Двигатели внешнего сгорания

К оглавлению
1 2 3 4 5 6 7 8 

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).

Надпись:
Надпись:
Надпись:

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/см2бычно 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.