Двигатели внешнего сгорания: принципы работы, современные модификации и перспективы

Повышенное внимание к двигателям внешнего сгорания в современной науке и технике обусловлено двумя ключевыми факторами. Во-первых, процесс сжигания топлива за пределами основной рабочей камеры позволяет минимизировать выброс вредных примесей в отработавших газах. Во-вторых, коэффициент полезного действия (КПД) таких силовых установок потенциально существенно превосходит показатели традиционных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Наиболее перспективными представителями этого класса являются поршневые агрегаты, реализующие цикл Стирлинга и цикл Эриксона, а также усовершенствованные паровые машины. Именно эти конструкции открывают новые горизонты в энергомашиностроении.

Основное различие между циклами Стирлинга и Эриксона заключается в термодинамическом процессе подвода тепла. В двигателе Стирлинга нагрев и охлаждение рабочего тела происходят при постоянном объеме, по изохоре. В свою очередь, в двигателе Эриксона эти процессы осуществляются при постоянном давлении, по изобаре, что наглядно проиллюстрировано на рисунке 13. При идентичных верхнем и нижнем температурных пределах оба цикла с регенераторами обладают равным теоретическим КПД. Однако экономичность цикла Стирлинга выше, поскольку для нагрева газа по изохоре требуется меньшее количество тепловой энергии, а полезная работа, определяемая площадью цикла в T-S диаграмме, также больше.

Рис. 13. Циклы тепловых машин: I — цикл Карно; II — цикл Стирлинга; III — цикл Эриксона; IV — цикл Стирлинга в Р—V координатах; 1 и 3 — изотермы; 2 и 4 — изохоры

Исторически сложилось, что оба типа двигателей были изобретены в эпоху расцвета паровых машин. Вплоть до начала XX века они серийно выпускались, однако не выдержали конкуренции. Реализовать их преимущества в тот период не удалось преимущественно из-за чрезвычайной громоздкости конструкций. В результате они были полностью вытеснены более компактными и технологичными на тот момент ДВС. Второе рождение двигателя Стирлинга состоялось в середине 1950-х годов. Первые же опытные образцы продемонстрировали создателям ошеломительно высокий КПД, достигший 39% при теоретическом потенциале до 70%.

Принцип действия классического двигателя Стирлинга основан на использовании двух поршней и двух камер, как показано на рисунке 14. Конструкция включает камеру сжатия, расположенную между поршнями, и камеру нагрева, находящуюся над верхним поршнем. Через центр основного рабочего поршня проходит шток, на котором закреплен второй поршень, называемый поршнем-вытеснителем. Специальный параллелограммный механизм обеспечивает движение поршней со сдвигом по фазе, благодаря чему они периодически сближаются и отдаляются друг от друга.

Рис. 14. Схема работы двигателя Стирлинга: 1 - рабочий поршень; 2 - поршень-вытеснитель; 3 - холодильник; 4 - регенератор

Рабочий цикл начинается со сжатия газа в камере сжатия при движении поршней навстречу. Одновременно с этим газ вытесняется через холодильник и регенератор в камеру нагрева. Регенератор, название которого происходит от слова «восстанавливать», играет ключевую роль в повышении эффективности. В этом элементе газ воспринимает тепло, накопленное от предыдущей порции рабочего тела, движущейся в обратном направлении. После регенератора газ попадает в камеру нагрева, которая постоянно подогревается внешним источником, где его температура резко возрастает до 600–800 °C.

Нагретый газ расширяется, совершая полезную механическую работу. Далее он проходит через регенератор, отдавая ему часть тепла, и охлаждается в холодильнике, возвращаясь в камеру сжатия. Завершает цикл движение поршня-вытеснителя вверх, которое выталкивает практически весь газ из камеры нагрева обратно в камеру сжатия. Таким образом, машина циклически перекачивает тепловую энергию из высокотемпературной зоны в низкотемпературную. Энергия, полученная газом в камере нагрева, преобразуется в механическую работу, снимаемую с выходного вала двигателя.

Помимо высокого КПД и экологической чистоты, к достоинствам «Стирлинга» относят способность работать на практически любом виде топлива или источнике тепла. Важными эксплуатационными качествами являются также бесшумность и плавность хода. Эти характеристики во многом определяются конструкцией кривошипно-шатунного привода. Ранние рыночные модели оснащались простым кривошипным механизмом с двухколенным валом, что обеспечивало хороший рабочий процесс, но порождало значительную вибрацию. В последующих модификациях был применен параллелограммный привод, который практически устранил вибрацию, хотя и незначительно ухудшил термодинамическую эффективность.

Ухудшение процесса связано с тем, что реальный цикл всегда отличается от теоретического. На рисунке 13 в T-S координатах внутри идеального параллелограмма, характеризующего цикл Стирлинга, изображен овал, который и отображает реальные процессы. На этой же схеме (IV) представлен тот же цикл в более привычных для инженеров координатах P-V. Задача конструкторов заключается в том, чтобы максимально приблизить форму этого овала к идеальным очертаниям, не ухудшая при этом механические качества двигателя. Привод, примененный голландскими инженерами, лишь частично соответствовал этому условию.

Более совершенное решение, представленное на рисунке 15 (б), было предложено группой узбекских ученых: Т. Я. Умаровым, В. С. Труховым, Ю. Е. Ключевским, Н. В. Борисовым и Л. Д. Меркушевым. Если в традиционном приводе (рис. 15, а) траектории точек кривошипа для обоих поршней являются окружностями, то в новом решении для поршня-вытеснителя сохраняется окружность, а для рабочего поршня траектория становится эллиптической. Это позволяет сохранить преимущества параллелограммного механизма и добиться лучшей синхронизации движения поршней, что приближает реальный цикл к идеальному. Данное изобретение защищено авторским свидетельством № 273583.

Рис. 15. Схемы привода (а, б) и двигателей Стирлинга (в, г): а — старый привод; б — параллелограммный привод по а. с. № 273583; в — двигатель внешнего сгорания по а.с. № 261028; г т- двигатель по а. с. № 385065

Главным недостатком двигателей Стирлинга остается их сравнительно большая масса, составляющая 4–5 кг на 1 л.с., против 0,5–1,5 кг у стандартных ДВС. Снизить вес помогают дальнейшие изобретения коллектива авторов. В двигателе по а.с. № 261028 (рис. 15, в) поршень-вытеснитель на некоторых этапах цикла выполняет функции рабочего поршня. Это достигнуто за счет размещения рабочего поршня внутри полого вытеснителя, что делает использование деталей более эффективным. В результате привод нагружается более равномерно, увеличивается доля рабочего хода, а габариты и масса конструкции сокращаются.

Еще более компактным является двигатель по а.с. № 385065 тех же авторов (рис. 15, г). В этой модели, помимо вложенной конструкции поршней, поршень-вытеснитель выполнен с замкнутой внутренней полостью, где размещен привод на основе коленчатого вала и конических шестерен. Интерес ташкентских ученых к двигателям внешнего сгорания обусловлен практическими потребностями. Эти агрегаты являются ключевым элементом простых, надежных и эффективных гелиоэнергетических систем. Сфокусированные солнечные лучи могут приводить в движение «Стирлинг» любой конфигурации, а эффективность такой системы существенно превышает КПД солнечных батарей или традиционных теплоаккумуляторов.

Удивительные возможности двигателей внешнего сгорания демонстрирует разработка, защищенная авторским свидетельством № 376590, авторами которой являются инженер В. И. Андреев и доктор технических наук А. П. Меркулов. В их двигателе (рис. 16) применен бесшатунный механизм Баландина, что сделало конструкцию значительно компактнее. Однако главная суть изобретения заключается в использовании тепловых трубок – сверхпроводников тепла. Испарение и конденсация рабочего вещества внутри этих трубок обеспечивает практически мгновенную передачу значительных тепловых потоков.

Рис. 16. Схема двигателя внешнего сгорания В. И. Андреева и А. П. Меркулова: 1 — рабочий поршень; 2 — поршень-вытеснитель; 3 — холодильник; 4 — регенератор; 5 — тепловые трубки; 6 — механизм Баландина; 7 — камеры нагрева

Тепловые трубки позволили решить одну из фундаментальных проблем двигателей внешнего сгорания – неравномерность отбора тепла. В отличие от ДВС, где подвод тепла строго дозирован, головка «Стирлинга» нагревается постоянно, что приводит к перегреву в моменты отсутствия отбора тепла. Двигатель Андреева и Меркулова является агрегатом двухстороннего действия. Когда рабочий ход с одной стороны поршня завершен, тепловые трубки оперативно «перекачивают» избыток тепла в противоположную камеру нагрева. Это выравнивает температуру и позволяет существенно повысить ее средний уровень, что положительно сказывается на КПД.

В конструкции Андреева—Меркулова поршни-вытеснители и основные рабочие поршни установлены в отдельных цилиндрах, образуя самостоятельные камеры. Эти камеры попарно соединены трубопроводами с ребрами холодильников, и в каждой паре реализуется цикл одноцилиндрового двигателя Стирлинга. Асинхронность движения поршней, необходимая для работы цикла, в данной модели обеспечивается не параллелограммным механизмом, а механизмом Баландина. Расчеты авторов показывают, что совместное применение тепловых трубок и механизма Баландина позволяет повысить КПД установки минимум на 15% по каждому из компонентов.

Коэффициент полезного действия современных экспериментальных двигателей внешнего сгорания достигает 40%. Теоретический предел для этих машин оценивается в 70%, что почти вдвое выше, чем у лучших современных ДВС. Экологический аргумент также чрезвычайно силен: испытания зарубежного образца для автомобиля показали снижение концентрации CO в выхлопе в 17–25 раз, оксидов азота – почти в 200 раз, а углеводородов – в 100 раз. Спроектированный Андреевым и Меркуловым «Стирлинг» мощностью 50 л.с. имеет массу 70 кг (1,4 кг/л.с.), что соответствует уровню лучших автомобильных двигателей.

Существует и другой революционный путь повышения эффективности, найденный учеными из Института ядерной энергетики АН БССР. В ряде авторских свидетельств (№ 166202, 213039, 213042, 201434) авторы И. М. Ковтун, Б. С. Стечкин, А. Н. Наумов и С. Л. Косматов излагают способы преодоления ограничения цикла Карно. Это становится возможным, если свойства рабочего тела в процессе цикла изменяются вследствие обратимых химических реакций, например, диссоциации и рекомбинации. Использование в качестве рабочего тела диссоциирующих газов (серы, йода, оксидов азота, треххлористого алюминия) позволяет в разы увеличить КПД турбин и двигателей.

В частности, треххлористый алюминий рассматривается как перспективное рабочее тело для космических «гелиостирлингов», где проблема отвода тепла через радиационное излучение особенно остра. Применение диссоциирующего газа позволит не только увеличить мощность в 2–3 раза, но и примерно вдвое повысить КПД. Первые практические результаты уже получены: голландские инженеры, применив фазовые превращения рабочего тела в холодильной машине цикла Стирлинга, удвоили ее холодопроизводительность. Двигатели внешнего сгорания, рожденные более 150 лет назад, сегодня открывают новые перспективы в энергетике благодаря инновационным разработкам ученых.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.