6.10. Двигуни зовнішнього згорання.

Останнім часом почали привертати на себе увагу нові конструкції двигунів зовнішнього згорання, так звані двигуни Стирлінга, які були запропоновані ше в 1816 році. Пояснюється це тим. шо підвищується загальний рівень технічної культури, тенденції до розвитку багатопаливних двигунів, підвищеною зацікавленістю холодильною і теплоносійною технікою, розвитком ялерних установок. За допомогою двигуна Стерлінга можна використовувати тепло від ядерного реактора для допоміжних потреб, особливо при зупинці реактора.

Теплові поршневі двигуни зовнішнього згорання були історично першими тепловими генераторами механічної енергії. На початку розвитку теплоенергетики намагались створити як газові, так і парові поршневі двигуни. Внаслідок того, що розвивалися двигуни внутрішнього згорання і турбінні двигуни, поршневі парові двигуни були витіснені. Вони були менш економічні, їх к.к.д, становив в межах 4...8 %, Тепер їх деяка кількість залишилась у вигляді локомотивів і локомобілем пересувних електростанцій.

Роторно - поршневі двигуни зовнішнього згорання в промисловому виробництві не випускають, тому шо виникають високі температурні напруження деталей корпусу і особливо ротора, що робить двигун не надійним.

В первинному вигляді він існував як теплова розширювальна машина, в циліндрі якої робоче тіло, наприклад, повітря перед стиском охолоджувалося, а перед розширенням - нагрівалося. Схема і принцип дії такого двигуна показані на рис.6.51.

Рис. 6.51. Схема і принцип дії двигуна Стирлінга. 1-циліндр; 2-охолоджуюча сорочка; 3-робочий поршень; 4-випіснювач; 5-шток витіснювача;

В циліндрі розмішений поршень 3, ущільнений поршневими кільцями і з'єднаний шатуном з колінчатим валом. Дно циліндра постійно підігрівається полум'ям, а між дном і робочим поршнем знаходиться поршень-витіснювач 4, який переміщується в циліндрі з великим зазором. Повітря в циліндрі перекачується витіснювачем або до дна робочого поршня, або до нагріваємого дна циліндра. Витіснювач приводиться в рух штоком 5, який проходить через ущільнення в поршні і приводиться в рух ексцентриковим механізмом, що обертається з кутом запізнення біля 90° порівняно з механізмом приводу робочого поршня.

В положенні а поршень розміщений в НМТ і охолоджене стінками повітря знаходиться між ним і витіснювачем. В наступній фазі б витіснювач рухається доверху, а поршень залишається в НМТ. Повітря між ними виштовхується через зазор між витіснювачем і циліндром до дна циліндра. Фаза в є робочою, коли повітря нагрівається гарячим дном циліндра, розширюється і виштовхує обидва поршні до ВМТ. Після цього витіснювач повертається в нижнє положення до дна циліндра і виштовхує повітря через щілину між стінками циліндра в камеру під поршнем, повітря при цьому охолоджується стінками циліндра. В положенні г холодне повітря підготовлено до стиску і робочий поршень рухається від ВМТ до НМТ. Оскільки робота, яка витрачена на стиск холодного повітря, менша за роботу, яка виконується при розширенні гарячого повітря, то виникає як різниця між ними - корисна робота. Акумулятором енергії, необхідної для стиску холодного повітря, служить маховик. Але такий двигун мав низький к.к.д. із-за того, що повітря не встигало швидко охолодитися. Цей недолік усунутий у двигунах із зовнішнім регенератором теплоти (рис.6.52). Через регенератор здійснюється перекачка повітря із верхньої частини циліндра в нижню під дією витіснювача.

Послідовно до регенератора у зовнішньому контурі під'єднаний радіатор Регенератор акумулює теплоту повітря, яке поступає після розширення в холодну камеру. При потоці повітря в зворотньому напрямку акумулятор знову віддає йому теплоту. Радіатор, розміщений за регенератором, відводить лише частину цієї теплоти, остання залишається в акумуляторі і використовується знову.

Теплота відпрацьованих газів підігрівача використовується для підвищення температури свіжого повітря, яке подається в камеру згорання. Поршень 2 є робочим, він передає тиск повітря на кривошипно-шатунний механізм, а витіснювач призначений для переміщення повітря із верхньої частини циліндра в нижню. В положенні а повітря із простору між двома поршнями поступає через радіатор 3 і регенератор 4 в трубки підігрівача 6, а потім у верхню частину циліндра. Трубки підігрівана розмішені у камері згорання, куди свіже повітря для горіння подається через канал 7, проходячи теплообмінник. Відпрацьовані гази відводяться через газовод 8. В положенні а стиснуте повітря при русі у верхню частину циліндра нагрівається спочатку в регенераторі, а потім - в підігрівачі. В положенні б все повітря витіснене із простору між двома поршнями і виконує роботу, переміщуючи обидва поршні в нижнє положення. В положенні в після здійснення роботи робочий поршень залишається в нижньому положенні, а витіснювач 1 починає виштовхувати повітря із верхньої частини циліндра в простір між поршнями через регенератор, в якому повітря віддає частину своєї теплоти, і радіатор, де повітря охолоджується повніше. В положенні г повітря охолоджене і витіснюється із верхньої частини циліндра в простір між поршнями, 'де відбувається його стиснення.

Рис.6.52. Схема двигуна Стерлінга з регенератором і ромбічним кривошипно-шатунним механізмом: 1-витіснювач; 2-робочий поршень; 3-радіатор; 4-регенератор; 5-підігрівач з форсункою; 6-трубки підігрівача; 7-вхід повітря; 8-вихід відпрацьованих газів.

Двигун Стерлінга зовнішнього згорання — двигун із зовнішнім підводом і регенерацією теплової енергії, яка перетворюється у корисну механічну роботу. Цей двигун працює по замкненому регенеративному циклу, з послідовним чергуванням двох ізотермічних і двох ізохоричних процесів. Робочим тілом останнім часом застосовують гелій або водень під тиском 10...20 МПа, який знаходиться у замкненому просторі і на протязі роботи не замінюється, а лише змінює об'єм при нагріванні та охолодженні.

Регенератор немов би розділяє Ідей простір на гарячу і холодну порожнину. До гарячої підводиться теплота від нагрівача, а від холодної вона відводиться охолоджувачем, в якому циркулює вода.

Перетворення зворотньо-поступального руху поршнів у обертальний рух виконується ромбічним механізмом або косою шайбою.

Робочий цикл двигуна здійснюється за 4 такти:

- стиснення;

- нагрівання;

- робочий хід;

- охолодження;

Теоретичний К.К.Д. двигуна Стерлінга внаслідок регенерації теплоти може досягти значення К.К.Д. двигуна внутрішнього згорання, який працює за циклом Карно. В дійсності він лише наближається до К.К.Д дизельного Д.В.З,

Останнім часом створені конструкції двигуна Стерлінга для роботи на автомобілях, човнах і в стаціонарних умовах.

Двигун складається з п'яти основних елементів (рис.6.53):

- камери згорання (теплообмінника), в якій нагрівається робоче тіло;

- регенератора, який відділяє гарячу порожнину від холодної;

- холодильника, який відводить тепло через охолоджену воду в оточуюче середовиїде;

- виштовхуючого поршня, який забезпечує подачу робочого тіла з гарячої порожнини через генератор в холодну і навпаки;

- робочого поршня, який забезпечує стиск і розширення робочого тіла.

В дійсному циклі індикаторна діаграма замість ізотерм підвода і відводи теплоти і ізохор регенерації відбуваються процеси, які призводять до закруглення "кутів " цикла і ця діаграма приймає форму еліпсу.

Робочі процеси регулюються завдяки відносного переміщення двох поршнів і в значній мірі визначаються схемою кривошипно-шатунного механізму.

Об'єм, який наповнюється робочим тілом, складається із змінного об'єму теплообмінника, регенератора і холодильника, змінного об'єму між поршнями (холодна порожнина), температурного зазору над виштовхуючим поршнем та об 'ему з 'єднувальних трубопроводів.

Рис.6.53. Загальний вигляд двигуна зовнішнього згорання ] - форсунка подачі палива, 2 - гаряча порожнина, 3 - холодна порожнина, 4 - робочий поршень, 5 - шатун робочого поршня, 6 - камера згорання, 7 - виштовхуючий поршень, 8 - шатун виштовхуючого поршня.

Рис.6.54. Послідовне положення поршнів та відповідні їм діаграми

Максимальна температура цикла 900...1000 К, тиск 100...200 am, Двигун Стерлінга, якщо його використовувати на суші, значно поступається дизелю. Він має більшу масу і габарити завдяки громіздкій системі охолодження, але на морі їм немає рівних.

Одна з моделей Стирлінга фірми "Дженерал Моторе", яка працює на 16 см³ стиснутого до 100 бар водню дає потужність ЗО кВт, при цьому вважається можливим довести циліндрову потужність 300...400 Вт.

Потужність регулюється зміною кількості робочого тіла, при постійних параметрах циклу.

Основні переваги Стиряінгів - висока економічність, багатопаливність, малотоксичність відпрацьованих газів (що є наслідком високої повноти згорання у окремій камері).

Основним недоліком їх є складність конструкцій багатьох елементів двигуна. До того ж важко забезпечити надійне ущільнення зон розподілу робочого і картерного простору двигуна. Цей двигун має більшу масу і габарити, ніж двигун внутрішнього згорання.