Великі перспективи застосування мають вільнопоршневі двигуни, винайдені професором Білом з університету штату Огайо. Ці двигуни самозапускающійся, з незвичайними харак-теристик, що відрізняються від характеристик одноциліндрових двигунів з кривошипно-шатун - ним механізмом; крім того, від-слушні варіанти двигунів можуть бути виготовлені без вся-ких ущільнень для газу. В останньому випадку заповнення робочим тілом під тиском і герметизацію двигунів мож-но проводити при їх виго-ленні, що забезпечить відноси-кові високу питому мощ-ність і запобіжить можливе забруднення рухомих вузлів від зовнішньої пилу. В такому ис-полнении двигуни можуть бути застосовні для тих випадків, коли їх обслуговування є проблемою, т. Е. В малорозвинений-тих в технічному відношенні країнах, у військових цілях і для побутових потреб.
Мал. 10-1. Основні складові частини свободіопоршневого двигуна Стир-линга (двигун Била).
1 - витіснювач; 2 - робочий поршень; 3 - шток витіснювача; 4 порожнину рас-ширення; 5 - кільцевої регенератор; 6 - порожнина стиснення; 7 - буферна по-лость; pw - тиск в робочій порожнині; тиск в буферній порожнини (пред-покладається постійним).
Двигуни Била можуть ра-ботать в будь-якому положенні - у вертикальному, горизонтальному, похилому або перевернутому. Їх конструкція дуже проста: в них немає ні пружин, ні клапа-нів, ні будь-яких інших хутра-нічних діючих вузлів.
Принцип дії. У двигуні Била є три основних елементи: важкий робочий поршень, легкий витіснювач і циліндр з ущільненнями на обох кінцях (рис. 10-1). Як видно з малюнка, шток витіснювача щодо великого діаметра проходить через робочий поршень. Шток витіснювача порожнистий, з відкритим торцем, так що внутрішня порожнину витіснювача з'єднана (і фактично є її частиною) з порожниною, розташованою нижче робочого поршня, званої буферної порожниною. До робочої порожнини відно-сується частина "циліндра над робочим поршнем, підрозділяється на порожнину стиснення - між робочим поршнем і витіснювачем і по-
Лость розширення - над витіснювачем. Довга вузька кільцева щілина між циліндром і витіснювачем виконує функцію регене-ратора між гарячою порожниною розширення і холодної порожниною стиснення. Для порожнини розширення передбачений нагрівач, а для порожнини стиснення - холодильник.
Розглянемо систему, показану на рис. 10-1, що знаходиться спочатку в положенні 0. Тиск у всіх порожнинах однакове, а температура всюди дорівнює температурі навколишнього середовища. Нехай тепер порожнину розширення нагрівається. З ростом температури та-тичних робочого тіла в замкнутому робочому обсязі збільшується від положення 0 до положення 1. Зростання тиску в робочій порожнині до певного значення призведе до переміщення вниз робочого поршня і витискувача. Сила, що діє на робочий поршень, дорівнює (РШ - Р6) (Лс-Л ^) [16]. а сила, що діє на ви-теснітель, -A R (рш -Рь). Прискорення робочого поршня при дви-жении вниз визначається як
Якщо отношеніеMP / MD велике (т. Е. 10. 1) і якщо відношення Ar / Ac значно (т. Е. 1. 4), то AD> ар. Тому витіснювач прискорюється швидше; це призводить до того, що робоче тіло витес-вується з холодної порожнини стиснення в гарячу порожнину розширення. Цей процес прискорюється як зростанням тиску в робочій порожнині в порівнянні з тиском в буферній порожнини (що приймається постійного-ним), так і подальшим зростанням прискорень обох поршнів. В результаті робочий поршень і витіснювач стикаються (положення 2), і з цього моменту починають рухатися разом. Після доторкніться-нення поршнів потік робочого тіла більше не надходить в порожнину розширення, але оскільки процес розширення триває, так-тичних починає падати. У положеніі3 давленіерш все ще більше, ніж давленіерь; тому робочий поршень і витіснювач продов-жают прискорюватися.
Розширення триває до точкі4, де тиску робочого тіла Pw і буферної полостірь рівні. Інерції важкого поршня досить для продовження процесу розширення робочого тіла і за точкою рівноваги тисків; тому тиск в робочій по-лости падає нижче тиску в буферній полостірь таким чином, на робочий поршень і витіснювач починають діяти уповільнювався ющіе сили (що виникають через різницю тисків). Витіснювач, будучи більш легким, першим реагує на це. Уповільнюють сили гальмують рух витіснювача вниз, що призводить до відокремлення його
від робочого поршня, який продовжує рухатися вниз. У цей момент робоче тіло починає перетікати по регенеративній кільцевому каналу через гарячої порожнини розширення в холодну порожнину стиснення. Це викликає різке падіння тиску в робочій порожнині, і між порожнинами встановлюється велика різниця давленійрь-рш. Витіснювач швидко рухається вгору до голівки циліндра (точ-ка6) і залишається в цьому положенні до тих пір, поки тиск в бу-шиферній порожнини буде вище тиску в робочій порожнині.
В деякий момент робочий поршень зупиняється і почи-нает підніматися вгору (точка 7) під дією перевершує тиску в буферній порожнини. Оскільки процес стиснення все ще триває, рівність тисків миттєво відновлюється (точка8), а потім тиск в робочій порожнині буде перевищувати тиск в буферній порожнини. При такому положенні витіснювач починає рухатися вниз до зіткнення з робочим поршнем в точке9, і далі цикл знову повторюється, але без початкової стадії 0-4.
Схемар, V- Діаграми для всієї системи показана на рис. 10-1. На практиці за один робочий цикл двигун не виходить на усталений режим в отли-чие від описаного вище.
Мал. 10-2. Двигун Стірлінга сво - - щ боднопоршневого типу (Біла), рабо-тане як повітряний компресор.
1 - циліндр; 2 - гаряча порожнина (рас-ширення); 3 -витеснітель; 4 -теплоза-Щитно екран на епоксидної смолі; 5 - кільцевої регенератор; 6 - повітряний насос і водяна сорочка охолодження 7 - вихід холодної води; 8 - холодна! порожнину (стиснення); 9 - шток витіснювача Ю - вихід повітря; II - робочий пір шень; 12 - болти кріплення; 13 - ци Ліндрен з оргскла; 14 - підстава 15 - розпірна втулка; 16 - шток витес ннтеля; .17 - кільце ущільнювача 13 - стулковий клапан; 19 - ущільненням-ня з матеріалу RULON; 20 - вхід холодної води.
Застосування двигунів Біла. Двигун Била може бути джерелом потужності при з'єднанні коливається ра-бочего поршня з навантаженням. На рис. 10-2 показаний один з вари-антів двигуна Била, робота ющий як газовий компресор. Поршень і циліндр компрес-сміття розташовані коаксіально щодо робочого поршня
і циліндра двигуна. Егбі (Agbi, 1971 г.) проводив систематичний-етичні дослідження двигуна такого типу. Характерний вид переміщень робочого поршня і витискувача, періодичне через трансформаційних змін тиску, а також общаяр, К-діаграма двигуна при-ведені на рис. 10-3.
Мал. 10-4. Схема свобод - нопоршневого двигуна Стірлінга, що працює на сонячній енергії, для приводу водяного насоса.
В іншому варіанті, показаному на рис. 10-4, двигун Била може бути сконструйований таким чином, що легкий корпус ци-Ліндрен і легкий витіснювач поєднуються з дуже важким поршнем. Для забезпечення контрольованого руху циліндра він поміщений в направляючої втулці. У такій конструкції коливаються ци-Ліндрен і витіснювач, а поршень ос-шається нерухомим. Нижній торець циліндра може бути приєднаний до плунжеру гідравлічного насоса, а до верхнього торця підводиться теп-лота від продуктів згоряння палива або від сонячного концентратора. З такою конструкцією двигуна, ра-бота від сонячної енергії, проф. Бив домігся дуже ефек-ної роботи водяного насоса.