Регулирование среднего давления цикла
Как уже упоминалось ранее, выходная мощность двигателя Стирлинга прямо пропорциональна среднему давлению цикла в рабочем теле. Следовательно, если с помощью каких-либо внешних устройств удастся изменять уровень давления в цилиндре, то тем самым можно будет регулировать и мощность, развиваемую двигателем. Простейшим методом для достижения этого эффекта является стравливание рабочего тела из цилиндра для уменьшения мощности и подкачка рабочего тела в цилиндр для ее увеличения. Эта простейшая идея лежит в основе рассматриваемого метода. На практике же для изменения среднего давления цикла требуются достаточно сложные устройства.
Метод регулирования среднего давления использовался для регулирования мощности еще в XIX в. в двигателях, работающих на подогретом воздухе [7], и был принят фирмой «Филипс» в ее ранних работах 40-х годов. Когда применение в качестве рабочего тела газов с низкой молекулярной массой стало преобладающим, это вызвало ужесточение требований к системе регулирования. Такой газ был слишком дорогим, чтобы просто
Рис. 1.130. Принципиальная схема регулирования среднего давления цикла. 1 — полость А; 2 — клапан подачи; 3 — газовый резервуар; 4 — компрессор; Б — стравливающий клапан; 6 — перепускной клапан; 7 -- нолоеть Б. |
Стравливать его в атмосферу; кроме того, его стравливание и подкачка должны были осуществляться при сравнительно высоких давлениях. Поэтому появилась необходимость в резервуаре для хранения газа и газовом компрессоре, встроенном в систему регулирования. Необходимость быстрого изменения нагрузки, что характерно для автомобильных двигателей, требует дальнейшего совершенствования системы регулирования, направленного на уменьшение времени реакции. В некоторых областях применения, таких, как стационарные электрогенераторы, изменение нагрузки не должно вызывать изменения скорости вращения, так как необходимо поддерживать постоянной частоту переменного тока, вырабатываемого генератором. Это заставляет комплектовать систему регулирования дополнительными устройствами. Принципиальная схема системы регулирования давления показана на рис. 1.130.
Если требуется увеличение мощности двигателя, то дополнительное количество рабочего тела должно быть подано в двигатель буквально в доли секунды, при условии что давление в резервуаре с рабочим телом достаточно высокое. В случае замкнутой системы питания (подпитки) проблема усложняется, если требуется уменьшить мощность двигателя, так как рабочее тело, стравливаемое из двигателя, должно поступать в компрессор, который увеличивает давление рабочего тела, чтобы оно могло проникнуть в резервуар. Для быстрого завершения этого - процесса потребовался бы компрессор нереально больших размеров. Чтобы избежать этого, в системе регулирования предусмотрены перепускные клапан и трубопровод. Клапан служит для соединения двух или более изолированных рабочих полостей двигателя. В двигателе с ромбическим приводом такими полостями могут быть полость сжатия и буферная полость. Если перепускной клапан открывается одновременно со стравливающим клапаном, то произойдет не только истечение рабочего тела из двигателя: соединение двух полостей вызовет изменение амплитуды и фазы колебания давления в этих полостях, в результате чего мощность уменьшится до такого уровня, что выходная мощность станет равной нулю, и вся установка будет работать в режиме самоторможения.
Эта система регулирования, столь простая по принципу действия, становится значительно более сложной на практике, поскольку синхронизация действия клапанов и регулирование степени их открытия должны осуществляться и контролироваться с высокой точностью. Например, если требуется увеличить мощность, то дополнительное количество рабочего тела должно быть подано в момент, когда давление в цилиндре близко к своему максимальному значению. Такое же воздействие на давление в цилиндре может быть осуществлено при открытом перепускном клапане, однако результатом этого будет нежелательное уменьшение крутящего момента. В процессе уменьшения мощности время открытия перепускного и стравливающего клапанов не обязательно должно быть одинаковым. Далее, несмотря на необходимость уменьшения мощности, может оказаться, что скорость вращения должна оставаться неизменной. Все эти варианты требуют, чтобы скорость вращения находилась под постоянным контролем и по ней можно было бы регулировать работу клапанов. С практической точки зрения при наличии большого количества отдельных клапанов и соответствующих трубопроводов невозможно создать компактную систему регулирования, и замена системы клапанов различного назначения, показанных на рис. 1.130, одним многофункциональным клапаном обеспечивает значительные преимущества.
На практике проблема обеспечения синхронизации облегчается за счет канавок, профрезерованных в корпусе штока поршня. Когда поршень двигателя двойного действия находится около нижней мертвой точки, канавки открываются, обеспечивая рабочему телу проход в полость сжатия при достижении давлением рабочего цикла своего максимума. Имеющейся в системе регулирования один многофункциональный управляющий клапан приводится в действие гидравлическим сервомеханизмом. Схема системы регулирования среднего давления цикла четырехцилиндрового двигателя двойного действия показана на рис. 1.131. Видно, что имеются три трубопровода, ведущие к двигателю: трубопровод синхронной подачи газа, трубопровод
Рис. 1.131. Схема системы регулирования среднего давления цикла двигателя Стирлинга двойного действия [40]. |
I — нагреватель; 2 — регенератор; 3 — холодильник; 4— трубопровод ртах; 5 — трубопровод pmln; G — трубопровод синхронной подачи газа; 7— клапан короткозамкнутой перепускной линии; 8 — распределительный клапан; 9 — клапан подачи; 10 — резервуар; II—запорный клапан линии нагнетания; 12 — компрессор.
Минимального давления цикла и трубопровод максимального давления цикла. Последние два трубопровода соединены между собой, образуя короткую перепускную линию для быстрого уменьшения мощности. Компрессор в системе регулирования может быть встроенным в двигатель или располагаться снаружи и иметь отдельный привод. Эти варианты нами уже рассматривались ранее. После многочисленных работ со встроенным компрессором фирма «Форд» решила принять принцип внешнего компрессора, используемый фирмой «Юнайтед Стерлинг». Вся система клапанов (рис. 1.131) объединена в один управляющий клапан (рис. 1.132). Первоначально каждый клапан приводился в действие своим собственным кулачковым валом, и, несмотря на удачные результаты, такая система оказалась все же слишком громоздкой.
Рис. 1.132. Комбинированный управляющий клапан системы регулирования среднего давления цикла. (С разрешения фирмы МТИ.)
При использовании одного управляющего клапана необходимо обеспечить надежное уплотнение и точное положение буртиков, так как неточность их положения повлияет на работу двигателя и нарушит расчетное быстродействие. Имеются сведения, что в настоящее время проводятся исследования по управлению многофункциональным клапаном с помощью микропроцессора, причем предпочтение отдается электрическому или пневматическому приводу, а не гидравлическому.
Очевидно, что система регулирования упростится при устранении компрессора и использовании фиксированного количества рабочего тела. Среднее давление цикла при этом можно будет поддерживать неизменным, а изменять амплитуду давления в цикле, тем самым изменяя мощность. Для обеспечения такого изменения амплитуды давления необходимо изменять величину степени сжатия. Следовательно, желательно изменять в процессе работы двигателя его рабочий объем. Имеются различные способы изменения рабочего обьема, однако в основе их всех лежит один и тот же принцип — увеличение мертвого объема двигателя.