria in rapido sviluppo aveva bisogno di centrali elettriche potenti ed economiche, i progettisti inventarono un sostituto dell'esplosivo motori a vapore, dove il fluido di lavoro era vapore ad alta pressione. Così apparvero i motori a combustione esterna, che si diffusero all'inizio del XIX secolo. Solo pochi decenni dopo furono sostituiti dai motori a combustione interna. Costano molto meno, motivo per cui erano ampiamente utilizzati.

Ma oggi i progettisti guardano sempre più da vicino i motori a combustione esterna che non sono più ampiamente utilizzati. Ciò è dovuto ai loro vantaggi. Il vantaggio principale è che tali installazioni non richiedono combustibile altamente purificato e costoso.

I motori a combustione esterna sono senza pretese, sebbene la loro costruzione e manutenzione siano ancora piuttosto costose.

Il motore di Stirling

Una delle più rappresentanti famosi famiglia di motori a combustione esterna - Motore Stirling. Fu inventato nel 1816, migliorato più volte, ma successivamente fu immeritatamente dimenticato per molto tempo. Ora il motore Stirling ha ricevuto una rinascita. Viene utilizzato con successo anche nell'esplorazione spaziale.

Il funzionamento della macchina Stirling si basa su un ciclo termodinamico chiuso. Qui avvengono processi periodici di compressione ed espansione a diverse temperature. Il flusso di lavoro è controllato modificandone il volume.

Il motore Stirling può funzionare come pompa di calore, generatore di pressione o dispositivo di raffreddamento.

IN questo motore A basse temperature il gas si contrae, a temperature elevate si espande. I cambiamenti periodici dei parametri avvengono attraverso l'uso di un pistone speciale che ha una funzione di dislocatore. In questo caso il calore viene fornito al fluido di lavoro dall'esterno, attraverso la parete del cilindro. Questa funzione dà il diritto

IN l'anno scorso rivista, nel primo numero della quale i lettori sono stati accolti A. Einstein, soddisfatto 85 anni.

Una piccola redazione continua a pubblicare IR, di cui sei onorato di essere lettore. Anche se questo diventa ogni anno sempre più difficile. Molto tempo fa, all'inizio del nuovo secolo, la redazione dovette lasciare la sua residenza natale in via Myasnitskaya. (Beh, davvero, questo è un posto per le banche, non per qualche gruppo di inventori). Tuttavia, ci ha aiutato Yu.Maslyukov(all'epoca presidente del comitato della Duma di Stato dell'Assemblea federale della Federazione Russa per l'industria) si trasferisce a NIIAA vicino alla stazione della metropolitana Kaluzhskaya. Nonostante il rigoroso rispetto dei termini del contratto da parte della redazione, il puntuale pagamento dell'affitto e l'ispirante annuncio del corso per l'innovazione da parte del Presidente e del Governo della Federazione Russa, il nuovo direttore della NIIAA ci ha informato dello sfratto di della Redazione “per esigenze produttive”. Ciò con una diminuzione del numero dei dipendenti del NIIAA di quasi 8 volte e una corrispondente liberazione di spazio, e nonostante il fatto che l'area occupata dalla redazione non rappresentasse nemmeno un centesimo della vasta area di NIIAA.

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