Двигатели
внутреннего сгорания

 
         

 

Главная
Основы конструирования
Расчеты
Силы и моменты
Поршневая группа
Шатуны и штоки
Коленчатые валы
Подшипники
Система газораспределения
Корпусные детали
Анализ конструкции
Устройство и
принцип действия

КШМ
ГРМ
Система смазки
Система охлаждения
Система питания
Система зажигания
Пуск двигателей
Увеличение мощности
Разное

КОМБИНИРОВАННЫЕ УСТАНОВКИ

Комбинированная силовая установка состоит из поршневого ДВС и какой-либо другой тепловой машины, использующей энергию отработавших газов поршневого двигателя для совершения
полезной работы. Одним из наиболее рациональных способов повышения топливной экономичности ГТД на частичных нагрузках является такой способ регулирования мощности, когда уменьшается количество протекающего рабочего тела при сохранении его высокой температуры. Это достигают либо регулированием расхода воздуха на входе в компрессор (см. выше), либо объединением ГТД с поршневым двигателем, который выполняет функцию генератора газа (а в ряде случаев одновременно является и силовым двигателем). В 50-х годах появились агрегаты, объединявшие стандартный поршневой двигатель и ГТД. Валы обоих двигателей с помощью редуктора соединяют на единый выходной вал (рис. 12.8, а). Возможен вариант, когда силовой ступенью является ГТД, а поршневой двигатель играет роль только генератора газа. Использование для этих целей обычного поршневого двигателя с кривошипно-шатунным механизмом нецелесообразно, и для таких комбинированных силовых установок используют наиболее простые по конструкции двигатели внутреннего сгорания" со свободно движущимися поршнями. Схема комбинированной установки с ГТД и свободнопоршневым генератором газа показана на рис. 12.8, б.
Свободнопоршневой двигатель работает по принципу двухтактного дизеля, где продувка цилиндра осуществляется воздухом, сжимаемым поршнями компрессора. Возвращение рабочих и компрессорных поршней в положение внутренней мертвой точки (такт сжатия) осуществляется воздухом, сжатым в полостях между крышками цилиндра и поршнями компрессора во время предыдущего рабочего хода. Степень сжатия в рабочем цилиндре достигает 40—50. Такая высокая степень сжатия обеспечивает надежную работу при значительном избытке воздуха, а обилие кислорода в продуктах сгорания генератора газа позволяет устанавливать после него дополнительную камеру сгорания.
Регулирование количества генерируемых газов осуществляют уменьшением подачи топлива в рабочий цилиндр, а при нагрузках менее 25% перепуском части сжатого компрессором воздуха опять на сторону впуска. Температура газов перед рабочим колесом турбины находится в пределах 570—600°С. Удельный расход топлива составляет 270—280 г/(кВт-ч).
Газотурбинные двигатели со свободнопоршневыми генераторами газа имеют большую удельную массу (30—40 кг/кВт) и довольно громоздки, поэтому возможная область их применения в настоящее время ограничивается только тяжелыми машинами.

ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ И ДРУГИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ СТИРЛИНГА
В настоящей главе даны краткие сведения об энергетических установках, которые наравне с двигателями внутреннего сгорания могут быть использованы в качестве силовых агрегатов на автомобилях и тракторах. К их числу можно отнести поршневые двигатели внешнего сгорания, прежде всего двигатели Стирлин-га, а также двигатели с механическими, тепловыми или электрическими аккумуляторами. Работы, направленные на поиск альтернативных поршневому двигателю энергетических установок, ведутся во всех развитых странах и обусловлены стремлением к наиболее рациональному расходованию энергии топлива и уменьшению загрязнения окружающей среды продуктами его сгорания.
С этой точки зрения весьма перспективен двигатель внешнего сгорания Стирлинга, который может работать практически в сочетании с любым тепловым источником, и так называемые топливные аккумуляторы, обладающие весьма высокими КПД превращения химической энергии в электрическую.
Принцип действия такого двигателя разработал и в 1861 г. запатентовал шотландский священник Роберт Стирлинг, именем которого в дальнейшем и стали называть тепловой двигатель внешнего сгорания с замкнутой циркуляцией газообразного рабочего тела. Практическая реализация такого двигателя была осуществлена, однако, только в середине 20-х годов нашего века, а всесторонние исследования и совершенствование конструкции далеки еще от завершения и в наши дни. Некоторые технологические особенности и используемые материалы не позволяют пока двигатель Стирлинга уверенно применять в качестве транспортной силовой установки, хотя достигнуты уже хорошие результаты и налажено широкое его применение для привода систем на космических объектах и в стационарных силовых агрегатах специального назначения. Принцип действия двигателя Стирлинга рассмотрим на примере одноцилиндрового двухпоршневого варианта, который был исходным для последующего совершенствования конструкции (рис. 13.1).
Двигатель состоит из цилиндра 13, ,в котором совершают возвратно-поступательное движение два поршня, условно называемые вытеснительным 1 и рабочим 2. Взаимное перемещение поршней 8 передача крутящего момента на кривошипные валы 9 осуществляется с помощью ромбовидного шатунного механизма 10 и соосиых штока 12 вытеснительного поршня и штока 11 рабочего поршня.
Рабочее тело находится в полости А между верхним рабочим поршнем -и головкой цилиндра и в полости Б между поршнями, а в процессе перемещения поршней оно проходит холодильник 3, регенератор 4 и теплообменник-нагреватель б, где воспринимает теплоту продуктов сгорания топлива, подаваемого в зону горения форсункой 5. Отходящие газы 8 подогревают воздух, подводимый по каналу 7 к горелке.
В положении рис. 13.1, а рабочий поршень 2 подошел к верхней мертвой точке, а вытеснительный поршень 1 сжимает рабочее тело
в полости Б (процесс изображен на нижней ветви I индикаторной диаграммы, рис. 13.1, д), откуда оно поступает через холодильник в регенератор и к нагревателю (ветвь //). В регенераторе рабочее тело предварительно нагревается, используя для этого теплоту предыдущего рабочего цикла. При повороте кривошипов вала в направлении стрелок поршни взаимно сближаются и объем полости Б еще более уменьшается, но к тому времени происходит уже рабочий ход—расширение нагретого рабочего тела в полости А (верхняя ветвь III индикаторной диаграммы). При последующем повороте кривошипов (положение рис. 13.1, в) завершается .расширение в полости А и начинается расширение в полости Б, куда и устремляется рабочее тело, проходя через регенератор 4 и отдавая ему свою теплоту и далее охлаждаясь в холодильнике 3 (ветвь IV). В положении рис. 13.1, г объем рабочего тела максимальный. При дальнейшем повороте кривошипов верхний поршень завершает движение к в.м.т., а нижний начинает ход сжатия.
В качестве рабочего тела может быть использован воздух, но чаще применяют более легкие газы — водород или гелий, обладающие меньшей вязкостью, что снижает гидравлические потери на газообмен. Повышение термического КПД двигателей Стирлинга связано с повышением давления рабочего тела, поэтому обычно они работают с давлениями до 15,0—20,0 М)Па при температуре в верхней части цилиндра 650—700°С, а в нижней (подпоршневом пространстве) — 70—80°С. Рассмотренная схема, реализованная фирмами «Филлипс» (Голландия) для зарядных станций, «ДАФ» (Дания) для автобуса (четырехцилиндровый двигатель) и .некоторыми другими, имеет ряд недостатков. Сложный и громоздкий кривошипный механизм подвержен высоким нагрузкам, а надежное уплотнение взаимно перемещающихся штоков и поршней в цилиндре связано с большими трудностями.
В начале 70-х годов был разработан четырехцилиндровый двигатель Стирлинга с одинарными поршнями в каждом цилиндре. На
рис. 13.2 показаны общий вид (а) и конструктивная схема (б). На функциональной схеме (рис. 13.3, а) этот двигатель представлен в виде рядного, со смещением 'кривошипов коленчатого вала под 90°, при этом полости А и Б здесь образованы в надпоршневом и под-поршневом пространствах смежных цилиндров. В рассматриваемом двигателе Стерлинга (рис. 13.2, б) усилия -поршней 6 .передаются штоками 4 на наклонную шайбу 2, связанную с выходным валом 1. Боковые усилия воспринимаются направляющими 3 штоков. Под-поршневая полость уплотняется резиновой манжетой 2 (рис. 13.3, б, в), под кото-рую за счет насосного действия конусного кольца накачивается масло до давления, примерно равного давлению в подпоршневом пространстве. Мощность двигателя регулируется перепуском части рабочего тела из зоны рабочего хода в зону расширения или откачкой рабочего тела в специальный ресивер высокого давления (рис. 13.3, г). Индикаторные диаграммы при различных способах регулирования показаны на рис. 13.3, д.
Для повышения термического КПД двигателя поступающий в камеру сгорания воздух предварительно нагревают от медленно вращающегося дискового керамического регенератора (см. рис. 13.2, а). Теплообменник образован рядом бесшовных тонкостенных капиллярных трубок, способных выдерживать высокие давления. Развитая поверхность множества трубок позволяет осуществлять эффективную теплопередачу от продуктов сгорания к рабочему телу. Именно технологическая сложность изготовления теплообменника является основным препятствием для освоения двигателя Стирлинга в массовом производстве. Не решена пока и проблема оптимального регулирования мощности. Вместе с тем основным его достоинством является возможность работы с любым источником теплоты, iB том числе, например, с тепловым аккумулятором, заряжаемым «сбросовой» теплотой ядерных электростанций, и т. п. На космических объектах также двигатели используют энергию солнечного излучения.
Тепловым аккумулятором могут быть стержни из флюорида лития (LiF) или глинозема (А1203), обладающие высокой теплоемкостью. Нагретые до высокой температуры стержни омывают парами натрия, которые переносят теплоту к теплообменнику двигателя Стирлинга. Сконденсировавшиеся пары по пористому материалу оболочки перетекают опять к тепловому аккумулятору.
Достоинством тепловых 'аккумуляторов является их высокая энергоемкость — до 400 кВт-ч/м3 у LiF и 530 кВт-ч/м3 у АЬОз, тогда как у современного серебряно-цинкового аккумулятора — 150 кВт-ч/м3. При неработающем агрегате суточная потеря теплоты составляет около 12%.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 



  Разработано специально для liciss.ru, все права защищены.
Копирование материалов сайта разрешается только с указанием прямой индексируемой ссылки на источник.