Предисловие редактора. Предлагаемый вниманию читателей доклад в своей большей части был оглашён на организованной Творческим Союзом Изобретателей Санкт-Петербурга совместно с Санкт-Петербургским Государственным Политехническим университетом 2-й межрегиональной конференции изобретателей, в трудах которой он и опубликован на бумажном носителе. Однако, на момент проведения конференции ещё не был найден метод расчёта подобных машин. В настоящее время такой метод найден, поэтому редакция сочла необходимым опубликовать его в дополненном виде в нашем интернет-журнале.
Тепловая машина, реализующая термодинамический цикл Рейлиса
Проблема повышения удельной мощности тепловых машин путём ли уменьшения массы или повышения мощности стоял на повестке дня момента их возникновения, иногда в явном виде, а иногда в не явном, стояла на повестке дня. Решали её по-разному.
Пути реализации:
1. Максимальное снижение массы тепловой машины
Этот путь реализации наиболее доступен, поэтому совершенствование тепловых машин как чисто конструктивными методами, так и применением лёгких термостойких материалов был основным до последнего времени. Однако сейчас на этом пути практически достигнут "потолок" – автомобильные двигатели последних лет достигли удельной мощности в несколько кВт/кГ. Дальше на этом пути возможны "достижения" в десятки процентов, но не в разы.
2. Интенсификация процессов
На этом направлении все возможные пути уже найдены, хотя и допускают существенные доработки с достаточно заметным эффектом. Здесь и повышение температуры, например, путём добавок водорода в горючую смесь, и повышение давления путём наддува, и тому подобное. Особый интерес представляет перевод работы тепловых машин с дискретного на непрерывный режим преобразования тепловой энергии в механическую. Так, в четырёхтактном двигателе рабочий ход составляет только четверть рабочего цикла в каждом цилиндре. Количество цилиндров при этом не играет роли. В этом смысле двухтактный двигатель гораздо перспективнее. Однако, предельное решение уже найдено – это газотурбинные установки. Их конструктивный недостаток – необходимость в редукторе, так как повышение мощности ГТУ возможно, при прочих равных условиях, путём увеличения скорости газового потока, следовательно, увеличения угловой скорости ротора. Другим предельным решением, не требующим редукции, является роторный двигатель непрерывного горения, в котором "работает" давление рабочего тела, следовательно, повышение мощности РДНГ (свидетельство на полезную модель N 9263 с приоритетом от 27.11.97) может быть достигнуто повышением вращающего момента на валу без повышения угловой скорости. Но и на этом пути "потолок" уже близок – речь может идти о 5 – 6 кВт/кГ, во всяком случае, вряд ли удастся преодолеть значение в 10 кВт/кГ. Следовательно, искать "прорывные" решения нужно в термодинамике.
3. Совершенствование термодинамики
Дело в том, что подавляющее большинство изготавливаемых промышленностью тепловых машин работают на основе наименее эффективного из всех известных термодинамических циклов – цикла Карно. Причин здесь несколько. Прежде всего, историческая – первые паровые машины использовали водяной пар, а вода, как известно, хорошо "держит" температуру кипения и температуру конденсации. Поэтому две изотермы в цикле Карно обеспечивала сама вода, а адиабаты сравнительно просто можно было обеспечить теплоизоляцией. Вторая причина расчётная – в цикле Карно элементы цикла чётко разделены и физически, и конструктивно.
Ровесник цикла Карно – цикл Стирлинга, например, таких границ не имеет, в последнем все элементы цикла сопровождаются перетеканием рабочего тела из одной зоны в другую. Именно поэтому до сих пор не существует методики математического расчёта цикла Стирлинга, так как в каждой конкретной конструкции это перетекание массы имеет свои особенности, а производящие машины Стирлинга фирмы применяют свои эмпирические методы расчёта и держат их в глубокой тайне.
Учитывая сказанное, имеет смысл подробно рассмотреть именно термодинамические циклы. В настоящее время известно много различных циклов, важнейшие из них приведены на рис.1. На нём показаны четыре обратимых цикла: Карно, Стирлинга, Эриксона и Рейлиса.

Рис. 1. Общая PV диаграмма: 2758 – цикл Карно, 1245 – цикл Стирлинга,
2356 – цикл Эриксона, 123456 – обобщённый цикл Рейлиса.
На рисунке 2 хорошо видно, что цикл Карно – "пересечение" циклов Стирлинга и Эриксона, а цикл Рейлиса – их же "суперпозиция" с небольшими "довесками" (рис.3).

Рис. 2. Сопоставление циклов Карно, Стирлинга и Эриксона

Рис. 3. Цикл Рейлиса - обобщение циклов Стирлинга и Эриксона (да и Карно!)
Так как в PV–координатах площадь цикла показывает величину совершаемой в процессе цикла работы, то ясно, что двигатели массового производства используют самый неэффективный (зато легко реализуемый!!!) цикл. О циклах Карно и Стирлинга многие, по крайней мере, слышали. Существуют машины, работающие по открытому циклу, близкому к циклу Эриксона, в которых управление потоком рабочего тела осуществляется с помощью клапанов. Такие машины должны быть названы двигателями Эриксона – по имени изобретателя. Пока что они не получили широкого распространения и известности. Цикл Рейлиса является обобщением циклов Стирлинга и Эриксона, его реализация "в металле" мне неизвестна.
Существенно, что при одинаковых максимальных и минимальных значениях параметров (температура/давление/объём)  цикл Карно будет выдавать наименьшую мощность, а цикл Рейлиса наибольшую. Это означает, что машина, работающая по циклу Карно, для развития той же мощности, что и машина, работающая по циклу Рейлиса, должна будет работать при более высоких их значениях.
Современное состояние
Во второй половине прошлого века начались работы по применению цикла Стирлинга. К 90-м годам прошлого столетия работы по созданию двигателей Стирлинга проводились такими известными фирмами, как ‘Philips” (Нидерланды), “General Motors Co”, “Ford Motor Co”, “NASA Lewis Research Center”, “Los Alamos National Laboratory” (США), “MAN-MBW” (Германия), “Mitsubishi Electric Corp.”, “Toshiba Corp.” (Япония). В течение последнего десятилетия к работам по созданию двигателей Стирлинга приступили также “Daimler Benz”, “Cummins Power Generation” (СPG) и ряд других крупных фирм.
В таблице 1 приведены некоторые характеристики существующих двигателей Стирлинга
Таблица 1
Фирма
Марка
 Мощность, кВт Удельная мощность, кВт/кГ Ресурс, ч Эффективный КПД, %
Philips
4 х 235
4-S-1210
150
265
0,2
0,26
10 000
10 000
28
30
STM Inc
STM4-120
SM-3
52
40
0,47
50 000
50 000
45
40
Daimler Benz
KS15D
15
0,27
 –
37,1
Solo
V-160
7,5
0,46
28 000
35
MTI
Mod-III
4-95
108
52
0,33
0,24
20 000
20 000
36
41
United Stirling
V4X
1250
0,8
10 000
30
Основной недостаток двигателя Стирлинга, – материалоёмкость. Как и любой двигатель внешнего горения, в котором тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, стирлинг нуждается в теплообменниках, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счет увеличенных радиаторов. Для получения характеристик, конкурентных по сравнению с ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела – водород, гелий.
Стенки теплообменников имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплообменник работает в очень напряженных условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе.
Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске. Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.
Преимущества двигателя Стирлинга
  • Всеядность двигателя. Как все двигатели внешнего сгорания (вернее – внешнего подвода тепла), стирлинг может работать от перепада температур между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печки и т.д. Этот фактор прямо связан с экономичностью двигателя в широком плане – он позволяет заменить дорогие нефтяные топлива на дешевые альтернативные.
  • Простота конструкции. В стирлинге отсутствуют многие элементы привычных двигателей: система зажигания, свечи, карбюратор, клапана, глушитель. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартёре. Его характеристики позволяют избавиться от святая святых автомобиля – коробки передач.
  • Увеличенный ресурс. Отсутствие многих "нежных" агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
  • Экономичность. Этот фактор становится в последнее время очень важным. К тому же в опытной эксплуатации автомобилей со стирлингами оказалось, что стирлинги ведут себя гораздо экономичнее при городской езде. При равных показателях мощности стирлинги практически везде давали экономию топлива по сравнению с ДВС. В случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги дают гораздо больший КПД, чем фотопреобразователи. На сегодняшний день стоимость электричества, полученного от солнечного стирлинга, существенно ниже стоимости фотоэлектричества.
  • Экологичность. Стирлинги могут использовать в качестве источника тепла теплоаккумуляторы на расплавах солей. Такие аккумуляторы превосходят по запасу энергии химические аккумуляторы и дешевле их. Используя для регулировки мощности изменение фазного угла между поршнями, можно аккумулировать механическую энергию, тормозя двигателем. В этом случае двигатель превращается в тепловой насос.
  • Бесшумность двигателя. Как и все двигатели внешнего сгорания стирлинг не имеет выхлопа, а значит – не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций.
    • Также нельзя сбрасывать со счетов и тот факт, что ДВС за всю свою долгую историю развития приобрели огромное число различных модификаций и усовершенствуются до сих пор, доходя порой до почти "идеальных" двигателей, а стирлинги только начинают свой путь. Два других показанных на рисунке 1 цикла пока не нашли своих "приёмных родителей". Это особенно огорчительно в отношении цикла Рейлиса, который по своей эффективности превосходит все остальные.
    Новые разработки
    На основе упоминавшейся ранее полезной модели РДНГ был запатентован роторный герметичный двигатель РГК внешнего горения (патент РФ № 2220308 с приоритетом от 05 апреля 2001 г.). Для разработки его опытного образца был получен грант и начаты работы на Свободинском электромашиностроительном заводе в г. Курске. К сожалению, из-за финансовых осложнений на заводе-исполнителе сроки выполнения гранта были сорваны и удалось изготовить только действующий макет для "холодных" испытаний.
    Тем не менее, исследования макета, а также мысленные эксперименты (из-за отсутствия финансов на реальные) дали определённые результаты, в частности, было отмечено небольшое сходство осуществлённого в макете цикла с циклом Рейлиса и выяснено, какие именно особенности конструкции за это ответственны. В дальнейшем путём значительного упрощения РГК удалось разработать конструкцию двигателя, способного реализовать цикл, довольно близкий к циклу Рейлиса.
    Поскольку для этого пришлось организовать, кроме непрерывного горения, непрерывное равномерное движение массы рабочего тела, в котором отсутствуют любые мёртвые точки (как, например, в стирлинге), то трудности математического описания ещё больше, чем в двигателях Стирлинга и Эриксона. Как и машины Стирлинга, предлагаемая тепловая машина не может быть рассчитана классическими методами, так как происходящие в ней термодинамические процессы сопровождаются непрерывным перетеканием массы рабочего тела между зонами.
    Более того, если в машинах Стирлинга есть кратковременные промежутки (в мёртвых точках движения вытеснительного поршня) с фиксированной в зоне массой рабочего тела, то в ТМК таких промежутков нет вовсе. А поскольку количество и скорость перетекающих масс самым непосредственным образом зависят от конструктивного решения, а оно, в свою очередь зависит от результатов расчётов, получается замкнутый круг, разорвать  который можно только путём итераций.
    Пока что полностью их преодолеть не удалось, хотя некоторые реальные возможности уже просматриваются, в частности, удалось осуществить первый шаг итерации, результаты которого представлены на рис. 4.

    Рис. 4. Расчётно-эмпирический цикл ТМК (первый шаг итерации)
    В качестве нулевого шага в этом процессе нами был использован узел сжатия упомянутого ранее РГК после некоторой модификации, в том числе, обеспечения электроподогрева. В итоге оказалось возможным, применив метод циркуляции элемента массы рабочего тела по замкнутому контуру тепловой машины, выполнить первый, предварительный расчёт тепловой машины для температурного интервала [300К, 1500К] и построить термодинамический цикл, показанный на рисунке 4 (реальный цикл показан жирными линиями).
    Приведённые ниже данные получены циркуляцией грамм-моля воздуха по результатам измерения на макете:
    Точки
    1' 
    2
    3
    4
    4'
    5
    6
    1
    Т (К)
    320
    642
    1500
    1500
    1241
    594
    300
    300
    Р(кПа)
    350
    750
    750
    433
    355
    170
    170
    341
    V(10-3м3)
    6,4
    6,4
    15
    26
    26
    26
    13
    6,4
    На этом рисунке кривая 3-4' - политропа (а не изотерма, как в идеальном цикле) с показателем n34' = 1,33, кривая 6-1' - политропа с показателем n61' = 1,4, то есть практически - адиабата!!! Как и следовало ожидать, изотерм реализовать не удалось, на деле это оказались политропы, но даже в этом случае КПД составит ~ 55%. Учитывая, что макет был изготовлен для других целей, а модификация, безусловно, не обеспечивала полного соответствия требованиям, результаты первого шага итерации можно считать удовлетворительными. Таким образом, тепловая машина, выполненная по итогам многошаговой итерации, сможет реализовать КПД не менее 60%.