Двигатели внешнего сгорания: Двигатель Стирлинга — Википедия – Двигатель внешнего сгорания стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

Содержание

Двигатель внешнего сгорания — это… Что такое Двигатель внешнего сгорания?

Проблемы с содержанием статьи Статья состоит из словарного определения термина. Пожалуйста, доработайте статью, приведя ее в соответствие с правилами. Подробности могут быть на странице обсуждения. В Википедии статьи, состоящие только из словарного определения, не приветствуются, их следует попытаться улучшить или выставить к удалению.
Кроме того, статью можно перенести в Викисловарь. Информация о самом слове, его значении, этимологии и употреблении, будет весьма ценным дополнением для Викисловаря.

Дви́гатели вне́шнего сгора́ния — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела.

К этому классу относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга, газовые турбины внешнего сгорания, а также другие типы двигателей. Двигатели внешнего сгорания были изобретены почти 200 лет тому назад, в 1816 году. Вместе с паровым двигателем, двух- и четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, двигатели внешнего сгорания считаются одними из основных типов двигателей. Они были разработаны с целью создания двигателей, которые были бы более безопасными и производительными, чем паровой двигатель. В самом начале 19-го века отсутствие подходящих материалов приводило к многочисленным случаям со смертельным исходом в связи со взрывами паровых двигателей, находящихся под давлением.

Значительный рынок для двигателей внешнего сгорания сформировался во второй половине 19-го века, в частности, в связи с более мелкими сферами применения, где их можно было безопасно эксплуатировать без необходимости в услугах квалифицированных операторов.

После изобретения двигателя внутреннего сгорания в конце 19-го века рынок для двигателей внешнего сгорания исчез. Стоимость производства двигателя внутреннего сгорания в сравнении со стоимостью производства внешнего сгорания ниже. Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что для их работы необходимо чистое, ископаемое топливо, увеличивающее выбросы СО2, топливо. Однако, до недавнего времени стоимость ископаемого топлива была низкой, а выбросам СО2 не уделялось должного внимания. Принцип работы двигателя внешнего сгорания

В отличие от широко известного процесса внутреннего сгорания, при котором топливо сжигается внутри двигателя, двигатель внешнего сгорания, приводится в действие внешним источником тепла. Или, точнее говоря, она приводится в действие разностями температур, создаваемыми внешними источниками нагревания и охлаждения.

Этими внешними источниками нагревания и охлаждения могут служить отработанные газы биомассы и охлаждающая вода соответственно. Процесс приводит к вращению генератора, монтированного на двигателе, посредством чего производится энергия.

Все двигатели внутреннего сгорания приводятся в действие разностями температур. Бензиновые, дизельные двигатели и двигатели внешнего сгорания основаны на той особенности, что для сжатия холодного воздуха необходимо меньше усилий, чем для сжатия горячего воздуха.

Бензиновые и дизельные двигатели всасывают холодный воздух и сжимают этот воздух, прежде чем он подогревается в процессе внутреннего сгорания, который происходит внутри цилиндра. После подогревания воздуха над поршнем поршень перемещается вниз, посредством чего воздух расширяется. Так как воздух горячий, сила, действующая на шток поршня, велика. Когда поршень доходит до низа, клапаны открываются и горячие выхлопы заменяются новым, свежим, холодным воздухом. При движении поршня вверх холодный воздух сжимается, причем сила, действующая на шток поршня, меньше, чем при его движении вниз.

Двигатель внешнего сгорания работает в соответствии с немного другим принципом. В нем нет клапанов, он герметически запаян, а воздух подогревается и охлаждается при помощи теплообменных аппаратов горячего и холодного контура. Встроенный насос, приводимый в действие движением поршня, обеспечивает движение воздуха туда и обратно между этими двумя теплообменными аппаратами. Во время охлаждения воздуха в теплообменном аппарате холодного контура поршень сжимает воздух.

После сжатия воздух затем подогревается в теплообменном аппарате горячего контура, прежде чем поршень начинает двигаться в обратном направлении и использовать расширение горячего воздуха для приведения в действие двигателя.

Литература

  • «Двигатели внешнего сгорания», Г. В. Смирнов. Новое в жизни, науке, технике: Серия: Промышленность, 1967, М. — Знание. [1]

Роторные двигатели внешнего сгорания

Первые тепловые машины созданные человечеством были машинами внешнего сгорания. Они широко (для того времени) использовались в различных  отраслях промышленности и на транспорте. Как правило, основой преобразования энергии газа во вращательное движение была кинематика поршневого двигателя с кривошипно-шатунным механизмом. После создания двигателей внутреннего сгорания, сфера применения двигателей с внешним подводом тепла значительно сократилась. В последнее время в связи с развитием  технологии, появлением новых материалов появились перспективы реализовать потенциальные возможности двигателей  внешнего сгорания. Их относительная экологическая чистота, возможность применения помимо традиционного другого разнообразного топлива  или источников тепла (солнечной, ядерной энергии) меньшая шумность возродила интерес к ним

.

Одним из самых конструктивно и технологически проработанным (не считая турбин)  двигателем внешнего сгорания является двигатель Стирлинга, который к тому же имеет довольно высокий теоретический (до 70 %) КПД. Правда, основные модификации  (альфа, бета, гамма) таких двигателей конструктивно сложны и громоздки, а схема преобразования теплоты, содержащейся в топливе, предполагает значительные потери механической энергии, и небольшую по сравнению с обычным ДВС, удельную мощность. Кроме того, сложно решить  вопросы уплотнения и    герметизации рабочего тела. И попытки обойти эти проблемы в существующих схемах, даже с учетом новых технологий, пока не привели к созданию конкурентоспособной  с обычным ДВС силовой установки.

Авторы предлагают варианты схем построения двигателей внешнего сгорания, лишенных, на их взгляд,  некоторых из вышеописанных, существенных недостатков. Такие схемы позволяют иметь высокие удельные характеристики двигателей, меньшие требования к уплотнениям, использование распространенных компонент в качестве рабочего тела и более низкие значения средних давлений цикла без потери эффективности

. Тип расширительной машины  и схемы построения двигателя позволяют иметь два важных свойства.

 Первое – однонаправленностьпроцесса  исключает потери, связанные с изменением направления  движения рабочего тела. Возвратно–поступательное движение поршневой машины (большинство построенных двигателей имеет этот тип кинематики), создает  и  соответственное движение рабочего тела. А это,  при больших паразитных объемах и на высоких частотах вращения, приводит  к уменьшению   перемещаемой массы рабочего тела в системе согласно тактам цикла. В существующих двигателях с возвратно поступательным движением, порции рабочего тела не могут в цикле находится более чем в двух смежных тактах.  Приходится резко ограничивать объемы теплообменников и трубопроводов. Ограничение объемов теплообменников  свою очередь ведет к  снижению скорости теплообмена. И тогда, для построения двигателей с высокими удельными характеристиками полученных за счет значительных оборотов, надо   использовать рабочее тело с большим коэффициентом теплопередачи (водород, гелий). А  ограничение объемов трубопроводов приводит  к большим газодинамическим потерям (уменьшение проходного сечения).

Однонаправленность, же позволяет иметь в устоявшемся режиме относительно  постоянную скорость рабочего тела в системе и темне позволяет пружинить рабочим телом, что значительно уменьшает потери от паразитных объемов. Используя это свойство можно иметь в теплообменнике 2-3 «порций» рабочего тела. Отсюда,  при сквозном проходе рабочего тела по закольцованному контуру, время теплообмена можно увеличить в 2-3 раза, и при этом  иметь более развитую  площадь теплообмена за счет больших теплообменников. А это в свою очередь увеличит и скорость теплообмена. Похожие схемы имеют двигатель Нисковских и частично Цвауэра.

Второе –  параллелизм,  кратно увеличивающий (при равном количестве рабочих тактов в единицу времени) время такта в цикле т.к. каждый такт в параллельных секциях происходит   одновременно и синфазно, что приводит и соответственному увеличению  времени теплообмена. К примеру, это время вчетверо больше, чем в существующих двигателях Стирлинга любой модификации с последовательным чередованием тактов  цикла.  И это качество, при равных условиях, позволяет иметь меньшую  скорость рабочего тела, тем самым значительно уменьшая и газодинамические потери.

  В итоге, реализуя оба свойства длительность теплообмена   можно увеличить на порядок. А это  – повышение удельных показателей двигателей использующих доступный газ, к примеру азот  (воздух) на уровень двигателей, где в качестве рабочего тела используется вещество с большим коэффициентом передачи теплоты (водород и гелий). И поэтому появляется возможность создания относительно дешевых двигателей с высокими удельными характеристиками, с меньшими требованиями к уплотнениям, с функцией  компенсации потери рабочего тела(воздух) и поддержании среднего давления цикла посредством подкачки (компрессор с независимым приводом или от двигателя, ресивер и т.д.) из атмосферы. Кроме того, более высокая масса воздуха (по сравнению с водородом), при однонаправленном движения  рабочего тела, способствует накоплении энергии, чем выравниваются возникающие пульсации потока.

 Естественно в качестве рабочего тела можно использовать и другие газы, а с применением  водорода или  гелия можно кратно увеличить удельную мощность (за счет оборотов)   по отношению к существующим двигателям, до пределов механических ограничений.

Сердце данных двигателей его силовая часть, основа преобразования –

роторная машина расширения (Рис.1).

 

 

 

 

 

 

 Машина расширения для двигателя внешнего сгорания  содержит неподвижный корпус  представляющий полый цилиндр, который с торцов прикрыт крышками, ротор  в виде посаженного на вал  колеса и имеющего n  П-образных выдвигающихся, посредством выдвижного устройства (ВУ), пластин –лопаток расположенных в спицах. Внутренняя ободная поверхность корпуса и внешняя ободная поверхность ротора образуют n  синусоидальнообразных полостей с впускными и выпускными окнами каждая.

  Конструктивные особенности машины расширения позволяют иметь довольно значительные объемы полостей, при небольших общих габаритах. Самым оптимальным является трехлопаточный вариант, (и при  дальнейшем увеличении лопаток — кратно трем) обеспечивающий при минимальном диаметре ротора максимальное значение опорной части лопаток при  их полном выдвижении, и наибольшую величину этого выдвижения.

Механизм ВУ обладает несложной кинематикой и суть вспомогательное устройство, а не элемент преобразования энергии, и служит для согласования выдвижения лопаток с углом поворота ротора. Механизм ВУ не подвергается большим динамическим нагрузкам  и не является  источником значительных механических потерь.

 Герметизацию полостей машины расширения можно обеспечить путем лабиринтных уплотнений. В внутриободном пространстве ротора можно иметь избыточное давление без потерь КПД ( в отличии альфа модификаций, где подпоршневое давление в картере уменьшает КПД). Лопатки находятся в закрытых (изолированных от внутриободного пространства ротора) каналах расположенных в спицах с выходом только в рабочие полости и  соединенных с элементами ВУ (толкателями) через легко уплотняемые штоки. Последние, в свою очередь, могут быть защищены гофрированными втулками от масла. Внутриободное пространство ротора в свою очередь должно быть отделено (не показано) от подверженного  смазке около осевого пространства (где расположены элементы ВУ). В каналах лопаток (лучше с выталкивающей стороны) расположены желобки, для подвода рабочего тела к тыльной грани лопаток, что бы избежать  тормозящего разряжения.

                        Работа машины расширения осуществляется следующим образом (Рис.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Рабочее тело  через впускное окно  подается в рабочую полость  и, воздействуя на заднюю грань (по ходу вращения) лопатки, заставляет ротор  вращаться. А в дальнейшем  лопатка своей передней гранью выталкивает отработанное рабочее тело через выпускное окно, чем обеспечивается  его прямоточное движение внутри расширительной машины.

Построение двигателя как комбинации нескольких размещенных на одном валу модулей (секций машин расширения) с подобранными объемами полостей и расположением зон нагрева и охлаждения, позволяет задать  любой термодинамический цикл его работы (с учетом параметров рабочего тела, конструкционных материалов, и используемого топлива), к примеру  цикл Стирлинга, Эриксона и т.д. Варианты схем построения двигателей ограниченны только рациональностью и здравым смыслом и показывают гибкость данной конструкции.

Классический цикл Стирлинга  реализуется в двигателе, в котором  на всех этапах цикла используется  только газообразное рабочее тело с четырьмя переменными объемами и с использованием регенераторов (Рис3. схема построения).

 

 

 

 

 

 

 

 

 Двигатель составлен из последовательно расположенных на одном валу  секций-модулей  Si  (где i = 1,2…k), каждая из которых имеет  N полостей  определенного (условного) объема Vi. И двигатель состоит из двух четко разделенных частей.  Однанагревается (горячая) Dh, а другаяохлаждается (холодная) Dc.. Участки корпуса и ротора, принадлежащие к разным частям, теплоизолированы друг от друга.  Основные элементы Ву (кривошипы, коромысло) расположены в «холодной» части двигателя. Водило с расположенными на нем элементами, организующими качание вала выдвижного устройства,  может быть общим для всех секций двигателя. А вал ВУ проходит по геометрической оси через общий полый вал роторов модулей  и «поэтажно» имеет рычаги с толкателями лопаток. Этим обеспечивается синфазное выдвижение лопаток  всех модулей.  Каждая часть состоит из  двух секций S. Соотношение объемовVполостей соответствующих секций Si (модулей), ( V1 = V2, V3 = V4для цикла Стирлинга).  Выпускные окна  полостей одной секции (Si)последовательно соединены трубопроводами с впускными окнами  другой Si+1 (последующей по циклу). А так, как не имеет значения, из какой полости секции (Si) рабочее тело перейдет в конкретную полость следующей по циклу секции (Si+1), то можно  выходы одной секции и   входы следующей свести в один коллектор  кольцевого типа, охватывающий двигатель и исполняющий роль теплообменника, причем   значительная  площадь его поверхности  будет этому способствовать. В определенном месте (в соответствии с термодинамическим циклом) в  разрез трубопроводов противонаправленных потоков рабочего тела вставлены вращающиеся вокруг своей оси дисковые регенераторы (регенератор) рабочеготела Rg 1.  Регенераторимеет радиальное разделение его насадок на секторы теплоизоляционными продольными пластинами (в поперечном разрезе –  как цитрусовые). Трубопроводы различных направлений (относительно зон нагрева и охлаждения), в разрез которых вставлен диск-кассета,  чередуясь, последовательно разнесены с учетом направления вращения диска с насадками (причем на один диск могут подводится трубопроводы от нескольких полостей, или их общего коллектора). Скорость вращения диска регенератора  и толщина насадок должна быть согласована со скоростью вращения ротора, с учетом привода от двигателя (возможный и независимый привод). Задавая направленность рабочего тела (подсоединением трубопроводов к соответствующим сторонам диска регенератора), можно еще  использовать и резонансный эффект.

Для предотвращения потерь связанных с холостым проходом рабочего тела рабочих полостей, в модуле расширения (или в других модулях в зависимости от цикла), при нахождении лопаток в зоны перехода, нужна перекрывающая задвижка перед впускным окном соответствующего модуля. Диск регенератора также может исполнять роль запирающей задвижки, перекрывающей трубопровод в момент прохождения лопаткой зону перехода, когда соответствующий сектор будет  глухо закрыт пластиной.

 Нагрев рабочего тела происходит в нагревателе Hот любого источника тепла ((в представленном – горелки). Охлаждение рабочего тела в холодильнике С посредством  охлаждающей жидкости с последующим отводом тепла через радиатор Rd.  Нагрев и охлаждение также захватывают стенки  модулей в соответствии расположении последних  в определенных  зонах (частях ) двигателя.  Для более эффективного использования тепла рабочего тела  служит и  предварительный теплообменник НС 1 выравнивающий  температуру отходящего и входящего потока  рабочего тела. Для регулировки мощности служит золотник Z , управляемый посредством  штока,  и перепускной канал, соединяющий выпускной трубопровод секции  S1 с впускным. Выдвигаясь, при регулировании, золотник отсекает часть потока рабочего тела выходящего из модуля «холодного» отдела и следующего в «теплый»  и возвращает во входящий трубопровод данного модуля. Тем самым определяется количество рабочего тела проходящего через зону нагрева, что  и  соответственно влияет на изменение мощности с высокой степенью реакции.

Подвод воздуха к горелкам (для источников тепла требующих кислород) происходит посредством нагнетателя, через воздушный  регенератор Rg 2( построенного аналогично Rg 1) и  встроенного в противонаправленные каналы подвода воздуха и отвода  отработанных газов. Тем самым идет подогрев воздуха к горелкам и уменьшаются тепловые потери. Для той же цели  также используется  и воздушный предварительный теплообменник НС 2. Такая обвязка позволяет максимально исключить (уменьшить) тепловые потери.

В данном исполнении термодинамический цикл, благодаря синфазности выдвижения лопаток будет более полно соответствовать теоретическому циклу Стирлинга.

Полезная работа двигателя будет

L= Pср. h (V2V1) – Pср.c(V3V4) – Lспр.

   где, Pср. h   среднее давление в горячем отделе

           Pср.c  — среднее давление в холодном отделе

Pср. h   = Pср.c *(T2 ) / (T1 ) ,

где Tтемпература (K) холодильника ( в отделе C),     T2 температура (K) нагревателя (в отделе H)

            L спр.  – работа сил механического, газодинамического и др. сопротивления.

 Мы уже отмечали гибкость системы для  построения двигателей по различным термодинамическим циклам. И, как вариант, исключим одну малую «горячую» секцию с условным объемом  V2.Образующая система с подобранными объемами V1, V3. V4. и рабочим процессом при трех тактах  будет реализовывать следующий термодинамический (в теории естественно) цикл.

Это естественно, приведет к некоторой потере эффективности. Но, помимо упрощения конструкции двигателя и снижения его массогабаритных показателей, можно иметь важное преимущество. В «горячей» области в секции с условным объемом  V3, давление, перед  и после лопатки существенно не различимо (естественно будут определенные незначительные отклонения). Отсюда  в самой термически нагруженной части двигателя значительно упрощаются требования к уплотнениям лопаток. Достаточно иметь технологические зазоры (как в турбине) между стенками рабочей полости и торцами лопатки. Это возможно, так как выдвижение лопаток согласованно с углом поворота ротора. А в оставшихся «холодной» секции с почти «комнатной» температурой, проблемы уплотнений (включая материал изготовления) решить значительно проще.

 

Также можно позволяют построить  паровой двигатель с использованием регенераторов (общий вид рис.1).

В двигателе, в качестве рабочего тела используются  две компоненты, одна  постоянно пребывающая в цикле в газообразном состоянии — газовый носитель, и компоненты  изменяющей свое фазовое состояние. Газовая составляющая в двухобъемном варианте, может и не является рабочим телом. Это несущая и вспомогательная субстанция позволяющая использовать регенераторы в паровой машине. И газовая составляющая изначально находится при повышенном давлении.

Для построения данного двигателя используем две секции (модуля), первая S1 с условным объемом  V1 является насосом газовой составляющей, а вторая  S3 с условным большим объемом V3-  непосредственно машина расширения (Рис.5).

 

Рабочее тело (в газообразном состоянии) с газовым носителем, пройдя  после расширения  регенератор Rg 1, в конденсаторе-сепараторе Cs, конденсируется и становится жидкостью, а газовая составляющая попадает в малую «холодную» секцию S1 (V1).

 На выходе этой секции перед регенератором или  через открытый торец его обода  компоненты опять смешиваются, там жидкообразная распыляется  форсункой F, а газовая несущая позволяет создавать направленность потока и осуществляет перенос компоненты  изменяющей фазовое состояние.

Трубопровод перед регенератором разделен камеры таким образом сначала в первой камере (по чередованию прохождения насадки) происходит смешивание компонент. Пройдя регенератор жидкая составляющая опять становится газом (паром), и поступает через нагреватель в зону расширения всекцию  S3 (V3). В итоге получается паровая машина с регенераторами, где газовая составляющая  является постоянной компонентой замкнутого цикла. Форсунка Fa расположенная в зоне нагрева служит для максимально быстрого изменения – акселерации (увеличения) мощности.

 Если задействовать в паровой машине три секции(и более) получим   более перспективное направление – двигатели, использующие  смешанное двухкомпонентное рабочее тело. Здесь газовая компонента суть рабочее тело, иуже будет совершать работу, содействуя приросту КПД.  Наиболее перспективным выглядит двухкомпонентный двигатель и с тремя секциями S1,S3,S4 с условными объемами V1,   V3 , V4 (Рис.6).

Основным достоинством такого рабочего тела является возможность получения при существующих уровнях среднего давления рабочего тела  удельной мощности, почти в 2 раза большей, чем в случае однокомпонентного газового топлива. Кроме того, процессы парообразования и конденсации, наблюдаемые при фазовом переходе компонентов, характеризуется высокими коэффициентами теплоотдачи. Поэтому процессы сжатия и расширения в большей степени приближенны к изотермическим, чем в цикле с газовым рабочим телом.  Важно и то, что при этом значительно (на две-три сотни градусов) снижается  максимальная температура цикла и  начальное давление газообразного рабочего тела. При этом чувствительность мощности двигателя к изменению «мертвого» объема оказывается чрезвычайно низкой.

Таким образомширокий выбор вариантов построения двигателя с определенным циклом, способом организации рабочего процесса, при однонаправленном движением рабочего тела, в сочетании с простотой расширительной машины и использованием вращающихся регенераторов позволяет с помощью дешевых и доступных материалов добиться повышения  КПД и удельных характеристик двигателя. Сохраняя при этом уже известные достоинства  двигателей данного типа– малошумность, «всеядность», высокий крутящий момент в очень широком диапазоне частот вращения выходного вала, увеличенный ресурс и низкие затраты на обслуживание  при длительной эксплуатации.  А указанные способы регулирования мощности  позволяют применять данный двигатель не только в качестве стационарной силовой установки, но и стать реальной  альтернативой мобильным (транспортным)  ДВС.

       Литература.

  1. Уокер Г. Пер.с англ. – М.: Машиностроение,1985.
  2. Г.Т.Ридер, Ч.Хупер.. М., Наука, 1986.
  3. Двигатели Стирлинга / [В.Н. Даниличев, С.И. Ефимов, В.А. Звонок и др.]; под ред. М.Г. Круглова. – М.: «Машиностроение», 1977.
  4. Патент РФ 2454546. Роторный преобразователь энергии и двигатель внешнего сгорания с его      использованием.  Чантурия И.Г., Чантурия О.Г.

                                                                                                     О.ЧАНТУРИЯ, И.ЧАНТУРИЯ.


Двигатель внешнего сгорания: 3 модификации двинателя Стирлинга

Содержание статьи

Одним из перспективных источников механической энергии для автомобилей является двигатель внешнего сгорания, разработанный уроженцем Шотландии Робертом Стирлингом пару веков назад. Двигатель внешнего сгорания Стирлинга по принципу работы сильно отличается от привычного для всех ДВС. Но на какое-то время после разработки о нём благополучно забыли.

История создания

В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг.

Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.

Несмотря на такой быстрый успех продвижения модели, в начале двадцатого столетия от дальнейшего развития двигателя внешнего сгорания отказались из-за его себестоимости в пользу двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации

Принцип работы любого теплового мотора заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии нужны немалые механические усилия. В качестве наглядного примера можно привести опыт с двумя кастрюлями, согласно которому их наполняют холодной и горячей водой. Опускают в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку переносят в горячую воду.

При таком перемещении газ в бутылке совершает механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель осознал, что часть выделяемого тепла можно использовать для подогрева. Производительность агрегата от этого только возросла.

Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею об охлаждении и нагревании газа при постоянном давлении вместо объёма. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажей и транспортных средств агрегат оказался слишком тяжёлым.

Двигатель Стирлинга: принцип работы

Двигатель Стирлинга: принцип работы

На рисунке наглядно отображается рабочий цикл двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит за счёт изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объёме. В нижней части агрегата рабочее вещество нагревается, увеличивается в объёме и выталкивает поршень вверх.

Горячий воздух поступает в верхнюю часть мотора и охлаждается с помощью радиатора. Давление рабочего тела понижается, а поршень опускается для повторения всего цикла. Система полностью герметична, благодаря чему рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла.

Кроме того, существуют моторы с открытым циклом, в которых регулирование потоком реализуется с помощью клапанов. Эти модели называют двигателем Эриксона. В целом принцип работы двигателя внешнего сгорания схож с ДВС. При низких температурах в нём происходит сжатие и наоборот. Нагрев же осуществляется по-разному.

Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра извне. Стирлинг догадался применять периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Этот поршень перемещает газы с одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой — высокие. При перемещении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость.

Система вытеснителя в двигателе соединена с рабочим поршнем, который сжимает газ в холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа совершается как раз благодаря сжатию в более низких температурах. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между стадиями цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Схема двигателя наружного горения

Схема двигателя наружного горения

Некоторые детали работы двигателя

В теории подводить энергию в двигатель внешнего сгорания может любой источник тепла (солнце, электричество, топливо). Принцип работы тела двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Термическим максимально возможным КПД обладает идеальный цикл. КПД при этом составляет от 30 до 40 %. Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимуществом является работа без масел. В целом смазки двигателю необходимо немного. Среднее давление в цилиндре варьируется от 10 до 20 МПа. Необходима хорошая уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Согласно теоретическим расчётам эффективность двигателя Стирлинга сильно зависима от температуры и может достигать даже 70 %. Самые первые реализованные в металле образцы двигателя обладали низким КПД, поскольку варианты теплоносителя были неэффективны и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению. Во второй половине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель 35 % КПД на водном теплоносителе и с температурой 55 градусов по Цельсию. Совершенствование конструкции в некоторых экспериментальных образцах позволило достичь практически 39 % КПД. Почти все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 — 30 %. Турбированные дизели достигают около 35 %. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, показывают эффективность до 43 %.

После освоения жаропрочной керамики и других инновационных материалов появится возможность ещё сильнее увеличить температуру среды. КПД может при таких условиях достичь даже 60 %.

Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.

Модификация «Альфа»

Такой двигатель состоит из горячего и холодного раздельных силовых поршней, находящихся в собственных цилиндрах. К цилиндру с горячим поршнем поступает тепло, а холодный располагается в охлаждающем теплообменнике.

Модификация «Бета»

В этом варианте двигателя цилиндр, в котором расположился поршень, с одной стороны нагревается, а другой охлаждается. Внутри цилиндра двигаются вытеснитель и силовой поршень. Вытеснитель предназначен для изменения объёма рабочего газа. Регенератор же выполняет возвращение остывшего рабочего вещества в нагретую полость двигателя.

Модификация «Гамма»

Вся нехитрая конструкция модификации «Гамма» выполнена из двух цилиндров. Первый из них полностью холодный. В нём совершает движение силовой поршень. А второй — холодный только с одной стороны, а с другой — нагретый. Он служит для перемещения механизма вытеснителя. Регенератор циркуляции холодного газа в этой модификации может быть общим для обоих цилиндров и быть включённым в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя внешнего сгорания

Этот вид двигателей неприхотлив в плане топлива, поскольку основой его работы является перепад температур. Чем вызван этот перепад — особого значения не имеет. Двигатель Стирлинга имеет простую конструкцию и не нуждается в дополнительных системах и навесном оборудовании (стартер, коробка передач). Некоторые особенности устройства двигателя являются гарантией долгого срока эксплуатации: двигатель может работать непрерывно в течении примерно ста тысяч часов. Ещё одним серьёзным преимуществом двигателя внешнего сгорания является бесшумность. Она обусловлена тем, что в цилиндрах отсутствует детонация и нет необходимости в выводе отработавших газов. Особенно выделяется по этому параметру модификация «Бета». Её конструкция оснащена ромбовидным кривошипно-шатунным механизмом, который обеспечивает отсутствие вибраций во время работы. И, наконец, экологичность. В цилиндрах двигателя отсутствуют процессы, способные негативно влиять на окружающую среду.

При выборе альтернативных источников тепла (энергии солнца) двигатель Стирлинга превращается в разновидность экологически чистого силового агрегата.

Недостатки двигателя внешнего сгорания

Массовый выпуск таких двигателей в настоящее время невозможен. Основная проблема — это материалоёмкость конструкции. Охлаждение рабочего тела двигателя требует установку радиаторов с большими объёмами. Вследствие этого увеличиваются размеры. Использование сложных видов рабочего тела вроде водорода или гелия поднимает вопрос о безопасности двигателя. Теплопроводность и температурная стойкость должны быть на высоком уровне. Тепло к рабочему объёму поступает через теплообменники. Таким образом, часть тепла теряется по дороге. При изготовлении теплообменники приходится использовать термостойкие металлы. При этом металлы должны быть устойчивы к высокому давлению. Все эти материалы стоят дорого и долго обрабатываются. Принципы изменения режимов двигателя внешнего сгорания сильно отличаются от традиционных. Требуется разработка специальных управляющих устройств. Изменение мощности вызывается изменением давления в цилиндрах и угла фаз между вытеснителем и силовым поршнем. Также можно изменить ёмкость полости с рабочим телом.

Примеры реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Работоспособные модели такого двигателя были выпущены в свет, несмотря на все сложности изготовления. В 50 года XX века у автомобилестроительных компаний появилась заинтересованность в этой разновидности силового агрегата. В основном реализацией двигателей Стирлинга на автомобилях занимались Ford Motor Company и Volkswagen Group. Шведская компания UNITED STIRLING разработала такой двигатель, в котором разработчики старались чаще использовать серийные агрегаты и узлы (коленвал, шатуны). Был разработан четырёхцилиндровый V-образный двигатель, обладавший удельной массой 2,4 кг/кВт. Аналогичной массой обладает компактный дизель. Двигатель попробовали устанавливать на семитонные грузовые фургоны.

Наиболее выделяющимся успешным образцом стал Philips 4-125DA, доступный для установки на легковые автомобили. Рабочая мощность двигателя составляла 173 лошадиных силы. Размеры несильно отличались от обычного бензинового ДВС.

Компания General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель внешнего сгорания с серийным кривошипно-шатунным механизмом. В 1972 году ограниченная версия автомобилей Ford Torino оснащалась таким двигателем. Причём расход топлива снизился на целых 25 % по сравнению с предыдущими моделями. Сегодня несколько зарубежных компаний пытаются совершенствовать конструкцию этого двигателя с целью адаптации для серийного производства и установки на легковые автомобили.

Реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Выводы

В случае, если недостатки двигателя внешнего сгорания будут устранены, то этот вид силового агрегата придёт на смену ДВС и даже электромоторам. Но ввиду высокой стоимости материалов, сложности их обработки и громоздкости конструкции, двигатель внешнего сгорания пока не может выпускаться массово. Возможно, когда-нибудь будут разработан дешёвый жаростойкий и устойчивый к давлению материал, который будет использоваться при изготовлении двигателя Стирлинга, а пока вся конструкция обходится производителям гораздо дороже, чем обычный ДВС. Удачи и лёгких дорог!

 

Пожалуйста, оцените этот материал!

Реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях Загрузка…

Если Вам понравилась статья, поделитесь ею с друзьями!

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания — Википедия

Бензиновые двигатели — класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. Управление мощностью в данном типе двигателей производится, как правило, регулированием потока воздуха, посредством дроссельной заслонки.

Одним из видов дросселя является карбюраторная дроссельная заслонка, регулирующая поступление горючей смеси в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Рабочий орган представляет собой пластину, закрепленную на вращающейся оси, помещённую в трубу, в которой протекает регулируемая среда. В автомобилях управление дросселем производится с места водителя от ноги педалью. В современных автомобилях нет прямой механической связи между педалью акселератора и дроссельной заслонкой. Заслонка поворачивается с помощью электродвигателя, управляемого электронным блоком управления (ЭБУ). В педальном блоке находится потенциометр, изменяющий своё сопротивление в зависимости от положения педали.

Классификация бензиновых двигателей[править | править код]

  • По способу смесеобразования — карбюраторные и инжекторные;
  • По способу осуществления рабочего цикла — четырёхтактные и двухтактные. Двухтактные двигатели обладают большей мощностью на единицу объёма, однако меньшим КПД. Поэтому двухтактные двигатели применяются там, где очень важны небольшие размеры, но относительно неважна топливная экономичность, например, на мотоциклах, небольших моторных лодках, бензопилах и моторизированных инструментах. Четырёхтактные же двигатели устанавливаются на абсолютное большинство остальных транспортных средств. Следует заметить, что дизели также могут быть четырёхтактными или двухтактными; двухтактные дизели лишены многих недостатков бензиновых двухтактных двигателей, однако применяются в основном на больших судах (реже на тепловозах и грузовиках).;
  • По числу цилиндров — одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые;
  • По расположению цилиндров — с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд (т. н. «рядный» двигатель), V-образные с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180 двигатель называется двигателем с противолежащими цилиндрами, или оппозитным),W-образные, использующие 4 ряда цилиндров, расположенных под углом с 1 коленвалом (у V-образного двигателя 2 ряда цилиндров), звездообразные;
  • По способу охлаждения — с жидкостным или воздушным охлаждением;
  • По типу смазки смешанный тип (масло смешивается с топливной смесью) и раздельный тип (масло находится в картере)
  • По виду применяемого топлива — бензиновые и многотопливные [1];
  • По степени сжатия— двигатели высокого (E=12…18) и низкого (E=4…9) сжатия;
  • По способу наполнения цилиндра свежим зарядом: двигатели без наддува (атмосферные), у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разрежения в цилиндре при всасывающем ходе поршня; двигатели с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым турбокомпрессором, с целью увеличения заряда воздуха и получения повышенной мощности и КПД двигателя;
  • По частоте вращения: тихоходные, повышенной частоты вращения, быстроходные;
  • По назначению различают двигатели стационарные, автотракторные, судовые, тепловозные, авиационные и др.
  • Практически не употребляемые виды моторов — роторно-поршневые Ванкеля (производились только фирмами NSU (Западная Германия), Mazda (Япония) и ВАЗ (СССР/Россия)), с внешним сгоранием Стирлинга и т. д..

См. также: Классификация автотракторных двигателей

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя[править | править код]

Как следует из названия, рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов.

1. Впуск. Поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.
2. Сжатие. Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степень сжатия. Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с бо́льшим октановым числом, которое дороже.
3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы основная масса бензовоздушной смеси успела воспламениться к моменту, когда поршень будет находиться в ВМТ (процесс воспламенения является медленным процессом относительно скорости работы поршневых систем современных двигателей). При этом использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством, центробежным вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель. В более современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику. В этом случае используется датчик положения коленчатого вала, работающий обычно по индуктивному принципу.
4. Выпуск. После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл начинается сначала.

Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндров от отработанных газов.

Рабочий цикл двухтактного двигателя[править | править код]

Рабочий цикл двухтактного двигателя

В двухтактном двигателе рабочий цикл полностью происходит в течение одного оборота коленчатого вала. При этом от цикла четырёхтактного двигателя остаётся только сжатие и расширение. Впуск и выпуск заменяются продувкой цилиндра вблизи нижней мёртвой точки поршня, при которой свежая рабочая смесь вытесняет отработанные газы из цилиндра.

Более подробно цикл двигателя устроен следующим образом: когда поршень идёт вверх, происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре. Одновременно, движущийся вверх поршень создаёт разрежение в кривошипной камере. Под действием этого разрежения открывается клапан впускного коллектора и свежая порция топливовоздушной смеси (как правило, с добавкой масла) засасывается в кривошипную камеру. При движении поршня вниз давление в кривошипной камере повышается и клапан закрывается. Поджиг, сгорание и расширение рабочей смеси происходят так же, как и в четырёхтактном двигателе. Однако, при движении поршня вниз, примерно за 60° до НМТ открывается выпускное окно (в смысле, поршень перестаёт перекрывать выпускное окно). Выхлопные газы (имеющие ещё большое давление) устремляются через это окно в выпускной коллектор. Через некоторое время поршень открывает также впускное окно, расположенное со стороны впускного коллектора. Свежая смесь, выталкиваемая из кривошипной камеры идущим вниз поршнем, попадает в рабочий объём цилиндра и окончательно вытесняет из него отработавшие газы. При этом часть рабочей смеси может выбрасываться в выпускной коллектор. При движении поршня вверх свежая порция рабочей смеси засасывается в кривошипную камеру.

Можно заметить, что двухтактный двигатель при том же объёме цилиндра, должен иметь почти в два раза большую мощность. Однако, полностью это преимущество не реализуется, из-за недостаточной эффективности продувки по сравнению с нормальным впуском и выпуском. Мощность двухтактного двигателя того же литража, что и четырёхтактный больше в 1,5 — 1,8 раза.

Важное преимущество двухтактных двигателей — отсутствие громоздкой системы клапанов и распределительного вала.

  • Больший ресурс.
  • Бо́льшая экономичность.
  • Более чистый выхлоп.
  • Не требуется сложная выхлопная система.
  • Меньший шум.
  • Не требуется добавление масла к топливу.

Преимущества двухтактных двигателей[править | править код]

  • Отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения.
  • Бо́льшая мощность в пересчёте на единицу рабочего объёма.
  • Проще и дешевле в изготовлении.
  • Проще в ремонте.
  • Меньший вес.

Карбюраторные и инжекторные двигатели[править | править код]

В карбюраторных двигателях процесс приготовления горючей смеси происходит в карбюраторе — специальном устройстве, в котором топливо смешивается с потоком воздуха за счёт аэродинамических сил, вызываемых энергией потока воздуха, засасываемого двигателем.

В инжекторных двигателях впрыск топлива в воздушный поток осуществляют специальные форсунки, к которым топливо подаётся под давлением, а дозирование осуществляется электронным блоком управления — подачей импульса тока, открывающим форсунку или же, в более старых двигателях, специальной механической системой.

Переход от классических карбюраторных двигателей к инжекторам произошёл в основном из-за возрастания требований к чистоте выхлопа (выпускных газов), и установке современных нейтрализаторов выхлопных газов (каталитических конвертеров или просто катализаторов). Именно система впрыска топлива, контролируемая программой блока управления, способна обеспечить постоянство состава выхлопных газов, идущих в катализатор. Постоянство же состава необходимо для нормальной работы катализатора, так как современный катализатор способен работать лишь в узком диапазоне данного состава, и требует строго определённого содержания кислорода. Именно поэтому в тех системах управления, где установлен катализатор, обязательным элементом является лямбда-зонд, он же кислородный датчик. Благодаря лямбда-зонду система управления, постоянно анализируя содержание кислорода в выхлопных газах, поддерживает точное соотношение кислорода, недоокисленных продуктов сгорания топлива, и оксидов азота, которое способен обезвредить катализатор. Дело в том, что современный катализатор вынужден не только окислять не полностью сгоревшие в двигателе остатки углеводородов и угарный газ, но и восстанавливать оксиды азота, а это — процесс, идущий совершенно в другом (с точки зрения химии) направлении. Желательно также ещё раз окислять окончательно весь поток газов. Это возможно лишь в пределах так называемого «каталитического окна», то есть узкого диапазона соотношения топлива и воздуха, когда катализатор способен выполнить свои функции. Соотношение топлива и воздуха в данном случае составляет примерно 1:14,7 по весу (зависит также от соотношения С к Н в бензине), и удерживается в коридоре приблизительно плюс-минус 5 %. Так как одной из труднейших задач является удержание нормативов по оксидам азота, дополнительно необходимо снижать интенсивность их синтеза в камере сгорания. Делается это в основном снижением температуры процесса горения с помощью добавления определённого количества выхлопных газов в камеру сгорания на некоторых критичных режимах (система рециркуляции выхлопных газов).

Основные вспомогательные системы бензинового двигателя[править | править код]

Системы, специфические для бензиновых двигателей[править | править код]

  • Система зажигания — обеспечивает поджиг топлива в нужный момент. Она может быть контактной, бесконтактной или микропроцессорной. Контактная система включает в себя: прерыватель-распределитель, катушку, выключатель зажигания, свечи. Бесконтактная система включает то же самое оборудование, только вместо прерывателя стоит датчик Холла или индукционный датчик. Микропроцессорная система зажигания управляется специальным блоком-компьютером, она включает в себя датчик положения коленвала, блок управления зажиганием, коммутатор, катушки, свечи, датчик температуры двигателя. У инжекторного двигателя к этой системе добавляются датчик положения дроссельной заслонки и датчик массового расхода воздуха.
  • Система приготовления топливовоздушной смеси — карбюратор или же инжекторная система.

Некоторые особенности современных бензиновых двигателей[править | править код]

  • Для повышения надёжности работы используется индивидуальная катушка зажигания для каждой свечи.
  • Используется по 2 впускных и 2 выпускных клапана на цилиндр вместо одного впускного и одного выпускного. Это позволяет увеличить суммарную площадь отверстий клапанов в головке цилиндра; кроме того, при 4 клапанах на цилиндр каждый отдельный клапан получается более лёгким, что ускоряет закрывание клапанов под действием пружин — это может быть критичным на больших оборотах двигателя. Также 4 клапана на цилиндр позволяют разместить свечу зажигания в центре головки, а не сбоку.
  • Для управления дроссельной заслонкой используется электропривод, а не тросик педали акселератора.

Системы, общие для большинства типов двигателей[править | править код]

  • Система охлаждения
  • Система выпуска отработанных газов. Включает выпускной коллектор, каталитический конвертер (на современных машинах), и глушитель.
  • Система смазки — бывает с отдельным маслобаком (авиация) и без него (почти все современные автомобили; масло заливается в маслозаливную горловину на клапанной крышке двигателя).
  • Система запуска двигателя. Для приготовления двигателя к работе необходимо произвести хотя бы один оборот коленчатого вала, для того, чтобы в одном из цилиндров произошли такты впуска и сжатия. Для запуска четырёхтактного двигателя обычно применяется специальный электромотор — стартер, работающий от аккумулятора. Для запуска маломощных двухтактных бензиновых двигателей можно применять мускульную силу человека, например так работает кикстартер в мотоцикле.

Свободно-поршневой двигатель внутреннего сгорания — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 12 мая 2014; проверки требуют 4 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 12 мая 2014; проверки требуют 4 правки. Схема действия свободно-поршневого генератора горячего газа (СПГГ)

Свободно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (СП ДВС) — двигатель внутреннего сгорания, в котором отсутствует кривошипно-шатунный механизм, а ход поршня от нижней мёртвой точки в верхней мёртвой точки осуществляется под действием давления воздуха, сжатого в буферных ёмкостях, пружины или веса поршня. Указанная особенность позволяет строить только двухтактные СП ДВС. СП ДВС могут использоваться для привода машин, совершающих возвратно-поступательное движение (дизель-молоты, дизель-прессы, электрические генераторы с качающимся якорем), могут работать в качестве компрессоров или генераторов горячего газа[1].

Преимущественное распространение получила схема СП ДВС с двумя расходящимися поршнями в одном цилиндре. Поршни кинематически связаны через синхронизирующий механизм (рычажный или реечный с паразитной шестерней). В отличие от кривошипно-шатунного механизма синхронизирующий механизм воспринимает только разность сил, действующих на противоположные поршни, которая при нормальной работе СП ДВС сравнительно мала. Один поршень управляет открытием впускных окон, а другой — выпускных. Поршни компрессора и поршни буферных ёмкостей жёстко связаны с соответствующими поршнями двигателя.

К достоинствам свободно-поршневых ДВС относится сравнительная простота их конструкции, хорошая уравновешенность, долговечность, компактность. Недостатки — сложность пуска и регулирования, неустойчивость работы на частичных нагрузках (с развитием микропроцессорных систем управления последний недостаток стал неактуальным).

  • Бальян С. В. Техническая термодинамика и тепловые двигатели. — Л: Машиностроение, 1973. — 304 с. — 23 000 экз.

Аксиальные двигатели внутреннего сгорания / Habr


Аксиальный ДВС Duke Engine

Мы привыкли к классическому дизайну двигателей внутреннего сгорания, который, по сути, существует уже целый век. Быстрое сгорание горючей смеси внутри цилиндра приводит к увеличению давления, которое толкает поршень. Тот, в свою очередь, через шатун и кривошип крутит вал.


Классический ДВС

Если мы хотим сделать двигатель помощнее, в первую очередь нужно увеличивать объём камеры сгорания. Увеличивая диаметр, мы увеличиваем вес поршней, что отрицательно сказывается на результате. Увеличивая длину, мы удлиняем и шатун, и увеличиваем весь двигатель в целом. Или же можно добавить цилиндров — что, естественно, также увеличивает результирующий объём двигателя.

С такими проблемами столкнулись инженеры ДВС для первых самолётов. Они, в конце концов, пришли к красивой схеме «звездообразного» двигателя, где поршни и цилиндры расположены по кругу относительно вала через равные углы. Такая система хорошо охлаждается потоком воздуха, но очень уж она габаритная. Поэтому поиски решений продолжались.

В 1911 году Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса представила первый из аксиальных (осевых) ДВС. Их ещё называют «бочковыми», двигателями с качающейся (или косой) шайбой. Оригинальная схема позволяет разместить поршни и цилиндры вокруг основного вала и параллельно ему. Вращение вала происходит за счёт качающейся шайбы, на которую поочерёдно давят шатуны поршней.

У двигателя Макомбера было 7 цилиндров. Изготовитель утверждал, что двигатель был способен работать на скоростях от 150 до 1500 об/мин. При этом на 1000 об/мин он выдавал 50 л.с. Будучи изготовлен из доступных в то время материалов, он весил 100 кг и имел размеры 710×480 мм. Такой двигатель был установлен в самолёт авиатора-первопроходца Чарльза Фрэнсиса Уолша «Серебряный дротик Уолша».

Не остались в стороне и советские инженеры. В 1916-м году появился двигатель конструкции А. А. Микулина и Б. С. Стечкина, а в 1924 г — двигатель Старостина. Об этих двигателях знают, пожалуй, только любители истории авиации. Известно, что детальные испытания, проведенные в 1924 г, выявили повышенные потери на трение и большие нагрузки на отдельные элементы таких двигателей.


Двигатель Старостина из музея авиации в Монино

Гениальный и слегка безумный инженер, изобретатель, конструктор и бизнесмен Джон Захария Делореан мечтал построить новую автомобильную империю в пику существующим, и сделать совершенно уникальный «автомобиль мечты». Все мы знаем машину DMC-12, которую называют просто DeLorean. Она не только стала звездой экрана в фильме «Назад в будущее», но и отличалась уникальными решениями во всём — начиная от алюминиевого кузова на плексигласовом каркасе и заканчивая дверями «крылья чайки». К сожалению, на фоне экономического кризиса производство машины не оправдало себя. А затем Делореан долго судился по подложному делу о наркотиках.

Но мало кто знает, что Делореан хотел дополнить уникальный внешний вид машины ещё и уникальным мотором — среди найденных после его смерти чертежей были и чертежи аксиального ДВС. Судя по его письмам, он задумал такой двигатель ещё в 1954 году, а всерьёз принялся за разработку в 1979-м. В двигателе Делореана было три поршня, и они располагались равносторонним треугольником вокруг вала. Но каждый поршень был двусторонним — каждый из концов поршня должен был работать в своём цилиндре.


Чертёж из тетради Делореана

По каким-то причинам рождение двигателя не состоялось — возможно, потому, что разработка автомобиля с нуля вышло достаточно сложным предприятием. На DMC-12 устанавливали 2,8-литровый двигатель V6 совместной разработки Peugeot, Renault и Volvo мощностью 130 л. с. Пытливый читатель может изучить сканы чертежей и заметок Делореана на этой странице.


Экзотический вариант аксиального двигателя — «двигатель Требента»

Тем не менее, такие двигатели не получили широкого распространения — в большой авиации постепенно состоялся переход на турбореактивные двигатели, а в автомобилях по сию пору используется схема, в которой вал перпендикулярен цилиндрам. Интересно только, почему такая схема не прижилась в мотоциклах, где компактность пришлась бы как раз кстати. По-видимому, они не смогли предложить какой-либо существенной выгоды по сравнению с привычным нам дизайном. Сейчас такие двигатели существуют, но устанавливаются в основном в торпедах — благодаря тому, как хорошо они вписываются в цилиндр.



Вариант под названием «Цилиндрический энергетический модуль» с двусторонними поршнями. Перпендикулярные штоки в поршнях описывают синусоиду, двигаясь по волнистой поверхности

Главная отличительная черта аксиального ДВС — компактность. Кроме того, в его возможности входит изменение степени сжатия (объёма камеры сгорания) просто путём изменения угла наклона шайбы. Шайба качается на валу благодаря сферическому подшипнику.

Однако новозеландская компания Duke Engines в 2013 году представила свой современный вариант аксиального ДВС. В их агрегате пять цилиндров, но всего лишь три форсунки для впрыска топлива и — ни одного клапана. Также интересной особенностью двигателя является тот факт, что вал и шайба вращаются в противоположных направлениях.

Внутри двигателя вращаются не только шайба и вал, но и набор цилиндров с поршнями. Благодаря этому удалось избавиться от системы клапанов — движущийся цилиндр в момент зажигания просто проходит мимо отверстия, куда впрыскивается топливо и где стоит свеча зажигания. На стадии выпуска цилиндр проходит мимо выпускного отверстия для газов.

Благодаря такой системе количество необходимых свечей и форсунок получается меньшим, чем количество цилиндров. А на один оборот приходится в сумме столько же рабочих ходов поршня, как у 6-цилиндрового двигателя обычного дизайна. При этом вес аксиального двигателя на 30% меньше.

Кроме того, инженеры из Duke Engines утверждают, что и степень сжатия их двигателя превосходит обычные аналоги и составляет 15:1 для 91-го бензина (у стандартных автомобильных ДВС этот показатель равен обычно 11:1). Все эти показатели могут привести к уменьшению расхода топлива, и, как следствие — к уменьшению вредного воздействия на окружающую среду (ну или к увеличению мощности двигателя — в зависимости от ваших целей).

Сейчас компания доводит двигатели до коммерческого применения. В наш век отработанных технологий, диверсификации, экономии на масштабе и т.п. сложно представить, как можно серьёзно повлиять на индустрию. В Duke Engines, по-видимому, это тоже представляют, поэтому намереваются предлагать свои двигатели для моторных лодок, генераторов и малой авиации.


Демострация малых вибраций двигателя Duke

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 18 августа 2014; проверки требуют 6 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 18 августа 2014; проверки требуют 6 правок.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания (комбинированный ДВС) — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой (роторно-поршневой) и лопаточной машины (турбина, компрессор), в котором в осуществлении рабочего процесса участвуют обе машины.

Схемы с механической связью поршневых и лопаточных машин[править | править код]

  • Поршневой ДВС с лопаточным нагнетателем — простейший и наиболее старый тип комбинированных ДВС. Лопаточный компрессор-нагнетатель приводится в действие через механическую передачу от коленчатого вала поршневого ДВС. В лопаточной машине происходит часть процесса сжатия заряда. Широко применялся до 60-х годов в авиации (например, на самолете Ан-2), а также на судовых высокофорсированных дизелях М400. К достоинствам следует отнести хорошую согласованность производительности нагнетателя и потребности поршневой машины в свежем заряде как в установившемся режиме работы, так и в режиме разгона. Основной недостаток — значительный отбор полезной мощности от поршневой машины, из за чего эта схема в новых типах двигателей применяется сравнительно редко.
  • Поршневой ДВС с дополнительной турбиной, отдающей мощность на коленчатый вал — в этой схеме энергия отработавших газов поршневого ДВС совершает работу в газовой турбине, которая, посредством механической передачи поступает на коленчатый вал поршневого двигателя. То есть часть процесса расширения происходит в лопаточной машине (газовой турбине). К достоинствам схемы следует отнести преобразование энергии отработавших газов в механическую, что позволяет повысить КПД агрегата. К недостаткам следует отнести сложность согласования моментно-скоростных характеристик поршневого ДВС и газовой турбины (для этих целей приходится применять гидротрансформатор). Наилучшие результаты достигаются при работе поршневого ДВС при высоких давлениях наддува (от приводного компрессора или турбокомпрессора). На практике такая схема (под торговой маркой Turbo Compound используется в двигателях большегрузных автомобилей Scania.
  • Поршневой ДВС с лопаточным нагнетателем и дополнительной турбиной, отдающей мощность на коленчатый вал, — комбинация двух вышеуказанных схем.
  • Газотурбинный ДВС c поршневым компрессором — в лопаточной машине (газовой турбине) осуществляются процессы сгорания и расширения, а поршневая машина, приводимая в движение от газовой турбины, используется для сжатия заряда. Информация о практической реализации подобной схемы отсутствует.

Схемы с газовой связью поршневых и лопаточных машин[править | править код]

  • Поршневой ДВС с турбокомпрессором — отработавшие газы поршневого ДВС совершают работу в газовой турбине, которая приводит в действие лопаточный компрессор, обеспечивающий наддув поршневого ДВС. Данная схема, называемая турбонаддувом, в настоящее время получила очень широкое распространение, так как позволяет получать высокие литровые мощности поршневых ДВС, не расходуя на наддув полезную мощность, развиваемую поршневой машиной. Однако по приемистости ДВС с турбонаддувом уступают ДВС с приводным компрессором, что обусловлено инерцией ротора турбокомпрессора и инерцией газов во впускном и выпускном трактах. Для устранения указанного недостатка на автомобилях и тепловозах применяют ДВС, снабженные несколькими турбокомпрессорами, имеющими рабочие колеса с малым моментом инерции и расположенные в непосредственной близости от впускных и выпускных клапанов. На тракторах и судах, где специальных требований к приемистости не предъявляется, наоборот, применяются турбокомпрессоры с крупногабаритными рабочими колесами, которые лучше переносят длительную работу в режимах, близких к максимальной мощности.
  • ДВС с турбиной для привода вспомогательных агрегатов — для привода вспомогательных агрегатов (электрогенераторов, систем кондиционирования воздуха) могут использоваться газовые турбины, использующие энергию отработавших газов ДВС (в том числе и оснащенных турбонаддувом). Такой способ нашел применение на речных и морских судах для привода электрических генераторов, так как привод генератора от коленчатого вала низкооборотистого судового двигателя затруднен. На речных судах типа «Заря» (выпущенных в 80-х годах) и «Восход» газовая турбина служила приводом компрессора системы кондиционирования воздуха.
  • Поршневой ДВС с наддувом в роли генератора горячего газа с отбором мощности от газовой турбины — при высоком давлении наддува двигателя внутреннего сгорания большая часть энергии, выделяемой в ходе рабочего процесса, уходит с отработавшими газами. Удельная мощность такой газовой струи весьма высока, что позволяет использовать её в газовой турбине. Рассматриваемая схема получила распространение, хотя и ограниченное, в стационарных силовых установках, там, где требуется получение большой мощности при высокой частоте вращения выходного вала — свыше 6000 об/мин. В качестве поршневого ДВС-генератора газа преимущественно используются свободно-поршневые генераторы газа. С развитием стационарных газотурбинных ДВС применение рассмотренной схемы сокращается.
  • Газотурбинный ДВС в роли компрессора воздуха, отдаваемого в поршневой двигатель — часть воздуха (как правило, большая), сжимаемого в газотурбинном ДВС, отводится в поршневую машину — пневматический двигатель или поршневой ДВС в режиме пуска сжатым воздухом. Схема нашла применение в системах пуска крупных судовых, стационарных, а также танковых двигателей. Рассматривался подобный вариант и для привода локомотивов (при этом двигатель-компрессор, установленный на паровозе вместо котла, должен был питать сжатым воздухом цилиндры паровой машины).

История появления комбинированных ДВС[править | править код]

Создание комбинированных ДВС связано с попытками устранить недостатки, присущие поршневым двигателям внутреннего сгорания, выявленные еще на ранних этапах их развития.

Одним из существенных недостатков поршневого двигателя внутреннего сгорания является то, что значительное количество энергии (тепловой и кинетической), получаемой при сжигании топливно-воздушной смеси в цилиндрах, уносится с отработавшими газами, не совершая работы в поршневой машине. Другим недостатком чисто поршневых двигателей внутреннего сгорания является невозможность получения больших значений мощности на единицу рабочего объема, что связано с ограниченным количеством воздуха (смеси), всасываемого в цилиндр в процессе впуска, а именно — давление воздуха (смеси) в цилиндре в конце такта всасывания всегда будет меньше атмосферного. Последний недостаток особенно остро проявляется в авиации, где по мере набора высоты из-за снижения атмосферного давления ухудшалось наполнение цилиндров, и, следовательно, падала мощность поршневых двигателей.

Для улучшения наполнения цилиндров авиационных ДВС, особенно на больших высотах, в 30-х годах 20-го века стали применять предварительное сжатие воздуха в лопаточном компрессоре (нагнетателе), приводимом в действие от коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания. В такой комбинированной машине часть теплового цикла ДВС, а именно часть цикла сжатие осуществлялось в лопаточном копмрессоре. В такте впуска воздух (горючая смесь) поступал в цилиндр двигателя под избыточным давлением, что увеличивало массу заряда. Это позволило, во-первых, повысить мощность двигателей без увеличения рабочего объема (и соответственно массы двигателя) и без повышения числа оборотов (повышение числа оборотов снижает КПД воздушного винта и увеличивает механические потери в двигателе). Также решилась проблема падения мощности на больших высотах.

Однако на привод лопаточного компрессора от коленчатого вала затрачивалась часть (притом весьма существенная — порядка 10 % — 20 %) мощности двигателя, а возможность отбора возросшей при наддуве мощности отработавших газов не использовалась.

С развитием газовых турбин в 50-х, 60-х годах появилась возможность осуществлять привод лопаточного компрессора нагнетателя не от коленчатого вала, а от газовой турбины, приводимой в действие энергией отработавших газов поршневой машины. Возникли двигатели с турбонаддувом, которые в настоящее время получили весьма широкое распространение.

Другие схемы комбинированных ДВС используются для решения специфических задач и широкого применения не нашли.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*