Двигателю стирлинга

Примерами энергетических машин являются электрические двигатели, двигатели внутреннего сгорания, турбины и т. д. К транспортным машинам относятся локомотивы, турбовозы, автомобили, тракторы, лифты, транспортеры.

Двигатели внутреннего сгорания 1 /80— 1/100

Двигатели внутреннего сгорания сегодня являются основными загрязнителями воздушного бассейна. В ФРГ, например, автомобильный транспорт, потребляя 12 % общего расхода топлива в стране, дает 50 % общего количества вредных выбросов. Особенно плохо, что основная масса выхлопных газов от автомобилей выбрасывается в местах с высокой концентрацией людей (городах), причем на уровне роста человека (особенно детей), где газы не рассеиваются на большие расстояния. В выхлопных газах ДВС содержатся твердый углерод (сажа), который является адсорбентом токсичных, в том числе канцерогенных веществ, оксиды азота МО*, углеводороды CnHm, оксид углерода СО и альдегиды, а при работе на этилированном бензине — и крайне токсичные соединения свинца. Содержание указанных соединений в выхлопных газах зависит от типа двигателя, его состояния и регулировки, режима работы, применяемого топлива и др. Например, содержание NOX в отработавших газах дизелей и карбюраторных двигателей практически одинаково (до 2,5г/м3), в то время как выброс СО в карбюраторных двигателях (до 14 г/м3) в 4 раза выше, a CnHm (до 1,4 г/м3) в 2 раза ниже, чем в дизелях.

4. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д. Н. Вырубов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин и др.; Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1983.

Глава двадцать первая. Двигатели внутреннего сгорания ......

Двигатель (М) преобразует энергию любого вида в механическую энергию физического (в основном твердого) тела. Наиболее распространены электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, пневмо- и гпдродвнгатели. На рис. 5.1 изображен электродвигатель (25).

Автомобильные двигатели внутреннего сгорания загрязняют атмосферу вредными веществами, выбрасываемыми с отработавшими газами (ОГ), картерными газами и топливными испарениями. При этом 95 ... 99% вредных выбросов современных автомобильных двигателей приходится на ОГ, представляющие собой аэрозоль сложного, зависящего от режима работы двигателя состава.

В целом поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие на различных видах топлив с различными процессами сгорания, имеют достаточные резервы снижения токсичности и расхода топлива, в полной мере отвечают назначению автомобиля и останутся основным типом энергосиловых установок на автомобильном транспорте,

гидроприводы Двигатели внутреннего сгорании с числом иилип-

ско- Паровые турбины, электромашины, 383,15 двигатели внутреннего сгорания, турбокомпрессоры, приводы прокатных станов

Высокие скорости (итк = Быстроходные турбины высокой мощ-= 10 ... 12-м/с); ности, двигатели внутреннего сгора-

Двигатель Стерлинга был изобретен в 1816 г., приблизительно за 80 лет до дизеля, и пользовался значительной популярностью до начала XX в. Отсутствие подходящих конструкционных материалов в значительной степени затруднило его дальнейшее совершенствование, а с появлением двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя интерес к двигателю Стирлинга утратился окончательно. В 50-е годы XX в. быстрое . развитие технологии производства различных материалов вновь открыло перед двигателем Стирлинга некоторые перспективы, однако настоящий интерес к нему возродился только во времена так называемого «энергетического кризиса». Именно тогда особенно привлекательными показались потенциальные возможности этого двигателя в отношении экономичного потребления обычного жидкого топлива, что представлялось особенно важным в период роста цен на топливо в геометрической прогрессии.

Хотя проблемы, относящиеся к двигателю Стирлинга, до некоторой степени освещались в технической литературе, все же, как показывает опыт авторов, в инженерных и промышленных кругах имеется весьма слабое представление о двигателе Стирлинга, принципах его работы, диапазоне возможных областей его применения и той роли, которую мог бы сыграть этот двигатель в решении задачи экономии энергии. Дело, однако, не в недостатке литературы по вопросам конструирования и работы двигателя Стирлинга, а в том, что многие из опубликованных работ (а их около тысячи) имеют весьма специальный характер и требуют от читателя определенной предварительной подготовки для усвоения их содержания. Работы общего характера по двигателям Стирлинга встречаются весьма редко и неизбежно велики по объему. Нужно иметь достаточно большую заинтересованность в предмете, чтобы прочесть такую работу полностью. Сжатое изложение отдельных вопросов, принятое в подобных работах, часто оказывается препятствием для читателя, не имеющего первоначальных знаний по двигателю Стирлинга.

Авторы надеются и полагают, что в настоящей книге дано достаточно точное и легко усваиваемое изложение затрагиваемых вопросов и связанных с ними проблем, понятное без привлечения дополнительной литературы. Откровенно говоря, такую книгу мы бы сами приветствовали, если бы впервые проявили интерес к двигателю Стирлинга.

как в двигателях, работающих по незамкнутому циклу,\ производится также выпуск горячих газов из цилиндров. Поэтому по сравнению с двигателем внутреннего сгорания двигателю Стирлинга требуется более развитая система охлаждения, как это видно из структуры энергетического баланса (рис. 1.2). В системах, предназначенных для транспортных средств, где экономия занимаемого двигателем объема явлйется определяющим фактором, необходимость использования радиатора с увеличенным рабочим объемом является недостатком, в то же время это может стать преимуществом в системах, потребляющих всю энергию, и в тепловых насосах, где холодильник больших размеров может увеличить КПД системы.

для такого предположения. Однако более внимательный анализ и последовавшее детальное обсуждение этого вопроса в коллективе исследователей, работающем в этой области под руководством проф. Уитли в Калифорнийском университете (Сан-Диего, США), привели к выводу, что скорее всего двигатель Мелоуна работает по циклу, напоминающему цикл двигателя Стирлинга, однако имеющему существенные отличия. В то же время двигатель Мелоуна после небольшой модификации может в точности соответствовать двигателю Стирлинга. Тем не менее остается невыясненным ряд вопросов относительно принципов работы двигателя Мелоуна даже в его первоначальном виде, поэтому мы считаем преждевременной попытку описания его рабочего цикла.

Было изготовлено несколько сотен таких генераторов, которые затем были проданы многим европейским университетам. Самая продолжительная программа исследования этого двигателя (по крайней мере, из числа известных нам) все еще продолжается в Батском университете (Англия). Эта работа достаточно полно освещена в публикациях [16—19]. Даже сегодня во многих лабораториях благосклоннее относятся к двигателю Стирлинга с кривошипно-шатунным приводом, чем к двигателю с ромбическим приводом. Позже будут освещены еще два мо-

10. Доля энергии цикла, которая отводится через холодильник, в двигателе Стирлинга на 60—250 % выше, чем в обычных поршневых двигателях. Чтобы справиться с такой тепловой нагрузкой, необходимы радиаторы больших размеров. В тех случаях, когда установка предназначена для использования всех видов вырабатываемой энергии, это может дать двигателю Стирлинга дополнительные преимущества.

рых КПД уменьшается с уменьшением температуры в системе-охлаждения (холодильнике) и увеличивается с ее повышением. В самом деле, в таких двигателях температуру в системе охлаждения стремятся поддерживать на возможно более высоком уровне, ограниченном только• необходимостью обеспечить сплошную пленку масла между поршневыми кольцами и стенками цилиндра. Это условие, разумеется, не имеет отношения к двигателю Стирлинга.

углеводороды НС и окись углерода СО, у двигателей Стирлинга должны иметь такие же концентрации, как и у обычных двигателей внутреннего сгорания. Однако это не так, поскольку двигателю Стирлинга нужен непрерывный приток энергии и, следовательно, непрерывный процесс сгорания. Это позволяет более эффективно управлять процессом сгорания, что предоставляет больше возможностей для снижения концентрации вредных веществ в продуктах сгорания, особенно если учесть, что сгорание здесь протекает при атмосферном давлении, а не при повышенных давлениях, как в двигателях с принудительным воспламенением рабочей смеси и дизелях.

Эта проблема возникает только в установках с использованием жидких углеводородов в качестве источника энергии. Устройство для рециркуляции газов относится к энергосиловой' установке в целом и к области ее использования, а не собственно к двигателю. Тем не менее без такого устройства низкий, уровень окислов азота в продуктах сгорания (одно из преимуществ, приписываемых двигателю Стирлинга) не может быть обеспечен. Причины этого уже рассматривались нами ранее. В настоящем разделе будут рассмотрены методы снижения концентрации окислов азота в выбросах в атмосферу.

Однако к этому времени благодаря усовершенствованиям в аккумуляторных батареях и электронных устройствах уменьшилась потребность в портативных генераторных установках малой мощности, И все же удивительно, что двигатель Стирлинга повышенной мощности не был доведен до стадии серийного производства, хотя еще в 1948 г. двигатель двойного действия V-4 мощностью 11 кВт был продемонстрирован в лаборатории фирмы «Филипс» ( г. Эйндховен) крупнейшему изготовителю двигателей — Генри Форду II [9], а аналогичных размеров двигатель двойного действия с косой шайбой был подготовлен к выпуску к началу 50-х годов [95]. Дальнейшему прогрессу двигатель Стирлинга обязан фирме «Дженерал моторе», которая предложила фирме «Филипс» разработать совместную программу разработок таких двигателей, однако в то время «Филипс» уклонилась от этого предложения [45]. О причинах этого можно только гадать, но фактом является то, что примерно в 1946—1947 гг. в фирму «Филипс» влилась новая группа исследователей, после чего предпочтение было отдано использованию двигателя в качестве рефрижератора и холодильной машины, а не источника механической энергии. Сразу же начала выполняться соответствующая программа, принесшая фирме «Филипс» существенный коммерческий успех в этой области. Одноступенчатая машина, построенная в 1963 г., обеспечивала температуру 12 К с охлаждающим эффектом, достаточным для получения сверхпроводимости в пластине из сплава ниобия с оловом, так что стержневой магнит мог висеть в воздухе над этой пластиной. В этот первый период совершенствования двигателя обратного действия (т. е. двигателя, работающего в режиме холодильной машины) были достигнуты важные результаты, связанные с применением в качестве рабочего тела водорода и гелия, что уменьшило потери на перетекание и улучшило рабочие характеристики. Успех работ по холодильным машинам и утрата предполагавшегося рынка для двигателя Стирлинга как источника механической энергии, казалось бы, .закрывали перспективы использования этого двигателя для получения мощности на выходном валу. Однако благодаря энтузиазму и энергии Мейера — одного из инженеров фирмы «Филипс» — эти работы были продолжены, а изобретение Мейе-ром в 1953 г. ромбического привода обеспечило двигателю -Стирлинга будущее. Генераторная установка с ромбическим приводом показана на рис. 1.137.