Принцип работы двигателя внешнего сгорания

Двигатели внешнего сгорания. В.П.Бреусов

Принцип действия многих тепловых двигателей состоит в том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем при сжатии холодного газа. Сжатие, нагрев, расширение, охлаждение – вот четыре основных процесса, необходимых для функционирования теплового двигателя. Каждый из вышеперечисленных процессов возможно проводить различными путями. Охлаждение и нагрев газа могут протекать в замкнутой полости при постоянном объеме (изохорный процесс) или под движущимся поршнем при постоянном давлении (изобарный процесс). Сжатие и расширение газа могут происходить при постоянной температуре (изотермический процесс) или без теплообмена с окружающей средой (адиабатический процесс). Конструируя замкнутые циклы из различных комбинаций этих процессов, нетрудно получить теоретические циклы, по которым работают все современные тепловые двигатели. Комбинация из двух адиабат и двух изохор образует теоретический цикл бензинового двигателя (двигатель Отто). Заменяя в этой комбинации изохору, по которой идет нагревание газа на изобару, получим цикл дизельного двигателя (двигатель Дизеля). Две адиабаты и две изобары дадут теоретический цикл газовой турбины. Среди всех возможных циклов комбинация из двух адиабат и двух изотерм играет особо важную роль в термодинамике. По такому циклу – циклу Карно – должен работать двигатель, имеющий самый высокий КПД для данного интервала температур. Двигатели, работающие по другим циклам, гораздо менее экономичны. И все-таки до настоящего времени никому не удалось построить двигатель, реализующий цикл Карно. Почему? Об этом мы поговорим позже.

Трудно предположить, чтобы в тепловых машинах внешнего сгорания были заложены какие-либо возможности, позволяющие конкурировать с двигателями внутреннего сгорания хотя бы по экономичности. В двигателях внешнего сгорания топливо сжигается вне рабочего цилиндра и тепло подводится к рабочему телу через стенку цилиндра. Наивысшая температура цикла ограничена определенными значениями. Казалось бы, ожидать какого-либо выигрыша и в размерах такого двигателя не следует. Циклы, по которым работают cтирлинги, как уже упоминалось выше, состоят из двух изотерм и двух изобар. Достаточно построить диаграммы этих двигателей, чтобы убедится, что при работе на атмосферном воздухе их размеры получаются огромными.
Строго говоря, двигатель Стирлинга может работать и без регенератора. Это объясняется тем, что при нагреве газа на изохоре требуется тепла меньше, чем при нагреве газа по изобаре. Включение регенератора в рабочий цикл двигателя внешнего сгорания придает последнему уникальные свойства.

Чтобы нагреть воздух до определенной температуры при постоянном давлении, следует запасти в регенераторе больше тепла, чем для нагрева воздуха при постоянном объеме. Охлаждение отработавшего расширившегося воздуха в регенераторе тоже происходит при постоянном давлении, значит, здесь запасается ровно столько тепла, сколько требуется для нагрева сжатого воздуха, идущего в рабочий цилиндр. И уже первые расчеты, произведенные голландцами при проектировании cтирлингов, ошеломили создателей этих машин: КПД двигателей внешнего сгорания может достигать 70%. И в 1944 году голландцы запустили опытную модель Стирлинга. Правда, эта опытная модель показала КПД 39%, но модель оказалась экономичней газовой турбины с КПД 26%, авиационного бензинового двигателя с КПД 28–30% и лучших дизелей с КПД 32–35% (однако следует помнить – это была середина прошлого столетия!).

Итак, основные особенности работы двигателя Стирлинга заключаются в следующем: в двигателе происходит преобразование тепловой энергии в механическую посредством сжатия постоянного количества рабочего тела при низкой температуре и последующего (после периода нагрева) его расширения при высокой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень совершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабатывает полезную механическую энергию;
– при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии;
– изменение температуры рабочего тела обеспечивается наличием разделенных холодной и горячей полостей двигателя по соединительным каналам, между которыми под действием движения поршней перемещается рабочее тело;
– изменения объема в этих двух полостях должны не совпадать по фазе, а получающиеся в результате циклические изменения суммарного объема, в свою очередь, не должны совпадать по фазе с циклическим изменением давления. Это – условие получения механической энергии на валу двигателя.

Таким образом, принцип стирлинга – это попеременный нагрев и охлаждение заключенного в изолированном пространстве рабочего тела. Однако нагрев в двигателе внешнего сгорания происходит за счет тепла, подводимого к газу извне, через стенку цилиндра. Из-за существенной теплоемкости стенки цилиндра невозможно, естественно, нагреть или охладить газ с помощью быстрого нагрева или охлаждения самой стенки. Известно, что Роберт Стирлинг использовал периодическое изменение температуры газа, применяя вытеснительный поршень (вытеснитель). Вытеснитель заставляет перемещаться газ в одну из двух полостей цилиндра, одна из которых находится при постоянной низкой, а другая при постоянной высокой температуре. Рабочая часть современного cтирлинга представляет собой замкнутый объем, заполненный газом (рис. 1).

Рис. 1. Принцип работы двигателя Стирлинга1 – рабочий поршень; 2 – поршень-вытеснитель; 3 – охладитель; 4 – нагреватель; 5 – регенератор; 6 – холодное пространство; 7 – горячее пространство

Верхняя часть объема – горячая, она непрерывно нагревается. Нижняя – холодная, она все время охлаждается проточной водой. В этом объеме находится цилиндр с двумя поршнями: поршнем-вытеснителем 2 и рабочим поршнем 1. Когда рабочий поршень движется вверх, газ в объеме сжимается, при движении поршня вниз – расширяется. Движением вверх – вниз поршня-вытеснителя 2 производится попеременное нагревание и охлаждение газа. Когда поршень-вытеснитель находится в верхнем положении в горячем пространстве 7, большая часть газа оказывается вытесненной в холодное пространство 6. В это время рабочий поршень начинает двигаться вверх и сжимает холодный газ. Теперь поршень-вытеснитель устремляется вниз почти до соприкосновения с рабочим поршнем, и сжатый холодный газ перекачивается в горячее пространство. Расширение нагреваемого газа – рабочий ход. Часть энергии рабочего хода запасается на последующее сжатие холодного газа, а избыток идет на вал двигателя.

Какова же роль регенератора в этом процессе? Регенератор 5 расположен между холодным и горячим пространствами. Когда расширившийся газ движением поршня-вытеснителя перекачивается в холодную часть, он проходит через плотную ткань (плотный материал) регенератора и отдает регенератору все содержащееся в нем тепло. Во время обратного хода сжатый холодный воздух, прежде чем попасть в горячую полость (часть цилиндра), отбирает это тепло обратно. Естественно, в реальной машине Стирлинга все выглядит не так просто. Невозможно быстро нагреть газ через сплошную стенку цилиндра, для этого необходима весьма большая поверхность нагрева. Поэтому верхняя часть замкнутого объема представляет собой развитую систему специальных труб, нагреваемых теми или иными тепловыми источниками (например, пламенем форсунки). Для полноты использования теплоты продуктов сгорания холодный воздух, подводящийся к форсунке, предварительно подогревается выхлопными газами – в связи с этим контур сгорания получается довольно сложным. Холодная часть рабочего объема представляет собой тоже непростую систему. Под рабочим поршнем находится замкнутая буферная полость, наполненная газом под давлением. Во время рабочего хода давление в этой полости повышается. Запасаемой при этом энергии достаточно для того, чтобы сжать холодный газ в рабочем объеме. Поскольку давление в цилиндре повышается плавно, а не взрывом, как в двигателях внутреннего сгорания, вибрации двигателей практически отсутствуют. У cтирлингов нет карбюраторов, систем зажигания, клапанов, свечей. Им не нужны глушители, ведь они работают почти бесшумно. Качественное сгорание топлива в форсунке полностью снимает проблему задымления.
Но если это так, то почему же ни Стирлинг, ни Эриксон не смогли добиться того успеха, которого заслуживали их изобретения? Прежде всего, ни Стирлинг, ни Эриксон не смогли полностью использовать достоинства изобретенных ими регенераторов. Ведь науки о теплопередаче тогда просто не существовало. Произвести расчет регенератора было невозможно, поэтому его размеры и конструкция принимались «на глазок». А КПД двигателя внешнего сгорания весьма сильно зависит от качества работы регенератора. И еще одна, не менее важная, причина заключалась в том, что ни Стирлинг, ни Эриксон, не сообразили выполнить свои машины замкнутыми. У того и у другого рабочим телом служил воздух, который засасывался в двигатель при атмосферном давлении, а это весьма существенно отражалось на размерах машин при сравнительно малых мощностях. Но самое удивительное и самое важное не в том, что КПД регенеративных cтирлингов и эриксонов становятся равными. Главное в том, что они становятся равными КПД цикла Карно! А отсюда вытекает, что даже при 600–650 °С теоретический КПД двигателей внешнего сгорания составляет 70%! Поражает и тот факт, насколько гениальную и остроумную машину создал Роберт Стирлинг еще в XIX веке: принципиальная схема и кинематика ее рабочей части целиком перекочевали в современные модели. Инженеры лишь тщательно изучили процессы регенерации тепла и предложили новые материалы для регенератора, доведя его эффективность до 95–97%. С целью увеличения мощности двигателя внешнего сгорания, а также улучшения компактности современные специалисты сделали рабочую часть двигателя изолированной от атмосферы и заполнили ее сжатым газом – гелием или водородом. Это позволило в настоящее время в России и весьма широко за рубежом создавать двигатели внешнего сгорания, способные вступить в жесточайшую конкуренцию с двигателями внутреннего сгорания.