Машины, работающие по циклу Стерлинга

ДВИГАТЕЛИ

Для двигателей большой мощности схема, приведенная на рис. 8-1, непригодна, поскольку требует применения картера под давлением, что приводит к тяжелой и громоздкой машине. По-ви­димому, двигатель, который изобрел Рини, устраняет эту трудность и не требует применения тяжелого картера.

Схема двигателя Рини приведена на рис. 8-3. По этой схеме все цилиндры взаимосвязаны: верхняя полость расширения одного ци­линдра через канал с нагревателем, регенератором и холодильни­ком соединена с нижней полостью сжатия смежного' цилиндра. В двигателе Рини количество движущихся возвратно-поступательно узлов сведено к одному, и в сочетании с приводом от косой шайбы был создан очень компактный четырехцилиндровый двигатель. Вы­явившиеся впоследствии трудности ( в основном в вопросах смазки, уплотнения и гидравлического сопротивления) заставили вновь вернуться к одноцилиндровым двигателям вытеснительного типа.

Это возвращение связано с изобретением нового приводного меха­низма, названного доктором Мейером в 1959 г. ромбическим при­водом. С этого времени все исследования и конструкторские раз­работки были сконцентрированы именно на таких машинах, пока

Совсем недавно не были вновь возобновлены работы по двигателям Рини. Представляется, что изобретение ромбического привода для одноцилиндровых двигателей вытеснительного типа и схема Рини для многоцилиндровых двигателей являются двумя фундаменталь­ными вкладами, внесенными фирмой «Филипс». Ромбический привод позволил возвратиться к двигателям вытеснительного типа без не­обходимости повышения давления в картере. Кроме того, он обес­печивает возможность полного уравновешивания двигателя, чего нельзя добиться в одноцилиндровых машинах с кривошипно-ша- тунным механизмом. Другим преимуществом ромбического привода является то, что исключаются трение и износ уплотнительных ко­лец, вызываемые боковым усилием от головок шатунов рабочего поршня и вытеснителя. Основной недостаток ромбического при­вода — его относительная сложность.

Основные элементы ромбического привода Мейера показаны на рис. 8-4. Он состоит из сдвоенных кривошипно-шатунных механиз­мов, идентичных по конструкции и смещенных на одинаковые рас­стояния от оси двигателя. Кривошипы вращаются в противополож­ных направлениях и соединены с помощью одинаковых зубчатых колес. Шатуны соединяются верхней и нижней траверсами (серь­гами): шатуны рабочего поршня — верхней, а шатуны вытеснителя — соответственно нижней траверсой. При работе движения рабочего поршня и вытеснителя гармонические по закону, близкому к сину­соидальному, но с соответствующим смещением по фазе, что позво­ляет ' осуществить необходимое изменение объемов сжатия и рас­ширения.

Было затрачено много усилий на развитие и усовершенствов> ние двигателей Мейера. Экспериментальной оценке подвергались самые разнообразные двигатели, начиная от одноцилиндрового мощностью 3,68 кВт (5 л. с.) до четырехцилиндрового мощностью

Рис. 8.-4. Схема одноцилинд­рового вытеснительного типа двигателя Мейера с ромбиче­ским приводом.

1 -- вытеснитель; 2 — шток вытес» иителя; 3 — рабочий поршень; 4 — шток рабочего поршня (по­лый); 5 — противовесы; 6 — серьги (траверсы) равной длины; 7 — ша­туны равной длины; 8 — криво­шип; 9 — Зубчатые колеса.

Рис. 8-5. Схема двигателя Мейера фирмы «Филипс».

/ — форсунка; 2 — камера сгора­ния; 3 — подогреватель воздуха; 4 — трубки нагревателя; 5 — реб­ра; 6 — регенератор; 7 — трубки холодильника; 8 — буферная по­лость; 9 — противовес; 10 — зуб­чатое колесо; 11 — кривошип; 12 — Серьга вытеснителя; 13 — шатун вытеснителя; 14 — шатуи рабочего поршня; 15 — серьга рабочего поршия; 16 — шток рабочего поршня; 17 — рабочий поршень; 18 — шток вытеснителя; 19 — по­лость сжатия; 20 — цилиндр; 21 — вытеснитель; 22 — вход воз­духа; 23 — полость расширения; 24 — кольцевой баидаж нагрева­теля; 25 — выпускное отверстие для продуктов сгорания топлива.

265 кВт (360 л. е.). Теоретически проанализированы двигатели большой мощности для морских судов и систем с ядерным реактором (Мейер, 1969—1970 гг.). Схема усовершенствованного двигателя Мейера показана на рис. 8-5. Двигатель имеет водяное охлажде­ние, а для нагревания используются природные топлива. Усовер­шенствованные двигатели этого типа работают при очень высоком давлении рабочего тела, в качестве которого используется не воздух, а водород или гелий. Использование указанных рабочих тел свя­зано с тем, что теплофизические свойства водорода и гелия (удельная теплоемкость, удельная теплопроводность и вязкость) наиболее благоприятны для двигателей с высокой удельной мощностью.

Результаты сравнительного анализа, проведенные фирмой «Фи­липс» для определения оптимального эффективного к. п. д. в зави­симости от удельной мощности двигателя для различных рабочих тел, даны на рис. 8-6. При низких значениях частот вращения и удельной мощности разница между приведенными зависимостями небольшая, но она становится заметной при больших частотах и вы­сокой удельной мощности. Увеличение удельной мощности требует повышения частоты вращения, что ведет к снижению Важно отметить, что исследования проведены для двигателей мощностью 225 л. с. в одном цилиндре. Преимущества водорода и гелия, хотя I являются значительными, не могут быть в такой же степени рас­пространены на небольшие двигатели.

При использовании водорода или гелия проблемы уплотнений становятся очень трудными и занимают в исследовательских рабо­тах значительную часть времени. В двигателе Мейера фактически
имеются две различные проблемы уплотнений: во-первых, обеспе­чение уплотнения для штоков рабочего и вытеснительного поршней с целью предотвращения утечек рабочего тела в картер; во-вторых, уплотнение рабочего поршня от утечек газа из рабочей полости в буферное пространство; в несколько меньшей степени существует и проблема уплотнения вытеснителя. Решения этих проблем были найдены в использовании гидравлического уплотнения типа «вы­ворачивающегося чулка» (рис. 8-7) для штоков поршией и в приме­нении несмазывающихся уплотнительных колец на основе тефлона для рабочего поршня и вытеснителя.

Много усовершенствований было внесено и в конструкцию те­плообменников, особенно нагревателя и подогревателя воздуха, от которых требуется высокая эффективность для уменьшения потерь

Теплоты. Другие важные усовершенствования касались способа регулирования двигателя. Регулирование изменением подачи то­плива приводит в конечном итоге к изменению температурного ре­жима двигателя, но из-за высокой тепловой инерции это изменение относительно медленное. Почти мгновенное регулирование двига­теля достигается в усовершенствованной системе изменением давле­ния рабочего тела в цилиндре, включая и процесс торможения с помощью перепускного клапана сброса давления, перекрываю­щего рабочую и буферную полости.

Рост общественного внимания к проблемам загрязнения окру­жающего воздуха сфокусировало усилие инженеров фирмы «Фи­липс» на возможностях использования двигателей Стирлинга для ав­томобилей. Характеристики двигателя Стирлинга по токсичным компонентам в выхлопных газах весьма благоприятны в сравне­нии с характеристиками газовых турбин и дизелей; это иллюстри­рует табл. 8-1, где количества компонентов (СО, СхНд и NOx) в вы­хлопных газах, выбрасываемых в атмосферу, даны при полной на­грузке двигателей. Практическое отсутствие окиси углерода и раз­личных несгоревших углеводородов в выхлопных газах двигателя Стирлинга объясняется тем фактом, что процесс горения осуще­ствляется в камере с высоконагретыми стенками непрерывно, а воз­дух может подводиться в любом избыточном количестве; это исклю­чает возможность наличия части несгоревшего топлива в выхлоп­ных газах. Неясно, однако, почему, несмотря на относительно высо­кую температуру в камере сгорания снижается образование за­киси (N20) И окиси азота (N0); но даже эти низкие значения окис­лов азота могут быть уменьшены не менее чем на 60% путем отно­сительно простой, но целесообразной рециркуляции около 73 всего количества выхлопных газов в зону горения.

Применительно к городскому транспорту рядом авторов были отмечены и другие достоинства двигателей Стирлинга [Нилен (Neelen), Ортегрен (Ortegren), Кульман (Kuhlman), 'Захариас (Zacharias), 1971 г J:

1) двигатель работает без вибрации; уровень шума из-за отсут­ствия клапанов и периодических вспышек топлива, вызывающих резкое повышение давления, ниже по сравнению с шумами. в дизе­лях того же класса на 20—40 дБ; двигатель может быть полностью уравновешен;

2) эффективный к. п. д. и удельная мощность сравнимы с ана­логичными величинами в дизелях; особенно хорошие показатели по эффективному к. п. д. двигатель имеет при частичных нагрузках;

3) при торможении максймальный отрицательный крутящий мо­мент может достигать 80% номинального крутящего момента дви­гателя при полной нагрузке;

4) двигатель имеет широкий диапазон изменения частоты враще­ния и благоприятные характеристики крутящего момента, что по­зволяет использовать простую трансмиссию;

5) практически отсутствует расход масла; необходимость в его замене появляется крайне редко;

6) возможны хорошая приемистость и быстрый выход на режим;

7) двигатель обладает способностью работать на разнообраз­ных жидких и газообразных топливах;

8) двигатель надежен и имеет длительный ресурс работы;

9) двигатель нечувствителен к загрязнению пылью или различ­ными солями, содержащимися в атмосфере.

Четырехцилиндровый двигатель мощностью 147 кВт (200 л. е.), предназначенный для автомобиля, показан на рис. 8-8; некоторые его основные технические данные приведены в табл. 8-2. В целях проверки его характеристик и демонстрации работы прототип дви­гателя был установлен на городском автобусе; фирма «Юнайтед Стерлинг» в Мальмё (Швеция) по лицензии фирмы «Филипс» сможет начать изготовление этого типа двигателя в 1974 г. с переходом на серийное производство в 1976 г. О цене двигателя не сообщается, но можно предположить, что она будет выше стоимости дизельного двигателя такой же мощности. В автобусе городского типа стои­мость двигателя составляет приблизительно 10% всей его стои­мости, и вполне вероятно, что те преимущества, о которых говори­лось выше, будут настолько значимы, что позволят увеличить стои-

Таблица 8-2

Краткие технические характеристики двигатели Стирлинга типа 4-235 фирмы Филипс

Число цилиндров Система сгорания Топлива

Диаметр цилиндра и ход поршня Общий вытесняемый объем ци­линдров Рабочее тело

Максимальная полезная мощность

Среднее давление рабочего тела

Максимальная полезная мощ­ность

Среднее давление рабочего тела

Номинальная температура нагре­вателя

Номинальная температура ради­атора

Максимальный крутящий момент Эффективный к. п. д. Система смазкн

Система очистки масла Охлаждение

Сухая масса

Габариты (длинахвысота)

Внешняя Дизельное

DxS=77,5x49,8 мм 940 см3-

Гелий

TOC o "1-3" h z 162 кВт (220 л. с.) при 1 300 об/мин I

21,582 МПа |

(220 кгс/см2) )

73,55 кВт (100 л. с.)) при 3000 об/мин { 10,791 МПа (

(110 кгс/см2) )

973 К (700°С)

По окончатель­ным данным

По предвари­тельным дан­ным

Мость автобуса на 10%, т. е. увеличить стоимость двигателя по срав­нению со стоимостью дизеля в 2 раза.

Последующие поколения двигателей находятся на стадии усо­вершенствования. Это компактные, высокого давления двигатели Рини, в которых могут быть получены показатели по удельной мощ­ности, сравнимые с показателями бензиновых двигателей, а эффек­тивные к. п. д. — с к. п. д. дизелей. Схема двигателя такого типа показана на рис. 8-9. Эта машина с системой непрямого подвода теплоты, работающая по принципу «фитильного термосифона» или «тепловой трубы». Применение этой системы фирмой «Филипс» было вызвано необходимостью решения проблемы получения плотного теплового потока в нагревательных трубках для компактных, с вы­соким давлением рабочего тела двигателей.

Тепловая труба представляет собой некое устройство для пере­дачи теплоты при условиях, близких к изотермическим, с плот­ностью теплового потока, превышающей в несколько тысяч раз плотность потока при передаче теплоты стержнем, изготовленным из чистой меди. Тепловая труба выполняется в виде замкнутой герметичной полости, внутренние стенки которой покрыты пори­
стым материалом; покрытие называется фитилем. В полости трубы содержится теплоноситель, испаряющийся в горячей зоне и конден­сирующийся в холодной; образовавшийся пар из горячей зоны дви­жется в холодную, из которой сконденсированная жидкость по фи­тилю вновь возвращается в горячую зону. Из-за скрытой теплоты парообразования и конденсации тепловой поток от горячей зоны

К холодной очень большой. Тепловая труба позволяет поглощать теплоту из камеры сгорания или от другого тепло­вого источника с низкой плотностью теплового потока, фактически не огра­ниченного, поскольку площадь теплооб - менной поверхности трубы можно пре­дусмотреть достаточно большой; в целом Может быть получен очень большой тепловой поток. Одновременно теплота от трубы может подводиться к двига­телю с очень высокой плотностью тепло­вого потока и практически при той же температуре, при которой подводится к трубе.

Для температур, представляющих интерес для двигателей Стирлинга (700—800°С), подходящим теплоноси­телем для тепловой трубы является жидкометаллический Na.

Использование тепловой трубы сни­мает опасность местных перегревов, имеющих место в обычных трубках на­гревателя с высоким давлением рабочего тела, и, следовательно, появляется возможность увеличить на 50—75°С максимальную температуру в цикле, что приведет к увеличению мощности двигателя и повышению его к. п. д. К тому же площадь теплообменной по­верхности тепловой трубы, соприкасаю­щаяся с продуктами сгорания, может быть достаточно большой, что повысит эффективность камеры сгорания. Это дает также возможность уменьшить температуру в камере сгорания и резко снизить содержание N0^ в выхлопных газах.

В двигателях Стирлинга подвод теплоты осуществляется косвен­ным способом, через стенки нагревателя, благодаря чему двигатель может работать практически от любого источника энергии. Одной из таких возможностей является применение теплового аккумуля­тора, который можно заряжать электроэнергией ночью, а днем использовать для работы двигателя Стирлинга. Фирма «Филипс»

Исследовала Такую возможность, исйользовай в Качестве Теплоак - кумулируклцего материала фтористый литий. Она пришла к вы­воду, что тепловой аккумулятор пригоден для использования в транспортных системах, в городских автобусах, такси и автомоби­лях. Во многих отношениях это предпочтительней электроавтомо­билей, использующих электроаккумуляторы (Мейер, 1970 г.).

Другая идея фирмы «Филипс» касалась изучения использования водорода как топлива для нагрева двигателя Стирлинга. Достоин­ства водорода как топлива в том, что продуктом его сгорания яв­ляется только вода и вследствие этого проблема токсичности вы­хлопных газов отпадает. Главная трудность при использовании водорода для автомобилей заключается в его хранении. Новым до­стижением фирмы «Филипс» в последнее время явилось открытие некоторых гексагональных интерметаллических соединений, содер­жащих редкоземельные металлы с никелем или кобальтом и спо­собных поглощать и выделять большие количества водорода при давлении в несколько атмосфер. Так, при давлении 245 кПа (2,5 кгс/см2) и комнатной температуре плотность водорода в LaNi6 почти вдвое превышает плотность жидкого водорода. Если бы это открытие могло быть доведено до коммерческого воплощения, оно оказало бы существенное влияние на решение проблемы загрязнения окружающего воздуха транспортными системами. Тогда водород («чистое» топливо) помимо двигателей Стирлинга мог бы быть ис­пользован без каких-либо затруднений и в двигателях внутреннего сгорания (Мейер, 1970 г.).