Тепловые двигатели

Дизельные двигатели

Главным отличием дизельных  двигателей от карбюраторных является отсутствие свечей и системы зажигания. Это связано с высоким давлением, под которым подается топливо  непосредственно в цилиндр при  помощи форсунки, и высокой температурой. Поэтому топливо воспламеняется само. Таким образом система зажигания  не нужна..

Главной особенностью работы дизельного двигателя является то, что топливо подается форсункой  или насос-форсункой непосредственно  в цилиндр двигателя под большим  давлением в конце такта сжатия. Необходимость подачи топлива под  большим давлением обусловлена  тем, что степень сжатия у таких  двигателей в несколько раз больше, чем у карбюраторных. И так  как давление и температура в  цилиндре дизельного двигателя очень  высоки, то происходит самовоспламенение  топлива. А это означает, что искусственно поджигать смесь не надо. Поэтому  у дизельных двигателей отсутствуют  не только свечи, но и вся система  зажигания.

Рабочий цикл четырехтактного  дизельного двигателя

Первый такт – впуск. Цилиндр  двигателя наполняется через  впускной клапан воздухом.

Второй такт – сжатие. Здесь идет подготовка к воспламенению  топлива. Поршень при движении от ВМТ к НМТ сжимает воздух, давление над поршнем становится равным 40 кг/см2, температура – более 500оС.

Третий такт — рабочий ход. Дизельное топливо через форсунку под давлением поступает в камеру сгорания, где и происходит его воспламенение за счет высокой температуры сжатого воздуха. Во время третьего такта давление в цилиндре 100 кг/см2, а температура свыше 2000оС.

Четвертый такт – выпуск отработавших газов, Поршень от НМТ  совершает движение к ВМТ, выпускной  клапан открывается, отработанные газы выходят из цилиндра.

Размеры, масса и стоимость  дизельного двигателя значительно  больше бензинового за счет высоких  нагрузок на рабочие механизмы. Но есть неоспоримый плюс таких двигателей:

• меньший расход топлива;
• за счет отсутствие системы зажигания снижается вероятность лишних поломок.

В дизельном двигателе, нагрузки на все механизмы и детали значительно  больше, чем в карбюраторном бензиновом, и это закономерно приводит к  увеличению его массы, размеров и  стоимости. Однако дизельный двигатель  имеет и неоспоримые преимущества — меньший расход топлива, чем у его карбюраторного «брата» (приблизительно на 30%), а также отсутствие системы зажигания, что значительно уменьшает количество возможных неисправностей при эксплуатации.

Двигатель Стирлинга

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация этого цикла малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Цикл Стирлинга состоит  из четырёх фаз и разделён двумя  переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику  тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному  источнику происходит расширение и  сжатие газа, находящегося в цилиндре. Разницу объёмов газа можно превратить в работу, чем и занимается двигатель  Стирлинга. Рабочий цикл двигателя  Стирлинга beta-типа:

где: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь (область нагревания); e — охлаждающие ребра (область охлаждения).

1. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам).
2. Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.
3. Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз.
4. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости  от знака этого сдвига машина может  быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0 машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не вырабатывает её.

Принцип работы двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга – это поршневой  двигатель с внешним подводом теплоты от любого источника, в котором  рабочее тело находится в закрытом контуре и его химический состав, во время работы двигателя, не изменяется. Теоретическая эффективность использования  теплоты в двигателе Стирлинга  отвечает наилучшим образцам ДВС, но практически обеспечить высокий  КПД двигателя Стирлинга возможно только при наличии эффективного регенератора, который утилизирует  теплоту.

Рис. 12 Одна из возможных схем двигателя Стирлинга

Удельная мощность двигателя Стирлинга (мощность на единицу рабочего объема) отвечает мощности дизеля. Продолжительная  история развития двигателей с внешним  подводом теплоты обусловила создание большого количества разновидностей этих двигателей. Одной из возможных конструкций  двигателе Стирлинга – это  расположения цилиндров под углом 90.

Один цилиндр нагревается внешним  источником тепла (например, огнем), а  второй охлаждается, например льдом. Цилиндры заполнены газом и соединены  друг с другом, а их поршни механически  связаны с помощью устройства, обеспечивающего определенный порядок  их движения. Горячая полость соединена с холодной через регенератор и охладитель. Регенератор является тепловым аккумулятором, предназначенным для предотвращения потерь теплоты. Он воспринимает теплоту рабочего тела при перетекании из горячей области в холодную и отдает ее при обратном перетекании рабочего тела. Материал регенератора должен иметь высокую теплоемкость и низкую теплопроводность, во избежание передачи теплоты к охладителю. Охладитель воспринимает основную часть теплоты, которая отводится от рабочего тела, которое обусловлено закрытым циклом двигателя Стирлинга. Сравнительно с дизелем, в систему охлаждения двигателя Стирлинга отводится вдвое больше теплоты, поэтому и производительность системы охлаждения должны быть вдвое высшей.

Во время движения поршня вверх  происходит сжимание воздуха во всех полостях двигателя, рабочее тело через  регенератор, где отбирает накопленную  теплоту, перетекает в горячую полость. Теплоту к рабочему телу в горячей  полости подводят извне сквозь стенки цилиндра, от продуктов сгорания, которые  образовываются в камере сгорания. Нагревание рабочего тела в горячей  полости предопределяет повышение  его давления во всех соединенных  между собой полостях двигателя. Под действием этого давления рабочий поршень перемещается вниз, осуществляя рабочий ход, а рабочее  тело проходит регенератором, отдает ему  часть теплоты, охлаждается в  охладителе и подается к холодной полости. Через снижение температуры  уменьшается давление. Дальше этот цикл повторяется.

Регулирование мощности может осуществляться в разные способы. Например, изменением дополнительного объема, для чего двигатель оборудуют дополнительным поршнем с винтовой передачей.

Перспективы применения двигателей Стирлинга

Двигатели Стирлинга имеют весомые  преимущества сравнительно с двигателями  внутреннего сгорания, такие как:

- незначительная затрата смазочных  материалов;

- очень низкие выбросы основных  вредных веществ, на порядок  низшие чем ДВС, благодаря постоянному  сгоранию топлива в благоприятных  условиях;

- незначительная шумность двигателя  Стиргинга, что объясняется отсутствием  механизма газораспределения, а  также плавным непрерывным процессом  сгорания, в отличие от взрывоподобного  сгорания в цилиндрах ДВС;

- небольшой объем технического  обслуживания;

- а также независимость к  конкретному веществу двигателя  Стирлинга.

К недостаткам можно отнести  громоздкость, так как делать компактные, надёжные и мощные теплообменники очень  трудно.

На сегодня, изготовление двигателя  Стирлинга нуждается в больших  средствах, чем обычные ДВС, тем  не менее, его эксплуатация - значительно  экономичнее (но затратность производства можно объяснить неприспособленностью промышленности к изготовлению двигателей Стирлинга).

Исключительное свойство двигателей Стирлинга, что разрешает применять  нетрадиционные топлива, например, биогаз, уголь и даже отходы деревообрабатывающей промышленности, а также использование  любых других видов энергии делает их особенно привлекательными в связи  с использованием энергии из возобновляемых источников.

На автомобилях двигатели Стирлинга  не приобрели распространение, через  значительный удельный вес на единицу  мощности, а также из-за сложности  системы управления двигателем в  быстроменяющихся эксплуатационных режимах. Хотя их и применяют в составе  комбинированных энергетических установок, как утилизаторы теплоты выбросов ДВС.

А на таких транспортных средствах  как яхты, атомные подводные лодки, космические корабли, двигатели  Стрилинга применяются довольно широко. Поскольку в этом случае вес и габариты двигателя не являются решающими факторами, именно надежность определяет его роль как идеального кандидата для преобразования тепловой энергии в механическую. Благодаря  тому, что двигатель Стирлинга  практически не нуждается в техническом  обслуживании и регулировании, он может  быть размещен в изолированной части  корпуса, что важно в случае трудного доступа (на подводных лодках или  космических кораблях). Например, NASA (National Aeronautics and Space Administration - Национальная Администрация Аэронавтики и  Космонавтики США) вплотную занимается разработкой и усовершенствованием  двигателей Стирлинга, успешно внедряет их в космических аппаратах, тем  не менее детальная информация о  таких разработках не распространяется.

Итак, развитие науки и техники  обусловило образование новых “экологических ниш”, где с успехом может применяться  двигатель Стирлинга.

Возможное также применение обратного  цикла Стирлинга. Если приводить  двигатель Стирлинга в движение каким-нибудь внешним устройством, тогда “горячий” цилиндр будет  охлаждаться, а “холодный” - будет  разогреваться. Если при этом подогревать  “горячий” цилиндр, например, окружающим воздухом, то “холодный” цилиндр будет  разогреваться к высшей температуре. При этом внешняя энергия тратится не непосредственно на разогрев, а  на “перекачивание” тепла из холодного  места в теплее, что значительно  эффективнее. Т.е. двигатель Стирлинга  функционирует в режиме теплового  насоса, и образовывает теплоту для  целевого использования.

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля

Ро́торно-поршнево́й дви́гатель внутреннего сгорания (РПД, двигатель Ва́нкеля), конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде, ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя.

Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рело, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде.

Установленный на валу ротор  жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с  неподвижной шестернёй — статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх клапанов.

Такая конструкция позволяет  осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырехтактного поршневого (экономия составляет около тысячи деталей), а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот ванкель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя.