Что не так со Стирлингом?

Двигатель Роберта Стирлинга был запатентован 207 лет назад. В сети есть сотни описаний его устройства. Но интереснее другое: в 1970-1980-х “стирлинги” всерьёз рассматривались в качестве замены ДВС в автомобилях. К экспериментам в этой области подключились NASA, Ford, American Motors Corporation, United Stirling AB, Philips и американское министерство энергетики (DOE), некоторые другие компании, организации и институты. Что же пошло не так?

С появления патента Стирлинга (в коллаже в центре) и до наших дней инженеры разработали три основных конфигурации такого мотора (их обычно именуют альфа, бета и гамма), а также сотни конкретных конструкций со своими особенностями. Общий же их принцип неизменен: работа совершается за счёт периодического нагрева и охлаждения рабочего тела (хотя бы и воздуха, но это не лучший вариант). Оно тем или иным способом перегоняется между горячей и холодной частями агрегата (за счёт поршня-вытеснителя или за счёт сдвига фаз работы нескольких силовых поршней и перетока газа между их цилиндрами).

Нагрев горячей части мотора — внешний от постоянно работающего источника (это некая горелка, условно напоминающая конфорку плиты или камеру сгорания предпускового подогревателя). Воздух для сжигания топлива подаётся несложным вентилятором при невысоком давлении. Охлаждение холодной части мотора в маломощных демонстрационных моделях может быть воздушным, но в практически пригодных установках — водяное.

Для начала пару слов о плюсах.

В теории “стирлинг” может работать на любом топливе, на газообразном, жидком или даже на дровах и угле. Вообще, ему нужен лишь любой удобный вам источник тепла. Лишь бы конструкция мотора была под него приспособлена.

Не зря существуют проекты двигателей Стирлинга, работающих от нагрева солнечными лучами (такие можно ставить в фокусе зеркал-концентраторов, вместо солнечных батарей) или от радиоактивных изотопов и ядерных микро-реакторов (есть подобные замыслы для электростанций на Луне). Есть даже проекты, где тепловая энергия от солнца или другого источника накапливается в расплавленной соли, а далее эта соль медленно отдаёт тепло “стирлингу”, вращающему генератор.

Горение в “стирлинге” плавное, непрерывное. Соответственно, высокая полнота сгорания, плюс бонусом — почти полная бесшумность. И в теории у “стирлинга” может быть очень высокий КПД, выше, чем у ДВС.

Число основных деталей может быть заметно меньшим, чем у ДВС. Тут нет системы газораспределения с кучей клапанов, цепей и шестерён.

А теперь минусах. В качестве рабочего тела воздух подходит плохо. Если у вас сувенирный “стирлинг”, красующийся на столе, то воздух сойдёт. Но там и мощность — доли ватта. Для серьёзных дел нужен водород или гелий. Причём закачанный внутрь под давлением. Иначе вы не получите приемлемые мощность и момент. А мы помним, как охотно гелий и водород “улепётывают” через малейшие неплотности. Значит, усложняются все уплотнения.

В обычном ДВС температура в цилиндре может на краткий миг вырастать выше тысячи градусов, но она быстро падает по мере рабочего хода, выхлопа и впуска свежего воздуха. Так что средняя за цикл величина — невелика. В “стирлинге” часть мотора постоянно находится при высокой температуре (700 градусов и более), а это предъявляет серьёзные требования к материалу цилиндра, поршня и деталям внешней камеры сгорания с её телообменником, передающим тепло от сгоревшего топлива к рабочему телу.

Чем выше мы хотим получить мощность и КПД, тем больше надо закачать в “стирлинг” водорода под давлением (или гелия), и тем выше надо поднимать температуру горячей части. Это, опять же, означает более дорогие материалы и рост массы.

Охлаждение двигателям Стирлинга требуется более интенсивное (радиатор окажется раза в два массивнее, чем у ДВС равной мощности).

Двигатель Стирлинга очень плохо реагирует на изменение тяги. Больше всего любит стационарные режимы. А для холодного запуска ему нужен разогрев секунд на 30, ранее которых вы мощности не получите. (Ford в одном из своих опытов сократил это время до нескольких секунд, поставив в “стирлинг” мощный электронагреватель для старта.)

Зная всё это, разработчики принялись экспериментировать со “стирлингами” разных схем. И успех определённый был. Chevrolet Celebrity был не единственным авто, в которых в семидесятых-восьмидесятых испытывали “стирлинги” (с десяток таких опытов был проведён точно). Но Celebrity, вероятно, оказался самым продвинутым.

В сравнении с той же моделью, оснащённой бензиновой рядной четвёркой 2.5 на 94 силы, расход топлива в комбинированном цикле снизился с 7,57 до 5,71 л/100 км, а на хайвее с 5,85 до 4,04 л/100 км. Ускорение с нуля до 60 миль/ч улучшилось с 13 до 12,4 с. Мотор Стирлинга проигрывал ДВС в мощности, но опережал его в тяге на низких оборотах. Снаряжённая масса нотчбека поменялась не сильно: 1252 кг с ДВС и 1297 кг со “стирлингом”.

В восьмидесятых годах, да и в девяностых, на фоне типичного КПД “среднестатистического” бензинового ДВС порядка 20-25%, а дизельного — примерно от 25 до 40% (все — при определённых условиях и в наиболее выгодных режимах работы) эффективность автомобильного “стирлинга” в 39% смотрелась очень выгодно.

И вообще, в упомянутом выше MOD II инженеры проделали огромную работу. В сравнении с ранними образцами “стирлингов”, спроектированных специально под легковой авто, удельную массу самого двигателя удалось снизить с 6,3 кг на “лошадь” (в 1978-м) до 2,46 кг на одну лошадиную силу. Однако, согласитесь, даже это неважная величина, в сравнении с современными турбомоторами. Снизили затраты на изготовление. Но не смогли полностью избавиться от всех недостатков.

В середине 2010-х в в Японии и Китае появились серийные бензиновые ДВС с термическим КПД от 37 до 41%, то есть, на уровне лучших дизелей! Этому способствовали продуманные (на новом витке развития) газообмен и смесеобразование в цилиндрах, высокая степень сжатия (как у дизеля), цикл Миллера в атмосферных агрегатах или грамотная работа турбокомпрессора, сочетание механического и турбонаддува, впрыск под высоким давлением, и ряд других конструкторских ухищрений.

Получается, что “классические” ДВС смогли догнать двигатели Стирлинга по эффективности, тогда как последние упёрлись в некий технологический потолок. Дальнейший рост их КПД требовал бы использования всё более дорогих материалов и технологий. Ну и, наверное, промышленность неохотно бы перестраивалась на совсем иные агрегаты.

Небольшой светлый луч в этой истории — опыты с применением двигателей Стирлинга не в роли основного мотора, а в качестве бортового “зарядника”, не связанного с колёсами. Это генератор для пополнения заряда в тяговой батарее. То есть, перед нами электрокары с “расширителем дальности” или можно сказать гибриды последовательного типа.

В таком качестве “стирлинг” интереснее, поскольку ему не нужна высокая мощность (можно снизить размеры и вес), как и быстрый разогрев, и мгновенный старт.

Таким был опытный автомобиль General Motors Stir-Lec I, сделанный в 1969-м на основе модели Opel Kadett. Спереди под капотом стояли 14 свинцово-кислотных аккумуляторов, которые питали электромотор, а тот вращал заднюю ось. Сзади же был смонтирован восьмисильный двигатель Стирлинга, который крутил генератор для подпитки батарей.

Другой подобный проект — сити-кар DEKA Revolt (2008) от американского изобретателя Дина Кеймена, создателя Сегвея. Revolt был задуман на базе норвежского электрокара Ford TH!NK, который получил миниатюрный “стирлинг” для пополнения запаса хода.

В связи с нынешним ростом интереса к гибридам разных типов, любопытно посмотреть, не вернутся ли в автопроме к экспериментам со “стирлингами” на автомобилях. Хотя в последние годы намного больше поступает сообщений о проектах стационарных систем со "стирлингами" в роли компактных всеядных электростанций.