Двигатели горячего воздуха

Двигатели горячего воздуха (также известные как воздушные двигатели или калорические двигатели) — двигатели, преобразующие тепловую энергию в механическую посредством расширения и сжатия газа при обеспеченной разности температур. Работа большинства таких двигателей основана на соответствующих термодинамических циклах: открытых, если работу совершает один и тот же газ, и закрытых, если газ периодически обновляется. Двигатели горячего воздуха имеют ряд отличий как от более известных двигателей внутреннего сгорания, так и от паровых двигателей.

Двигатель Стирлинга является одним из представителей двигателей горячего воздуха

Принцип действия

Действие большинства двигателей горячего воздуха так или иначе основано на попеременном расширении и сжатии рабочего тела при соответственно его нагревании и охлаждении. Расширяясь, газ совершает работу. Причём эта работа больше работы, необходимой для сжатия охлаждённого после расширения газа. Поэтому «излишек» работы можно забирать на привод разнообразных механизмов.

История

Двигатели горячего воздуха имеют относительно большую историю. Считается, что первым таким двигателем была спроектированная в 1699 году французским изобретателем Гийомом Амонтоном «Огненная мельница». Она представляла из себя вертикально ориентированное колесо, состоявшее из внешних, заполненных газом, и внутренних, заполненных водой, полостей. Попеременное нагревание и охлаждения внешних полостей вызывало изменения давления газа на полости с водой, которая, выталкиваясь нагретым газом вверх по колесу, своим весом вращала колесо. Идея Амонтона не получила никакого дальнейшего развития отчасти из-за запутанности конструкции и её недостатков (в частности, из-за выского расхода топлива), отчасти из-за смерти её изобретателя вскоре после её создания.

В 1807 году английским изобретателем Джорджем Кейли был сконструирован двигатель, в котором работу совершала смесь нагретого воздуха и продуктов сгорания. Пыль, образовывшаяся при сгорании твёрдого топлива, приводила к быстрому износу двигателя. По этой и по многим другим причинам такая идея полноценной промышленной реализации не получила.

В 1816 году шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал свою конструкцию двигателя. Она оказалась более успешной, чем предыдущие модели двигателей, и получила распространение в течение XIX века.

В 1830 году и 1833 году американский изобретатель шведского происхождения Джон Эрикссон разработал свои модели двигателей горячего воздуха. Позднее, в 1851 году, он создал ещё один двигатель, который впоследствии использовал в других своих разработках — кораблях. Двигатели Эрикссона были довольно широко распространены в XIX веке.

Появившиеся в конце XIX века и оказавшиеся более эффективными на то время двигатели внутреннего сгорания постепенно вытеснили двигатели внешнего сгорания, в том числе и двигатели горячего воздуха.

Вновь к двигателям горячего воздуха вернулись лишь в 1930-е годы, прежде всего к двигателям Стирлинга. В результате многочисленных исследований и экспериментов в 1940-х годах были разработаны двигатели, по ряду характеристик превосходившие двигатели внутреннего сгорания того времени. С тех пор разработка новых образцов таких двигателей продолжается.

Примеры двигателей

Двигатель Эрикссона

Разновидностей двигателей горячего воздуха было создано немало. Среди них можно выделить следующие двигатели, которые стали основой для последующих образцов:

• Двигатель Кейли;
• Двигатель Стирлинга;
• Двигатель Эрикссона.

Литература

• Смирнов Г. В. Двигатели внешнего сгорания (рус.). — М.: Энергия, 1967. — 32 с.