Как сделать вытеснитель для стирлинга. Двигатель стирлинга своими руками, схема и чертеж. Мраморные или стеклянные шарики

В которой рабочее тело (газообразное или жидкое) двигается в замкнутом объёме, по сути это разновидность двигателя внешнего сгорания. Этот механизм основан на принципе периодического нагрева и охлаждения рабочего тела. Извлечение энергии происходит из возникающего объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга работает не только от энергии сгорающего топлива, но и от практически любого источника Запатентован этот механизм шотландцем Робертом Стирлингом в 1816 году.

Описанный механизм, несмотря на невысокий КПД, имеет ряд преимуществ, в первую очередь это простота и неприхотливость. Благодаря этому многие конструкторы-любители совершают попытки собрать двигатель Стирлинга своими руками. Некоторым это удается, а некоторым нет.

В этой статье мы рассмотрим, Стирлинга своими руками из подручных материалов. Нам понадобятся следующие заготовки и инструменты: консервная банка (можно из-под шпрот), листовая жесть, канцелярские скрепки, поролон, резинка, пакет, кусачки, плоскогубцы, ножницы, паяльник,

Теперь приступим к сборке. Вот подробная инструкция к тому, как сделать двигатель Стирлинга своими руками. Сначала необходимо вымыть банку, зачистить наждачной бумагой края. Вырезаем из листовой жести круг таким образом, чтобы он лег на внутренние края банки. Определяем центр (для этого воспользуемся штангенциркулем или линейкой), делаем ножницами отверстие. Далее берем медную проволоку и канцелярскую скрепку, выпрямляем скрепку, на конце делаем кольцо. Наматываем на скрепку проволоку - четыре плотных витка. Далее паяльником пролудим полученную спираль небольшим количеством припоя. Потом необходимо аккуратно спираль припаять к отверстию в крышке таким образом, чтобы шток получился перпендикулярным крышке. Скрепка должна двигаться свободно.

После этого необходимо сделать в крышке сообщающееся отверстие. Из поролона делаем вытеснитель. Его диаметр должен быть немного меньше диаметра банки, но при этом не должно быть большого зазора. Высота вытеснителя - немногим больше половины банки. Вырезаем в поролоне по центру отверстие для втулки, последнюю можно изготовить из резины или пробки. Вставляем в полученную втулку шток и все заклеиваем. Вытеснитель необходимо размещать параллельно крышке, это важное условие. Далее остается закрыть банку и запаять края. Шов должен быть герметичным. Теперь приступаем к изготовлению рабочего цилиндра. Для этого вырезаем из жести полосу длиной 60 мм и шириной 25 мм, загибаем плоскогубцами край на 2 мм. Формируем гильзу, после этого спаиваем край, далее необходимо припаять гильзу к крышке (над отверстием).

Теперь можно приступить к изготовлению мембраны. Для этого отрезаем от пакета кусок пленки, немного продавливаем его пальцем внутрь, резинкой прижимаем края. Далее необходимо проверить правильность сборки. Нагреваем на огне дно банки, тянем за шток. В результате мембрана должна выгибаться наружу, а если шток отпустить, вытеснитель под собственным весом должен опуститься, соответственно, мембрана возвращается на место. В том случае, если вытеснитель сделан неправильно или пайка банки не герметична, шток не вернется на место. После этого делаем коленвал и стойки (разнос кривошипов должен составить 90 градусов). Высота кривошипов должна составлять 7 мм, а вытеснителей 5 мм. Длина шатунов определена положением коленвала. Конец кривошипа вставляется в пробку. Вот мы и рассмотрели, как собрать двигатель Стирлинга своими руками.

Такой механизм будет работать от обычной свечки. Если прикрепить к маховику магниты и взять катушку аквариумного компрессора, то такое устройство способно заменить простой электродвигатель. Своими руками, как вы видите, сделать такой прибор совсем не сложно. Было бы желание.

Пояснение работы двигателя «Stirling».

Начинаем с разметки маховика.

Шесть отверстий не прошли. Получается не красивым.Отверстия маленькие и тело между ними тонкое.

За одно точим противовесы для коленвала. Подшипники запрессованы.В последствии подшипники выпрессованы и на их место нарезано резьба на М3.

Я фрезеровал но можно и напильником.

Это часть шатуна. Остальная часть припаивается ПСРом.

Работа развёрткой над уплотнительной шайбой.

Сверловка станины стирлинга. Отверстие которое связывает вытеснитель с рабочим цилиндром. Сверло на 4,8 под резьбу на М6. Потом её надо заглушить.

Сверловка гильзы рабочего цилиндра,под развёртку.

Сверловка под резьбу на М4.

Как это делалось.

Размеры даны с учётом переделанного.Было изготовлено две пары цилиндр-поршень,на10мм. и на15мм. Были опробованы оба.Если ставить цилиндр на 15мм. то ход поршня будет 11-12мм. и работает не акти. А вот10мм. с ходом на 24мм. самый раз.

Размеры шатунов.К ним припаивается латунная проволока Ф3мм.

Крепёжный узел шатуна.Вариант с подшипниками не прошёл. При затяжки шатуна,подшипник деформируется и создаёт дополнительное трение. Вместо подшипника сделал Al. втулку с болтом.

Размеры некоторых деталей.

Некоторые размеры по маховику.

Некоторые размеры как крепить на валу и сочлинения.

Между охладителем и жаровой камеры ставим асбестовую прокладку на 2-3мм. Желательно и под болты которые стягивают обе детали ставить прокладки паронитовые или что нибудь которое меньше проводит тепло.

Вытеснитель сердце стирлинга он должен быть лёгким и мало проводящим тепло. Шток взят с того же старого винчестера. Это одна из направляющих линейного двигателя.Очень подходит,калённая,хромированная. Для того чтоб нарезать резьбу обмотал середину промоченной тряпкой,и концы нагрел до красна.

Шатун с рабочим цилиндром. Длина общая 108мм. Из них 32мм это поршень диаметром 10мм.Поршень должен ходить в цилиндр легко,без ощутимых задиров.Для проверки закрываем плотно пальчиком снизу,а сверху вставляем поршень,он должен очень медленно отпускаться вниз.

Планировал так сделать но в процессе работы сделал изменения. Для того чтоб узнать ход рабочего цилиндра,отодвигаем вытеснитель в холодильную камеру,а рабочий цилиндр вытягиваем на 25мм.Нагреваем жаровую камеру.Окуратно под рабочим шатуном ложим линейку,и запоминаем данные. Резко заталкиваем вытеснитель,и на сколько рабочий цилиндр передвинется это и есть его ход.Этот размер играет очень важную роль.

Вид на рабочий цилиндр. Длина шатуна 83мм. Ход 24мм.Маховичок крепится к валу винтом М4. На фото видна его головка. И таким образом крепится и противовес шатуна вытеснителя.

Вид на шатун вытеснителя.Общая длина с вытеснителем 214мм. Длина шатуна 75мм. Ход 24мм. Обратите внимания на проточку U образной формы на маховик.Сделано для отбора мощности.Задумка была или генератор или через пасик на вентилятор охладителя.Пилон маховика имеет размеры 68х25х15. С верхней части фрезеровано с одной стороны на глубину 7мм.и длина 32мм.Центр подшипника снизу находится на 55мм. Крепится снизу двумя болтами на М4.Расстояние между центрами пилонов 126мм.

Вид на жаровую камеру и охладителя.Корпус двигателя запрессован в пилон.Размеры пилона 47х25х15 углубление под посадку 12мм.К доске снизу крепится двумя болтами на М4.

Лампада 40мм. в диаметре высота 35мм. Углублена в древку на 8мм. На дне по центру запаяна гайка на М4 и закреплена болтом снизу.

Готовый вид. Основание дуб 300х150х15мм.

Шильдик.

Долго искал рабочую схему. Находил но всегда было связанно с тем что или с оборудованием проблемы или с материалами.Решил сделать как арбалет. Посмотрев много вариантов и прикидывал что у меня есть в наличии и что я смогу сделать самому на своём оборудовании.Те размеры что я прикидывал сразу,при собранном аппарате мне не понравилось.Получился слишком широким. Пришлось станину цилиндров укоротить. А маховик ставить на одном подшипнике(на одном пилоне).Материалы маховик,шатуны,противовес,уплотнительная шайба,лампада и рабочий цилиндр бронза.Пилоны,рабочий поршень,станина цилиндров охладитель и шайба с резьбой от жаровой камеры алюминий.Вал маховика и шток вытеснителя сталь.Жаровая камера нержавейка.Вытеснитель графит. А что получилось ставлю на обозрение,вам судить.

Дело было вечером, делать было нечего 🙂 да и дети давно просили объяснить как работает двигатель, решил объяснить на модели.

Две консервные банки, два вечера по два часа, и вот готов модель двигателя Стирлинга

Если кратко, принцип работы двигателя объясняет следующая картинка:

Принцип работы низкотемпературного двигателя Стирлинга

1 Заготовка

Лучше использовать банку от шпрот которая открывается дергая за язычок, т.к. крышку нам потом придется обратно запаивать, и нам нужен ровный срез.

2) Вытеснитель изготовил из куска поролона, диаметром чуть меньше внутреннего диаметра консервной банки и толщиной примерно половину внутренней высоты консервной банки

3) На крышке делаем 2 отверстия: один по середине под шток вытеснителя второй сбоку под гильзу рабочего поршня. Под гильзу использовал цоколь автомобильной лампочки

Под шток использовал скребку

Собираем конструкцию, запаиваем крышку проверяем на герметичность

Устанавливаем коленвал

И смотрим на результат

В ходе экспериментов первый образец пришел в негодность, после вскрытия обнаружил что выгорел вытеснитель

Но как говориться, на ошибках учатся, постараюсь отремонтировать двигатель учитывая допущенные ошибки. Самое главное было достигнуто, двигатель заработал не смотря на очень грубую сборку.

Во первых для вытеснителя подобрал более термостойкий материал, откопал на балконе туристическую хобу и вырезал новый вытеснитель.

Во вторых шток толкателя решил сделать из более толстого материала, разобрал не исправный cd — привод и снял с него направляющий стержень.

Процесс сборки скорее всего будет долгим в виду отсутствия свободного времени в течении рабочей недели, а вообще мне торопиться некуда, пока буду выкладывать мысли.

3) Коленвал тоже решил сделать из тех же направляющих (если конечно они паяются???)

примерно будет выглядит вот так:

Ну и в качестве маховика, приспособить электродвигатель от привода дисковода, попытаться использовать его как генератор, вот такие вот идеи, посмотрим что получиться…

17.02.2013 модель #2 готова, пока что без генератора, пока что экспериментальным путем добиваемся оптимального шага колена поршня

Современное автомобилестроение вышло на такой уровень развития, при котором без фундаментальных научных исследований практически невозможно достигнуть кардинальных улучшений в конструкции традиционных моторов внутреннего сгорания. Такая ситуация вынуждает конструкторов обратить внимание на альтернативные проекты силовых установок . Одни инженерные центры сосредоточили свои силы на создании и адаптации к серийному выпуску гибридных и электрических моделей, другие автоконцерны вкладывают средства в разработку двигателей на топливе из возобновляемых источников (например, биодизель на рапсовом масле). Существуют и другие проекты силовых агрегатов, которые в перспективе могут стать новым стандартным движителем для транспортных средств.

Среди возможных источников механической энергии для автомобилей будущего следует назвать двигатель внешнего сгорания, который был изобретен в середине XIX века шотландцем Робертом Стирлингом в качестве тепловой расширительной машины.

Схема работы

Двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу за счет изменения температуры рабочего тела (газа или жидкости), циркулирующего в замкнутом объеме.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга.

Стирлинг модификации «Альфа»

Двигатель состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Стирлинг модификации «Бета»

Цилиндр, в котором находится поршень, нагревается с одной стороны и охлаждается с противоположного конца. В цилиндре двигается силовой поршень и вытеснитель, предназначенный для изменения объема рабочего газа. Обратное перемещение остывшего рабочего вещества в горячую полость двигателя выполняет регенератор.

Стирлинг модификации «Гамма»

Конструкция состоит из двух цилиндров. Первый - полностью холодный, в котором движется силовой поршень, а второй, горячий с одной стороны и холодный с другой, служит для перемещения вытеснителя. Регенератор для циркуляции холодного газа может быть общим для обоих цилиндров или входить в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя Стирлинга

Как и большинство моторов внешнего сгорания, Стирлингу присуща многотопливность : двигатель работает от перепада температуры, независимо от причин его вызвавших.

Интересный факт! Однажды была продемонстрирована установка, которая функционировала на двадцати вариантах топлива. Без остановки двигателя во внешнюю камеру сгорания подавались бензин, дизельное топливо, метан, сырая нефть и растительное масло - силовой агрегат продолжал устойчиво работать.

Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач).

Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы.

Двигатель Стирлинга бесшумен , так как в цилиндрах не происходит детонация и отсутствует необходимость вывода отработанных газов. Модификация «Бета», оснащенная ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, является идеально сбалансированной системой, которая в процессе работы не имеет вибраций.

В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. При выборе подходящего источника тепла (например, солнечная энергия) Стирлинг может быть абсолютно экологически чистым силовым агрегатом.

Недостатки конструкции Стирлинга

При всем наборе положительных свойств немедленное массовое применение двигателей Стирлинга невозможно по следующим причинам:

Основная проблема заключается в материалоемкости конструкции. Охлаждение рабочего тела требует наличия радиаторов большого объема, что существенно увеличивает размеры и металлоемкость изготовления установки.

Нынешний технологический уровень позволит двигателю Стирлинга сравниться по характеристикам с современными бензиновыми моторами только за счет применения сложных видов рабочего тела (гелий или водород), находящихся под давлением более ста атмосфер. Этот факт вызывает серьезные вопросы как в области материаловедения, так и обеспечения безопасности пользователей.

Немаловажная эксплуатационная проблема связана с вопросами теплопроводности и температурной стойкости металлов. Тепло подводится к рабочему объему через теплообменники, что приводит к неизбежным потерям. Кроме того, теплообменник должен быть изготовлен из термостойких металлов, устойчивых к высокому давлению. Подходящие материалы очень дороги и сложны в обработке.

Принципы изменения режимов двигателя Стирлинга также кардинально отличаются от традиционных, что требует разработки специальных управляющих устройств. Так, для изменения мощности необходимо изменить давление в цилиндрах, угол фаз между вытеснителем и силовым поршнем или повлиять на емкость полости с рабочим телом.

Один из способов управления скоростью вращения вала на модели двигателя Стирлинга можно увидеть на следующем видео:

Коэффициент полезного действия

В теоретических расчетах эффективность двигателя Стирлинга зависит от разницы температур рабочего тела и может достигать 70% и более в соответствии с циклом Карно.

Однако первые реализованные в металле образцы обладали крайне невысоким КПД по следующим причинам:

• неэффективные варианты теплоносителя (рабочего тела), ограничивающие максимальную температуру нагрева;
• потери энергии на трение деталей и теплопроводность корпуса двигателя;
• отсутствие конструкционных материалов, устойчивых к высокому давлению.

Инженерные решения постоянно совершенствовали устройство силового агрегата. Так, во второй половине XX века четырехцилиндровый автомобильный двигатель Стирлинга с ромбическим приводом показал на испытаниях КПД равный 35% на водном теплоносителе с температурой 55 °C.Тщательная проработка конструкции, применение новых материалов и доводка рабочих узлов обеспечили КПД экспериментальных образцов в 39%.

Примечание! Современные бензиновые двигатели аналогичной мощности обладают коэффициентом полезного действия на уровне 28-30%, а турбированные дизели в пределах 32-35%.

Современные образцы двигателя Стирлинга, такие как созданный американской компанией Mechanical Technology Inc, демонстрируют эффективность до 43,5%. А с освоением выпуска жаропрочной керамики и аналогичных инновационных материалов появится возможность значительного повышения температуры рабочей среды и достижения КПД в 60%.

Примеры успешной реализации автомобильных Стирлингов

Несмотря на все сложности, известно немало работоспособных моделей двигателя Стирлинга, применимых для автомобилестроения.

Заинтересованность в Стирлинге, подходящем для установки в автомобиль, появилась в 50-е годы XX века. Работу в данном направлении вели такие концерны, как Ford Motor Company, Volkswagen Group и другие.

Компания UNITED STIRLING (Швеция) разработала Стирлинг, в котором максимально использовались серийные узлы и агрегаты, выпускаемые автопроизводителями (коленчатый вал, шатуны). Получившийся в результате четырехцилиндровый V-образный мотор обладал удельной массой 2,4 кг/кВт, что сравнимо с характеристиками компактного дизеля. Данный агрегат был успешно опробован в качестве силовой установки семитонного грузового фургона.

Одним из успешных образцов является четырехцилиндровый двигатель Стирлинга нидерландского производства модели «Philips 4-125DA», предназначавшийся для установки на легковой автомобиль. Мотор имел рабочую мощность 173 л. с. в размерах, аналогичных классическому бензиновому агрегату.

Значительных результатов добились инженеры компании General Motors, построив в 70-х годах восьмицилиндровый (4 рабочих и 4 компрессионных цилиндра) V-образный двигатель Стирлинга со стандартным кривошипно-шатунным механизмом.

Аналогичной силовой установкой в1972 году оснащалась ограниченная серия автомобилей Ford Torino , расход топлива у которой снизился на 25% по сравнению с классической бензиновой V-образной восьмеркой.

В настоящее время более полусотни зарубежных компаний ведут работы по совершенствованию конструкции двигателя Стирлинга в целях его адаптации к массовому выпуску для нужд автомобилестроения. И если удастся устранить недостатки данного типа двигателей, в то же время сохранив его преимущества, то именно Стирлинг, а не турбины и электромоторы, придет на смену бензиновым ДВС.

Двигатель Стирлинга - это такой двигатель, который может работать от тепловой энергии. При этом источник тепла абсолютно не важен. Главное, чтобы существовала разница температур, в таком случае этот двигатель будет работать. Автор придумал, как можно сделать модель такого двигателя из банки от «Кока-колы».

Материалы и инструменты
- один воздушный шарик;
- 3 банки от колы;
- электрические клеммы, пять штук (на 5А);
- ниппели для крепления велосипедных спиц (2 штуки);
- металлическая вата;
- кусок стальной проволоки длиной 30 см и сечением 1 мм;
- кусок толстой проволоки из стали или меди диаметром от 1.6 до 2 мм;
- штырь из дерева диаметром 20 мм (длина 1 см);
- крышка от бутылки (пластиковая);
- электропроводка (30 см);
- суперклей;
- вулканизированная резина (порядка 2 квадратных сантиметров);
- рыболовная леска (длина порядка 30 см);
- пару грузил для балансировки (к примеру, никелевые);
- CD-диски (3 штуки);
- канцелярские кнопки;
- еще одна жестяная банка для изготовления топки;
- теплоустойчивый силикон и консервная банка для создания водяного охлаждения.

Шаг первый. Подготовка банок
В первую очередь нужно взять две банки и отрезать у них верхушки. Если верхушки будут вырезаться ножницами, образовавшиеся зазубрины нужно будет сточить с помощью напильника.
Далее нужно вырезать дно банки. Это можно делать при помощи ножа.

Шаг второй. Создание диафрагмы
В качестве диафрагмы автор использовал воздушный шарик, который был усилен вулканизированной резиной. Шарик нужно разрезать и натянуть на банку, как указано на картинке. Затем на центр диафрагмы приклеивается кусок вулканизированной резины. После застывания клея по центру диафрагмы пробивается отверстие для установки проволоки. Проще всего это сделать при помощи канцелярской кнопки, которую можно оставить в отверстии до момента сборки.

Шаг третий. Резка и создание отверстий в крышке
В стенках крышки нужно просверлить два отверстия по 2 мм, они нужны для установки поворотной оси рычагов. Еще одно отверстие нужно просверлить в донышке крышки, через него будет проходить проволока, которая будет связана с вытеснителем.

На заключительном этапе крышку нужно обрезать так, как указано на картинке. Это делается для того, чтобы проволока вытеснителя не цепляла за края крышки. Для таких работ подходят хозяйственные ножницы.

Шаг четвертый. Сверлим
В банке нужно просверлить два отверстия для подшипников. В данном случае это было сделано сверлом 3.5 мм.

Шаг пятый. Создание смотрового окна
В корпусе двигателя нужно вырезать смотровое окно. Теперь можно будет наблюдать, как функционируют все узлы устройства.

Шаг шестой. Доработка клемм
Нужно взять клеммы и удалить с них пластиковую изоляцию. Затем берется дрель, и делаются сквозные отверстия на краях клемм. Всего нужно просверлить 3 клеммы, при этом две должно остаться не просверленных.

Шаг седьмой. Создание рычагов
В качестве материала для создания рычагов используется медная проволока, диаметр которой составляет 1.88 мм. Как именно гнуть спицы, показано на картинках. Можно использовать и стальную проволоку, просто с медной приятнее работать.

Шаг восьмой. Создание подшипников
Чтобы изготовить подшипники понадобятся два велосипедных ниппеля. Диаметр отверстий нужно проверить. Автор просверлил их насквозь при помощи сверла на 2 мм.

Шаг девятый. Установка рычагов и подшипников
Рычаги можно установить прямо через смотровое окно. Один конец проволоки должен быть длинным, на нем будет находиться маховое колесо. Подшипники должны плотно сесть на свои места. Если будет присутствовать люфт, их можно приклеить.

Шаг десятый. Создаем вытеснитель
Вытеснитель изготавливается из стальной ваты ля полировки. Для создания вытеснителя берется стальная проволока, на ней изготавливается крючок, а затем на проволоку наматывается нужно количество ваты. Вытеснитель должен быть таким по размеру, чтобы он свободно перемещался в банке. Общая высота вытеснителя не должна быть более 5 см.

В итоге на одной стороне ваты нужно образовать спираль из проволоки, чтобы она не вылезла из ваты, а на другой стороне из проволоки делается петля. Далее к этой петле привязывается леска, которая впоследствии протягивается через центр диафрагмы. Вулканизированная резина должна находиться в середине емкости.

Шаг 11. Создание резервуара под давлением
Нужно вырезать дно банки таким образом, чтобы осталось примерно 2.5 см от ее основания. Вытеснитель вместе с диафрагмой нужно поместить в резервуар. После этого весь этот механизм устанавливается в конец банки. Диафрагму нужно немного натянуть, чтобы она не провисала.

Затем нужно взять клемму, которая не была просверлена и протянуть через нее леску. Узелок нужно приклеить так, чтобы он не двигался. Проволоку нужно хорошо смазать маслом и при этом убедится, что вытеснитель без труда тянет за собой леску
Шаг 12. Создание толкательных тяг
Толкательные тяги соединяют диафрагму и рычаги. Это делается с куска медной проволоки длиной 15 см.