ТЕМА 5 ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ АВТОМОБІЛЬНИХ ДВИГУНІВ

Заняття 1 Конструкція роторно-поршневих двигунів.

1. Призначення, характеристика, загальна будова роторно-поршневого двигуна

2. Будова та робота роторно-поршневого двигуна.

1 .

Роторно-поршневий двигун

Роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння (РПД, двигун Ванкеля), конструкція якого розроблена в 1957 році інженером компанії NSU Вальтером Фройде, йому ж належала ідея цієї конструкції. Двигун розроблявся в співавторстві з Феліксом Ванкелем, який працював над іншою конструкцією роторно-поршневого двигуна.

Особливість двигуна — застосування тригранного ротора (поршня), що має вид трикутника Рело, який обертається усередині циліндра спеціального профілю. Поверхня його виконана по епітрохоїді. Встановлений на валу ротор жорстко з’єднаний із зубчастим колесом, яке входить у зачеплення з нерухомою шестернею — статором. Діаметр ротора набагато перевищує діаметр статора, незважаючи на це ротор із зубчастим колесом обкатується навколо шестерні. Кожна з вершин тригранного ротора робить рух по епітрохоідальній поверхні циліндра й відсікає змінні обсяги камер у циліндрі за допомогою трьох клапанів.

Така конструкція дозволяє здійснити будь-який 4-тактний цикл Дизеля, Стірлінга або Отто без застосування спеціального механізму газорозподілу. Герметизація камер забезпечується радіальними й торцевими ущільнювальними пластинами, що притискаються до циліндра відцентровими силами, тиском газу й стрічковими пружинами. Відсутність механізму газорозподілу робить двигун значно простіше чотиритактного поршневого (економія становить близько тисячі деталей), а відсутність сполучення (картерний простір, коленвал і шатуни) між окремими робочими камерами забезпечує надзвичайну компактність і високу питому потужність. За один оборот ванкель виконує три повні робочі цикли, що еквівалентно роботі шестициліндрового поршневого двигуна. Сумішоутворення, запалювання, змащення, охолодження, запуск принципово такі ж, як і у звичайного поршневого двигуна внутрішнього згоряння. Практичне застосування отримали двигуни із тригранними роторами, зі співвідношенням радіусів шестерні й зубчастого колеса: R:r = 2:3, які встановлюють на автомобілях, човнах і т.п.Автомобілі із РПД споживають від 7 до 20 літрів палива на 100 км, залежно від режиму руху, мастила — від 0,4 л до 1 л на 1000 км.

Переваги й недоліки

Переваги перед звичайними бензиновими двигунами:

Низький рівень вібрацій. Роторно-поршневий двигун повністю механічно врівноважений, що дозволяє підвищити комфортність легких транспортних засобів типу мікроавтомобілів, мотокарів і юнікарів;

Головною перевагою роторно-поршневого двигуна є відмінні динамічні характеристики: на низькій передачі можливо без зайвого навантаження на двигун розігнати машину вище 100 км/год на більш високих оборотах двигуна (8000 об/хв і більше), ніж у випадку конструкції звичайного двигуна внутрішнього згоряння.

Висока питома потужність(к.с./кг), причини:

Маса частин, що рухаються, у РПД набагато менша, ніж у аналогічних за потужністю «нормальних» поршневих двигунах, тому що в його конструкції відсутні колінчатий вал і шатуни.

До того ж однороторний двигун видає потужність протягом трьох чвертей кожного обороту вихідного валу. На відміну від одноциліндрового поршневого двигуна, який видає потужність тільки протягом однієї чверті кожного обороту вихідного валу. Сучасний серійний РПД із обсягом робочої камери 1300 см³ має потужність 220 л.с., а з турбокомпресором — 350 л.с.

Менші в 1,5- 2 рази габаритні розміри.

Менша на 35-40 % кількість деталей

За рахунок відсутності перетворення зворотно-поступального руху в обертальний, двигун Ванкеля здатен витримувати набагато більші обороти, але з меншими вібраціями, у порівнянні із традиційними двигунами. Роторно-поршневі двигуни мають більш високу потужність при невеликому обсязі камери згоряння, сама ж конструкція двигуна порівняно мала й містить менше деталей. Невеликі розміри поліпшують керованість, полегшують оптимальне розташування трансмісії (розподіл ваги) і дозволяють зробити автомобіль більш просторим для водія й пасажирів.

Недоліки:

З’єднання ротора з вихідним валом через ексцентриковий механізм, будучи характерною рисою РПД Ванкеля, викликає тиск між поверхнями тертя. В комбінації з високою температурою це призводить до додаткового зношування й нагрівання двигуна. У зв’язку із цим виникає підвищена вимога до періодичної заміни мастила. При правильній експлуатації періодично проводиться капітальний ремонт, що включає в себе заміну ущільнювачів. Ресурс при правильній експлуатації досить великий, але не замінене вчасно мастило неминуче призводить до необоротних наслідків, і двигун виходить із ладу.

Найбільш важливою проблемою вважається стан ущільнювачів. Площа плями контакту дуже невелика, а перепад тиску дуже високий. Наслідком цього невирішеного для двигунів Ванкеля протиріччя є високі витоки між окремими камерами й, як наслідок, падіння коефіцієнта корисної дії й токсичність вихлопу. Проблема швидкого зношування ущільнювачів на високій швидкості обертання валу була вирішена застосуванням високолегованої сталі.

Іншою особливістю двигунів Ванкеля є їх схильність до перегрівання. Камера згоряння має лінзоподібну форму, тобто при маленькому обсязі у неї відносно більша площа. При температурі горіння робочої суміші основні втрати енергії ідуть через випромінювання. Інтенсивність випромінювання пропорційна четвертому ступеню температури, у такий спосіб ідеальна форма камери згоряння — сферична. Промениста енергія не тільки даремно залишає камеру згоряння, але й призводить до перегрівання робочого циліндра. Ці втрати не тільки знижують ефективність перетворення хімічної енергії в механічну, але й викликають проблеми із запаленням робочої суміші, тому в конструкції двигуна часто передбачають 2 свічки.

Високі вимоги до виконання деталей двигуна роблять його складним у виробництві — потрібне застосування високотехнологічного й високоточного устаткування: обладнання, здатного переміщати інструмент по складній траєкторії епітрохоідальної поверхні камери об’ємного витиснення.

При всіх перевагах (висока питома потужність, простота конструкції, нескладний ремонт при правильній експлуатації), важливою проблемою є менша економічність на низьких оборотах у порівнянні зі звичайними ДВЗ.

Застосування

Двигун розроблявся спочатку саме для застосування на автотранспорті. Перший серійний автомобіль із роторним двигуном — німецький спорткар NSU Wankelspider. Перший масовий (37 204 екземпляри) — німецький седан бізнес-класу NSU Ro 80. Автомобіль був досить інновацій не тільки своїм двигуном, зокрема, кузов з рекордно низьким аеродинамічним опором, напівавтоматичну коробку передач із гідротрансформатором, блок-фари, і так далі. Ro80 відрізнявся не тільки унікальною конструкцією, але й передовим дизайном, який виявився незрозумілий публіці середини шістдесятих; через десять років саме він був покладений в основу стилю моделей «Audi» 100 і 200 покоління C2.На жаль, ресурс двигуна виявився досить малий (ремонт був потрібен уже після пробігу близько 50 тис. км), тому автомобіль заслужив погану репутацію і є відносно маловідомим. На багатьох збережених автомобілях оригінальний двигун замінено на поршневий V4 «Essex» фірми Ford.Citroën також експериментував із РПД — проект Citroën M35.Після цього серійне й дрібносерійне виробництво роторно-поршневих двигунів Ванкеля проводилися тільки фірмами Mazda (Японія) і ВАЗ (Росія).

Сучасний стан

Інженерам фірми Mazda, які створили роторно-поршневий двигун «Renesis» (похідне від слів (англ. Rotary Engine:роторний двигун і Genesis:процес становлення. Назва говорить про появу нового класу двигунів), вдалося вирішити основні проблеми таких двигунів — токсичність вихлопу й неекономічність. У порівнянні із двигунами-попередниками, вдалося скоротити споживання мастила на 50 %, бензину на 40 % і довести викиди шкідливих окисів до норм, що відповідають Euro IV. Двокамерний двигун «Renesis» обсягом усього 1,3 л видає потужність в 250 л. с. і займає набагато менше місця в моторному відсіку. Наступна модель двигуна Renesis 2 16X має обсяг 1,6 літри, і більшу потужність, менше нагрівається.Автомобілі марки Mazda з буквами RE у назві (перші букви від назви «Renesis») можуть використовувати в якості палива як бензин, так і водень ( тому що менш чутливі до детонації, ніж звичайні двигун, що використовують зворотно-поступальний рух поршня). Це стало другим витком росту уваги до РПД із боку розробників.Автомобілі із РПД споживають від 7 до 20 літрів палива на 100 км, залежно від режиму руху, і мастила від 0,4 л до 1 л на 1000 км ( для двигунів Mazda 0,4-0,6 л.). У цей час автоконцерн Mazda активно веде дослідження цього типу двигуна, оснащуючи допрацбованими моделями роторних двигунів автомобілі серії RX. Така конструкція дозволяє здійснити будь-який 4-тактний цикл Дизеля, Стірлінга або Отто без застосування спеціального механізму газорозподілення. Герметизація камер забезпечується радіальними й торцевими ущільнювальними пластинами, що притискаються до циліндра відцентровими силами, тиском газу й стрічковими пружинами. Відсутність механізму газорозподілення робить двигун значно простішим чотиритактного поршневого (економія становить близько тисячі деталей), а відсутність сполучення (картерний простір, колінчастий вал і шатуни) між окремими робочими камерами забезпечують надзвичайну компактність і високу питому потужність. За один оберт ванкель виконує три повні робочі цикли, що еквівалентно роботі шестициліндрового поршневого двигуна. Сумішоутворення, запалювання, змащення, охолодження, запуск принципово такі ж, як і у звичайного поршневого двигуна внутрішнього згоряння.

Конструкція: встановлений на валу ротор жорстко з’єднаний із зубчастим колесом, яке входить у зачеплення з нерухомою шестернею — статором. Діаметр ротора набагато перевищує діаметр статора, незважаючи на це ротор із зубчастим колесом обкатується навколо шестерні. Кожна з вершин тригранного ротора робить рух по епітрохоідальній поверхні циліндра й відсікає змінні обсяги камер у циліндрі за допомогою трьох клапанів.

2 . Сила тиску газів від згорілої паливо-повітряної суміші приводить в рух ротор, насаджений через підшипники на ексцентриковий вал. Рух ротора щодо корпусу двигуна (статора) здійснюється через пару шестерень, одна з яких, більшого розміру, закріплена на внутрішній поверхні ротора, друга, опорна, меншого розміру, жорстко прикріплена до внутрішньої поверхні бічної кришки двигуна. Взаємодія шестерень призводить до того, що ротор здійснює кругові ексцентричні руху, стикаючись гранями з внутрішньою поверхнею камери згоряння. В результаті між ротором і корпусом двигуна утворюються три ізольовані камери змінного об'єму, в яких відбуваються процеси стиснення паливо-повітряної суміші, її згоряння, розширення газів, які чинять тиск на робочу поверхню ротора і очищення камери згоряння від відпрацьованих газів. Обертальний рух ротора передається на ексцентриковий вал, встановлений на підшипниках і передавальний крутний момент на механізми трансмісії. Таким чином у РПД одночасно працюють дві механічні пари: перша - регулююча рух ротора і складається з пари шестерень; і друга - перетворююча круговий рух ротора в обертання ексцентрикового валу. Передавальне співвідношення шестерень ротора і статора 2:3, тому за один повний оберт ексцентрикового валу ротор встигає провернутися на 120 градусів. У свою чергу за один повний оберт ротора в кожній з трьох утворених його гранями камер проводиться повний чотиритактний цикл двигуна внутрішнього згоряння.

схема РПД.

РОТОРНО-поршневі двигуни (СТАВР) (далі - РПДС) (варіант 1) містить корпус 1 з робочою камерою 2, розподільними каналами 3, в якому з можливістю обертання встановлений вихідний (вхідний) вал 4, жорстко пов'язаний з маховиком 5, в тілі якого ексцентрично розміщений ковзний вкладиш 6, в тілі якого, у свою чергу, ексцентрично встановлена вісь 7 обертання ротора-поршня 8, пристрої подачі палива і його займання (фіг.1).

Варіант 2. Вихідний (вхідний) вал 4 жорстко пов'язаний з коронною шестірнею 9, ковзний вкладиш 6 пов'язаний з сателітом 10, встановленим з можливістю обертання на осі вкладиша, порожнина в корпусі 1 має зубчастий вінець 11, всі три зубчастих елемента являють собою редуктор з проміжним тілом обертання (планетарний), маховик 5 встановлений з можливістю вільного обертання на вхідному (вихідному) валу 4 (Фіг.2).

Працює РПМС наступним чином. Через вікна впускних клапанів в порожнину над ротором (поршнем) 8 нагнітається робоче тіло (газ, рідина) (фіг.1). Зображене на схемі положення ротора відповідає верхній мертвій точці (ВМТ). Виходячи з того, що спочатку валу 4 і маховика 5 був даний імпульс певного напрямку (у випадку з двигуном), тиск робочого тіла змушує переміщатися одне з плечей ротора з опорою на друге. При цьому в тому ж напрямку переміщається вісь 7 ротора 8, приводячи в обертання ковзний вкладиш 6. Ротор 8 здійснює обертання третього порядку навколо осі 7, яка здійснює обертання другого порядку навколо центру ковзного вкладиша 6, коїть обертання першого порядку навколо центру маховика 5. Траєкторія руху центру ротора за один оборот в даному випадку не збігається з дельтоидами, і її довжина трохи більше цієї гіпоциклоїди (Фіг.3), внаслідок цього її можна найменувати квазіціклоідой або псевдоціклоідой. Один такт роботи РПМК відповідає одному кроку ротора, тобто його переміщенню до наступної ВМТ або однієї третини обороту валу. Одночасно машина дозволяє здійснювати два протилежних робочих такту - один відбувається над поршнем, інший під ним.

Можливий також варіант виконання РПМС із зубчастим зачепленням обертових елементів (фіг. 2). Шестерня 10 грає роль сателіта в планетарній передачі між стаціонарним зубчастим колесом 11 і коронної шестернею 9 і при роботі котиться по вінця корпусу, приводячи в обертання центральну шестерню, з'єднану з валом.

При використанні машини в якості РПД можливе здійснення її роботи як по 2-тактний, так і по 4-тактний циклам.

Конструктивні особливості: за два обороти вихідного валу здійснюється три робочих циклу (в 4-тактном ДВС). Для порівняння: двигун Ф. Ванкеля за те ж число обертів вала здійснює два робочих циклу, двигун Отто - один цикл. Наслідком чого є можливість зниження мінімально стійких оборотів вихідного валу, що укупі з широким діапазоном оборотів може представляти інтерес для малої авіації, тому що не вимагає додаткової редукції обертів вала двигуна перед гвинтом. До інших достоїнств можна віднести високу щільністю компоновки (відношення робочого об'єму до об'єму двигуна), відсутність радіальних і інерційних сил у поршневий групі і приводі вихідного (вхідного) валу, максимальні оберти вихідного валу значно перевищують аналогічні параметри традиційної схеми, механізм повністю збалансований, т. к. не містить ексцентрикових елементів, має просту форму камери і ротора. Не містить шестернею в сінхронізірущем механізмі, камери згоряння герметичні (головні недоліки більшості схем роторно-лопатевого двигуна РЛД). Можливе використання спільно з механічною трансмісією. На відміну від роторно-хвильового двигуна (РВД) має більш просту форму ротора і камери згоряння і простіший механізм передачі крутного моменту на вихідний вал. Форма камери згоряння дозволяє розробляти одноступінчатий ДВС з високим ступенем стиснення, що працює на дизельному паливі (на відміну від РПД Ванкеля).

Пропонована схема поєднує гідності кривошипно-шатунного механізму, при якому протікання робочого процесу найбільш оптимально (зупинка поршня в ВМТ і згоряння паливо-повітряної суміші в постійному обсязі) і роторного механізму, в якому відсутня зворотно-поступальний переміщення поршня. В економічному режимі протягом одного робочого ходу здійснюється безпосередньо робоче дію газів (від ВМТ до НМТ) і дорасшіреніе відпрацьованих газів (від НМТ до ВМТ) перед їх видаленням з робочої порожнини. Найменування ВМТ і НМТ умовно, тому в цих точках при рівномірному обертанні вихідного вала є уповільнення руху поршня-ротора, але немає перекладки (зміни вектора кутової швидкості на протилежний) в його русі.

Заняття 2 Особливості будови роторно-поршневих двигунів легкових автомобілів.

1. Особливості будови та роботи двохтактного роторно-поршневого двигуна.

2. Особливості будови та роботи чотирьохтактного роторно-поршневого двигуна Mazda

1 . У роторних (роторно-поршневих) двигунах (рис. 1) усунено зворотно- поступальний рух поршнів, однак, на відміну від турбін, зберігається циклічність термодинамічних процесів. Ротор, що має складну форму, разом з корпусом утворює замкнуті порожнини, об`єм яких у часі змінюється аналогічно зміні робочих об`ємів у звичайному поршневому двигуні. Унаслідок відсутності поступально рухомих мас є можливість значно збільшити число обертів цих двигунів і, отже, підвищити потужність з одиниці робочого об`єму циліндра. Ці двигуни при збереженні приблизно однакової економічності значно компактніше за звичайні поршневі. Головною перешкодою для їхнього широкого поширення є труднощі створення надійного ущільнення камер згоряння. Принцип обертового поршня відомий з XVI століття, однак про серйозне конструктивне рішення можна говорити тільки з моменту появи двигуна Ф.Ванкеля (Німеччина) у 1957 р.

У роторно-поршневому двигуні (РПД) ротор („дельтроїд”), що має форму трикутника, зі сторонами, описаними дугами, обертається вільно на підшипниках на ексцентриковому валу, що у той же час є валом відбору потужності (рис. 2). При обертанні вала центр трикутного ротора рухається по окружності. Одночасно шестірня внутрішнього зачеплення, скріплена з ротором і розташована на одній з ним осі, обкатується навколо нерухомої шестірні, установленої на корпусі двигуна (рис. 3). За три обороти ексцентрикового вала ротор повертається на один оборот. За цей час відбувається три робочі цикли у порожнинах роторно-поршневого двигуна. Таким чином, у цьому двигуні за кожний оборот ексцентрикового вала відбувається один робочий хід.

2 . У вершинах трикутного ротора встановлені ущільнення, що розділяють порожнини (рис.4). Крім того, маються торцеві ущільнення. У торцевій стінці корпуса розташовані впускне і випускне вікна, а також свічі запалювання. Корпус, як і у поршневих двигунах, необхідно охолоджувати. В існуючих конструкціях в основному застосовується рідинне охолодження. Ротор двигуна при роботі сильно нагрівається, тому його звичайно охолоджують циркулюючим маслом. Роторно-поршневі двигуни зазвичай виготовляють бензиновими з запалюванням від електричної іскри, тому що створення дизельного варіанта утрудняється через невигідну форму камери згоряння і неможливість одержання високих ступенів стиску. Розподіл палива по такій камері згоряння за допомогою паливовпорскувальної апаратури практично важко здійснити. У випадку зовнішнього сумішоутворення рівномірність заповнення камери згоряння пальною сумішшю набагато краще. Для збільшення потужності кількість секцій збільшується до 2÷4.РПД мають менші габаритні розміри і масу, ніж рівні за потужністю звичайні поршневі двигуни, більш низьку вартість виготовлення і меншу гучність роботи внаслідок відсутності клапанних і кривошипно-шатунних механізмів, кращу зрівноваженість. Однак термін служби ущільнень ротора недостатній у порівнянні з терміном служби поршневих кілець звичайного двигуна. Система сумішоутворення і запалювання принципових відмінностей не має.

Умови роботи деталей ущільнення значно важче, ніж поршневих кілець звичайних двигунів, тому що пластина ущільнення безупинно притиснута до однієї сторони канавки ротора, що викликає її швидке пригоряння. Зміна кута нахилу торцевої поверхні до епітрохоїдної поверхні приводить до значного стирання пластини і погіршення ущільнення через утворення клиноподібного зазору між поверхнями пластини і корпуса. Весь перепад тиску між камерою згоряння і порожниною, у якій здійснюється стиск, сприймається одним ущільненням, а не декількома кільцями, як у звичайному поршневому двигуні. Унаслідок цього виток газу з порожнини, де відбувається згоряння, відносно більший, ніж у звичайному двигуні.

При роботі РПД спостерігаються теплові деформації корпуса двигуна внаслідок нерівномірного нагрівання. Та частина стінки корпуса, що знаходиться за свічею запалювання (якщо дивитися в напрямку обертання ротора) і обмежує камеру згоряння, нагрівається значно сильніше інших стінок, що приводить до перекручування епітрохоїдної поверхні, погіршення умов ущільнення порожнин роторного двигуна і значного збільшення зносу робочих поверхонь.

Питома витрата палива роторно-поршневого двигуна трохи вище, ніж у сучасних поршневих двигунів, і складає приблизно 300÷350 г/(кВт•год).

У випускних газах роторно-поршневих двигунів міститься підвищена кількість оксиду вуглецю (внаслідок фіксації продуктів неповного горіння поблизу холодних стінок ротора і корпуса двигуна), що не задовольняє нормам зі вмісту токсичних речовин. Унаслідок цього в сучасних роторно-поршневих двигунах застосовують каталітичні нейтралізатори чи допалювачі продуктів неповного горіння. Застосування нейтралізаторів здорожує силову установку і знижує її економічність.

На даний час єдиним світовим автовиробником, який масово випускає транспорт з РПД, є фірма Mazda. У 2006 році ними була розроблена навіть модель двигуна, що працювала на водні.

Заняття 3 Конструкція двигунів зовнішнього згорання.

1. Призначення, характеристика, класифікація двигунів зовнішнього згорання

2. Загальна будова і робота двигунів зовнішнього згорання.

3. Порівняльна характеристика двигунів внутрішнього та зовнішнього згорання.

1 . Альтернативні джерела енергії та способи їх застосування - ця тема стає все більш актуальною. У ній два основних напрямки - вироблення електричної енергії для побутових споживачів і отримання механічної енергії для транспорту.

Електричну енергію стали виробляти з сонячної енергії фотоелектричними перетворювачами і на сонячних електростанціях на основі парових турбін.

Інший напрям виявилося складніше. Одним з найбільш перспективних джерел механічної енергії в цій області є двигун Стірлінга. Прийнято вважати, що він має хороші технічні дані - дуже високий ккд, многотопливность, просту конструкцію і невеликі експлуатаційні витрати. На його розробку вкладаються значні кошти, але в серійному виробництві до цих пір немає. У чому причина? У об'єктивності цих даних:

ККД. Як правило, це індикаторний ккд двигуна Стірлінга. У тих випадках, коли наводиться ефективний ккд, то і він ориманий при стендових випробуваннях двигуна, де температура охолоджуючої рідини, що надходить у двигун,мінімальна, тобто дорівнює температурі навколишнього середовища, і немає витрат потужності на привід вентилятора системи охолодження, та інших систем. А вони у двигуна Стірлінга значні.

Многотопливность. Найкращі показники отримані при використанні рідкого палива на основі нафти і природного газу, на яких добре працюють і двигуни внутрішнього згоряння. А ось тверді види палива через обмеженість обсягу нагрівача знижують ккд двигуна Стірлінга в 2 - 3 рази. З цієї ж причини неефективний і теплової акумулятор, що передає тепло двигуну не безпосередньо, а через проміжний теплоносій.

Конструкція. У міру вдосконалення двигуна Стірлінга його конструкція значно ускладнилася, а його вартість стала набагато вище, ніж у двигуна внутрішнього згоряння рівній потужності. Цьому сприяють і втрати водню або гелію з циліндрів двигуна, незалежно від того, працює він чи ні.

2 . Двигун Стірлінга – теплова машина, що працює за замкнутим термодинамічним циклом, у якому ізотермічні процеси стиску і розширення відбуваються при різних рівнях температур, а керування переносом робочого тіла у робочих порожнинах здійснюється шляхом зміни його об`єму (патент шотландського пастора Роберта Стірлінга (1790-1878 рр.) 1816 року

№ 4081 на "машину, що виробляє рушійну силу за допомогою нагрітого повітря". У 1827 і 1840 р. він одержав ще два патенти (№№ 5456 і 8652) на удосконалені варіанти своєї машини, а у 1845 р. на ливарному заводі у Данді було запущено першу машину Стірлінга потужністю 50 індикаторних кінських сил). Цикл Стірлінга значно більшою мірою, ніж цикли ДВЗ та ГТД, наближений до ідеального циклу теплової машини – циклу Карно. Важливою їхньою особливістю є глибока регенерація теплоти, що дозволила створити реальні двигуни різного призначення.

Основною перевагою двигунів є високий ККД, який для дослідних екземплярів двигунів Стірлінга досягає ККД кращих дизелів. Як робоче тіло у циклі використовують гази, що мають високі значення теплоємності і теплопровідності (водень, гелій і ін.). Найбільш ефективним є водень, однак його застосування стримується дифузією водню в металах при високих температурах і тиску, тому частіше використовується гелій. Можливе застосування повітря як найбільш дешевого робочого тіла, хоча і з трохи меншими значеннями ККД.

Інтерес до двигунів безупинно зростає в зв'язку з низьким забрудненням навколишнього середовища цими двигунами. Двигун Стірлінга працює практично на будь-яких видах палива і від будь-яких джерел теплоти. При спалюванні органічних палив процес згоряння в двигуні вдається організувати з набагато більшою повнотою, ніж у ДВЗ і ГТД. Тому навіть при використанні традиційних для транспорту нафтопродуктів шкідливих викидів в атмосферу набагато менше, ніж у ДВЗ. Іншою важливою перевагою двигунів Стірлінга варто вважати низький рівень шуму при роботі внаслідок повної зрівноваженості механізму і відсутності вихлопу газів під тиском. До переваг можна віднести зростання крутного моменту зі зменшенням частоти обертання, простоту пуску, що дуже важливо для автомобілів.

Усі розроблені на сьогодні конструкції двигуна Стірлінга можна підрозділити на три модифікації:

- альфа-модифікація. Ця група включає V-подібні двигуни. Робочий об'єм розподілений між двома циліндрами, в одному з яких перебуває гаряча порожнина, а в іншому – холодна. У двигуні є регенератор, що розташований між циліндрами;

- бета-модифікація. У цьому типі двигунів є тільки один циліндр. Зміна об'єму гарячої порожнини здійснюється за допомогою витиснювального поршня. Зміна об'єму холодної порожнини відбувається за допомогою руху як витиснювального поршня, так і робочого поршня. Ходи цих поршнів перекриваються;

- гамма-модифікація. Тут, так само як й у бета-модифікаціях, є і робочий поршень, і витиснювальний. Однак вони перебувають в окремих циліндрах. Холодна порожнина розділена на два циліндри, і, отже, її мінімальний об'єм завжди позитивний.

Спочатку двигун Стірлінга був створений за схемою з розширенням і стиском у тому самому циліндрі (β-модифікація). На цьому двигуні ефективний ККД удалося довести до 39%. Число сучасних конструкцій двигунів є достатньо великим, однак найбільш поширені багатоциліндрові (4÷9 циліндрів) двигуни з ромбічним механізмом приводу, а також подвійної дії, тобто β-модифікація (рис. 17.3). Випробувалися також двигуни з похилою (косою) шайбою і деякі інші.

Найбільший інтерес до двигунів Стірлінга спостерігався в останній чверті минулого століття. Тоді майже всіма провідними компаніями-виробниками автомобілів проводилися широкомасштабні дослідження, пов'язані з оцінкою можливості заміни двигунів внутрішнього згоряння двигуном Стірлінга. Було пророблено великий обсяг науково-дослідних робіт із цих двигунів. Були розроблені і випробувані різні конструкції двигуна: одноциліндрові і багатоциліндрові витиснювального типу зі звичайним кривошипно-шатунним і ромбічним механізмом, багатоциліндрові подвійної дії з похилою шайбою, вільно-поршневі з різними приводами. Фірма Daimler-Benz одержала патент на схему роторного двигуна, що працює за циклом Стірлінга.

Але, незважаючи на те, що були створені двигуни потужністю від 6 до 900 к.с., що мають ефективний ККД від 26 до 43 %, і малі двигуни потужністю 0,014÷0,4 к.с. з ККД від 7,9 до 14 %, широкомасштабне серійне виробництво так і не почалося.

У США дослідницька експлуатація двигунів Стірлінга здійснювалася на легкових автомобілях, автобусах, катерах, потужність складала 30÷125 кВт. Двигуни зарекомендували себе як дуже економічні, зручні в експлуатації. Випробувалися також системи з тепловими акумуляторами. До недоліків двигунів Стірлінга, що стримують їхнє поширення, відносять більш високу вартість у порівнянні з ДВЗ, однак у міру вдосконалювання конструкцій і технології виробництва варто очікувати зниження вартості. Боротьба за чистоту навколишнього середовища, особливо у великих містах, безсумнівно підсилить тенденцію до більшого поширення цих двигунів на транспорті, у першу чергу автомобільному.

3 .

Основні переваги двигуна Стірлінга, які з її термодинамічної циклу і принципу дії, зводяться до наступного.

1. Завдяки зовнішньому підводу теплоти двигун може працювати практично від будь-якого джерела енергії (тверде, рідке і газоподібне паливо, тепловий акумулятор, атомний реактор, сонячна енергія). Це, по-перше, означає, що для двигуна може бути використаний будь-який сорт палива, наявний на судні. З іншого боку, це дозволяє отримати установку, для роботи якої не потрібно атмосферне повітря, тобто енергетичну установку для підводного транспорту або космічних об'єктів [2, 14, 18, 19, 21, 23, 42].

2. Значно більша тривалість згоряння в порівнянні з ДВС забезпечує більш повне згоряння палива і дозволяє істотно знизити кількість шкідливих компонентів у випускних газах.

3. Використання ромбічного механізму передачі руху на вал гарантує практично повну динамічну врівноваженість двигуна навіть у одноциліндровому виконанні.

4. Плавне протікання робочого процесу забезпечує меншу нерівномірність крутного моменту за період циклу в порівнянні з двигунами внутрішнього згоряння (рис. 7).

5. Плавне синусоїдальне протікання робочого процесу, відсутність клапанів, повна динамічна врівноваженість дозволяють отримати хороші виброакустичні характеристики двигуна Стірлінга.

6. Маючи термодинамічний к. п. д., рівний к. п. д. циклу Карно, та механічний к.к.д. на рівні двигунів внутреннегосгоранія, двигун Стірлінга відрізняється високою економічністю і може в цьому відношенні конкурувати з дизелями, найбільш відпрацьованими по робочому процесу.

7.Работая від зовнішнього джерела теплоти при підтримці постійної температури нагрівача, двигун Стірлінга практично нечутливий до короткочасних перевантажень.

Рис. 1 Екологічні показники

Перераховані особливості двигуна Стірлінга забезпечують можливість його широкого використання в суднобудуванні.

Малошумність, невибагливість до сорту палива, нечутливість до короткочасних перевантажень, висока рівномірність крутного моменту двигуна найкращим чином проявляються при використанні його в якості приводу в суднових електростанціях. Можливість роботи від зовнішнього джерела теплоти, незалежність від атмосферного повітря роблять двигун Стірлінга вельми перспективним для застосування на підводних апаратах [35, 39, 42].

Двигуни Стірлінга невеликої потужності з успіхом можуть бути застосовані на прогулянкових катерах, де особливо цінні їхні малошумність, динамічна врівноваженість і чистота випускних газов.Такім чином, При певній стадій разййтйя, характеризуемой освоєнням серійного виробництва, двигун Стірлінга зможе знайти застосування практично на судні будь-якого призначення, витіснивши інші типи традиційних установок, і в першу чергу двигуни внутрішнього згоряння.

Порівняльна таблиця різних типів двигунів

Заняття 4 Особливості будови і роботи двохтактних автомобільних двигунів.

1. Призначення, характеристика, загальна будова двохтактних двигунів

2. Будова та робота двохтактного двигуна внутрішнього згорання.

1 . Загальний пристрій

Будь мототранспортних засобів складається з двигуна, ходової частини, трансмісії (силової передачі), органів управління і додатково го обладнання (рис. 1.4).

Двигун прообразует теплову енергію, що виділяється при згорянні палива, у механічну. Для роботи двигуна необхідні системи живлення, газорозподілу, випуску, змащення, охолодження і запалювання.

Трансмісія передає крутний момент від двигуна на провідне? колесо (заднє). До складу трансмісії входять: первинна (моторна) передача, зчеплення, коробка передач, вторинна (задня) передача і пуско вої механізм.

Рама мотоцикла служить основою для кріплення двигуна, трансмісії та ходової частини.

Ходова частина мотоциклів включає заднє і переднє колеса разом з їх підвісками і гальмами.

Органи управління мотоцикла - кермо, важелі і педалі управління, а також електричні кнопки і перемикачі.

Крім того, на мотоцикли встановлюють сідло для водія і паспжиру, грязьові щитки, декоративні облицювання та інше.

Перераховані вузли, механізми та деталі існували в тому чи іншому вигляді вже на перших мотоциклах, але конструкція всіх без винятку елементів на сучасних мотоциклах зазнала значних змін. Повний внутрішній об'єм циліндра складається з робітничого об'єму та об'єму камери згоряння. Відношення повного об'єму до об'єму камери згоряння називається ступенем стиску; чим вона вища, тим більш ефективно відбувається робочий процес двигуна. Сучасні двигуни мають ступінь стиснення 9-10 одиниць (у спортивних моделей зустрічаються великі значення).

У двох-і чотиритактних ДВЗ протікання робочого процесу і компановки деталей трохи різняться. У чотиритактних двигунах робочий цикл відбувається за чотири ходи поршня (такти) і два обороти колінчастого валу (рис