Заняття 3 Конструкція двигунів зовнішнього згорання

1. Призначення, характеристика, класифікація двигунів зовнішнього згорання

2. Загальна будова і робота двигунів зовнішнього згорання.

3. Порівняльна характеристика двигунів внутрішнього та зовнішнього згорання.

1. Альтернативні джерела енергії та способи їх застосування - ця тема стає все більш актуальною. У ній два основних напрямки - вироблення електричної енергії для побутових споживачів і отримання механічної енергії для транспорту.

Електричну енергію стали виробляти з сонячної енергії фотоелектричними перетворювачами і на сонячних електростанціях на основі парових турбін.

Інший напрям виявилося складніше. Одним з найбільш перспективних джерел механічної енергії в цій області є двигун Стірлінга. Прийнято вважати, що він має хороші технічні дані - дуже високий ккд, многотопливность, просту конструкцію і невеликі експлуатаційні витрати. На його розробку вкладаються значні кошти, але в серійному виробництві до цих пір немає. У чому причина? У об'єктивності цих даних:

ККД. Як правило, це індикаторний ккд двигуна Стірлінга. У тих випадках, коли наводиться ефективний ккд, то і він ориманий при стендових випробуваннях двигуна, де температура охолоджуючої рідини, що надходить у двигун,мінімальна, тобто дорівнює температурі навколишнього середовища, і немає витрат потужності на привід вентилятора системи охолодження, та інших систем. А вони у двигуна Стірлінга значні.

Многотопливность. Найкращі показники отримані при використанні рідкого палива на основі нафти і природного газу, на яких добре працюють і двигуни внутрішнього згоряння. А ось тверді види палива через обмеженість обсягу нагрівача знижують ккд двигуна Стірлінга в 2 - 3 рази. З цієї ж причини неефективний і теплової акумулятор, що передає тепло двигуну не безпосередньо, а через проміжний теплоносій.

Конструкція. У міру вдосконалення двигуна Стірлінга його конструкція значно ускладнилася, а його вартість стала набагато вище, ніж у двигуна внутрішнього згоряння рівній потужності. Цьому сприяють і втрати водню або гелію з циліндрів двигуна, незалежно від того, працює він чи ні.

2. Двигун Стірлінга – теплова машина, що працює за замкнутим термодинамічним циклом, у якому ізотермічні процеси стиску і розширення відбуваються при різних рівнях температур, а керування переносом робочого тіла у робочих порожнинах здійснюється шляхом зміни його об`єму (патент шотландського пастора Роберта Стірлінга (1790-1878 рр.) 1816 року

№ 4081 на "машину, що виробляє рушійну силу за допомогою нагрітого повітря". У 1827 і 1840 р. він одержав ще два патенти (№№ 5456 і 8652) на удосконалені варіанти своєї машини, а у 1845 р. на ливарному заводі у Данді було запущено першу машину Стірлінга потужністю 50 індикаторних кінських сил). Цикл Стірлінга значно більшою мірою, ніж цикли ДВЗ та ГТД, наближений до ідеального циклу теплової машини – циклу Карно. Важливою їхньою особливістю є глибока регенерація теплоти, що дозволила створити реальні двигуни різного призначення.

Основною перевагою двигунів є високий ККД, який для дослідних екземплярів двигунів Стірлінга досягає ККД кращих дизелів. Як робоче тіло у циклі використовують гази, що мають високі значення теплоємності і теплопровідності (водень, гелій і ін.). Найбільш ефективним є водень, однак його застосування стримується дифузією водню в металах при високих температурах і тиску, тому частіше використовується гелій. Можливе застосування повітря як найбільш дешевого робочого тіла, хоча і з трохи меншими значеннями ККД.

Інтерес до двигунів безупинно зростає в зв'язку з низьким забрудненням навколишнього середовища цими двигунами. Двигун Стірлінга працює практично на будь-яких видах палива і від будь-яких джерел теплоти. При спалюванні органічних палив процес згоряння в двигуні вдається організувати з набагато більшою повнотою, ніж у ДВЗ і ГТД. Тому навіть при використанні традиційних для транспорту нафтопродуктів шкідливих викидів в атмосферу набагато менше, ніж у ДВЗ. Іншою важливою перевагою двигунів Стірлінга варто вважати низький рівень шуму при роботі внаслідок повної зрівноваженості механізму і відсутності вихлопу газів під тиском. До переваг можна віднести зростання крутного моменту зі зменшенням частоти обертання, простоту пуску, що дуже важливо для автомобілів.

Усі розроблені на сьогодні конструкції двигуна Стірлінга можна підрозділити на три модифікації:

- альфа-модифікація. Ця група включає V-подібні двигуни. Робочий об'єм розподілений між двома циліндрами, в одному з яких перебуває гаряча порожнина, а в іншому – холодна. У двигуні є регенератор, що розташований між циліндрами;

- бета-модифікація. У цьому типі двигунів є тільки один циліндр. Зміна об'єму гарячої порожнини здійснюється за допомогою витиснювального поршня. Зміна об'єму холодної порожнини відбувається за допомогою руху як витиснювального поршня, так і робочого поршня. Ходи цих поршнів перекриваються;

- гамма-модифікація. Тут, так само як й у бета-модифікаціях, є і робочий поршень, і витиснювальний. Однак вони перебувають в окремих циліндрах. Холодна порожнина розділена на два циліндри, і, отже, її мінімальний об'єм завжди позитивний.

Спочатку двигун Стірлінга був створений за схемою з розширенням і стиском у тому самому циліндрі (β-модифікація). На цьому двигуні ефективний ККД удалося довести до 39%. Число сучасних конструкцій двигунів є достатньо великим, однак найбільш поширені багатоциліндрові (4÷9 циліндрів) двигуни з ромбічним механізмом приводу, а також подвійної дії, тобто β-модифікація (рис. 17.3). Випробувалися також двигуни з похилою (косою) шайбою і деякі інші.

Найбільший інтерес до двигунів Стірлінга спостерігався в останній чверті минулого століття. Тоді майже всіма провідними компаніями-виробниками автомобілів проводилися широкомасштабні дослідження, пов'язані з оцінкою можливості заміни двигунів внутрішнього згоряння двигуном Стірлінга. Було пророблено великий обсяг науково-дослідних робіт із цих двигунів. Були розроблені і випробувані різні конструкції двигуна: одноциліндрові і багатоциліндрові витиснювального типу зі звичайним кривошипно-шатунним і ромбічним механізмом, багатоциліндрові подвійної дії з похилою шайбою, вільно-поршневі з різними приводами. Фірма Daimler-Benz одержала патент на схему роторного двигуна, що працює за циклом Стірлінга.

Але, незважаючи на те, що були створені двигуни потужністю від 6 до 900 к.с., що мають ефективний ККД від 26 до 43 %, і малі двигуни потужністю 0,014÷0,4 к.с. з ККД від 7,9 до 14 %, широкомасштабне серійне виробництво так і не почалося.

У США дослідницька експлуатація двигунів Стірлінга здійснювалася на легкових автомобілях, автобусах, катерах, потужність складала 30÷125 кВт. Двигуни зарекомендували себе як дуже економічні, зручні в експлуатації. Випробувалися також системи з тепловими акумуляторами. До недоліків двигунів Стірлінга, що стримують їхнє поширення, відносять більш високу вартість у порівнянні з ДВЗ, однак у міру вдосконалювання конструкцій і технології виробництва варто очікувати зниження вартості. Боротьба за чистоту навколишнього середовища, особливо у великих містах, безсумнівно підсилить тенденцію до більшого поширення цих двигунів на транспорті, у першу чергу автомобільному.

3.

Основні переваги двигуна Стірлінга, які з її термодинамічної циклу і принципу дії, зводяться до наступного.

1. Завдяки зовнішньому підводу теплоти двигун може працювати практично від будь-якого джерела енергії (тверде, рідке і газоподібне паливо, тепловий акумулятор, атомний реактор, сонячна енергія). Це, по-перше, означає, що для двигуна може бути використаний будь-який сорт палива, наявний на судні. З іншого боку, це дозволяє отримати установку, для роботи якої не потрібно атмосферне повітря, тобто енергетичну установку для підводного транспорту або космічних об'єктів [2, 14, 18, 19, 21, 23, 42].

2. Значно більша тривалість згоряння в порівнянні з ДВС забезпечує більш повне згоряння палива і дозволяє істотно знизити кількість шкідливих компонентів у випускних газах.

3. Використання ромбічного механізму передачі руху на вал гарантує практично повну динамічну врівноваженість двигуна навіть у одноциліндровому виконанні.

4. Плавне протікання робочого процесу забезпечує меншу нерівномірність крутного моменту за період циклу в порівнянні з двигунами внутрішнього згоряння (рис. 7).

5. Плавне синусоїдальне протікання робочого процесу, відсутність клапанів, повна динамічна врівноваженість дозволяють отримати хороші виброакустичні характеристики двигуна Стірлінга.

6. Маючи термодинамічний к. п. д., рівний к. п. д. циклу Карно, та механічний к.к.д. на рівні двигунів внутреннегосгоранія, двигун Стірлінга відрізняється високою економічністю і може в цьому відношенні конкурувати з дизелями, найбільш відпрацьованими по робочому процесу.

7.Работая від зовнішнього джерела теплоти при підтримці постійної температури нагрівача, двигун Стірлінга практично нечутливий до короткочасних перевантажень.

Рис. 1 Екологічні показники

Перераховані особливості двигуна Стірлінга забезпечують можливість його широкого використання в суднобудуванні.

Малошумність, невибагливість до сорту палива, нечутливість до короткочасних перевантажень, висока рівномірність крутного моменту двигуна найкращим чином проявляються при використанні його в якості приводу в суднових електростанціях. Можливість роботи від зовнішнього джерела теплоти, незалежність від атмосферного повітря роблять двигун Стірлінга вельми перспективним для застосування на підводних апаратах [35, 39, 42].

Двигуни Стірлінга невеликої потужності з успіхом можуть бути застосовані на прогулянкових катерах, де особливо цінні їхні малошумність, динамічна врівноваженість і чистота випускних газов.Такім чином, При певній стадій разййтйя, характеризуемой освоєнням серійного виробництва, двигун Стірлінга зможе знайти застосування практично на судні будь-якого призначення, витіснивши інші типи традиційних установок, і в першу чергу двигуни внутрішнього згоряння.

Порівняльна таблиця різних типів двигунів