Двигатели стирлинга

Сравнение с другими двигателями

До сих пор мы рассматривали особенности работы двигате­лей Стирлинга и предъявляемые к ним требования без сравне­ния с другими типами тепловых двигателей. Поэтому, чтобы за­вершить оценку, проведем детальное сравнение с другими дви­гателями. Помимо таких параметров, характеризующих работу двигателей, как КПД, удельная выходная мощность и т. п., при сравнении будут учтены и такие факторы, как стоимость, тех­нологичность и возможность применения альтернативных топ - лив. Сравнение с учетом всех этих факторов необходимо для достижения его полноты и объективности. Слишком часто при­ходится сталкиваться в публикациях с произвольными сравне­ниями, которые делаются или с излишним энтузиазмом по от­ношению к двигателям Стирлинга, или со столь же необъектив­ным отрицательным к ним отношением. Авторам первых меньше везло, в то время как предвзятость авторов последних можно легко понять. Сейчас во всяком случае ясно, что нужны не не­обоснованные и сверхоптимистичные предсказания блестящего будущего двигателей Стирлинга, а конкретные эксперименталь­ные значения рабочих характеристик и результаты расчетов, подтвержденных экспериментальными данными.

Во многих случаях программы разработки двигателей Стир­линга были почти сведены на нет необоснованными предсказа­ниями и преувеличенно оптимистичной рекламой. Первоначаль­ная эйфория тех, кто финансировал такие программы, слишком часто сменялась внезапным осознанием реальной ситуации, ко­гда вслед за предварительной обработкой результатов, получен­ных на опытном двигателе, наступало время реальной оценки всех действующих факторов. Эти неблагоприятные обстоятель­ства, которых можно было бы избежать, порождали у многих исследователей и целых коллективов скептицизм в отношении двигателей Стирлинга вообще и привели к тому, что многие ин­женеры с весьма широким кругозором заняли позицию глубоко­го недоверия к любым положительным высказываниям об этих двигателях. Такую предвзятость трудно преодолеть, особенно если учесть, что в настоящее время имеется множество других доступных двигателей, которые совсем не столь уж плохи или устарели, как это иногда предполагают. Когда приняты во вни­мание и осмыслены все факторы, тогда появляются основания для более реалистичной оценки перспектив.

Авторы стоят на позиции тщательного анализа возможностей практического использования двигателя Стирлинга в различных областях. Если провести широкое сравнение этого двигателя с его конкурентами, то во многих случаях двигатель Стирлинга будет иметь больше преимуществ. Такой подход необходим, что­бы убедить высокие инстанции вложить необходимые капита лы в разработку коммерчески выгодных и привлекающих по­требителей конструкций двигателей Стирлинга. Нет сомнений,, что когда приняты во внимание все действующие факторы, то ожидания тех, кто будет финансировать такие программы, бу­дут более обоснованны. Слишком восторженные заявления только вредят любому возможному в будущем прогрессу дви­гателей Стирлинга и лишь способствуют возникновению недо­верия к серьезным и обоснованным доводам относительно прак­тического использования этих двигателей. Исходя из изложен­ного, мы попытались продемонстрировать в этом разделе на ограниченном количестве экспериментальных результатов все особенности работы двигателя. Представленные результаты ха­рактеризуют общий уровень разработки двигателей Стирлинга, достигнутый к настоящему времени, и не являются специально подобранными данными. Эти результаты необходимо сравнить с данными, полученными на двигателях других типов, которые применяются в настоящее время или находятся в стадии раз­работки.

Однако при сравненин двигателей различных типов возни­кает проблема подбора эквивалентных систем, иначе сравнение не принесет большой пользы. Например, сравнение наиболее со­вершенного двигателя Стирлинга с дизелем наиболее неудачной конструкции вряд ли окажется полезным. Имется еще один фак­тор, усугубляющий проблему,— неточность термина «эквива­лентный» применительно к энергосиловым установкам. Напри­мер, какие двигатели следует сравнивать — дающие одинаковую' мощность на выходном валу, имеющие близкие значения удель­ной мощности или имеющие одинаковую цену? В конкретных условиях применения различные двигатели, имеющие одинако­вую мощность, не обязательно обеспечат одинаковые рабочие характеристики. Например, различные типы двигателей для большого семейного автомобиля, обеспечивающие заданное зна­чение времени ускорения при разгоне с места до скорости 100 км/ч, будут иметь технические характеристики, приведен­ные в табл. 1.7 [55].

Из таблицы видно, что такие двигатели имеют различные значения мощности и удельной мощности (на единицу массы автомобиля), причиной чего являются различные формы зави­симостей крутящего момента от скорости, различия в комплек тации двигателей вспомогательными агрегатами (топливным

Насосом, водяной помпой, радиаторами различных размеров и т. п.), различные требования к трансмиссии и т. д. Поэтому единственно реалистическим подходом является сравнение ос­новных характеристик в определенных диапазонах мощностей и в определенных областях применения. Так, судовой двигатель Стирлинга средних размеров следует сравнивать с судовым ди­зелем таких же размеров, а отнюдь не с авиационной газовой турбиной средних размеров или с малолитражным автомобиль­ным двигателем с принудительным зажиганием. К сожалению, мы не можем назвать таких конкретных диапазонов мощностей и областей применения, для которых можно было бы подобрать все необходимые для сравнения рабочие характеристики и предъявляемые требования. Все же для одной области приме­нения — автомобилей — существует весьма большой объем не­обходимой информации по различным типам двигателей, и в дальнейшем изложении мы будем широко пользоваться этими данными.

В середине 70-х годов, в условиях обостряющегося энергети­ческого кризиса, федеральное правительство США через мини­стерство энергетики заключило контракты со многими фирмами и учебными заведениями на исследования двигателей для авто­мобилей, которые в перспективе могли бы оказаться более эко­номичными, чем существующие двигатели, меньше загрязнять атмосферу и использовать нетрадиционные топлива. Из многих двигателей, рассмотренных первоначально, некоторые все еще остаются объектами такого исследования, хотя основные про­граммы, по крайней мере те, которые финансируются прави­тельством, в настоящее время сосредоточены на разработке двигателя Стирлинга и газовой турбины. К наиболее перспек­тивным силовым установкам относятся следующие:

1) двигатель Стирлинга двойного действия (СДД);

2) дизель с турбонаддувом (ТНД);

3) бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и слоистым зарядом (СЗБ);

4) одновальная газовая турбина (ОВГТ).

Характеристики этих двигателей постоянно сравнивались с характеристиками трех энергосиловых установок, широко при­меняемых в настоящее время. Этими установками являются:

1) дизель с нормальной системой впуска (НВД);

2) бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом (ГЗБ);

3) двухвальная газовая турбина (ДВГТ).

Для устранения возможных недоразумений и неоднозначно­сти в интерпретации терминологии, использованной нами для наименования этих двигателей, ниже мы приводим краткие описания сравниваемых двигателей (за исключением двигателя Стирлинга, уже описанного ранее).

Бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и го­могенным зарядом.

Это обычный двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, почти полностью вытеснивший другие поршневые

Двигатели в качестве источника механической энергии для автомобилей. В этом двигателе сгорает сформированная в кар­бюраторе бензо-воздушная смесь. В исследованиях, финансируе­мых министерством энергетики США, такие двигатели комплек­товались каталитическими дожигателями для уменьшения за­грязнения окружающей среды. Схема двигателя приведена на рис. 1.105. На схеме показан поршневой двигатель возвратно- поступательного действия, однако к этому классу двигателей можно отнести также и роторный двигатель Ванкеля.

Бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и слои­стым зарядом

Этот двигатель практически идентичен предыдущему, за исключением способа образования бензо-воздушной смеси.

В двигателях этого типа вместо карбюрации часто используют прямой впрыск топлива в цилиндры. Окислитель — обычный воздух — поступает в цилиндр через обычный клапанный меха­низм с тарельчатым клапаном, а около запального устройства

Образуется зона обогащенной топливо-воздушной смеси. Горе­ние, начавшись в этой зоне, проникает в другую зону, где нахо­дится обедненная часть смеси. Термин «слоистый заряд» обязан своим происхождением тому, что в цилиндре такого двигателя заряд состоит из различных слоев бензо-воздушной смеси. Ти­пичный бензиновый двигатель со слоистым зарядом показан на рис. 1.106.

Дизель с турбонаддувом

Дизель с турбонаддувом схематически показан на рис. 1 107. На таком двигателе устанавливается воздушный компрессор,

Рис. 1.107. Схема дизеля с турбонаддувом [55].

Приводимый в действие колесом турбины, вращаемым отрабо­тавшими газами. Компрессор сжимает поступающий воздушный заряд и тем самым увеличивает количество воздуха в цилиндре. Это позволяет увеличить мощность, вырабатываемую двигате­
лем, но мало влияет на КПД установки. Турбонаддув способст­вует также более эффективной очистке (продувке) цилиндров от продуктов сгорания.

Дизель с нормальной системой впуска

Этот дизель аналогичен показанному на рис. 1.107, но не имеет турбокомпрессора.

Одновальная газовая турбина

В одновальной газовой турбине общий вал соединяет воздуш­ный компрессор и рабочую турбину, являясь одновременно и рабочим валом. Такая схема предопределяет использование бес­ступенчатой трансмиссии между рабочим валом турбины и рас­положенным соосно с ним конечным приводом. В простейшем

Виде это может быть гидромуфта. Создание работоспособной конструкции бесступенчатой трансмиссии представляет собой серьезную проблему. Для повышения КПД такой установки (рис. 1.108) используют вращающийся регенератор, с помощью которого часть отводимой энергии идет на предварительный по­догрев сжимаемого воздушного заряда.

Двухвальная газовая турбина

Двухвальная газовая турбина может также быть названа газовой турбиной со свободным рабочим колесом. Расширитель турбины имеет две ступени, связанные газовым потоком, а не жестким валом. Первая ступень служит для привода компрес­сора, а вторая — для привода рабочего вала. Такая схема ме­нее перспективна, чем предыдущая, но ее характеристики луч­ше изучены. Схематическое изображение установки дано на рис. 1.109.

Горячий газ

Рабочая турбина

Рис. 1.109. Схема двухвальной газовой турбины [55].