Меню

Что такое жидкий поршень

Техника — молодёжи 1959-03, страница 9

1мирв нет страны, где имеется так много искусственно орошаемых полей, как в Китае. Каждое му орошаемого поля (одна семнадцатая часть гектара) ежедневно требует около 10 и даже больше кубических метров воды.

Наиболее удобной машиной для целей орошения является «насос внутреннего сгорания». Он не имеет отдельного двигателя и отдельного насоса. Давление, образующееся при сжигании газогенераторного топлива в цилиндрах, действует непосредственно на воду и выталкивает ее в верхний конец трубы.

Попытки создать такой насос имели место в других странах еще в начале этого столетия. В 1909 году англичанин Гемфри первым испытал четырехтактный насос внутреннего сгорания, а в 1913 году около Лондона была создана насосная станция, оборудованная таким насосом, который ежедневно мог перекгчивать сотни тыс. куб. м воды на высоту 9 м. Затем в американских журналах в 1933—1934 годах сообщалось об испытании нового типа двухтактного насоса внутреннего сгорания, но дальше не было сообщений о применении таких насосов.

В прошлом году профессор Чанчунь-ского автотракторного института Дай Гуйнжуй вместе с работниками Пекинского научно-исследовательского института сельскохозяйственного машиностроения спроектировал и изготовил насос внутреннего сгорания, имеющий огромные преимущества перед другими насосами. Он удачно развил и усовершенствовал старую идею Гемфри с учетом особенностей китайской практики.

Результаты, полученные во время предварительных испытаний, показали, что этот насос за один час может перекачать 200 куб. м воды на высоту 4,5 м, а расход антрацита в газогенераторной установке составляет всего лишь 1,5 кг. Рассчитано, что при подаче воды на высоту 10 м этот насос по производительности будет равен обычному насосу, приводимому в действие газогенераторным двигателем мощностью 25 л. с. При этом расход топлива будет в два-три раза меньше, а тепловой коэффициент значительно выше, чем у водяных насосов, приводимых в движение прочими двигателями — как паровыми, так и внутреннего сгорания.

В рассматриваемом насосе имеются два рабочих цилиндра. «Поршнями>» в них служит поверхность воды. В верхней части каждого цилиндра расположены впускной и выпускной клапаны, которые связываются механизмом блокировки так, чтобы один из них был открыт, а другой закрыт. Верхняя часть каждого цилиндра с крышкой образует камеру сгорания, на которой

СИЛА ОМОЛОЖЕННОЙ ИДЕИ * ТВОРЧЕСТВО КИТАЙСКИХ ДРУЗЕЙ*ОН СУЛИТ РЕВОЛЮЦИЮ В ОРОШЕНИИ

смонтирована свеча зажигания. В нижней общей коробке, соединяющей два цилиндра, имеется ряд водовпускных клапанов. Соединительная труба соединяет эту коробку с водонапорной башней. На трубе установлен воздушный колпак.

Рабочий цикл каждого из цилиндров (см. цветную вкладку) такого насоса состоит из следующих четырех рабочих процессов:

Первый такт: процесс воспламенения и расширения.

Допустим, что в верхней части камеры сгорания сжат столбом воды впущенный в нее горючий газ. Появляется искра, поджигающая горючую смесь. Вследствие взрыва смеси давление в камере повышается.

Расширяющиеся газы давят на поверхность воды, которая из цилиндра поступает в водонапорную башню. После этого давление газа в цилиндре падает. Однако из-за силы инерции движущейся воды процесс расширения может продолжаться до тех пор, пока в цилиндре давление не становится меньше атмосферного. В то же рремя благодаря понижению давления в цилиндре водовпускные клапаны автоматически открываются, и вода свободно втекает внутрь насоса.

Второй такт: процесс выпуска отработавшего газа.

Когда давление в камере приближается к атмосферному, выпускной клапан открывается своим весом. Под действием статического напора водонапорной башни вода, заполнившая цилиндр, вытесняет из него отработавший газ. Процесс этот продолжается до тех пор, пока вода не надавит на выпускной клапан и он не закроется.

После закрытия выпускного клапана уровень воды в камере продолжает подниматься и часть остаточного газа сильно сжимается в верхней части камеры, не допуская в него воду. В это время происходит взрыв горючей смеси во втором цилиндре.

Третий такт: процесс расширения остаточного отработавшего газа и процесс впуска (всасывание).

Так как давление столба воды благодаря рабочему такту второго цилиндра уменьшается, остаточный газ начинает расширяться и действовать на поверхность воды. Благодаря этому давление в верхней части камеры уменьшается и одновременно открывается впускной клапан, через который в цилиндр начинает засасываться горючая смесь. Всасывание свежей смеси продолжается до мгновенной остановки движения воды. ;

Источник статьи: http://zhurnalko.net/=nauka-i-tehnika/tehnika-molodezhi/1959-03—num9

Что такое жидкий поршень


ЖИДКИЕ ПОРШНИ СТЕКЛЯННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Каждый, кто хоть однажды стоял у разобранного двигателя, непременно видел, а то и держал в руках поршень, трогал надетые на него кольца и при этом убеждался, что они, как и сам двигатель, сделаны из металла. Как правило, материалом, из которого изготовляют поршень, является алюминий или чугун. Поршни двигаются в цилиндрах двигателя возвратно-поступательно, и основная их задача — обеспечить передачу энергии сгоревшего топлива шатуну, затем и коленчатому валу. А дальше — кому что надо: можно колеса вращать у автомобиля, можно генератор подключить и ток получать. Никому и в голову не приходило изготовить поршни из другого материала — температура и нагрузки в камере сгорания двигателя столь велики, что ни какой другой материал не выдерживает. Но, оказывается, есть двигатели, в которых поршни сделаны из… воды.

В связи с тем, что поршни в этом двигателе из воды, он получил название жидкостной двигатель. Поддержание необходимой формы поршней обеспечивается корпусом двигателя, в качестве которого выступают U-образные стеклянные трубки. В отличие от автомобильных двигателей, которые сохраняют работоспособность при наличии углов крена и возвышения, а тем более авиационных двигателей, которым зачастую приходится работать «вверх ногами», жидкостной двигатель может работать только в вертикальном положении.

Принцип его работы почти такой же, как у двигателя Стирлинга (журнал «Двигатель» писал о нем в № 2 и 3 за этот год), но есть некоторые отличия, в которых и попробуем разобраться.

Двигатель представляет собой две U-образные трубки, соединенные тонкой трубочкой. Левая называется вытеснителем, а правая — выходной трубкой. В обе трубки налита вода, хотя можно использовать и другую жидкость. Тоненькая трубочка соединяет между собой концы вытеснителя и левый конец выходной трубки.

Для запуска двигателя необходимо, по полной аналогии с двигателем Стирлинга, нагревать одну сторону вытеснителя и охлаждать другую. В данной конструкции левый конец трубки вытеснителя играет роль горячей полости вытеснителя. Ее нагрев можно осуществлять от внешнего источника тепла, например, от Солнца через линзу (концентратор светового и теплового потока солнечного излучения). Тепловой поток надо направить на верхнюю часть водяного столба, тогда воздух в этой части трубки будет нагреваться в основном от воды.

Правый конец трубки охлаждается благодаря установке на нем небольшого радиатора. Можно обойтись и без него, но, как известно, эффективность работы двигателя Стирлинга тем выше, чем больше перепад температур между горячей и холодной частями вытеснителя.

По мере прогрева воздуха, находящегося в ограниченном объеме вытеснительной трубки, будет расти его давление. Но скорость роста этого давления будет несколько неодинаковой в левом и правом концах вытеснительной трубки из-за ее малого сечения. Небольшое превышение давления в левом конце будет способствовать «переталкиванию» воды из левого конца вытеснительной трубки в правый. Растущим давлением воздуха в правом конце вытеснительной трубки вода в выходной трубке будет выталкиваться из левого конца трубки в правый. Величина разности уровней в рабочей трубке будет пропорциональна величине давления воздуха в правом конце вытеснительной трубке. А это давление будет расти по мере увеличения объема воздуха, находящегося в левом конце вытеснительной трубки из-за перетекания воды в правую часть трубки.

С ростом высоты водяного столба в правой части вытеснительной трубки будет расти разница в давлении жидкости, находящейся в этой трубке. Благодаря тому, что движение жидкости подчиняется тем же законам, что и все тела, жидкость по инерции пройдет положение, при котором разница в давлениях столбов жидкости в вытеснительной трубке превысит разницу в давлении воздуха в соединительной трубке. В результате начнется обратное движение воды в вытеснительной трубке. В рабочей же трубке вода будет продолжать движение из левого конца в правый, т.к. еще не произошло выравнивание давлений воздуха в соединительной трубке с разницей давлений столбов воды в рабочей трубке.

Читайте также:  Поршень зил 645 размер

По мере того, как вода из правого конца вытеснительной трубки перетекает в левый конец, воздух начнет двигаться в правую часть, где с помощью радиатора будет охлаждаться. В результате давление воздуха в соединительной трубке начнет падать, и тем сильнее, чем больше воздуха будет поступать в охлаждаемую часть вытеснителя. А что в это время будет происходить в рабочей трубке? В какой-то момент времени вода по инерции проскочит «точку» равенства давлений и начнет движение в обратном направлении, причем вода в рабочей трубке будет «увлекаться» понижающимся давлением воздуха в соединительной трубке.

При приближении воды в вытеснительной трубке к крайнему левому положению давление воздуха в соединительной трубке будет стремиться к своему минимальному значению благодаря охлаждению в радиаторе. Но, т.к. вода в рабочей трубке, разогнанная пониженным давлением в соединительной трубке продолжает свое движение, она начнет сжимать воздух в соединительной трубке в тот момент, когда уровень воды в вытеснительной трубке будет вблизи максимума в левом конце. Энергии движущейся по инерции воды в рабочей трубке будет достаточно для совершения работы на сжатие охлажденного воздуха.

Сжатый и холодный воздух водой вытеснительной трубки начнет переталкиваться из холодной ее части в горячую. По мере того, как будет увеличиваться объем воздуха в горячей части, будет расти и давление воздуха в соединительной трубке. И… все начнется с начала.

Этот двигатель должен начинать свою работу самостоятельно, но если этого не происходит, то совсем не зазорно будет слегка качнуть трубки — ведь стоит на обычном двигателе внутреннего сгорания стартер.

Для обеспечения постоянных колебаний воды в обеих трубках необходимо чтобы колебания воды в выходной трубке и в вытеснителе были определенным образом согласованы. В отличие от механической связи, которая есть в двигателях Стирлинга, в жидкостном двигателе фазовые соотношения колебательных движений воды в трубках достигаются подбором размеров трубок, а также количества налитой воды. Диаметр соединительной трубки также необходимо подбирать, т.к. она должна обеспечивать небольшой перепад давления воздуха в разных концах вытеснительной трубки для обеспечения незатухающих колебаний воды.

Вполне возможно, что с другими жидкостями (отличающимися от воды плотностью, вязкостью, теплопроводностью и другими свойствами, от которых зависят параметры ее движения в трубках) можно будет добиться более высокой амплитуды колебания жидкости в рабочей трубке.

Следует учесть, что если в двигателе Стирлинга обороты выходного вала (что однозначно соответствует частоте колебаний вытеснителя) могут достигать 2000…3000 оборотов в минуту, то в жидкостном двигателе колебания воды в вытеснителе могут быть на один-два порядка меньше.

Для более надежного обеспечения колебания воды в вытеснителе можно установить двигатель на шарнире, а в качестве опоры выходной трубки использовать пружину. Движение воды в выходной трубке заставит колебаться пружину, которая помогает поддерживать колебания воды в вытеснителе. Совсем не трудно к такой конструкции придумать механическую передачу к какому-нибудь устройству (например, привод на колеса тележки с установленным на него стеклянным двигателем).
Немалый интерес представляет использование рассматриваемых двигателей в качестве насосов.

Один из способов применения их для этих целей называется последовательным. Вертикальная нагнетательная трубка соединяется с одним концом выходной трубки. В ней находятся два клапана, которые позволяют воде течь через них только вверх. Нижний конец нагнетательной трубки имеет отверстие, через которое поступает перекачиваемая вода.

Когда давление воздуха в вытеснителе низкое, вода движется из выходной трубки в вытеснитель. При этом вода втягивается через нижнее отверстие нагнетательной трубки и проходит через нижний клапан. При высоком давлении воздуха в вытеснителе вода из него выталкивается в нагнетательную трубку и проходит вверх через открытый верхний клапан. Этот цикл и определяет режим работы устройства как насоса.

Как уже в начале статьи отмечалось, жидкостные двигатели могут приводиться в действие солнечной энергией, для чего надо солнечный луч сфокусировать линзой на трубке вытеснителя. Фокус линзы должен находиться в центре водяного столба горячего цилиндра на некотором расстоянии от поверхности. Рефлектор, установленный сзади цилиндра, повысит эффективность нагревателя, направляя часть рассеянного света обратно на воду. Затемнив воду, добавив в нее немного чернил, можно также увеличить поглощение тепла.

Можно использовать в качестве источника энергии и обычную свечу. Для этого надо к горячему цилиндру прикрепить тонкую алюминиевая полоску, другой конец которой нагревать в пламени свечи.

Жидкостные двигатели обычно являются самозапускающимися. Уровень воды начинает колебаться, когда температура в горячем цилиндре становится достаточно высокой. Бывает, что запуск двигателя требует встряхивания — для того, чтобы вода пришла в движение. В таком встряхивании чаще всего нуждаются двигатели, работающие в качестве насоса.

Источник статьи: http://engine.aviaport.ru/issues/42/page32.html

Что такое жидкий поршень

14.4. Двигатели Стирлинга

Важным новым источником механической энергии для привода автомобиля является двигатель Стирлинга. Он почти неизвестен, существуют только его прототипы, поэтому можно дать лишь беглое описание его принципа действия и конструкции. В первоначальном виде он существовал как тепловая расширительная машина, в цилиндре которой рабочее тело например, воздух, перед сжатием охлаждался, а перед расширением — нагревался. Схема и принцип действия такого двигателя показаны на рис. 110.


Рис. 110. Схема и принцип действия двигателя Стирлинга: 1 — цилиндр, 2 — охлаждающая рубашка; 3 — рабочий поршень; 4 — вытеснитель; 5 — шток вытеснителя

В верхней части цилиндра 1 имеется водяная охлаждающая рубашка 2, а дно цилиндра постоянно нагревается пламенем. В цилиндре размещен рабочий поршень 3, уплотненный поршневыми кольцами и соединенный шатуном с коленчатым валом (на рисунке коленчатый вал не показан). Между дном цилиндра и рабочим поршнем находится поршень-вытеснитель 4, который перемещается в цилиндре с большим зазором. Заключенный в цилиндре воздух через этот зазор перекачивается вытеснителем 4 либо к днищу рабочего поршня, либо к нагреваемому дну цилиндра. Вытеснитель приводится в движение штоком «5, проходящим через уплотнение в поршне, и приводимым эксцентриковым механизмом, который вращается с углом запаздывания около 90° по сравнению с механизмом привода рабочего поршня.

В положении а поршень находится в НМТ и охлаждаемый стенками цилиндра воздух заключен между ним и вытеснителем. В следующей фазе б вытеснитель движется вверх, а поршень остается в НМТ. Воздух между ними выталкивается через зазор между вытеснителем и цилиндром к дну цилиндра и при этом охлаждается стенками цилиндра. Фаза в является рабочей, в течение которой воздух нагревается горячим дном цилиндра, расширяется и выталкивает оба поршня вверх к ВМТ.

После совершения рабочего хода вытеснитель возвращается в нижнее положение к дну цилиндра и выталкивает воздух через зазор между стенками цилиндра в камеру под поршнем, воздух при этом охлаждается стенками. В положении г холодный воздух подготовлен к сжатию, и рабочий поршень движется от ВМТ к НМТ. Поскольку работа, затрачиваемая на сжатие холодного воздуха, меньше работы, совершаемой при расширении горячего воздуха, то возникает полезная работа. Аккумулятором энергии, необходимой для сжатия воздуха, служит маховик.

В описанном исполнении двигатель Стерлинга имел низкий КПД, так как теплоту, содержащуюся в воздухе после совершения рабочего хода, необходимо было отводить в охлаждающую жидкость через стенки цилиндра. Воздух в течение одного хода поршня не успевал охлаждаться в достаточной степени и требовалось увеличить время охлаждения, вследствие чего частота вращения двигателя также была небольшой. Термический КПД, который зависит, как говорилось ранее, от разницы максимальном и минимальной температур рабочего цикла, был также небольшим. Теплота отработавшего воздуха отводилась в охлаждающую воду и полностью терялась.

Двигатель Стирлинга был значительно усовершенствован фирмой «Филипс» (Нидерланды). Прежде всего был применен внешний регенератор теплоты, через который осуществлялась перекачка воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю под действием вытеснителя. Последовательно к регенератору во внешнем контуре был подключен радиатор. Регенератор аккумулирует теплоту воздуха, поступающего после расширения в холодную камеру. При течении воздуха в обратном направлении аккумулятор вновь отдает ему теплоту. Тем самым возрастает разница максимальной и минимальной температур цикла и теплоту необходимо отводить системой охлаждения. Радиатор, размещенный за регенератором; отводит только часть этой теплоты, остальная сохраняется в аккумуляторе и используется вновь. Вследствие этого не только улучшается КПД двигателя, но и увеличивается его максимальная частота вращения, что влияет на мощность и удельную массу двигателя. Теплота отработавших газов подогревателя используется для повышения температуры свежего воздуха, подаваемого в его камеру сгорания. Описанная конструктивная схема двигателя показана на рис. 111.

Читайте также:  Как перепресовать пальцы в поршнях


Рис. 111. Схема двигателя Стирлинга с регенератором и ромбическим кривошипно-шатунным механизмом: 1 — вытеснитель; 2 — рабочий поршень; 3 — радиатор; 4 — регенератор; 5 — подогреватель с форсункой; 6 — трубки подогревателя; 7 — вход воздуха в подогреватель; 8 — выход отработавших газов из подогревателя

Поршень 2 является рабочим, он передает давление воздуха на кривошипно-шатунный механизм, а вытеснитель 1 предназначен для перемещения воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю. В положении а воздух из пространства между двумя поршнями поступает через радиатор 3 и регенератор 4 в трубки подогревателя 6 и затем в верхнюю часть цилиндра. Трубки подогревателя размещены в камере сгорания, куда свежий воздух для сгорания подается по каналам 7 и затем, проходя через теплообменник, поступает в зону распылителя форсунки 5; отработавшие газы из подогревателя отводятся через выпускной трубопровод 8.

В положении а воздух сжат и при движении в верхнюю часть цилиндра нагревается сначала в регенераторе, а затем в подогревателе. В положении б весь воздух вытеснен из пространства между двумя поршнями и выполняет работу, перемещая оба поршня в нижнее положение. В положении в после совершения работы рабочий поршень остается в нижнем положении, а вытеснитель 1 начинает выталкивать воздух из верхней части цилиндра в пространство между поршнями через регенератор, в котором воздух отдает значительную часть своей теплоты, и радиатор, где воздух охлаждается еще глубже. В последней фазе цикла г воздух охлажден и вытеснен из верхней части цилиндра в пространство между поршнями, где происходит его сжатие.

Сжатие холодного воздуха, поступление его через регенератор и радиатор в верхнюю часть цилиндра, последующее расширение и охлаждение воздуха представляют рабочий цикл. В цилиндре сохраняется постоянная масса воздуха, поэтому цилиндр работает без выхлопа. Для подогрева можно использовать любой источник тепла. В рассмотренной схеме применен котел на жидком топливе; содержание вредных веществ зависит от полноты сгорания топлива в камере сгорания котла. Поскольку при этом создается режим непрерывного сгорания при относительно низкой температуре и большом избытке воздуха, можно достичь полного сгорания и небольшого содержания вредных веществ.

Преимущество двигателя Стирлинга заключается также в том, что он может работать не только на разнообразных топливах, но 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. При использовании теплового аккумулятора с LiF (см. гл. 21) теплота подводится к двигателю по теплопроводу, как это показано на рис. 112.


Рис. 112. Соединение теплового аккумулятора тепла с головкой цилиндра двигателя Стирлинга: 1 — резервуар с LiF; 2 — жидкий натрий; 3 — нагревательная спираль; 4 — теплоизоляция

В нижней части рис. 111 показан ромбический механизм привода, который управляет движением обоих поршней. Для привода используются два коленчатых вала, соединенных парой шестерен и вращающихся в противоположных направлениях. Концы штока вытеснителя 1 и пустотелого штока поршня 2 через отдельные шатуны соединены с обоими коленчатыми валами. Если кривошипы обоих коленчатых валов находятся в верхнем положении и движутся из положения а в положение б, то шатуны рабочего поршня 2 находятся вблизи ВМТ и он немного перемещается около ВМТ. Шатуны вытеснителя, перемещающегося в этой фазе цикла, движутся вниз и поршень также движется с наибольшей скоростью из положения а в положение б.

Противоположное направление вращения двух коленчатых валов позволяет разместить на них противовесы, необходимые для уравновешивания сил инерции первого порядка и их моментов от возвратно-поступательно движущихся масс, которые существуют у одноцилиндрового и рядных двигателей.

Ромбический механизм имеет еще и то преимущество, что шатуны симметрично передают усилия от штоков поршней на коленчатые валы, а в подшипниках и уплотнениях поршней не возникают боковые силы. Последнее очень важно, так как для работы двигателя с хорошим КПД необходимо высокое рабочее давление.

У обычных кривошипно-шатунных механизмов при высоком давлении на поршень и больших углах отклонения шатуна возникают большие боковые силы, действующие на поршень и являющиеся причиной больших потерь на трение и большого износа. При применении крейцкопфа или же ромбического механизма это отрицательное явление устраняется и можно достичь хорошего уплотнения поршней.

Чтобы штоки не передавали большие усилия на коренные и шатунные подшипники коленчатых валов, под рабочим поршнем поддерживается противодавление, равное среднему рабочему давлению в цилиндре, оно составляет около 20 МПа.

Зависимость индикаторного КПД ηi от удельной литровой мощности Nуд одноцилиндрового двигателя Стирлинга мощностью 165 кВт показана на рис. 113. Температура в подогревателе равна 700 °С, охлаждающей жидкости — 25 °С. Рабочее давление газа составило 11 МПа.


Рис. 113. Зависимость индикаторного КПД ηi двигателя Стерлинга от его удельной литровой мощности при различных видах рабочего тела. Цифры на кривых — частота вращения двигателя в мин -1

На диаграмме показаны зависимости для трех видов рабочего тела: воздуха, гелия и водорода. Точки с числами на кривых обозначают соответствующую частоту вращения (в мин -1 ). Видно, что наибольшие значения КПД достигаются при низких значениях удельных мощностей. Заметно также большое различие показателей двигателя при использовании вместо воздуха водорода.

Высокое давление рабочего тела, действующее в двигателе Стирлинга, требует наличия толстых стенок картера и цилиндра. При применении водорода в качестве рабочего тела масло не должно попадать в рабочее пространство и поэтому необходимо иметь высокогерметичное уплотнение штока поршня. Хорошо зарекомендовало себя цилиндрическое диафрагменное уплотнение в сочетании с масляной подушкой (рис. 114). Диаметры d и d2 выбраны так, чтобы объем масла под диафрагмой сальника не изменялся при перемещении штока. Маслосъемное поршневое кольцо С выполняет функцию насосного элемента, а регулятор R поддерживает давление масла под диафрагмой на уровне среднего давления газа в цилиндре.


Рис. 114. Уплотнение штока поршня: С — насосное кольцо; R — регулятор давления

Схематический поперечный разрез двигателя Стирлинга с ромбическим механизмом приведен на рис. 115. Это двигатель первого поколения, имеющий картер с высоким избыточным давлением. Двигатель Стирлинга постоянно совершенствуется и его четырехцилиндровая модель второго поколения уже имеет поршень двойного действия. Соединение горячей верхней камеры одного цилиндра с холодной камерой под поршнем соседнего цилиндра позволяет достичь необходимого изменения объема без отдельного поршня-вытеснителя. У четырехцилиндрового двигателя сдвиг между кривошипами поршней соседних цилиндров составляет 90°, что весьма нежелательно.


Рис. 115. Схематический разрез одноцилиндрового двигателя Стерлинга: 1 — выход воздуха из подогревателя; 2 — кольцевая камера сгорания; 3 горячая камера цилиндра; 4 — вход воздуха в подогреватель; 5 — поршень- вытеснитель; 6 — цилиндр; 7 — камера сжатия (холодная камера) цилиндра; 8 — шток поршня-вытеснителя; 9 — рабочий поршень; 10 — шток рабочего поршня; 11 — траверса рабочего поршня; 12 — шатун рабочего поршня; 13 — шатун поршня-вытеснителя; 14 — траверса поршня-вытеснителя; 15 — топливная форсунка; 16 — горелка; 17 — подогреватель; 18 — трубки подогревателя; 19 — ребра цилиндра; 20 — регенератор; 21 — трубки радиатора; 22 — камера противодавления; 23 — противовес; 24 — приводная шестерня; 25 — коленчатый вал

Схема соединения соседних цилиндров с таким расположением кривошипов показана на рис. 116. Соединительные трубопроводы связывают горячую камеру, подогреватель, регенератор, радиатор и холодную камеру. Два коленчатых вала вращаются в одном направлении и связаны с поршнями через крейцкопфный механизм. В нижней части рис. 116 на диаграммах жирной линией обозначены фазы цикла, соответствующие положениям 1-4 поршней. Для привода поршней используется или четырехопорный коленчатый вал (двигатели шведской фирмы «Юнайтед Стирлинг») или же наклонная шайба (двигатель «Филипс 4-210D А»)

Читайте также:  Поршень для заз шанс


Рис. 116. Схема работы двигателя Стирлинга с поршнем двойного действия: А — горячая камера; Б — подогреватель; В — регенератор; Г — радиатор; Д — холодная камера

На рис. 116 показаны последовательные этапы 1-2 — сжатие холодного газа в холодной камере; 2-3 — перемещение сжатого воздуха в горячую камеру — рабочий ход; 3-4 — расширение-охлаждение газа при поступлении в холодную камеру — рабочий ход; 4-1 — перемещение газа в холодную камеру.

В рядном двигателе соединительный канал между четвертым и первым цилиндрами имеет большую длину и объем, поэтому используются двигатели с V-образным или звездообразным расположением цилиндров. В обоих случаях все четыре цилиндра расположены близко друг от друга, а их верхние части (головки) образуют группы, обогреваемые общим котлом. Теплоизоляция такой конструкции также отличается простотой.

Фирма «Филипс» внесла в двигатель Стирлинга много интересных изменений. Для первых регенераторов использовались мелкие сита из тонкой медной проволоки, в дальнейшем они были заменены блоком из пористой керамики. Материал регенератора должен иметь большую удельную теплоемкость и выдерживать резкие изменения температуры. Поэтому регенератор должен быть разделен на несколько меньших элементов. Пористый материал легко аккумулирует и отдает теплоту и позволяет благодаря этому обеспечить работу двигателя с частотой вращения до 4000 мин -1 .

Мощность двигателя зависит от среднего рабочего давления. У двигателя «Филипс» это давление составляло около 20 МПа. Чтобы избежать прижатия поршня к стенке цилиндра, был применен уже упомянутый ромбический механизм и, кроме того, под рабочим поршнем была образована камера, в которой поддерживалось среднее рабочее давление газа. В этих условиях кривошипно-шатунный механизм испытывает нагрузки вследствие небольших отклонений от этого давления, а также действие инерционных сил, поскольку давление газов в цилиндре меняется незначительно. На рис. 117 приведены мгновенные значения относительного крутящего момента Мτ/Мср двигателя Стирлинга и дизельного двигателя за один оборот коленчатого вала.


Рис. 117. Изменение крутящего момента по углу поворота коленчатого вала в четырехцилиндровом бензиновом двигателе (А) и двигателе Стирлинга с поршнем двойного действия (Б)

Значительные трудности возникают при регулировании мощности двигателя Стирлинга. Изменение мощности, происходящее в результате изменения количества подаваемого в подогреватель топлива, незначительно. Более заметного результата можно добиться при изменении давления или количества рабочего тела. Этот способ регулирования мощности используется в автомобильном двигателе Стирлинга. Для уменьшения мощности часть газа из цилиндров перепускается в резервуар низкого давления; для увеличения мощности газ подается в цилиндры из резервуара высокого давления, куда он предварительно перекачивается специальным компрессором из резервуара низкого давления. У двигателей с поршнем двойного действия для снижения мощности газ перепускается из верхней части поршня в нижнюю через специальный канал. Переход от полной мощности к холостому ходу длится 0,2 с; обратный процесс занимает около 0,6 с.

Чтобы потери на трение газа при прохождении его через узкие каналы регенератора и радиатора были не большими, применяют гелий, а также пытаются использовать водород. Для уменьшения размеров и массы четыре цилиндра с поршнями двойного действия в двигателе второго поколения размещаются как показано на рис. 119. Вместо коленчатого вала применен привод с помощью наклонных шайб. Наличие высокого давления газов по обе стороны поршня обеспечивает передачу на приводную шайбу только небольшой разницы давлений. Поскольку в двигателе Стирлинга вся отводимая теплота передается в охлаждающую жидкость, то радиатор этого двигателя должен быть в 2 раза больше, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания.


Рис. 119. Четырехцилиндровый бесшатунный двигатель Стирлинга с поршнем двойного действия и вращающейся наклонной шайбой

В качестве примера рассмотрим два автомобильных двигателя Стирлинга. Четырехцилиндровый двигатель первого поколения с ромбическим механизмом, изображенный на рис. 118, имеет диаметр цилиндра 77,5 мм, ход поршня 49,8 мм (рабочий объем 940 см 3 ), развивает мощность 147 кВт при 3000 мин -1 и среднем давлении в цилиндре порядка 22 МПа. Температура головки цилиндра поддерживается около 700 °С, а охлаждающей жидкости — на уровне 60 °С. Масса сухого двигателя составляет 760 кг. Холодный пуск и прогрев двигателя до достижения температуры головки цилиндра 700 °С длятся около 20 с. При температуре воды 55 °С индикаторный КПД двигателя на испытательном стенде достиг 35 % . Удельная мощность 156 кВт/дм 3 , а удельная масса на единицу мощности 5,2 кг/кВт.


Рис. 118. Четырехцилиндровый рядный двигатель Стирлинга с ромбическим кривошипно-шатунным механизмом

Схематический разрез двигателя Стирлинга второго поколения модели «Филипс 4-215 DA», предназначенного для легкового автомобиля, изображен на рис. 119. Двигатель имеет примерно такие же размеры и массу, как и обычный бензиновый двигатель, и его мощность равна 127 кВт. Четыре цилиндра с поршнями двойного действия расположены вокруг оси приводного вала с наклонной шайбой. Котел подогревателя, общий для всех четырех цилиндров, имеет одну форсунку. На автомобиле «Форд Торино» (США) расход топлива с этим двигателем был на 25 % ниже, чем с бензиновым V-образным 8-цилиндровым двигателем. Содержание NOx в отработавших газах системы подогрева благодаря применению их рециркуляции было намного меньше установленной нормы.


Рис. 119. Четырехцилиндровй бесшатунный двигатель Стирлинга с поршнем двойного действия и вращающейся наклонной шайбой

Диаметр цилиндра двигателя «Филипс 4-215 DA» — 73 мм, ход: поршня 52 мм. Мощность двигателя 127 кВт при частоте вращения 4000 мин -1 . Температура в подогревателе (температура головок цилиндров) равна 700 °С, а охлаждающей жидкости — 64 °С.

Шведская фирма «Юнайтед Стирлинг» создала свой двигатель Стирлинга таким образом, чтобы можно было в наибольшей степени использовать детали, серийно выпускаемые автомобильной промышленностью. Используются обычный коленчатый вал и шатун, который совместно с крейцкопфом преобразует во вращательное движение вала поступательное движение поршня двойного действия. Разрез этого четырехцилиндрового V-образного двигателя изображен на рис. 120. Ряды цилиндров расположены под небольшим углом, головки цилиндров образуют общую группу, подогреваемую одной горелкой.


Рис. 120. Четырех цилиндровый V-образный двигатель Стирлинга фирмы ‘Юнайтед Стирлинг’: 1 — подогреватель; 2 — трубки подогревателя; 3 — теплообменник; 4 — генератор; 5 — радиатор

Предполагаемая удельная масса этого двигателя равна 2,4 кг/кВт, что можно сравнить с показателями очень хорошего малоразмерного высокооборотного дизеля. Удельная масса двигателей Стирлинга уменьшилась с 6,1-7,3 кг/кВт до 4,3 кг/кВт и постоянно снижается.

Производство двигателя Стирлинга требует технологии, совершенно отличной от технологии производства двигателей внутреннего сгорания, что будет тормозить его внедрение в производство. Однако разработки таких двигателей продолжаются, поскольку традиционные бензиновый и дизельный двигатели не будут отвечать перспективным требованиям необходимой чистоты отработавших газов, а созданные двигатели Стирлинга дают основание надеяться, что эту проблему удастся решить. Так как изменение давления газов в цилиндре двигателя Стирлинга носит плавный характер, то он работает стабильно и тихо, напоминая паровую машину. Однако большое количество отводимой теплоты требует новых решений в области систем охлаждения.

Большой прогресс в двигателях Стирлинга достигнут при создании двигателя «Филипс 4-215 DA». Двигатель предназначен для применения в легковых автомобилях и занимает в них столько же места, сколько и обычный бензиновый V-образный двигатель равной мощности. Масса двигателя «Филипс 4-215 DA» равна 448 кг и при максимальной мощности 127 кВт его удельная масса составляет 3,5 кг/кВт. Индикаторный КПД этого двигателя при использовании в качестве рабочего тела водорода под давлением 20 МПа равен 35 %.

Холодный пуск двигателя длится 15 с, расход топлива автомобилем в условиях городского движения на 25 % меньше, чем в случае обычного бензинового двигателя. Регулирование мощности двигателя производится изменением количества и давления рабочего тела.

Плотность водорода в 14 раз ниже плотности воздуха, а его теплоемкость также в 14 раз выше теплоемкости воздуха. Это положительно сказывается на гидравлических потерях, особенно в регенераторе, и в целом ведет к росту КПД двигателя (см. рис. 113).

Источник статьи: http://motorzlib.ru/books/item/f00/s00/z0000031/st067.shtml

Adblock
detector