Двигатель внешнего сгорания. Актуальность двигателя Стирлинга в современном автомобильном мире
 Скачать 70.31 Kb.
|
|
Актуальность двигателя Стирлинга в современном автомобильном мире Фаргер С.В., Кайгородов С.Ю. Омский государственный технический университет, Омск Аннотация – в данной статье рассмотрена актуальность использования двигателя Стирлинга в современном мире, его устройство, принцип работы, конкурентоспособность и основные преимущества и недостатки по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Приведены примеры использования двигателя Стирлинга на автомобилях таких компаний как FordMotorCompany, VolkswagenGroup, UNITED STIRLING, GeneralMotors. Сделан вывод о том, что более рациональное использование двигателя Стирлинга является стационарная установка, а не на автомобилях. В будущем возможно внедрение этого двигателя в современные автомобили, но с необходимыми доработками в системе охлаждения. Ключевые слова – двигатель Стирлинга, рабочий поршень, поршень – вытеснитель, регенератор теплоты, фазный угол, энергия солнечных лучей. Введение В начале 19 века в Европе происходили большие изменения в сфере технологий. Появились новые паровые машины, которые приводили в действие насосы, откачивающие воду. Они использовались в угольных шахтах, но уровень смертности был высок, котлы часто взрывались, унося много жизней. Стремясь сделать жизнь шахтеров безопасней шотландский священник Роберт Стирлинг стремился сделать работу шахтеров безопасней и хотел создать машину, которая работае при меньшем давлении и без опасного пара. И ему это удалось, двигатель Стирлинга был запатентован 27 сентября 1816 года. В последующие годы люди пытались улучшить характеристики двигателя Стирлинга, и в современном мире продолжают дорабатывать двигатель Стирлинга. Задачей данной статьи является определить возможность использования двигателя Стирлинга на автомобильном транспорте. Принцип работы Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянном изменении температуры рабочего тела путем периодического нагревания и охлаждения закрытого объема в цилиндре т.е за счет применения цикла с изотермным сжатием и адиабатным расширением. В качестве рабочего тела могут быть использованы: воздух, водород, гелий, фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан, бутан и вода [1]. В верхней части цилиндра 1 имеется водяная рубашка охлаждения 4, а дно цилиндра постоянно нагревается. В цилиндре размещен рабочий поршень 6с уплотнительными поршневыми кольцами, который соединяется посредством шатуна с коленчатым валом. Поршень-вытеснитель 7, находящийся между дном цилиндра и рабочим поршнем, перемещается в цилиндре с большим зазором. Воздух, заключенный в цилиндре, через зазор направляется вытеснителем 7 либо к охлаждаемой части цилиндра (днищу рабочего поршня), либо к нагреваемому дну цилиндра. Вытеснитель приводится в движение штоком, проходящим через уплотнение в поршне, и приводимым эксцентриковым механизмом, который вращается со смещенным углом около 90° по сравнению с механизмом привода рабочего поршня. В фазе а вытеснитель за счет расширения нагреваемого воздуха движется вверх, а поршень остается в нижней мертвой точке. Воздух между ними выталкивается через зазор между вытеснителем и цилиндром к дну цилиндра и охлаждается стенками цилиндра. Фаза b– рабочая, воздух нагревается через дно цилиндра, расширяется и выталкивает оба поршня вверх к ВМТ [2].  а c d b Рис. 1. Принципиальная схема работы двигателя Стирлинга: 1 – цилиндр; 2 – Нагревательные элемент; 3 – Нагретый воздух; 4 – Рубашка охлаждения; 5 – Охлажденный воздух; 6 – Поршень; 7 – Вытеснитель; 8 – Коленчатый вал. После совершения рабочего хода вытеснитель возвращается в нижнее положение к дну цилиндра и выталкивает воздух через зазор между стенками цилиндра в камеру под поршнем, воздух при этом охлаждается стенками. В положении c холодный воздух подготовлен к сжатию, и рабочий поршень движется от верхней мертвой точки к нижней мертвой точки. Так как плотность холодного воздуха меньше чем горячего, следовательно, работа, затрачиваемая на сжатие холодного воздуха, меньше работы, совершаемой при расширении горячего воздуха, то возникает полезная работа. Маховик служит для аккумулирования энергии, необходимой для сжатия воздуха [2]. В положении d поршень находится в НМТ и охлаждаемый стенками цилиндра воздух заключен между ним и вытеснителем. Примеры использования в автомобилях Двигатель Стирлинга в качестве автомобильного использовали многие фирмы: FordMotorCompany, VolkswagenGroup,UNITED STIRLING, GeneralMotors. Наиболее успешным двигателем стал Philips 4-215 DA, доступный для установки на легковые автомобили. В конструкцию двигателя был добавлен внешний регенератор теплоты, через который осуществлялась перекачка воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю под действием вытеснителя. Последовательно к регенератору во внешнем контуре был подключен радиатор [3]. Рабочая мощность двигателя составляет 127 кВт. Размеры несильно отличались от обычного бензинового ДВС. Масса Philips 4-215 DA равна 448 кг, а удельная масса 3,5 кг/кВт. Характеристики схожи со средними показателями современных бензиновых двигателей. Использование в качестве рабочего тела водорода под давлением 20 МПа позволяет поднять индикаторный КПД до 35 %. Холодный пуск двигателя длится 15 с, расход топлива автомобилем на 25 % меньше чем у обычного бензинового двигателя. в условиях городской эксплуатации. Шведской фирмой "Юнайтед Стирлинг" был создан свой двигатель Стирлинга с использованием деталей, которые серийно выпускаются автомобильной промышленностью – обычный коленчатый вал и шатун, который совместно с крейцкопфом преобразуетпоступательное движение поршня двойного действия во вращательное движение вала. Предполагаемая удельная масса этого двигателя равна 2,4 кг/кВт, что можно сравнить с показателями очень хорошего малоразмерного высокооборотного дизеля. Удельная масса двигателей Стирлинга уменьшилась с 6,1-7,3 кг/кВт до 4,3 кг/кВт и постоянно снижается. Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга по сравнению с двигателем внутреннего сгорания. Преимущества: 1. Работа двигателя создает вибрацию на много меньше чем ДВС. Это связанно с отсутствием клапанного механизма. Не всегда можно ощутить вибрацию, даже если прикоснуться ладонью к двигателю т.к на современных двигателях Стирлинга вибрация около 0,0000038 м (3,8 мкм) [2]. 2. Потенциальный и практический КПД двигателя Стирлинга выше, чем ДВС. КПД современный бензиновый двигателя 20-25 процентов. А Джеймс Стирлинг смог достигнуть высокий КПД в 30% почти 200 лет назад. Плюсом также является небольшая зависимость крутящего момента от скорости вращения коленчатого вала, тогда как в ДВС максимальный крутящий момент достигается в узком диапазоне частот вращения [2]. 3. В двигателе Стирлинга можно использовать упрощенную коробку передач с 2-3 передачами, так как имеет широкий диапазон изменения частоты вращения. 4. Расход масла минимальный, поэтому замена масла производится реже чем в ДВС. 5. Из-за того, что внутри двигателя не происходит каких–либо отрицательных воздействий, у него гораздо выше ресурс работы. Высокий запас работоспособности – десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы, достигается за счет простоты конструкции и использование более жестких элементов двигателя. 6. Двигатель неприхотлив, и не боится грязи, пыли или любых солей в воздухе. 7. Одним из самых больших преимуществ является использование любого источника тепловой энергии. От дров до урана. Неважно что в него заправлять. Главное, чтобы температура у нагревателя была больше, чем у охладителя. 8. Двигатель Стирлинга более экологичный, сгорание топлива происходит вне внутреннего объема двигателя, что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его сгорание. Более того нет необходимости в каталитических нейтрализаторах. 9. Отсутствие системы высоковольтного зажигания, клапанной системы и, соответственно, распределительного вала, следовательно грамотно спроектированный и технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации. Недостатки: 1. Основной недостаток – это материалоёмкость. Для охлаждения двигателя Стирлинга применяются радиаторы, которые приводят к существенному увеличению массогабаритных показателей. 2. Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и газ с малой молекулярной – водород, гелий [2]. 3. Тепло не подводится к рабочему телу через стенки теплообменников. которые имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Теплообменник необходимо изготавливать из высококачественных и дорогих материалов, так как сильно нагружен изменением температуры под высоким давлением. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске. 4. Сложность в быстром изменении мощности двигателя. Используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: изменение температуры и среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем [2]. Вывод Производство двигателя Стирлинга требует технологии, которые совершенно отличаются от технологии производства двигателей внутреннего сгорания, что тормозит его внедрение в производство. Однако такие двигатели продолжают модифицировать, поскольку традиционные бензиновый и дизельный двигатели не будут отвечать перспективным требованиям необходимой экологичности, а созданные двигатели Стирлинга дают основание надеяться, что эта проблема решаема. Так как изменение давления газов в цилиндре двигателя Стирлинга носит плавный характер, то он работает стабильно без вибраций и тихо, напоминая паровую машину. Но для использования двигатель Стирлинга в автомобилях, требуется доработка в области отвода теплоты. На данный момент и исходя из перечисленным преимуществ и недостатков наиболее рационально использовать двигатель Стирлинга в стационарном режиме – электростанциях, на судах и подводных лодках, а также в установках для космоса, использующие в качестве энергии солнечные лучи. Список литературы [1] “Двигатель с внешним подводом теплоты”. Патент №2105156 от 23 июня 1995 г., РФ. [2] Ридер Г, Хупер Ч. Двигатели Стирлинга/ Пер. с англ. – М:Мир, 1986 .–464 с. [3] Демидов А.С., Марагинский Р.Н., Соколовская Е.В. Двигатель Стирлинга с герметичным охлаждаемым картером. Вестник Московского авиационного института, 1999. Том 6. №1. – С. 28 – 31. Сведения об авторах C.Ю. Кайкогородов, старший преподаватель, sergey7-2005@mail.ru. С.В. Фаргер, магистр, farger.1997@mail.ru. |