Двигатель с внешним подводом теплотыПри современном развитии техники остро стоит вопрос о необходимости создания энергетических установок, в которых могут быть использованы различные источники тепловой энергии, не загрязняющие окружающую среду и имеющие низкий уровень шума и вибрации. К перспективным силовым установкам можно отнести новый двигатель с внешним подводом теплоты. Изобретение может быть использовано в автомобилестроении, а также в качестве двигательных устройств морского и речного транспорта. Кроме того, его можно использовать в качестве привода электрических генераторов.
В двигателе с внешним подводом теплоты такты сжатия и расширения осуществляются в разных цилиндрах: компрессионном и расширительном. Цилиндры связаны между собой через компрессионную и расширительную магистрали. В компрессионной магистрали находится охладитель, а в расширительной – нагреватель. Компрессионная магистраль подключена к компрессионному цилиндру через выпускной клапан, а к расширительному цилиндру – через впускной клапан. Расширительная магистраль подключена к расширительному цилиндру – через выпускной клапан, а к компрессионному цилиндру через впускной клапан. Поршни цилиндров связаны с валом двигателя через механизм преобразования движения.
Конструктивно двигатель содержит четыре расширительных и четыре компрессионных цилиндра. Цилиндры расположены поочередно и параллельно, вокруг оси рабочего вала двигателя. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения выполнен в виде косой шайбы, как привод аксиально-поршневого насоса. Сгорание топлива происходит в теплообменной камере. Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется через теплообменные трубки. При сжатии рабочего тела осуществляется отвод теплоты через теплообменные трубки и охлаждение рабочего тела в охладителе (радиаторе). Количество рабочего тела (им может быть воздух), заключенного в рабочем объеме двигателя, постоянно и несменяемо. Рабочее тело находится под большим давлением, порядка 40‑200 атм.
Двигатель имеет примерно такие же размеры и массу, как и обычный бензиновый двигатель.
К особенностям нового двигателя следует отнести:
1. Высокий КПД. Возможность получения высокого КПД, а следовательно, и большой экономичности является важной особенностью двигателя. Это связано с полным использованием перепада температуры и давления в цикле. Однако для реализации этих возможностей необходимо преодолеть значительные конструктивные и технологические трудности, а также трудности, связанные с подбором материалов для изготовления деталей двигателя.
2. Внешний подвод теплоты, используемый в двигателе, позволяет применять различные тепловые источники без каких‑либо существенных изменений конструкции двигателя. Практически все ископаемые топлива, от твердых до газообразных, могут быть непосредственно использованы в двигателе. Для этого двигатель оборудуют камерой сгорания с рекуперативным теплообменником для подогрева воздушного заряда теплотой отработавших газов.
В городах с высокой интенсивностью движения для применения на транспортных средствах большие перспективы имеет двигатель с тепловым аккумулятором.
3. Двигатель может работать не только на разнообразных топливах, но и дает возможность применять различные виды источников теплоты. Это означает, что работа двигателя не зависит от наличия атмосферы. Он может одинаково хорошо работать в замкнутом пространстве – как на подводных лодках, так и на спутниках.
4. Отсутствие вредного воздействия на окружающую среду.
Источниками выделения токсичных веществ являются продукты сгорания топлива и испарения его из системы питания. Двигатель работает по замкнутому циклу, поэтому в его картере нет продуктов сгорания, и вследствие этого из картера не выделяются токсичные вещества.
Испарение топлива в атмосферу в двигателе значительно меньше, чем у карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, так как используется топливная система закрытого типа. Практически единственный источник токсичных веществ – продукты сгорания, выходящие в атмосферу из камеры сгорания.
Сажа в отработавших газах появляется в тех случаях, когда происходит термическое разложение углеводородного топлива (крекинг) при высоких температурах и недостатке кислорода. Камеры сгорания двигателя подобны камерам сгорания газотурбинных и паровых двигателей. Процесс сгорания в них является стационарным. В таких условиях можно обеспечить достаточно хорошее качество смесеобразования. Воздух, поступающий в камеру сгорания, подогревается в специальном подогревателе отработавшими газами.
Необходимо отметить, что отработавшие газы двигателя не имеют запаха и практически не содержат сажи.
Даже без принятия специальных мер токсичность отработавших газов двигателя значительно ниже токсичности тепловых двигателей других типов.
5. Низкий уровень шума и вибрации. Основными источниками шума в двигателях внутреннего сгорания являются турбокомпрессор, процесс сгорания, процессы впуска и выпуска, механизм газораспределения, кривошипно-шатунный и вспомогательные механизмы (из‑за наличия зазоров в зубчатых зацеплениях, периодически перекрывающихся зазоров в подвижных соединениях и т.п.). Генерацию шума вспомогательными механизмами в двигателях внутреннего и внешнего сгорания можно принять одинаковой, другие источники шума в двигателе отсутствуют, поэтому уровень шума, производимого работающим двигателем, значительно меньше, чем у двигателя внутреннего сгорания. Внешнее сгорание в двигателе происходит непрерывно и не имеет взрывного характера, благодаря чему при сгорании и выпуске шум почти не генерируется.
Кроме того, давление в цилиндрах двигателя изменяется плавно, практически по синусоидальному закону. Уровень шума этого двигателя в среднем на 20‑30 дБ ниже, чем дизеля такой же мощности.
6. Низкий расход смазочного масла. В двигателях внутреннего сгорания попадание масла в цилиндр, с одной стороны, ведет к выгоранию масла, а с другой – к его старению вследствие соприкосновения с горячими газами и деталями двигателя.
В предлагаемом двигателе масло практически не может попасть в рабочие полости и, кроме того, нигде не соприкасается ни с горячими газами, ни с нагретыми деталями, поэтому не происходит ни выгорания, ни осмоления масла. Вследствие этого в двигателе отпадает необходимость в периодическом добавлении масла. В принципе двигатель может проработать в течение всего моторесурса с первоначально заправленным маслом (если оно с течением времени не изменяет своих качеств под воздействием окружающей среды), которое очищается только от абразивных частиц. Для двигателей большой и средней мощности это является важнейшим экономическим преимуществом (стоимость смазочного масла в 10 раз выше стоимости топлива). Для двигателей малой мощности это значительно уменьшает трудоемкость обслуживания.
Попадание масла в рабочие полости двигателя крайне нежелательное и чрезвычайно вредное явление, так как изменяются свойства рабочего тела и, как следствие, эффективный КПД двигателя. Поэтому в двигателе применяются несмазываемые поршневые кольца. Смазочный материал требуется только для смазки механизма привода и вспомогательных агрегатов. В качестве поршневых уплотнений в двигателе применяются неразрезные кольца из фторопласта или композиционных материалов на основе последнего.
7. Надежный и быстрый пуск двигателя при низкой температуре. Предлагаемый двигатель, имеющий большое давление рабочего тела во внутренних полостях и достаточно высокую температуру трубок нагревателя, легко запускается при любой температуре окружающей среды. Его пуск зависит исключительно от надежности, с которой может быть воспламенено топливо в камере сгорания. Свеча зажигания, которая объединена с форсункой в одно целое, практически гарантирует пуск двигателя при любых параметрах окружающей среды.
8. Нечувствительность к пыли окружающего пространства. Так как рассматриваемое устройство – двигатель внешнего сгорания, то пыль, попадающая в воздушный заряд камеры сгорания из окружающего пространства, не поступает в цилиндры и картер (в двигателе вентиляция картера не требуется). Вследствие этого в двигателе отсутствует дополнительный абразивный износ движущихся деталей механизма привода. Кроме того, из‑за малой скорости движения воздушного заряда и отработавших газов в рекуперативном теплообменнике камеры сгорания (подогревателе воздушного заряда) и в ее распыливающем устройстве коррозия этих деталей незначительна.
9. Работа с кратковременными перегрузками. Моторесурс двигателей определяется скоростью наступления предела ползучести материала деталей нагревателя, работающих при высокой температуре. С повышением давления рабочего тела во внутренних полостях двигателя скорость наступления предела ползучести возрастает. Тем не менее, кратковременные перегрузки, связанные с повышением давления рабочего тела во внутренних полостях, незначительно уменьшают долговечность двигателя, так как температура деталей нагревателя остается неизменной.
В общем случае любой двигатель может гарантированно выдерживать кратковременную 50‑80%-ную перегрузку без заметного снижения долговечности.
10. Теплоотдача в охлаждающую среду. Вследствие наличия в двигателе замкнутой системы циркуляции рабочего тела теплоотвод практически полностью осуществляется через охладитель, при этом он должен происходить при возможно более низких температурах. Поэтому количество теплоты, отводимое в охлаждающую воду, в двигателе приблизительно в 2 раза больше, чем в двигателях внутреннего сгорания, при их одинаковых эффективных КПД. Следовательно, размеры радиатора системы охлаждения двигателей на транспортных средствах получаются больше, чем у двигателей внутреннего сгорания того же назначения.
Дмитрий КОНЮХОВ Источник: http://www.eprussia.ru |
