Двигатели внешнего сгорания. Устройство двигателей Стирлинга работающих от тепла

  

Вся электронная библиотека >>>

 Двигатель >>>

   

 

Необычные двигатели


Раздел: Техника

 

Двигатели внешнего сгорания

  

Внимание к двигателям внешнего сгорания объясняется главным образом двумя причинами: тем, что сжигание топлива вне камеры сгорания позволяет резко снизить количество вредных примесей в отработавших газах и тем, что КПД таких двигателей может быть существенно выше, чем у прочих.

В первую очередь это поршневые двигатели, реализующие циклы Стирлинга и Эриксона, и... паровые машины. Сейчас наиболее известен цикл Стирлинга, отличающийся от цикла Эриксона тем, что нагрев и охлаждение газа производятся при постоянном объеме по изо- хоре, а не при постоянном давлении — по изобаре ( 13). При равных верхнем и нижнем уровнях температур двигатели Стирлинга и Эриксона с регенераторами имеют одинаковый КПД, но экономичность «стирлинга» выше, так как для нагрева газа по изохоре требуемые затраты тепла меньше. Из  13 следует, что. полезная работа, характеризующаяся в Т—S диаграмме площадью цикла, у двигателей Стирлинга также выше.

Интересно отметить, что оба двигателя появились в эпоху расцвета паровых машин и вплоть до начала нашего века выпускались в значительных количествах. Однако реализовать их преимущества в то время никому не удалось и в первую очередь по причине крайней громоздкости, они были полностью вытеснены ДВС.

Второе рождение двигателя Стирлинга состоялось в 50-х годах. И уже первый опытный образец ошеломил создателей небывало высоким КПД, равным 39% (теоретически до 70%). Рассмотрим принцип его действия ( 14).

В двигателе имеются два поршня и две камеры: сжатия (между поршнями) и нагрева (над верхним поршнем). Через центр основного рабочего поршня 1 проходит шток, на котором укреплен второй поршень 2, наг зываемый поршнем-вытеснителем.

Благодаря конструкции параллелограммного механизма движение поршня-вытеснителя отстает по фазе от движения основного поршня. Поршни то максимально сближаются, то отдаляются друг от друга. Изменение объема газа между поршнями на рисунке отображено двумя пунктирными кривыми. Площадь между ними соответствует изменению объема защемленного пространства, а нижняя кривая характеризует изменение объема над рабочим поршнем. Когда поршни движутся навстречу друг другу, рабочий газ в камере сжатия сжимается (только за счет движения поршня 1 вверх) и одновременно вытесняется в холодильник 3 в далее через регенератор 4 в камеру нагрева. Регенерировать — значит восстанавливать. В регенераторе газ воспринимает тепло, которое регенератор принял от порции газа, до этого прошедшей через него в обратном направлении. После этого газ попадает в головку машины (камеру нагрева), постоянно обогреваемую внешним источником тепла. Здесь газ быстро нагревается до температуры 600—800° С и начинает расширяться. Расширяющийся газ пойдет через регенератор и холодильник, в котором его температура еще понизится, в камеру сжатия, где он совершит механическую работу.

Поршень-вытеснитель, двигаясь вверх, вытолкнет весь газ из камеры нагрева в камеру сжатия. После этого цикл повторяется. Итак, машина перекачивает

тепло из камеры нагрева с высокой температурой в камеру сжатия с температурой окружающего пространства. Энергия, приобретенная газом в камере нагрева, превращается в механическую работу, снимаемую с вала двигателя.

К достоинствам «стерлинга», помимо высоких КПД и стерильности, необходимо добавить еще одно — способность работать на любом виде топлива или тепловой энергии, а также бесшумность и плавность работы. Этими качествами существующие «стерлинги» не в последнюю очередь обязаны приводу.

Первые выпущенные на рынок «стерлинги» имели простой кривошипный привод с двухколенным валом со сдвинутыми примерно на 70° шейками. Это обеспечивало неплохой рабочий процесс, но машины вибрировали— уравновесить такой привод полностью невозможно. В следующих модификациях появился параллело- граммный привод. Вибрация практически исчезла (редкая удача!), но рабочий процесс слегка ухудшился. Из двух зол выбирают меньшее: нет вибрации —выше надежность.

Ухудшение процесса объясняется тем, что реальный цикл существенно отличается от теоретического. На  13 (в координатах Т—S) внутри идеального параллелограмма, характеризующего цикл Стерлинга, показан овал — он-то и отображает реальные процессы. На рисунке (схема IV) представлен тот же цикл в более привычных двигателистам координатах Р—V. Задача привода — максимально приблизить овал к идеальным очертаниям, не ухудшая механических качеств двигателя.

Параллелограммный привод, примененный голландскими инженерами для усовершенствованной модели, соответствовал этому условию лишь частично. Гораздо лучшее решение ( 15) предложили узбекские ученые и инженеры Т. Я. Умаров, В. С. Трухов, Ю. Е. Ключевский, Н. В. Борисов, Л. Д. Меркушев — сотрудники отдела гелиофизики Физико-технического института АН Узбекской ССР.

В старом приводе ( 15, а) траектория точек кривошипа, определяющих движение поршней, — окружность. В новом приводе ( 15, б) для поршня-вытеснителя— окружность, для рабочего — эллипс. Это позволяет, сохранив все преимущества параллелограммно- го привода, добиться лучшего согласования движения поршней и приблизить реальный цикл к идеальному. Решение защищено авторским свидетельством № 273583.

Главный недостаток «стерлингов» — громоздкость. На 1 л. с. мощности в построенных конструкциях приходится 4—5 кг против 0,5—1,5 кг в обычных двигателях. Сбавить вес могут помочь несколько изобретений Т. Я. Умарова, В. С. Трухова и Ю. Е. Ключевского. В двигателе по а. с. № 261028 поршень-вытеснитель на отдельных этапах своего движения выполняет функции поршня рабочего, т. е. используется более эффективно. Взгляните на  15, в. Когда оба поршня движутся вверх, в сжатии участвует и тот и другой. Достигнуто

это благодаря тому, что рабочий поршень размещен внутри поршня-вытеснителя. То же самое происходит в момент расширения — рабочего хода. В итоге более равномерно нагружен привод, увеличивается доля рабочего хода в общем цикле, сокращены габариты и, следовательно, вес машины.

Еще меньшие размеры имеет двигатель по а. с. № 385065 тех же авторов ( 15, г). Помимо размещения рабочего поршня внутри поршня-вытеснителя, последний выполнен с замкнутой внутренней полостью, в которой размещен привод, состоящий т коленчатого вала и пары конических шестерен. -Интерес ташкентских ученых к двигателям внешнего сгорания — не просто увлечение модной темой. Они необходимы им как один из элементов простых, надежных и эффективных гелиосистем. Собранные в пучок солнечные лучи приведут в движение «стирлинг» любой мыслимой конструкции, и эффективность такой системы существенно превысит эффективность солнечных батарей- или тепло- аккумуляторов.

Двигатели с циклами внешнего сгорания таят в себе удивительные возможности. И можно смело сказать, что внимание изобретательских и инженерных кругов

к ним явно недостаточно. Пример тому авторское свидетельство № 376590 инженера В. И. Андреева и доктора технических наук А. П. Меркулова. В их двигателе ( 16) применен бесшатунный механизм 6 С. С. Баландина. «Стирлинг» с механизмом С. С. Баландина стал гораздо компактнее. Но суть изобретения не в этом: камеры нагрева 7 новбго двигателя связаны тепловыми трубками 5 — сверхпроводниками тепла. Испарение и конденсация помещенных в них веществ обеспечивают практически мгновенную передачу огромного применительно к размерам потока тепла от одного конца трубки к другому.

Трубки позволили изобретателям найти правильное решение одной из проблем двигателей внешнего сгорания— неравномерного отбора тепла. В тепловых циклах обычных ДВС подвод тепла проводится в строго определенное время. А в двигателях внешнего сгорания нагрев головки идет постоянно. В результате в моменты, когда отбора тепла нет, головки перегреваются. Приходится снижать температуру нагрева, а это прямо сказывается на КПД: чем ниже температура, тем он ниже. Обидно, но ничего не поделаешь: применение термостойких материалов снижает коэффициент теплопередачи, применение теплопроводных — требует снизить допустимую температуру нагрева головки.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ:  Необычные двигатели

 

Смотрите также:

 

...представляет собой поршневой двигатель внешнего сгорания...

Для идеального двигателя результирующая полезная: работа будет представлена разностью между работой расширения и работой сжатия.

 

Двигатель внутреннего сгорания ДВС

Существует два типа двигателей внутреннего сгорания — бензиновые и дизели. Бензиновые двигатели внутреннего сгорания работают на жидком топливе (бензине, керосине и т. п...

 

Двигатель Стирлинга. Двигатель Стирлинга представляет...

Двигатель Стирлинга представляет собой поршневой двигатель внешнего сгорания, использующий газ в качестве рабочего тела.

 

Другие типы двигателей

В течение всей истории развития автомобиля наблюдались попытки применения других типов двигателей, в том числе газотурбинного, роторного, парового, Стирлинга и многих других.

 

Пружинные двигатели. Двигатели для моделей

Пружинные двигатели. В качестве таких двигателей можно использовать пружинные механизмы старого будильника или пружинные механизмы из набора «Конструктор» № 4.

 

Двигатель Стирлинга. «Вапайп» (испаритель топлива на основе тепловой...

Двигатель Стирлинга. Двигатель Стирлинга представляет собой поршневой двигатель внешнего сгорания, использующий газ в качестве рабочего тела.