Перспективи розвитку двигунів нетрадиційних схем ( самостійне вивчення)

1. Адіабатні дизелі

Як зазначалось вище, широке використання дизелів на автомобілях пояснюється їх високими економічними та екологічними показниками. Не менш інтенсивно ведуться пошуки і дослідження щодо їх вдоскона­лення. Один із основних напрямків таких досліджень - розробка адіаба­тного дизеля, або, як його часто називають, дизеля з обмеженим відве­денням теплоти. Ідея створення такого двигуна полягає в зменшенні кількості теплоти, що непродуктивно відводиться в охолоджуюче сере­довище, тобто в наближенні процесів, що протікають в камері згоряння, до адіабатних. Це дає можливість збільшити роботу газів у циліндрі ди­зеля і використовувати гази, що виходять при високій температурі, для отримання енергії поза циліндром. Крім того, якщо вилучити систему охолодження і агрегати, що забезпечують її роботу (вентилятор, водя­ний насос), то з'являється додатковий приріст енергетичних та економі­чних показників, знижуються маса та габаритні розміри двигуна. Таким чином, адіабатний дизель може мати економічні показники значно вищі, ніж у існуючих дизелів. Однак розробка такого дизеля, який би мав ви­соку надійність і достатню довговічність, є дуже складною проблемою. Для її вирішення необхідні деталі циліндро-поршневої групи із покрит­тям теплоізолюючими матеріалами, що довговічні в умовах високих тис­ків і температур. Використовують керамічні матеріали, двоокис цирконію і компонент, що складається із окису алюмінію і окису титану. Не менш важливим питанням є забезпечення змащування деталей тертя. Най­більш перспективним вважається тверде мастило.

Висока температура відпрацьованих газів дає можливість викорис­товувати їх енергію як гарячого джерела теплоти в циклах парового двигуна або двигуна Стірлінга, для приводу газової турбіни, з'єднаної з валом дизеля. У результаті підвищується ефективність використання енергії палива, що згоряє. Токсичність адіабатного дизеля по оксидах азоту вища, але її можна знизити до рівня звичайних дизелів шляхом зменшення кута випередження впорскування. Викиди сажі в адіабатно­му дизелі нижчі, ніж у звичайному.

2. Двигун зовнішнього згоряння

Ці двигуни названі іменем Роберта Стірлінга, який в 1816 р. одер­жав патент на "машину, яка виробляє рушійну силу за допомогою нагрі­того повітря".

Двигуни Стірлінга є двигунами зовнішнього згоряння, у яких робоче тіло не змінюється, а підведення теплоти може здійснюватись від будь- якого джерела енергії, у тому числі сонячної і ядерної. Однак навіть у випадку використання палив нафтового походження викид токсичних речовин у таких двигунах значно нижчий порівняно з поршневими дви­гунами внутрішнього згоряння у результаті кращого сумішоутворення і безперервного горіння палива при достатній кількості кисню. Цим і по­яснюється підвищений інтерес до цих двигунів.

Принцип роботи двигуна зовнішнього згоряння такий же, як і двигу­на внутрішнього згоряння. Для одержання корисної роботи необхідно виконувати процес стиснення робочого тіла при низькій температурі (тобто і при меншому тискові), а процес розширення - при високій тем­пературі (високому тискові).

Мал 1. Схема двигуна Стірлінга

Для здійснення цих процесів у двигуні Стір­лінга (рис. 1) є дві порожнини - гаряча 5 і холодна 1. Для переміщен­ня робочого тіла із однієї порожнини в іншу використовується спеціаль­ний витискувач 6. При переміщенні робочого тіла із холодної порожнини в гарячу до нього в нагрівнику 4 підводиться теплота, при зворотному переміщенні в холодильнику 2 від нього відводиться теплота. Регенера­тор 3 застосовується для кращого використання теплоти і працює таким чином: при переміщенні робочого тіла з гарячої порожнини в холодну частина теплоти віддається в регенераторі, при зворотному переміщен­ні - від регенератора теплота повертається робочому тілу. Для стиску робочого тіла і сприйняття зусиль при його розширенні викори­стовується робочий поршень 7.

Розглянемо робочий цикл двигуна Стірлінга (рис. 1).

У положенні «а» робоче тіло повністю витиснене з гарячої порожнини в холодну. В положенні «б» закінчується стиснення робочого тіла в холод­ній порожнині робочим поршнем. Далі витискувач 6 переміщує робоче тіло з холодної порожнини в гарячу, при цьому температура і тиск тіла підвищуються у результаті підведення до нього теплоти в регенераторі і нагрівачі (положення в). Робоче тіло переміщує витискувач і поршень вниз, виконуючи роботу за значенням більшу, ніж робота стиску (по­ложення г). Потім витискувач переміщує робоче тіло з гарячої порожни­ни в холодну з відведенням теплоти в регенераторі і холодильнику і процес повторюється. На рис. 1, д показана схема двигуна Стірлінга з найбільш розповсюдженим ромбічним приводним механізмом, який забезпечує необхідні закони переміщення витискувача і робочого порш­ня. Крім того, такий механізм виключає виникнення бокових сил і дозво­ляє уникнути прориву газів під високим тиском в картер шляхом ство­рення під робочим поршнем буферної порожнини із підвищеним тиском. Як робоче тіло в двигунах Стірлінга найбільш широко використовують водень і гелій, хоча останнім часом перевіряється можливість викорис­тання повітря і вуглекислого газу. Регулювання потужності двигунів здійснюється зміненням маси робочого тіла.

В наш час перспективними вважаються багатоциліндрові двигуни Стірлінга подвійної дії, у яких з'єднані гарячі і холодні порожнини різних циліндрів.

Переваги двигуна Стірлінга при використанні на автомобілях: високі ККД і питома потужність; високий (до 80% номінального) від'ємний крутний момент при гальмуванні; сприятливе протікання крутного моменту, що дозволяє спростити трансмісію; низька токсичність відпрацьованих газів; незначні вібрації і рівень шуму; можливість роботи на різних оли­вах і т.д.

Як вади двигунів Стірлінга, що стримують його широке розповсю­дження, можуть бути названі висока вартість виготовлення, складність конструкції, невисока надійність ущільнень, недовговічність деяких вуз­лів. Ці недоліки поступово усуваються в процесі досліджень і розробки нових конструкцій.