Двигатель внешнего сгорания: виды, принцип работы, особенности. Двигатель внешнего сгорания


виды, принцип работы, особенности :: SYL.ru

Двигатели внешнего сгорания стали использоваться тогда, когда людям потребовался мощный и экономичный источник энергии. До этого использовались паровые установки, однако они были взрывоопасными, так как использовали горячий пар под давлением. В начале 19 века им на смену пришли устройства с внешним сгоранием, а еще через несколько десятков лет были изобретены уже привычные приборы с внутренним сгоранием.

Происхождение устройств

В 19 веке человечество столкнулось с проблемой, которая заключалась в том, что паровые котлы слишком часто взрывались, а также имели серьезные конструктивные недостатки, что делало их использование нежелательным. Выход был найден в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Эти устройства можно также называть "двигателями горячего воздуха", которые применялись еще в 17 веке, однако этот человек добавил к изобретению очиститель, называющийся в настоящее время регенератором. Таким образом, двигатель внешнего сгорания Стирлинга был способен сильно повысить производительность установки, так как он сохранял тепло в теплой рабочей зоне, в то время как рабочее тело охлаждалось. Из-за этого эффективность работы всей системы была значительно увеличена.

В то время изобретение использовалось достаточно широко и находилось на подъеме своей популярности, однако со временем его перестали использовать, и о нем забыли. На смену оборудованию внешнего сгорания пришли паровые установки и двигатели, но уже привычные, с внутренним сгоранием. Вновь о них вспомнили лишь в 20 веке.

Работа установки

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в том, что в нем постоянно чередуются два этапа: нагревание и охлаждение рабочего тела в замкнутом пространстве и получение энергии. Данная энергия возникает из-за того, что постоянно изменяется объем рабочего тела.

Чаще всего рабочим веществом в таких устройствах становится воздух, однако возможно использование еще и гелия или водорода. В то время пока изобретение находилось на стадии разработки, в качестве опытов использовались такие вещества, как двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан. В некоторых образцах пытались применять даже обычную воду. Стоит отметить, что двигатель внешнего сгорания, который запускали с водой в качестве рабочего вещества, отличался тем, что у него была достаточно высокая удельная мощность, высокое давление, а сам он был достаточно компактным.

Первый тип двигателя. «Альфа»

Первой моделью, которая использовалась, стала «Альфа» Стирлинга. Особенность его конструкции состоит в том, что она имеет два силовых поршня, находящихся в разных в раздельных цилиндрах. Один из них имел достаточно высокую температуру и был горячим, другой, наоборот, холодным. Внутри теплообменника с высокой температурой располагалась горячая пара цилиндр-поршень. Холодная пара находилась внутри теплообменника с низкой температурой.

Основными преимуществами теплового двигателя внешнего сгорания стало то, что они имели высокую мощность и объем. Однако температура горячей пары при этом была слишком велика. Из-за этого возникали некоторые технические трудности в процессе изготовления таких изобретений. Регенератор данного устройства находится между горячей и холодной соединительными трубками.

Второй образец. «Бета»

Вторым образцом стала модель «Бета» Стирлинга. Основное конструктивное отличие заключалось в том, что имелся лишь один цилиндр. Один из его концов выполнял роль горячей пары, а другой конец оставался холодным. Внутри данного цилиндра перемещался поршень, с которого можно снимать мощность. Также внутри имелся вытеснитель, который отвечал за изменение объема горячей рабочей зоны. В данном оборудовании использовался газ, который перекачивался из холодной зоны в горячую через регенератор. Этот вид двигателя внешнего сгорания обладал регенератором в виде внешнего теплообменника или же совмещался с поршнем-вытеснителем.

Последняя модель. «Гамма»

Последней разновидностью данного двигателя стала «Гамма» Стирлинга. Этот тип отличался не только наличием поршня, а также вытеснителя, а еще и тем, что в его конструкцию входили уже два цилиндра. Как и в первом случае один из них был холодным и использовался он для отбора мощности. А вот второй цилиндр, как в предыдущем случае, был холодным с одного конца и горячим с другого. Здесь же перемещался вытеснитель. В поршневом двигателе внешнего сгорания также имелся регенератор, который мог быть двух типов. В первом случае он был внешним и соединял между собой такие конструктивные части, как горячую зону цилиндра с холодной, а также с первым цилиндром. Второй тип – это внутренний регенератор. Если использовался этот вариант, то он входил в конструкцию вытеснителя.

Использование Стирлингов обосновано в том случае, если необходим простой и небольшой преобразователь тепловой энергии. Также его можно использовать в том случае, если разница температур недостаточно велика, чтобы использовать газовые или же паровые турбины. Стоит отметить, что на сегодняшний день такие образцы стали использоваться чаще. К примеру, используются автономные модели для туристов, которые способны работать от газовой конфорки.

Применение устройств в настоящее время

Казалось бы, что такое старое изобретение не может использоваться в наши дни, однако это не так. NASA заказало двигатель внешнего сгорания типа Стирлинга, однако в качестве рабочего вещества должны использоваться ядерные и радиоизотопные источники тепла. Кроме этого, он также успешно может быть использован в следующих целях:

  • Использовать такую модель двигателя для перекачки жидкости гораздо проще, чем обычный насос. Во многом это благодаря тому, что в качестве поршня можно применять саму перекачиваемую жидкость. Кроме того, она же и будет охлаждать рабочее тело. К примеру, такой вид "насоса" можно использовать, чтобы накачивать воду в ирригационные каналы, используя для этого солнечное тепло.
  • Некоторые изготовители холодильников склоняются к установке таких устройств. Стоимость продукции удастся снизить, а в качестве хладагента можно применять обычный воздух.
  • Если совместить двигатель внешнего сгорания этого типа с тепловым насосом, то можно оптимизировать работу тепловой сети в доме.
  • Довольно успешно Стирлинги используются на подводных лодках ВМС Швеции. Дело в том, что двигатель работает на жидком кислороде, который впоследствии используется для дыхания. Для подводной лодки это очень важно. К тому же такое оборудование обладает достаточно низким уровнем шума. Конечно, агрегат достаточно большой и требует охлаждения, но именно эти два фактора несущественны, если речь идет о подводной лодке.

Преимущества использования двигателя

Если во время конструирования и сборки применить современные методы, то удастся поднять коэффициент полезного действия двигателя внешнего сгорания до 70%. Использование таких образцов сопровождается следующими положительными качествами:

  • Удивительно, однако крутящий момент в таком изобретении практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала.
  • В данном силовом агрегате отсутствуют такие элементы, как система зажигания и клапанная система. Также здесь отсутствует распредвал.
  • Достаточно удобно то, что на протяжении всего периода использования не потребуется проводить регулировку и настройку оборудования.
  • Данные модели двигателя не способны "заглохнуть". Простейшая конструкция аппарата позволяет использовать его достаточно продолжительное время в полностью автономном режиме.
  • В качестве источника энергии можно использовать практически все, начиная от дров и заканчивая урановым топливом.
  • Естественно, что в двигателе внешнего сгорания процесс сжигания веществ осуществляется снаружи. Это способствует тому, что топливо дожигается в полном объеме, а количество токсических выбросов минимизируется.

Недостатки

Естественно, что любое изобретение не лишено недостатков. Если говорить о минусах таких двигателей, то они заключаются в следующем:

  1. Из-за того что сгорание осуществляется вне двигателя, отвод получаемого тепла происходит через стенки радиатора. Это вынуждает увеличивать габариты устройства.
  2. Материалоемкость. Для того чтобы создать компактную и эффективную модель двигателя Стирлинг, необходимо иметь качественную жаропрочную сталь, которая сможет выдержать большое давление и высокую температуру. Кроме того, должна быть низкая теплопроводность.
  3. В качестве смазки придется покупать специальное средство, так как обычное коксуется при высоких температурах, которые достигаются в двигателе.
  4. Для получения достаточно высокой удельной мощности придется использовать либо водород, либо гелий в качестве рабочего вещества.

Водород и гелий в качестве топлива

Получение высокой мощности, конечно же, необходимо, однако нужно понимать, что использование водорода или гелия достаточно опасно. Водород, к примеру, сам по себе достаточно взрывоопасен, а при высоких температурах он создает соединения, которые называются металлогидритами. Это происходит, когда водород растворяется в металле. Другими словами, он способен разрушить цилиндр изнутри.

Кроме того, и водород, и гелий – это летучие вещества, которые характеризуются высокой проникающей способностью. Если говорить проще, то они достаточно легко просачиваются сквозь практически любые уплотнения. А потери вещества означают потери в рабочем давлении.

Роторный двигатель внешнего сгорания

Сердце такой машины – это роторная машина расширения. Для двигателей с внешним типом сгорания этот элемент представлен в виде полого цилиндра, который с обеих сторон прикрыт крышками. Сам по себе ротор имеет вид колеса, который посажен на вал. Также у него имеется определенное количество П-образных выдвигающихся пластин. Для их выдвижения используется специальное выдвижное устройство.

Двигатель внешнего сгорания Лукьянова

Юрий Лукьянов – это научный сотрудник Псковского политехнического института. Он уже достаточно давно занимается разработкой новых моделей двигателей. Ученый старался сделать так, чтобы в новых моделях отсутствовали такие элементы, как коробка передач, распредвал и выхлопная труба. Основной недостаток устройств Стирлинга заключался в том, что они имели слишком большие габариты. Именно этот недостаток ученому и удалось устранить за счет того, что лопасти были заменены на поршни. Это помогло уменьшить размер всей конструкции в несколько раз. Некоторые говорят о том, что можно сделать двигатель внешнего сгорания своими руками.

www.syl.ru

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: топливо горит снаружи

Эта статья посвящена одному изобретению, запатентованному ещё в девятнадцатом веке шотландским одним священником Стирлингом. Как и все предшественники, это был двигатель внешнего сгорания. Только отличие его от остальных в том, что он может работать и бензине, и на мазуте, и даже на угле и дровах.

Двигатель внешнего сгорания. История открытия Стирлинга

В XIX веке возникла необходимость замены паровых двигателей на что-то более безопасное, так как котлы часто взрывались из-за высокого давления пара и некоторых серьезных конструктивных недостатков.

Хорошим вариантом стал двигатель внешнего сгорания, который запатентовал в 1816 году шотландский священник Роберт Стирлинг.

Правда, «двигатели горячего воздуха» делали и раньше, ещё в XVII веке. Но Стирлинг добавил в установку очиститель. В современном понимании ‒ регенератор.

Он повысил производительность установки, сохраняя тепло в тёплой зоне машины, в тот момент, когда рабочее тело охлаждалось. Это значительно увеличило эффективность системы.

Изобретение нашло широкое практическое применение, была стадия подъема и развития, но затем Стирлинги были незаслуженно забыты.

Они уступили место паровым машинам и двигателям внутреннего сгорания, а в двадцатом веке снова возродились.

Ввиду того что этот принцип внешнего сгорания сам по себе очень интересен, сегодня над созданием новых моделей трудятся лучшие инженеры и любители в США, Японии, Швеции…

Двигатель внешнего сгорания. Принцип работы

«Стирлинг» ‒ как мы уже упоминали, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основной принцип его работы заключается в постоянном чередовании нагревания и охлаждения рабочего тела в замкнутом пространстве и получении энергии, благодаря возникающему при этом изменению объёма рабочего тела.

Как правило рабочим телом выступает воздух, но может использоваться водород или гелий. В опытных образцах пробовали двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан и даже воду.

Кстати, вода пребывает в жидком состоянии на протяжении всего термодинамического цикла. А сам «стирлинг» с жидким рабочим телом имеет компактные размеры, высокую удельную мощность и высокое рабочее давление.

Виды стирлингов

Существуют три классических вида двигателя Стирлинга:

  • Альфа-Стирлинг ‒ имеет два раздельных силовых поршня расположенных в раздельных цилиндрах. Один из них ‒ горячий, а другой ‒ холодный. Горячая пара «цилиндр и поршень» расположены в теплообменнике с высокой температурой, холодная пара «цилиндр и поршень» ‒ с пониженной температурой. У этого вида соотношение мощности и объёма достаточно велико, хотя, и очень высокая температура «горячего» поршня, что создаёт технические трудности при изготовлении.Регенератор расположен между горячей и холодной соединительными трубками;
  • В модели Бета-Стирлинг ‒ всего один цилиндр. Он горячий на одном конце и холодный на другом. Внутри цилиндра перемещаются поршень (с него снимают мощность) и вытеснитель (он изменяет объём горячей зоны). Газ качается из холодной зоны цилиндра в горячую сквозь регенератор. Регенераторы бывают внешними, в виде части теплообменника, или совмещёнными с поршнем-вытеснителем;
  • В варианте Гамма-Стирлинг тоже присутствуют поршень и вытеснитель, но здесь уже два цилиндра: первый холодный (где движется поршень для отбора мощности), и второй ‒ горячий с одной стороны и холодный с другой (там перемещается вытеснитель). Регенератор также может быть внешним, тогда он соединяет горячую зону второго цилиндра с холодной и с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор конструктивно входит в состав вытеснителя;

Применение

Двигатель Стирлинга можно применять в случаях, если требуется простой, компактный преобразователь тепловой энергии или когда эффективность других типов тепловых машин ниже: к примеру, если разница температур недостаточна для использования газовой или паровой турбины.

Вот конкретные примеры использования:

  • Уже сегодня выпускаются автономные генераторы для туристов. Есть модели, которые работают от газовой конфорки;

NASA заказало вариант генератора на основе «стирлинга», который работает от ядерного и радиоизотопного источников тепла. Он будет использоваться в космических экспедициях.

  • «Стирлинг» для перекачки жидкости гораздо проще установки «двигатель-насос». В качестве рабочего поршня он может использовать перекачиваемую жидкость, которая будет заодно охлаждать рабочее тело.Таким насосом можно накачивать воду в ирригационные каналы, используя солнечное тепло, подавать горячую воду от солнечного коллектора в дом, перекачивать химические реагенты, поскольку система полностью герметична;
  • Производителей бытовых холодильников внедряют модели на «стирлингах». Они будут экономнее, а в качестве хладагента предполагается использоваться обычный воздух;
  • Совмещённый Стирлинг с тепловым насосом оптимизирует систему отопления в доме. Он будет отдавать бросовое тепло «холодного» цилиндра, а полученную механическую энергию может использовать для подкачки тепла, которое идет из окружающей среды;
  • Сегодня на всех подводных лодках ВМС Швеции установлены двигатели Стирлинга. Они работают на жидком кислороде, который в дальнейшем используется для дыхания. Очень важный фактор для лодки, низкий уровень шума, а недостатки типа: «большой размер», «необходимость охлаждения» – в условиях подводной лодки не существенны. Аналогичными установками оснащены и новейшие японские подводные лодки типа «Сорю»;
  • Двигатель Стирлинга используется для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого он монтируется в фокусе параболического зеркала. Компания Stirling Solar Energy строит солнечные коллекторы мощностью до 150 кВт на зеркало. Они используются на крупнейшей в мире солнечной электростанции в южной Калифорнии.

Преимущества и недостатки

Современный уровень проектирования и технологии изготовления позволяют повысить коэффициент полезного действия «Стирлинга» до 70 процентов.

Плюсы:

  • Что удивительно, крутящий момент двигателя практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала;
  • Силовая установка не содержит системы зажигания, клапанной системы и распредвала.
  • На протяжении всего срока эксплуатации не нужны регулировки и настройки.
  • Двигатель не «глохнет», а простота конструкции позволяет эксплуатировать его в автономном режиме продолжительное время;
  • Можно использовать любые источники тепловой энергии, от дров до уранового топлива.
  • Сжигание топлива происходит вне двигателя, что способствует его полному дожиганию и минимизации выбросов токсичных веществ.

Минусы:

  • Так как топливо сгорает вне двигателя, то отвод тепла идёт через стенки радиатора, а это дополнительные габариты;
  • Материалоемкость. Чтобы сделать Стирлинг-машину компактной и мощной требуются дорогие жаропрочные стали, способные выдерживать высокое рабочее давление и имеющие низкую теплопроводность;
  • Нужна специальная смазка, обычная для «Стирлингов» не подходит, так как коксуется при высоких температурах;
  • Чтобы получить высокую удельную мощность, рабочее тело в «Стирлингах» применяют водород и гелий.

Водород отличается взрывоопасностью, а при высоких температурах может растворяться в металлах, образуя при этом металлогидриты. Иными словами, происходит разрушение цилиндров двигателя.

А ещё водород и гелий обладают высокой проникающей способностью и легко просачиваются через уплотнения, понижая рабочее давление.

Если вы, познакомившись с нашей статьёй, захотите приобрести устройство — двигатель внешнего сгорания, не бегите в ближайший магазин, такая штука не продаётся, увы…

Сами понимаете, те, кто занимается усовершенствованием и внедрением этой машины, держат свои разработки в секрете и продают их только солидным покупателям.

Но если вы поделитесь ссылкой на статью в социальных сетях, то возможно ваш комментарий прочитают заинтересованные люди и вы сможете пообщаться с единомышленниками на эту тему.

И не забудьте подписаться на наш блог – уверен, вас ждёт много интересного.

Смотрите это видео и делайте своими руками.

 

auto-ru.ru

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.

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.

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.

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!

 

Оценка статьи:

Загрузка...

motorsguide.ru

Двигатели внешнего сгорания : Чириков К. Ю.

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 (рис. 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 рис. 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 (рис. 14).

Рис. 13. Циклы тепловых машин:

/ — цикл Карно; // — цикл Стирлинга; /// — цикл Эриксона; IV — цикл Стирлинга в Р—V координатах; / и 3 — изотермы; 2 и 4 — изохоры

В двигателе имеются два поршня и две камеры: сжа­тия (между поршнями) и нагрева (над верхним порш­нем). Через центр основного рабочего поршня / 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 и 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 «стирлинга», 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 рис. 13 (в координатах Т—S) внутри идеального парал­лелограмма, характеризующего цикл Стирлинга, 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 (рис. 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 (рис. 15, а) траектория точек кри­вошипа, определяющих движение поршней, — окруж­ность. В новом приводе (рис. 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 рис. 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 (рис. 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 (рис. 16) применен бесшатунный механизм 6 С. С. Баландина. «Стерлинг» 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.

Двигатель Андреева и Меркулова двухстороннего действия. Когда рабочий ход с одной стороны поршня заканчивается, тепловые трубки «перекачивают» избы­ток тепла в противоположную камеру нагрева. Тем са­мым температура зоны нагрева выравнивается и ее можно существенно повысить. Двухсторонним действи­ем новый «стерлинг» обязан механизму С. Баландина. Из всех известных только механизм С. Баландина по­зволяет осуществить двухстороннее действие с макси­мальной выгодой при минимальном увеличении габа­ритов и максимально возможном механическом КПД.

В двигателе Андреева—Меркулова поршни-вытесни­тели 2 и основные рабочие поршни 1 установлены в от­дельных цилиндрах, а с каждой стороны поршня рас­положена самостоятельная камера. Камеры попарно соединены между собой трубопроводами, на которых укреплены ребра холодильников. В каждой паре камер осуществляется цикл одноцилиндрового «стирлинга».

На схеме, иллюстрирующей принцип действия одно­

цилиндрового «стирлинга» (см. рис. 14), хорошо видна асинхронность движения поршней, обеспечиваемая па-раллелограммным механизмом. Тот же эффект дости­гается и в бесшатунном механизме С. Баландина и в любом другом многошатунном механизме, если шейки коленчатого вала сместить на некоторый угол.

Коэффициент полезного действия уже построенных двигателей внешнего сгорания достигает 40%. По рас­четам В. Андреева и А. Меркулова повысить его ми­нимум на 15% можно, только применив тепловые труб­ки. Не меньше даст механизм С. Баландина. Реальный КПД машины приблизится к теоретическому— 70% f Это почти вдвое выше, чем у лучших ДВС нашего вре­мени. Прибавьте сюда «стерильность» двигателя Стир­линга.

За рубежом испытывали двигатель внешнего сгора­ния для легкового автомобиля. Оказалось, что концент­рация СО в выхлопных газах понизилась в 17—25 раз, окислов азота — почти в 200 (!), углеводородов — в 100 раз.

«Стирлинг», спроектированный В. Андреевым и А. Меркуловым, при мощности 50 л. с. весит 70 кг, или 1,4 кг/л. с. — на уровне лучших образцов карбюратор­ных автомобильных двигателей. И это не преувеличе­ние. В результате использования механизма С. С. Ба­ландина сократился габарит, а от -давления в картере авторы избавились установкой на штоке перекатываю­щейся резиновой мембраны, которая способна выдер­живать давления до 60 кг/см2 (обычно в запоршневом пространстве этих двигателей около 40 кг/см2). Тепло­вые трубки увеличили мощность при тех же габаритах. Вскоре после получения авторского свидетельства изо­бретатели обнаружили выданный чуть позднее фирме «Дженерал моторе» патент США, где оговорено приме­нение тепловых трубок для подвода тепла внутрь дви­гателя внешнего сгорания. Смысл один, суть несколь­ко разная.

Двигатели внешнего сгорания известны более 150 лет. Коэффициент полезного действия первого из них был равен 0,14 %! Можно сказать, что родились они раньше времени. Существенные недостатки долгое вре­мя держали их на «задворках». Всплески технической мысли, подобные идее В. Андреева и А. Меркулова, открывают перед ними зеленую улицу.

Существует и другой интереснейший путь приближе­ния эффективности «стерлингов» к теоретической, так­же найденный советскими учеными — сотрудниками Ин­ститута ядерной энергетики АН БССР. В ряде автор­ских свидетельств № 166202, 213039, 213042, 201434. ав­торами которых являются И. М. Ковтун, Б. С. Стрчкин, А. Н. Наумов, С. Л. Косматое, излагаются способы, по­зволяющие обойти вековечный запрет термодинамики и построить тепловые машины с эффективностью выше, чем у цикла Карно. Это утверждение, опровергающее азбучные истины, известные всем теплотехникам, зву­чит на первый взгляд парадоксально. И вместе с тем такие машины возможны. Во всех без исключения фун­даментальных трудах, посвященных тепловым маши­нам, предполагается, что свойства рабочих тел — газов во время работы не меняются. Суть пути, предложенно­го белорусскими учеными, — изменение этих свойств. Последнее возможно, если во время цикла в рабочих газах или их смесях происходят обратимые химические реакции. Так, например, термический КПД турбины может быть увеличен втрое, если при нагреве рабочее тело будет диссоциировать, а при бхлаждении рекомби-нировать. Такими телами могут быть газообразная се­ра, йод, окислы азота, кобальт, треххлористый алюми­ний.

В частности, треххлористый алюминий уже сейчас рассматривается как перспективное рабочее тело для «гелиостирлингов», работать которым предстоит в кос­мосе. Главная проблема при этом — отвод тепла от хо­лодильника. Иного пути, чем излучение тепла в прост­ранство, там нет. Чтобы этот процесс был эффективным, температура холодильника-радиатора должна быть до­статочно высокой, не менее 300° С. Верхний же предел температуры такой же, как на Земле: от 600 до 800° С. Его ограничивает теплостойкость существующих мате­риалов. В этих условиях эффективность обычного «стир­линга» существенно снижается, а применение диссоци­ирующего газа позволит не только в 2—3 раза увели­чить мощность, но и примерно вдвое повысить КПД.

Несомненно, что от таких преимуществ грех отказы­ваться и на Земле. Поэтому тем, чья деятельность свя­зана с тепловыми машинами, можно порекомендовать внимательнейшим образом изучить работы белорусских ученых. В них таятся и возможность создания крупных

тепловых машин с КПД, близким к 100%, и база для постройки автомобильных двигателей внешнего сгора­ния невиданной экономичности.

Первые положительные результаты уже имеются. Голландские инженеры заставили рабочее тело холо­дильной машины, работающей по циклу Стирлинга, со­вершать фазовые превращения и вдвое увеличили ее холодопроизводительность. Теперь дело за двигатели-стами!

Паровые двигатели. Повествуя о двигателях внеш­него сгорания, нельзя не упомянуть о паровых машинах. Этот вид привода, еще 100 лет назад бывший самым распространенным, сегодня расценивается как экзоти­ческий. А объясняется это лишь тем, что ДВС практи­чески вытеснили паровые машины с автомобилей, хотя мелкосерийное производство паромобилей существовало вплоть до... 1927 г.

Энтузиасты пара приводят много доводов в пользу возрождения двигателя наших дедов. И в первую оче­редь соображения о высокой «стерильности» двигателя. В этом отношении паровая машина имеет те же преиму­щества, что и двигатель Стирлинга: в продуктах сгора­ния теоретически присутствуют лишь двуокись углеро­да и водяной пар, а количество окиси азота может быть даже еще меньшим, так как требуемая температура го­раздо ниже. Кроме того, в результате более полного сгорания общее количество «выхлопа» по сравнению с ДВС ниже примерно на 1%.

Отнюдь не низок и КПД современных паровых ма­шин. Он может быть доведен до 28% и, таким образом, быть соизмеримым с КПД карбюраторных ДВС. При этом следует отметить, что, например, общая эффектив­ность электромобилей (с учетом процесса получения электроэнергии) не превышает 15%, т. е. в глобальном масштабе парк «стирлингов» и паромобилей загрязнял бы атмосферу практически вдвое меньше, чем анало­гичный парк электроэкипажей. А если учесть и исклю­чительные эксплуатационные качества паровых машин, то возобновление интереса к ним уже не кажется сколь-либо необоснованным. О возобновлении интереса сви­детельствуют не только журнальные статьи и «свежие» патенты, но и торговля патентами на паровые машины.

Принципиальная схема одноконтурного варианта автомобильного  парового  двигателя  приведена на

рис. 17. Источник тепла / доводит до кипения рабочую жидкость в котле 2. Именно «рабочую жидкость», так как ею может быть не только вода, но и другие агенты с приемлемыми температурами кипения (конденсации) и теплотехническими .параметрами. Одним из перспек­тивных агентов является, например, фреон-113, темпе­ратура кипения которого (48° С) вдвое ниже, че*і у воды.

Через распределительный механизм 3 пар поступает в собственно паровой двигатель 4. Отработанный пар конденсируется потоком воздуха от вентилятора 5 в конденсаторе 6, предварительно отдав часть тепла жид­кости в рекуперативном теплообменнике 7. В теплооб­менник и далее в котел жидкость подается насосом 8. Такие элементы схемы, как двигатель 4, конденсатор £ (радиатор) и насос 8, входят в состав любого автомо­биля. Добавляются только котел 2 с нагревателем / и теплообменник 7.

В качестве двигателя 4 могут быть использованы практически любые как поршневые, так и ротационные машины или даже турбины. Поэтому к паровому при­

воду применимы почти все технические решения, опи­санные в настоящей брошюре.

Преимущества описанных механизмов в сочетании с особенностями паровых машин позволят создать высо­коэффективные приводы транспортных средств. Ведь азбучные достоинства современных автомобилей — бес­шумность, приемистость, плавность хода — относитель­ны. Истинному смыслу этих слов в полной мере соот­ветствуют как раз паромобили. В них нет резкой смены давления при выхлопе, а следовательно, нет главного источника шума, а заодно и системы глушения звука выхлопа. Мало кто мог в последнее время видеть паро­мобиль. А вот паровозы помнят, наверное, все. Вспом­ним, что даже с тяжелым составом трогались с места они абсолютно бесшумно и исключительно плавно.

Плавность хода и необыкновенная приемистость па­ромобилей объясняются тем, что характеристика паро­вой машины качественно отличается от характеристики ДВС. Даже при минимальном числе оборотов в минуту ее крутящий момент не менее чем в 3—5 раз выше кру­тящего момента ДВС с сопоставимой мощностью при оптимальном числе оборотов. Высокий крутящий момент обеспечивает великолепную динамику разгона паромо­биля. Если карбюраторные ДВС мощностью 50 л. с. обеспечивают разгон автомобиля до скорости 100 км/ч приблизительно за 20 с, то паровой машине для этого нужно вдвое меньше времени.

Немаловажно и то, что никакого переключения пе­редач при разгоне не требуется, высокий крутящий мо­мент у парового двигателя сохраняется во всем диапа­зоне числа оборотов — от нуля до максимальных. Ко­робки передач тут просто не нужны. Вспомните: у тех же паровозов их никогда не было. Достоинством паро­вого двигателя является и относительно низкое число оборотов, что, в свою очередь, обусловливает повышен­ную долговечность. Даже при передаточном отношении от колес к двигателю, равном единице, обороты не пре­высят 2000—3000 в минуту при скорости экипажа до 200 км/ч (!), а обычный интервал оборотов ДВС — 3000—6000 об/мин.

Но несмотря на низкое число оборотов, удельные мощностные показатели парового двигателя превосхо­дят аналогичные показатели ДВС. Например, получить у парового  двигателя удельную  мощность в 400—

600 л. с./л (при 2500—3000 об/мин) совсем не трудно. Удел обычных ДВС всего 50—100 л. с./л и только от­дельные двигатели с механизмом С. Баландина имеїрт похожие показатели.

Ну и, наконец, надежность паровых машин занимает отнюдь не последнее место в ряду их достоинств. Цще и сейчас можно встретить на запасных путях работаю­щие паровозы постройки начала века. И их паровые двигатели в полной исправности. Причины тому — Низ­кое число оборотов, постоянство температурного режи­ма (температуры пара), низкий уровень максимальных температур — в 5—6 раз меньше, чем в ДВС, полное отсутствие таких неприятных процессов, как нагарооб-разование и закоксование, и абсолютная чистота рабо­чего агента, циркулирующего в замкнутом контуре (в ДВС полную очистку воздуха осуществить не удается).

Естественно, возникает вопрос, какие же причины мешают паровой машине вновь занять достойное место в ряду современных двигателей?

В первую очередь это малая экономичность и, как следствие, повышенный в 1,5—3 раза расход топлива. Коэффициент полезного действия поршневых паровых машин только может быть доведен до 28%, а у по­строенных образцов он существенно ниже. Ведь КПД паровозов, на которых паровая машина существовала дольше всего, уже стал синонимом низкой эффективно­сти: он едва достигал 10% у лучших моделей с частич­ной обратной конденсацией пара. Правда, цикл паровых машин был разомкнут. Применение замкнутых циклов с эффективными регенеративными теплообменниками позволит существенно перешагнуть 10-проценхный ру­беж. А в одном из сообщений, посвященном «новому» паровому двигателю, указывалось, что эффективность генератора пара (котла) равна 90%. Примерно той же величиной характеризуется эффективность процесса сгорания ДВС. Но и даже при более высоком расходе топлива эксплуатационные расходы на паромобиль мо­гут быть близки к его бензиновому конкуренту, так как сжигать можно самое дешевое топливо.

Вторая причина — это высокая стоимость силовой установки. Третьей причиной считается большой вес па­

ровой машины. Однако уже из вышеизложенного сле­дует, что общий вес сравниваемых экипажей будет практически одинаков. Таким образом, в настоящее время нет никаких серьезных причин, мешающих паро­вой машине вновь занять достойное место в ряду не­обычных двигателей.

www.ahmerov.com

Двигатель внешнего сгорания: виды, принцип работы, особенности

Двигатели внешнего сгорания стали использоваться тогда, когда людям потребовался мощный и экономичный источник энергии. До этого использовались паровые установки, однако они были взрывоопасными, так как использовали горячий пар под давлением. В начале 19 века им на смену пришли устройства с внешним сгоранием, а еще через несколько десятков лет были изобретены уже привычные приборы с внутренним сгоранием.

Происхождение устройств

В 19 веке человечество столкнулось с проблемой, которая заключалась в том, что паровые котлы слишком часто взрывались, а также имели серьезные конструктивные недостатки, что делало их использование нежелательным. Выход был найден в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Эти устройства можно также называть "двигателями горячего воздуха", которые применялись еще в 17 веке, однако этот человек добавил к изобретению очиститель, называющийся в настоящее время регенератором. Таким образом, двигатель внешнего сгорания Стирлинга был способен сильно повысить производительность установки, так как он сохранял тепло в теплой рабочей зоне, в то время как рабочее тело охлаждалось. Из-за этого эффективность работы всей системы была значительно увеличена.

В то время изобретение использовалось достаточно широко и находилось на подъеме своей популярности, однако со временем его перестали использовать, и о нем забыли. На смену оборудованию внешнего сгорания пришли паровые установки и двигатели, но уже привычные, с внутренним сгоранием. Вновь о них вспомнили лишь в 20 веке.

Работа установки

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в том, что в нем постоянно чередуются два этапа: нагревание и охлаждение рабочего тела в замкнутом пространстве и получение энергии. Данная энергия возникает из-за того, что постоянно изменяется объем рабочего тела.

Чаще всего рабочим веществом в таких устройствах становится воздух, однако возможно использование еще и гелия или водорода. В то время пока изобретение находилось на стадии разработки, в качестве опытов использовались такие вещества, как двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан. В некоторых образцах пытались применять даже обычную воду. Стоит отметить, что двигатель внешнего сгорания, который запускали с водой в качестве рабочего вещества, отличался тем, что у него была достаточно высокая удельная мощность, высокое давление, а сам он был достаточно компактным.

Первый тип двигателя. «Альфа»

Первой моделью, которая использовалась, стала «Альфа» Стирлинга. Особенность его конструкции состоит в том, что она имеет два силовых поршня, находящихся в разных в раздельных цилиндрах. Один из них имел достаточно высокую температуру и был горячим, другой, наоборот, холодным. Внутри теплообменника с высокой температурой располагалась горячая пара цилиндр-поршень. Холодная пара находилась внутри теплообменника с низкой температурой.

Основными преимуществами теплового двигателя внешнего сгорания стало то, что они имели высокую мощность и объем. Однако температура горячей пары при этом была слишком велика. Из-за этого возникали некоторые технические трудности в процессе изготовления таких изобретений. Регенератор данного устройства находится между горячей и холодной соединительными трубками.

Второй образец. «Бета»

Вторым образцом стала модель «Бета» Стирлинга. Основное конструктивное отличие заключалось в том, что имелся лишь один цилиндр. Один из его концов выполнял роль горячей пары, а другой конец оставался холодным. Внутри данного цилиндра перемещался поршень, с которого можно снимать мощность. Также внутри имелся вытеснитель, который отвечал за изменение объема горячей рабочей зоны. В данном оборудовании использовался газ, который перекачивался из холодной зоны в горячую через регенератор. Этот вид двигателя внешнего сгорания обладал регенератором в виде внешнего теплообменника или же совмещался с поршнем-вытеснителем.

Последняя модель. «Гамма»

Последней разновидностью данного двигателя стала «Гамма» Стирлинга. Этот тип отличался не только наличием поршня, а также вытеснителя, а еще и тем, что в его конструкцию входили уже два цилиндра. Как и в первом случае один из них был холодным и использовался он для отбора мощности. А вот второй цилиндр, как в предыдущем случае, был холодным с одного конца и горячим с другого. Здесь же перемещался вытеснитель. В поршневом двигателе внешнего сгорания также имелся регенератор, который мог быть двух типов. В первом случае он был внешним и соединял между собой такие конструктивные части, как горячую зону цилиндра с холодной, а также с первым цилиндром. Второй тип – это внутренний регенератор. Если использовался этот вариант, то он входил в конструкцию вытеснителя.

Использование Стирлингов обосновано в том случае, если необходим простой и небольшой преобразователь тепловой энергии. Также его можно использовать в том случае, если разница температур недостаточно велика, чтобы использовать газовые или же паровые турбины. Стоит отметить, что на сегодняшний день такие образцы стали использоваться чаще. К примеру, используются автономные модели для туристов, которые способны работать от газовой конфорки.

Применение устройств в настоящее время

Казалось бы, что такое старое изобретение не может использоваться в наши дни, однако это не так. NASA заказало двигатель внешнего сгорания типа Стирлинга, однако в качестве рабочего вещества должны использоваться ядерные и радиоизотопные источники тепла. Кроме этого, он также успешно может быть использован в следующих целях:

  • Использовать такую модель двигателя для перекачки жидкости гораздо проще, чем обычный насос. Во многом это благодаря тому, что в качестве поршня можно применять саму перекачиваемую жидкость. Кроме того, она же и будет охлаждать рабочее тело. К примеру, такой вид "насоса" можно использовать, чтобы накачивать воду в ирригационные каналы, используя для этого солнечное тепло.
  • Некоторые изготовители холодильников склоняются к установке таких устройств. Стоимость продукции удастся снизить, а в качестве хладагента можно применять обычный воздух.
  • Если совместить двигатель внешнего сгорания этого типа с тепловым насосом, то можно оптимизировать работу тепловой сети в доме.
  • Довольно успешно Стирлинги используются на подводных лодках ВМС Швеции. Дело в том, что двигатель работает на жидком кислороде, который впоследствии используется для дыхания. Для подводной лодки это очень важно. К тому же такое оборудование обладает достаточно низким уровнем шума. Конечно, агрегат достаточно большой и требует охлаждения, но именно эти два фактора несущественны, если речь идет о подводной лодке.

Преимущества использования двигателя

Если во время конструирования и сборки применить современные методы, то удастся поднять коэффициент полезного действия двигателя внешнего сгорания до 70%. Использование таких образцов сопровождается следующими положительными качествами:

  • Удивительно, однако крутящий момент в таком изобретении практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала.
  • В данном силовом агрегате отсутствуют такие элементы, как система зажигания и клапанная система. Также здесь отсутствует распредвал.
  • Достаточно удобно то, что на протяжении всего периода использования не потребуется проводить регулировку и настройку оборудования.
  • Данные модели двигателя не способны "заглохнуть". Простейшая конструкция аппарата позволяет использовать его достаточно продолжительное время в полностью автономном режиме.
  • В качестве источника энергии можно использовать практически все, начиная от дров и заканчивая урановым топливом.
  • Естественно, что в двигателе внешнего сгорания процесс сжигания веществ осуществляется снаружи. Это способствует тому, что топливо дожигается в полном объеме, а количество токсических выбросов минимизируется.

Недостатки

Естественно, что любое изобретение не лишено недостатков. Если говорить о минусах таких двигателей, то они заключаются в следующем:

  1. Из-за того что сгорание осуществляется вне двигателя, отвод получаемого тепла происходит через стенки радиатора. Это вынуждает увеличивать габариты устройства.
  2. Материалоемкость. Для того чтобы создать компактную и эффективную модель двигателя Стирлинг, необходимо иметь качественную жаропрочную сталь, которая сможет выдержать большое давление и высокую температуру. Кроме того, должна быть низкая теплопроводность.
  3. В качестве смазки придется покупать специальное средство, так как обычное коксуется при высоких температурах, которые достигаются в двигателе.
  4. Для получения достаточно высокой удельной мощности придется использовать либо водород, либо гелий в качестве рабочего вещества.

Водород и гелий в качестве топлива

Получение высокой мощности, конечно же, необходимо, однако нужно понимать, что использование водорода или гелия достаточно опасно. Водород, к примеру, сам по себе достаточно взрывоопасен, а при высоких температурах он создает соединения, которые называются металлогидритами. Это происходит, когда водород растворяется в металле. Другими словами, он способен разрушить цилиндр изнутри.

Кроме того, и водород, и гелий – это летучие вещества, которые характеризуются высокой проникающей способностью. Если говорить проще, то они достаточно легко просачиваются сквозь практически любые уплотнения. А потери вещества означают потери в рабочем давлении.

Роторный двигатель внешнего сгорания

Сердце такой машины – это роторная машина расширения. Для двигателей с внешним типом сгорания этот элемент представлен в виде полого цилиндра, который с обеих сторон прикрыт крышками. Сам по себе ротор имеет вид колеса, который посажен на вал. Также у него имеется определенное количество П-образных выдвигающихся пластин. Для их выдвижения используется специальное выдвижное устройство.

Двигатель внешнего сгорания Лукьянова

Юрий Лукьянов – это научный сотрудник Псковского политехнического института. Он уже достаточно давно занимается разработкой новых моделей двигателей. Ученый старался сделать так, чтобы в новых моделях отсутствовали такие элементы, как коробка передач, распредвал и выхлопная труба. Основной недостаток устройств Стирлинга заключался в том, что они имели слишком большие габариты. Именно этот недостаток ученому и удалось устранить за счет того, что лопасти были заменены на поршни. Это помогло уменьшить размер всей конструкции в несколько раз. Некоторые говорят о том, что можно сделать двигатель внешнего сгорания своими руками.

www.nastroy.net

Двигатели внешнего сгорания

Энергосберегающие технологии: Теплоэнергетическая установка FX-38 на основе двигателя внешнего сгорания с сжиганием газообразного топлива

Принцип работы

Предлагаемая инновационная технология основана на использовании высокоэффективного четырехцилиндрового двигателя внешнего сгорания. Это - тепловой двигатель. Тепло может поставляться от внешнего источника тепла или производиться путем сжигания широкого спектра видов топлива внутри камеры сгорания.

Тепло поддерживается при постоянной температуре в одном отделении двигателя, где оно преобразуется в водород, находящийся под давлением. Расширяясь, водород толкает поршень. В отделении двигателя с низкой температурой водород охлаждается при помощи аккумуляторов тепла и охладителей жидкости. При расширении и сжатии водород вызывает возвратно-поступательное движение поршня, которое преобразуется во вращательное движение при помощи наклонной шайбы, которая приводит в действие стандартный, емкостный электрический генератор. В процессе охлаждения водорода также производится тепло, которое можно использовать для комбинированного производства электроэнергии и тепла во вспомогательных процессах.

Общее описание

Теплоэнергетическая установка FX-38 представляет собой единый модуль "двигатель-генератор", который включает двигатель внешнего сгорания, систему сгорания, работающую на пропане, природном газе, попутном нефтяном газе, других видах топлива со средней и низкой энергоемкостью (биогаз), индуктивный генератор, систему контроля двигателя, защищенный от атмосферных воздействий корпус со встроенной системой вентиляции и другое вспомогательное оборудование для параллельной работы с сетью высокого напряжения.

Номинальная мощность по электричеству при работе на природном газе или биогазе при частоте 50 Гц составляет 38 кВт. Кроме того, установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла с поставляемой по специальному заказу системой комбинированного производства тепла и электроэнергии.

Установка FX-38 может быть оснащена различными опциями системы охлаждения для обеспечения гибкости схемы установки. Продукт разработан для простого подключения к электрическим контактам, системам подачи топлива и внешним трубам системы охлаждения, если оборудованы таковыми.

Дополнительные детали и опции

  • Модуль измерения мощности (обеспечивает установленный трансформатор тока для считывания на дисплее параметров переменного тока)
  • Опция дистанционного мониторинга по интерфейсу RS-485
  • Опции встроенного, либо удаленно смонтированного радиатора
  • Опция использования пропанового топлива
  • Опция использования природного газа
  • Опция использования попутного нефтяного газа
  • Опция использования топлива низкой энергоемкости

Установка FX-48 может применяться в нескольких вариантах следующим образом:

  • Параллельное подключение к высоковольтной сети при 50 Гц, 380 В переменного тока
  • Режим совместной выработки тепла и электроэнергии

Эксплуатационные характеристики установки

Выходная мощность складывается из электрической мощности и тепловой мощности. Для работы при частоте 50 Гц установка работает с тепловым коэффициентом 12230 кДж/кВт-ч (низшая теплота сгорания) и рассчитана на электрическую мощность 38 кВт. Показатель вырабатываемой электроэнергии 38 кВт включает паразитные потери, связанные с радиатором системы охлаждения, водяным насосом, вентилятором подачи воздуха в камеру сжигания, масляным насосом, контрольной системой и системой вентиляции блока.

В режиме производства электроэнергии и тепла при частоте 50 Гц установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла. Продукт оборудован системой труб, готовой для подключения к поставляемому заказчиком теплообменнику типа жидкость/жидкость. Горячая сторона теплообменника представляет собой схему замкнутого цикла с охладителем кожуха двигателя и встроенным радиатором системы, если таковые присутствуют. Холодная сторона теплообменника предназначена для схем теплоприемника заказчика.

Техническое обслуживание

Установка предназначена для непрерывной работы и отбора мощности. Базовая проверка эксплуатационных характеристик проводится заказчиком с интервалом в 1000 часов и включает проверку системы водяного охлаждения и уровня масла. Через 10000 часов эксплуатации производится обслуживание передней части установки, включающее замену поршневого кольца, сальника штока, ремня привода и различных сальников. Специфические ключевые компоненты проверяются на износ. Скорость работы двигателя составляет 1500 оборотов в минуту для работы на частоте 50 Гц.

Бесперебойность

Бесперебойность работы установки составляет свыше 95%, исходя из интервалов эксплуатации, и учитывается при графике технического обслуживания.

Уровень звукового давления

Уровень звукового давления блока без встроенного радиатора составляет 64 дБА на расстоянии 7 метров. Уровень звукового давления блока с встроенным радиатором с вентиляторами охлаждения составляет 66 дБА на расстоянии 7 метров.

Выбросы

При работе на природном газе выбросы двигателя меньше или равны 0,0574 г/Нм3 NOx, 15,5 г/Нм3 летучих органических соединений и 0,345 г/Нм3 СО.

Газообразное топливо

Двигатель рассчитан на работу на различных типах газообразного топлива со значениями низшей теплоты сгорания от 13,2 до 90,6 МДж/Нм3, попутный нефтяной газ, природный газ, угольный метан, газ вторичной переработки, пропан и биогаз полигонов ТБО. Для охвата данного диапазона устройство может быть заказано со следующими конфигурациями топливной системы:

Система сгорания требует регулируемого давления подачи газа в 124-152 мбар для всех типов топлива.

Окружающая среда

Установка в стандартном исполнении работает при температуре окружающей среды от -20 до +50°С.

Описание установки

Теплоэнергетическая установка FX-38 полностью готова для выработки электроэнергии в заводской поставке. Встроенный электрический пульт монтируется на блок для удовлетворения требований интерфейса и контроля. Устойчивый к атмосферным воздействиям цифровой дисплей, встроенный в электрический пульт, обеспечивает оператору интерфейс запуска, остановки и перезапуска с помощью кнопок. Электрический пульт также служит основным местом подключения оконечного электрического устройства заказчика, а также с оконечными устройствами проводной связи.

Установка способна достигать выходной мощности полной нагрузки примерно через 3-5 минут с момента запуска в зависимости от изначальной температуры системы. Последовательность запуска и установки приводится в действие нажатием кнопки.

После команды пуска установка подключается к высоковольтной сети путем закрытия внутреннего контактора на сеть. Двигатель немедленно поворачивается, очищая камеру сжигания до открытия топливных клапанов. После открытия топливного клапана энергия подается на запальное устройство, поджигая топливо в камере сжигания. Наличие сжигания определяется по повышению температуры рабочего газа, что приводит в действие процедуру управления разгоном до точки рабочей температуры. После этого пламя остается самоподдерживающимся и постоянным.

После команды остановки установки сначала закрывается топливный клапан для прекращения процесса сжигания. По прошествии предварительно установленного времени, в течение которого механизм охлаждается, откроется контактор, отключая установку от сети. В случае если таковые установлены, вентиляторы радиатора могут работать некоторое время для уменьшении температуры охлаждающей жидкости.

В установке используется двигатель внешнего сгорания с постоянной длиной хода, подключенный к стандартному индукционному генератору. Устройство работает параллельно с высоковольтной сетью или параллельно с системой распределения энергии. Индукционный генератор не создает своего собственного возбуждения: он получает возбуждение от подключенного источника электросети. Если напряжение в электросети исчезает, установка отключается.

Описание узлов установки

Конструкция установки обеспечивает ее простой монтаж и подключение. Имеются внешние соединения для топливных труб, оконечных устройств электроэнергии, интерфейсов коммуникаций и, если это предусмотрено, внешнего радиатора и система труб теплообменника жидкость/жидкость. Установку можно заказать в комплекте со встроенным или удаленно монтированным радиатором и/или системой труб теплообменника жидкость/жидкость для охлаждения двигателя. Также предоставляются инструменты для безопасного отключения и логические схемы управления, разработанные специально для желаемого режима работы.

Кожух имеет две эксплуатационные панели на каждой стороне отделения двигатель/генератор и внешнюю однопетельную дверь для доступа к электрическому отделению.

Вес установки: около 1770 кг.

Двигатель является 4-цилиндровым (260 см3/цилиндр) двигателем внешнего сгорания, поглощающим тепло непрерывного сжигания газового топлива в камере внутреннего сгорания, и включает следующие встроенные компоненты:

  • Вентилятор подачи воздуха в камеру сгорания, приводится в действие двигателем
  • Воздушный фильтр камеры сгорания
  • Топливная система и кожух камеры сгорания
  • Насос для смазочного масла, приводится в действие двигателем
  • Охладитель и фильтр для смазочного масла
  • Водяной насос системы охлаждения двигателя, приводится в действие двигателем
  • Температурный датчик воды в системе охлаждения
  • Датчик давления смазочного масла
  • Датчик давления и температуры газа
  • Все необходимое контрольное и защитное оборудование

Характеристики генератора приводятся ниже:

  • Номинальная мощность 38 кВт при 50 Гц, 380 В переменного тока
  • Электрический КПД 95,0% при коэффициенте мощности 0,7
  • Возбуждение от коммунальной электросети при помощи индукционного мотора/генераторного возбудителя
  • Менее 5% общих гармонических искажений от отсутствия нагрузки до полной нагрузки
  • Класс изоляции F

Интерфейс оператора – цифровой дисплей обеспечивает управление установкой. Оператор может запустить и остановить установку с цифрового дисплея, посмотреть время работы, рабочие данные и предупреждения/сбои. При установке опционального модуля измерения мощности оператор может видеть многие электрические параметры, такие как вырабатываемая мощность, киловатт-часы, киловатт-амперы и коэффициент мощности.

Функция диагностики оборудования и сбора данных встроена в систему контроля установки. Диагностическая информация упрощает удаленный сбор данных, отчет по данным и устранение неисправностей устройства. Эти функции включают сбор системных данных, таких как информация о рабочем состоянии, все механические рабочие параметры, такие как температура и давление цилиндров, а также, если подключен опциональный измеритель мощности, – электрические параметры значений вырабатываемой мощности. Данные могут быть переданы через стандартный порт соединения RS-232 и показаны на персональном компьютере или ноутбуке при помощи программного обеспечения для сбора данных. Для нескольких установок или в случаях, когда расстояние передачи сигнала превышает возможности RS-232, для получения данных используется опциональный порт RS-485 с использованием протокола MODBUS RTU.

Для переноса горячих выхлопных газов от системы сгорания используются трубы из нержавеющей стали. К выхлопной трубе в месте выхода из кожуха прикреплена сбалансированная выхлопная заслонка с защитным колпаком от дождя и снега.

Для охлаждения могут применяться различные прикладные технологии и конфигураций:

Встроенный радиатор – предоставляет собой радиатор, рассчитанный на температуру окружающей среды до +50°C. Все трубы подключаются в заводских условиях. Это типичная технология в случае, если не используется утилизация отходящего тепла.

Внешний радиатор – предназначен для установки заказчиком, рассчитан на температуру окружающей среды до +50°C. Короткие несущие ножки поставляются с радиатором для монтажа на контактном столике. При необходимости установки в помещении можно использовать данный вариант вместо предоставления системы вентиляции, требуемой для подачи охлаждающего воздуха во встроенный радиатор.

Внешняя система охлаждения – предоставляет систему труб снаружи кожуха для поставляемой заказчиком системы охлаждения. Ей может выступать теплообменник или удаленно монтированный радиатор.

Хладагент состоит из 50% воды и 50% этиленгликоля по объему: можно заменить смесью пропиленгликоля и воды, при необходимости.

Установка FX-38 использует водород в качестве рабочего тела для приведения в движение поршней двигателей по причине высоких способностей водорода к передаче тепла. В нормальном режиме работы потребляется предсказуемое количество водорода из-за нормальных утечек, вызванных проницаемостью материала. Для учета этого темпа потребления место установки требует наличия одного или нескольких наборов баллонов с водородом, отрегулированных и подсоединенных к блоку. Внутри установки встроенный водородный компрессор увеличивает давление в баллоне до более высокого давления в двигателе и вводит малые порции по запросу встроенного программного обеспечения. Встроенная система не требует технического обслуживания, а баллоны подлежат замене в зависимости от работы двигателя.

Для подачи топлива поставляется труба со стандартной трубной резьбой 1 дюйм для всех стандартных типов топлива, за исключением низкоэнергетических вариантов, для которых используется стандартная трубная резьба 1 1/2 дюйма. Требования к давлению топлива для всех видов газообразного топлива составляют от 124 до 152 мбар.

energy-units.ru

Двигатели внешнего сгорания

Основным видом индивидуального транспорта на сегодняшний момент стал автомобиль. Автомобиль завоевал планету и стал неотъемлемой частью быта. И мы все знаем, что основной частью автомобиля является двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания совершенствовался в течении десятков лет и трудно себе представить, что есть что то более надежное, чем он. Но в начале эры автомобилей, другие типы двигателей наравне конкурировали с двигателем внутреннего сгорания. И несмотря ни на что конкуренты живы до сих пор. Двигатель внешнего сгорания не забыт и более того около его конструкции выросла целая субкультура. Самым распространенным типом такого двигателя является двигатель Стирлинга. Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом». В современной научной литературе этот очиститель называется «регенератор» (теплообменник). Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин. Есть тысячи любителей двигателей Стирлинга. Клубы любителей двигателя, конференции, выставки и сайты по продажам комплектующих для любительской сборки двигателей в домашних условиях. Ниже фото моделей двигателя Стирлинга: Готовые наборы для сборки двигателя Стирлинга: А это те самые любители: Выставка моделей двигателя Стирлинга:

thebester.ru