Як зробити витискувач для стирлінгу. Двигун стирлінгу своїми руками, схема та креслення. Мармурові або скляні кульки

В якій робоче тіло (газоподібне або рідке) рухається в замкнутому обсязі, по суті, це різновид двигуна зовнішнього згоряння. Цей механізм заснований на принципі періодичного нагрівання та охолодження робочого тіла. Вилучення енергії походить з об'єму робочого тіла, що виникає. Двигун Стірлінга працює не тільки від енергії палива, що горить, але і від практично будь-якого джерела Запатентований цей механізм шотландцем Робертом Стірлінгом в 1816 році.

Описаний механізм, незважаючи на невисокий ККД, має ряд переваг, насамперед це простота та невибагливість. Завдяки цьому багато конструкторів-аматорів роблять спроби зібрати двигун Стірлінга своїми руками. Декому це вдається, а деяким ні.

У цій статті ми розглянемо, Стірлінг своїми руками з підручних матеріалів. Нам знадобляться такі заготовки та інструменти: консервна банка (можна з-під шпрот), листова жерсть, канцелярські скріпки, поролон, гумка, пакет, кусачки, плоскогубці, ножиці, паяльник,

Тепер приступимо до збирання. Ось докладна інструкція до того, як зробити двигун Стірлінга своїми руками. Спочатку необхідно вимити банку, зачистити наждачним папером краю. Вирізаємо з листової жерсті коло таким чином, щоб воно лягло на внутрішні краї банки. Визначаємо центр (для цього скористаємося штангенциркулем або лінійкою), робимо ножицями отвір. Далі беремо мідний дріт і канцелярське скріплення, випрямляємо скріпку, на кінці робимо кільце. Намотуємо на скріпку дріт - чотири щільні витки. Далі паяльником пролудим отриману спіраль невеликою кількістю припою. Потім необхідно акуратно припаяти спіраль до отвору в кришці таким чином, щоб шток вийшов перпендикулярним кришці. Скріпка має рухатися вільно.

Після цього необхідно зробити в кришці сполучений отвір. З поролону робимо витискувач. Його діаметр повинен бути трохи меншим від діаметра банки, але при цьому не повинно бути великого зазору. Висота витіснювача - трохи більше половини банки. Вирізаємо в поролоні центром отвір для втулки, останню можна виготовити з гуми або пробки. Вставляємо в отриману втулку шток і заклеюємо. Витіснювач необхідно розміщувати паралельно кришці, це важлива умова. Далі залишається закрити банку та запаяти краї. Шов має бути герметичним. Тепер розпочинаємо виготовлення робочого циліндра. Для цього вирізаємо з жерсті смугу довжиною 60 мм та шириною 25 мм, загинаємо плоскогубцями край на 2 мм. Формуємо гільзу, після цього споюємо край, далі необхідно припаяти гільзу до кришки (над отвором).

Тепер можна розпочати виготовлення мембрани. Для цього відрізаємо від пакета шматок плівки, трохи продавлюємо його пальцем усередину, гумкою притискаємо краї. Далі необхідно перевірити правильність збирання. Нагріваємо на вогні дно банки, тягнемо за шток. В результаті мембрана повинна вигинатися назовні, а якщо шток відпустити, витискувач під власною вагою повинен опуститися відповідно мембрана повертається на місце. Якщо витіснювач зроблений неправильно або пайка банки не герметична, шток не повернеться на місце. Після цього робимо колінвал і стійки (рознесення кривошипів має становити 90 градусів). Висота кривошипів має становити 7 мм, а витіснювачів 5 мм. Довжина шатунів визначена становищем коленвала. Кінець кривошипа вставляється у пробку. Ось ми й розглянули, як зібрати двигун Стірлінга своїми руками.

Такий механізм працюватиме від звичайної свічки. Якщо прикріпити до маховика магніти і взяти котушку акваріумного компресора, такий пристрій здатний замінити простий електродвигун. Своїми руками, як бачите, зробити такий прилад зовсім не складно. Було б бажання.

Пояснення роботи двигуна Stirling.

Починаємо з розмітки маховика.

Шість отворів не пройшли. Виходить не красивим. Отвори маленькі та тіло між ними тонке.

За одне точимо противаги для коленвала. Підшипники запресовані. Надалі підшипники випресовані і на їх місце нарізане різьблення на М3.

Я фрезерував, але можна і напилком.

Це частина шатуна. Решта припаюється ПСРом.

Робота розгорткою над ущільнювальною шайбою.

Свердловка станини стирлінгу. Отвір який зв'язує витискувач із робочим циліндром. Свердло на 4,8 під різьблення на М6. Потім її треба заглушити.

Свердловка гільзи робочого циліндра, під розгортку.

Свердлівка під різьблення на М4.

Як це робилось.

Розміри дано з урахуванням переробленого. Було виготовлено дві пари циліндр-поршень, на 10мм. та на15мм. Були випробувані обидва. Якщо ставити циліндр на 15мм. то хід поршня буде 11-12мм. та працює не акти. А ось 10мм. із ходом на 24мм. якраз.

Розміри шатунів. До них припаюється латунний дріт Ф3мм.

Кріпильний вузол шатуна. Варіант з підшипниками не пройшов. При затягуванні шатуна підшипник деформується і створює додаткове тертя. Замість підшипника зробив Al. втулку з болтом.

Розмір деяких деталей.

Деякі розміри за маховиком.

Деякі розміри як кріпити на валу та зчленування.

Між охолоджувачем та жаровою камерою ставимо азбестову прокладку на 2-3мм. Бажано і під болти, які стягують обидві деталі, ставити прокладки паронітові або що-небудь яке менше проводить тепло.

Витіснювач серця стирлінгу він повинен бути легким і мало провідним тепло. Шток взятий із того ж старого вінчестера. Це одна з напрямних лінійного двигуна. Дуже підходить, калонна, хромована. Щоб нарізати різьблення обмотав середину промоченою ганчіркою, і кінці нагрів до червона.

Шатун із робочим циліндром. Довжина загальна 108мм. З них 32мм це поршень діаметром 10мм.Поршень повинен ходити в циліндр легко,без відчутних задиров.Для перевірки закриваємо щільно пальчиком знизу,а зверху вставляємо поршень,він повинен дуже повільно відпускатися вниз.

Планував так зробити, але в процесі роботи зробив зміни. Для того щоб дізнатися хід робочого циліндра, відсуваємо витискувач в холодильну камеру, а робочий циліндр витягуємо на 25мм. Нагріємо жарову камеру. Окуратно під робочим шатуном кладемо лінійку, і запам'ятовуємо дані. Різко заштовхуємо витискувач, і наскільки робочий циліндр пересунеться і є його хід. Цей розмір відіграє дуже важливу роль.

Вид на робочий циліндр. Довжина шатуну 83мм. Хід 24мм.Маховичок кріпиться до валу гвинтом М4. На фото видно його голівку. І таким чином кріпиться і противага шатуна витіснювача.

Вид на шатун витіснювача.Загальна довжина з витіснювачем 214мм. Довжина шатуну 75мм. Хід 24мм. Зверніть увагу на проточку U-образної форми на маховик.Зроблено для відбору потужності.Задумка була або генератор або через пасик на вентилятор охолоджувача.Пілон маховика має розміри 68х25х15. З верхньої частини фрезеровано з одного боку на глибину 7мм і довжина 32мм. Центр підшипника знизу знаходиться на 55мм. Кріпиться знизу двома болтами на М4. Відстань між центрами пілонів 126мм.

Вид на жарову камеру та охолоджувача. Корпус двигуна запресований в пілон. Розміри пілону 47х25х15 заглиблення під посадку 12мм.

Лампада 40мм. у діаметрі висота 35мм. Заглиблена в держак на 8мм. На дні центром запаяна гайка на М4 і закріплена болтом знизу.

Готовий вигляд. Основа дуб 300х150х15мм.

Шільдік.

Довго шукав робочу схему. Знаходив але завжди було пов'язано з тим, що або з обладнанням проблеми або з матеріалами. Вирішив зробити як арбалет. Подивившись багато варіантів і прикидав що у мене є в наявності і що я зможу зробити самому на своєму обладнанні. Довелося станину циліндрів укоротити. А маховик ставити на одному підшипнику (на одному пілоні). Матеріали маховик, шатуни, противагу, ущільнювальна шайба, лампада і робочий циліндр бронза. сталь.Жарова камера нержавіюча сталь.Витіснювач графіт. А що вийшло ставлю на огляд, вам судити.

Справа була ввечері, робити нічого 🙂 та й діти давно просили пояснити як працює двигун, вирішив пояснити на моделі.

Дві консервні банки, два вечори по дві години, і ось готовий модель двигуна Стірлінга

Якщо коротко, принцип роботи двигуна пояснює наступне:

Принцип роботи низькотемпературного двигуна Стірлінга

1 Заготівля

Краще використовувати банку від шпрот, що відкривається смикаючи за язичок, т.к. кришку нам потім доведеться назад запаювати, і нам потрібен рівний зріз.

2) Витіснювач виготовив зі шматка поролону, діаметром трохи менше внутрішнього діаметра консервної банки та товщиною приблизно половину внутрішньої висоти консервної банки

3) На кришці робимо 2 отвори: один посередині під шток витіснювача другий збоку під гільзу робочого поршня. Під гільзу використав цоколь автомобільної лампочки

Під шток використав скребку

Збираємо конструкцію, запаюємо кришку перевіряємо на герметичність

Встановлюємо колінвал

І дивимося на результат

У ході експериментів перший зразок прийшов у непридатність, після розтину виявив, що вигорів витіснювач

Але як кажуть, на помилках навчаються, постараюся відремонтувати двигун з огляду на допущені помилки. Найголовніше було досягнуто, двигун заробив незважаючи на дуже грубу збірку.

По-перше, для витіснювача підібрав більш термостійкий матеріал, відкопав на балконі туристичну хобу і вирізав новий витискувач.

По друге шток штовхача вирішив зробити з товстішого матеріалу, розібрав несправний cd - привід і зняв з нього напрямний стрижень.

Процес складання швидше за все буде довгим через відсутність вільного часу протягом робочого тижня, а взагалі мені поспішати нікуди, поки викладатиму думки.

3) Колінвал теж вирішив зробити з тих же напрямних (якщо звичайно вони паяються???)

приблизно буде виглядатиме ось так:

Ну і як маховик, пристосувати електродвигун від приводу дисковода, спробувати використовувати його як генератор, ось такі ось ідеї, подивимося що вийде ...

17.02.2013 модель #2 готова, поки що без генератора, поки що експериментальним шляхом досягаємо оптимального кроку коліна поршня

Сучасне автомобілебудування вийшло такий рівень розвитку, у якому без фундаментальних наукових досліджень практично неможливо досягти кардинальних поліпшень у конструкції традиційних моторів внутрішнього згоряння. Така ситуація змушує конструкторів звернути увагу на альтернативні проекти силових установок. Одні інженерні центри зосередили свої сили на створенні та адаптації до серійного випуску гібридних та електричних моделей, інші автоконцерни вкладають кошти у розробку двигунів на паливі з відновлюваних джерел (наприклад, біодизель на ріпаковій олії). Існують інші проекти силових агрегатів, які в перспективі можуть стати новим стандартним рушієм для транспортних засобів.

Серед можливих джерел механічної енергії для автомобілів майбутнього слід назвати двигун зовнішнього згоряння, який був винайдений у середині XIX століття шотландцем Робертом Стірлінгом як теплова розширювальна машина.

Схема роботи

Двигун Стірлінга перетворює теплову енергію, що підводиться ззовні, на корисну механічну роботу за рахунок зміни температури робочого тіла(газу або рідини), що циркулює в замкнутому обсязі.

У загальному вигляді схема роботи пристрою виглядає наступним чином: у нижній частині двигуна робоча речовина (наприклад, повітря) нагрівається і, збільшуючись в об'ємі, виштовхує поршень вгору. Гаряче повітря проникає у верхню частину двигуна, де охолоджується радіатором. Тиск робочого тіла знижується, поршень опускається наступного циклу. При цьому система герметична та робоча речовина не витрачається, а лише переміщається усередині циліндра.

Існує кілька варіантів конструкції силових агрегатів, які використовують принцип Стірлінга.

Стірлінг модифікації «Альфа»

Двигун складається з двох роздільних силових поршнів (гарячого та холодного), кожен з яких знаходиться у своєму циліндрі. До циліндра з гарячим поршнем підводиться тепло, а холодний циліндр розташований в теплообміннику, що охолоджує.

Стірлінг модифікації «Бета»

Циліндр, в якому знаходиться поршень, нагрівається з одного боку та охолоджується з протилежного кінця. У циліндрі рухається силовий поршень і витискувач, призначений зміни обсягу робочого газу. Зворотне переміщення остиглої робочої речовини в гарячу порожнину двигуна виконує регенератор.

Стірлінг модифікації «Гамма»

Конструкція складається із двох циліндрів. Перший - повністю холодний, у якому рухається силовий поршень, а другий, гарячий з одного боку та холодний з іншого, служить для переміщення витіснювача. Регенератор для циркуляції холодного газу може бути загальним для обох циліндрів або входити в конструкцію витіснювача.

Переваги двигуна Стірлінга

Як і більшість моторів зовнішнього згоряння, Стірлінгу властива багатопаливність: двигун працює від перепаду температури, незалежно від причин, що його викликали.

Цікавий факт!Якось було продемонстровано установку, яка функціонувала на двадцяти варіантах палива. Без зупинки двигуна у зовнішню камеру згоряння подавалися бензин, дизельне паливо, метан, сира нафта та олія - ​​силовий агрегат продовжував стійко працювати.

Двигун має простотою конструкціїта не вимагає додаткових систем та навісного обладнання (ГРМ, стартер, коробка передач).

Особливості пристрою гарантують тривалий експлуатаційний ресурс: понад сто тисяч годин безперервної роботи.

Двигун Стірлінга безшумний, тому що в циліндрах не відбувається детонація і відсутня необхідність виведення відпрацьованих газів. Модифікація "Бета", оснащена ромбічним кривошипно-шатунним механізмом, є ідеально збалансованою системою, яка в процесі роботи не має вібрацій.

У циліндрах двигуна не відбуваються процеси, які можуть негативно вплинути на навколишнє середовище. При виборі відповідного джерела тепла (наприклад, сонячна енергія) Стірлінг може бути абсолютно екологічно чистимсиловим агрегатом.

Недоліки конструкції Стірлінга

При всьому наборі позитивних властивостей негайне масове застосування двигунів Стірлінга неможливе з таких причин:

Основна проблема полягає у матеріаломісткості конструкції. Охолодження робочого тіла вимагає наявності радіаторів великого об'єму, що суттєво збільшує розміри та металомісткість виготовлення установки.

Нинішній технологічний рівень дозволить двигуну Стірлінга зрівнятися за характеристиками із сучасними бензиновими моторами тільки за рахунок застосування складних видів робочого тіла (гелій або водень), що перебувають під тиском понад сто атмосфер. Цей факт викликає серйозні питання як у галузі матеріалознавства, так і забезпечення безпеки користувачів.

Важлива експлуатаційна проблема пов'язана з питаннями теплопровідності та температурної стійкості металів. Тепло підводиться до робочого об'єму через теплообмінники, що призводить до неминучих втрат. Крім того, теплообмінник має бути виготовлений із термостійких металів, стійких до високого тиску. Відповідні матеріали дуже дорогі та складні в обробці.

Принципи зміни режимів двигуна Стірлінга також кардинально відрізняються від традиційних, що вимагає розробки спеціальних пристроїв, що управляють. Так, для зміни потужності необхідно змінити тиск у циліндрах, кут фаз між витіснювачем та силовим поршнем або вплинути на ємність порожнини з робочим тілом.

Один із способів управління швидкістю обертання валу на моделі двигуна Стірлінга можна побачити на наступному відео:

Коефіцієнт корисної дії

У теоретичних розрахунках ефективність двигуна Стірлінга залежить від різниці температур робочого тіла і може досягати 70% і більше відповідно до циклу Карно.

Однак перші реалізовані в металі зразки мали вкрай невисокий ККД з таких причин:

• неефективні варіанти теплоносія (робочого тіла), що обмежують максимальну температуру нагрівання;
• втрати енергії на тертя деталей та теплопровідність корпусу двигуна;
• відсутність конструкційних матеріалів, стійких до високого тиску.

Інженерні рішення постійно удосконалювали влаштування силового агрегату. Так, у другій половині XX століття чотирициліндровий автомобільний двигун Стірлінга з ромбічним приводом показав на випробуваннях ККД рівний 35%на водному теплоносії з температурою 55 °C. Ретельне опрацювання конструкції, застосування нових матеріалів та доведення робочих вузлів забезпечили ККД експериментальних зразків у 39%.

Примітка! Сучасні бензинові двигуни аналогічної потужності мають коефіцієнт корисної дії на рівні 28-30%, а турбовані дизелі в межах 32-35%.

Сучасні зразки двигуна Стірлінга, такі, як створений американською компанією Mechanical Technology Inc, демонструють ефективність до 43,5%. А з освоєнням випуску жароміцної кераміки та аналогічних інноваційних матеріалів з'явиться можливість значного підвищення температури робочого середовища та досягнення ККД у 60%.

Приклади успішної реалізації автомобільних стірлінгів

Незважаючи на всі складнощі, відомо чимало працездатних моделей двигуна Стірлінга, які застосовуються для автомобілебудування.

Зацікавленість у Стірлінгу, який підходить для установки в автомобіль, з'явилася в 50-ті роки XX століття. Роботу в цьому напрямку вели такі концерни, як Ford Motor Company, Volkswagen Group та інші.

Компанія UNITED STIRLING (Швеція) розробила Стірлінг, в якому максимально використовувалися серійні вузли та агрегати, що випускаються автовиробниками (колінчастий вал, шатуни). Чотирициліндровий V-подібний мотор, що вийшов в результаті, володів питомою масою 2,4 кг/кВт, що порівняно з характеристиками компактного дизеля. Цей агрегат був успішно випробуваний як силова установка семитонного вантажного фургона.

Одним із успішних зразків є чотирициліндровий двигун Стірлінга нідерландського виробництва моделі «Philips 4-125DA», що призначався для встановлення на легковий автомобіль. Двигун мав робочу потужність 173 л. с. у розмірах, аналогічних класичному бензиновому агрегату.

Значних результатів досягли інженери компанії General Motors, побудувавши в 70-х роках восьмициліндровий (4 робочі і 4 компресійні циліндри) V-подібний двигун Стірлінга зі стандартним кривошипно-шатунним механізмом.

Аналогічною силовою установкою у 1972 році оснащувалась обмежена серія автомобілів Ford Torino, Витрата палива у якої знизився на 25% в порівнянні з класичною бензиновою V-подібною вісімкою.

Нині понад півсотні зарубіжних компаній ведуть роботи з удосконалення конструкції двигуна Стірлінга з метою його адаптації до масового випуску потреб автомобілебудування. І якщо вдасться усунути недоліки даного типу двигунів, водночас зберігши його переваги, то саме Стірлінг, а не турбіни та електромотори, прийде на зміну бензиновим ДВС.

Двигун Стірлінга – це такий двигун, який може працювати від теплової енергії. При цьому джерело тепла абсолютно не важливе. Головне, щоб існувала різниця температур, у такому разі цей двигун працюватиме. Автор вигадав, як можна зробити модель такого двигуна з банки від «Кока-коли».

Матеріали та інструменти
- одна повітряна кулька;
- 3 банки від коли;
- Електричні клеми, п'ять штук (на 5А);
- ніпелі для кріплення велосипедних спиць (2 штуки);
- металева вата;
- шматок сталевого дроту завдовжки 30 см та перерізом 1 мм;
- Шматок товстого дроту зі сталі або міді діаметром від 1.6 до 2 мм;
- штир із дерева діаметром 20 мм (довжина 1 см);
- кришка від пляшки (пластикова);
- електропроводка (30 см);
- супер клей;
- вулканізована гума (близько 2 квадратних сантиметрів);
- рибальська волосінь (довжина близько 30 см);
- пару вантажів для балансування (наприклад, нікелеві);
- CD-диски (3 штуки);
- канцелярські кнопки;
- ще одна бляшана банка для виготовлення топки;
- теплостійкий силікон та консервна банка для створення водяного охолодження.

Крок перший. Підготовка банок
Насамперед потрібно взяти дві банки і відрізати у них верхівки. Якщо верхівки будуть вирізатися ножицями, зазубрини, що утворилися, потрібно буде стікати за допомогою напилка.
Далі слід вирізати дно банки. Це можна робити за допомогою ножа.

Крок другий. Створення діафрагми
Як діафрагма автор використовував повітряну кульку, яка була посилена вулканізованою гумою. Кулю потрібно розрізати і натягнути на банку, як зазначено на картинці. Потім на центр діафрагми приклеюється шматок вулканізованої гуми. Після застигання клею центром діафрагми пробивається отвір для установки дроту. Найпростіше це зробити за допомогою канцелярської кнопки, яку можна залишити в отворі до моменту збирання.

Крок третій. Різання та створення отворів у кришці
У стінах кришки потрібно просвердлити два отвори по 2 мм, вони потрібні для встановлення поворотної вісі важелів. Ще один отвір потрібно просвердлити в денці кришки, через нього проходитиме дріт, який буде пов'язаний з витіснювачем.

На заключному етапі кришку потрібно обрізати так, як зазначено на зображенні. Це робиться для того, щоб дріт витіснювача не чіпляв за краї кришки. Для таких робіт підходять господарські ножиці.

Крок четвертий. Свердлимо
У банку потрібно просвердлити два отвори для підшипників. У разі це було зроблено свердлом 3.5 мм.

Крок п'ятий. Створення оглядового вікна
У корпусі двигуна слід вирізати оглядове вікно. Тепер можна буде спостерігати, як функціонують усі вузли пристрою.

Крок шостий. Доробка клем
Потрібно взяти клеми та видалити з них пластикову ізоляцію. Потім береться дриль, і робляться наскрізні отвори на краях клем. Усього потрібно просвердлити 3 клеми, при цьому дві мають залишитися не просвердленими.

Крок сьомий. Створення важелів
Як матеріал для створення важелів використовується мідний дріт, діаметр якого становить 1.88 мм. Як саме гнути спиці, показано на картинках. Можна використовувати і сталевий дріт, просто з мідною приємніше працювати.

Крок восьмий. Створення підшипників
Щоб виготовити підшипники знадобляться два велосипедні ніпелі. Діаметр отворів слід перевірити. Автор просвердлив їх наскрізь за допомогою свердла на 2 мм.

Крок дев'ятий. Встановлення важелів та підшипників
Важелі можна встановити прямо через оглядове вікно. Один кінець дроту має бути довгим, на ньому буде махове колесо. Підшипники повинні щільно сісти на свої місця. Якщо буде присутній люфт, їх можна приклеїти.

Крок десятий. Створюємо витискувач
Витіснювач виготовляється зі сталевої вати полірування. Для створення витискувача береться сталевий дріт, на ньому виготовляється гачок, а потім на дріт намотується потрібна кількість вати. Витіснювач має бути таким за розміром, щоб він вільно переміщався у банку. Загальна висота витискувача має бути більше 5 див.

У результаті на одному боці вати потрібно утворити спіраль із дроту, щоб вона не вилізла з вати, а з іншого боку з дроту робиться петля. Далі до цієї петлі прив'язується волосінь, яка згодом простягається через центр діафрагми. Вулканізована гума повинна бути в середині ємності.

Крок 11. Створення резервуару під тиском
Потрібно вирізати дно банки таким чином, щоб залишилося приблизно 2,5 см від її заснування. Витіснювач разом із діафрагмою потрібно помістити у резервуар. Після цього весь цей механізм встановлюється наприкінці банки. Діафрагму потрібно трохи натягнути, щоб вона не провисала.

Потім потрібно взяти клему, яка не була просвердлена і протягнути через неї волосінь. Вузлик потрібно приклеїти так, щоб він не рухався. Дріт потрібно добре змастити маслом і при цьому переконається, що витискувач легко тягне за собою волосінь.
Крок 12. Створення штовхальних тяг
Токальні тяги з'єднують діафрагму та важелі. Це робиться зі шматка мідного дроту завдовжки 15 см.