Доктор технических наук В. НИСКОВСКИХ (г. Екатеринбург).
Ограниченные запасы углеводородного топлива и высокие цены на него заставляют инженеров искать замену двигателям внутреннего сгорания. Российский изобретатель предлагает простую конструкцию двигателя с внешним подводом теплоты, который рассчитан на любой вид топлива, даже на нагрев солнечными лучами. Создатель проекта двигателя Виталий Максимович Нисковских - конструктор, широко известный специалистам-металлургам не только в нашей стране, но и за рубежом. Он автор более 200 изобретений в области оборудования по разливке стали, один из основателей отечественной школы проектирования машин непрерывного литья криволинейных заготовок (МНЛЗ). Сегодня 36 таких машин, изготовленных под руководством В. М. Нисковских на Уралмаше, работают на металлургических комбинатах России, а также в Болгарии, Македонии, Пакистане, Словакии, Финляндии, Японии.
В 1816 году шотландец Роберт Стирлинг изобрел двигатель с внешним подводом теплоты. Широкого распространения изобретение в то время не получило - слишком сложной была конструкция по сравнению с паровой машиной и появившимися позже двигателями внутреннего сгорания (ДВС).
Однако в наши дни вновь возник острый интерес к двигателям Стирлинга. Постоянно появляется информация о новых разработках и попытках наладить их массовое производство. Например, на голландской фирме "Филипс" построили несколько модификаций двигателя Стирлинга для большегрузных автомобилей. Двигатели внешнего сгорания ставят на судах, на небольших электростанциях и ТЭЦ, а в перспективе собираются оснащать ими космические станции (там их предполагают использовать для привода электрогенераторов, поскольку двигатели способны работать даже на орбите Плутона).
Двигатели Стирлинга имеют высокий кпд, могут работать с любым источником теплоты, бесшумны, в них не расходуется рабочее тело, в качестве которого обычно применяют водород или гелий. Двигатель Стирлинга мог бы успешно использоваться на атомных подводных лодках.
В цилиндры работающего двигателя внутреннего сгорания вместе с воздухом обязательно заносятся частицы пыли, вызывающие износ трущихся поверхностей. В двигателях с внешним подводом теплоты такое исключено, поскольку они абсолютно герметичны. Кроме того, смазка не окисляется и требует замены значительно реже, чем в ДВС.
Двигатель Стирлинга, если его использовать как механизм с внешним приводом, превращается в холодильный агрегат. В 1944 году в Голландии образец такого двигателя раскрутили с помощью электромотора, и температура головки цилиндра вскоре понизилась до -190°С. Подобные устройства успешно используют для сжижения газов.
И все же сложность системы кривошипов и рычагов в поршневых двигателях Стирлинга ограничивает их применение.
Проблему можно решить, заменив поршни роторами. Основная идея изобретения состоит в том, что на общем валу установлены два рабочих цилиндра разной длины с эксцентриковыми роторами и подпружиненными разделительными пластинами. Полость нагнетания (условно - сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через канавки в разделительных пластинах, трубопровод, теплообменник-регенератор и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра - с полостью нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.
Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из малого цилиндра в ветвь высокого давления поступает некоторый объем газа. Чтобы заполнить полость нагнетания большого цилиндра и при этом сохранить давление, газ нагревают в регенераторе и нагревателе; его объем увеличивается, и давление остается постоянным. То же, но "с обратным знаком" происходит в ветви низкого давления.
Из-за разницы в площадях поверхности роторов возникает результирующая сила F =∆p (S б -S м ), где ∆p - разность давлений в ветвях высокого и низкого давлений; S б - рабочая площадь большого ротора; S м - рабочая площадь малого ротора. Эта сила вращает вал с роторами, и рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух цилиндров.
См. в номере на ту же тему
В двигателях внешнего сгорания процесс сжигания топлива и источник теплового воздействия отделены от рабочей установки. К данной категории обычно относят паровые и газовые турбины, а также двигатели Стирлинга. Первые прототипы подобных установок были сконструированы более двух веков назад и применялись на протяжении почти всего XIX столетия.
Когда для бурно развивающейся промышленности понадобились мощные и экономичные энергетические установки, конструкторы придумали замену взрывоопасным паровым двигателям, где рабочим телом был находящийся под большим давлением пар. Так появились двигатели внешнего сгорания, получившие распространение уже в начале XIX столетия. Только через несколько десятков лет им на смену пришли двигатели внутреннего сгорания. Стоили они существенно дешевле, что и их широкое распространение.
Но сегодня конструкторы все пристальнее присматриваются к вышедшим из широкого употребления двигателям внешнего сгорания. Это объясняется их преимуществами. Главное достоинство состоит в том, что такие установки не нуждаются в хорошо очищенном и дорогом топливе.
Двигатели внешнего сгорания неприхотливы, хотя до сих пор их постройка и обслуживание обходятся достаточно дорого.
Двигатель Стирлинга
Один из самых известных представителей семейства двигателей внешнего сгорания – машина Стирлинга. Она была придумана в 1816 году, неоднократно совершенствовалась, но впоследствии на долгое время была незаслуженно забыта. Теперь же двигатель Стирлинга получил второе рождение. Его с успехом используют даже при освоении космического пространства.
Работа машины Стирлинга основана на замкнутом термодинамическом цикле. Периодические процессы сжатия и расширения здесь идут при разных температурах. Управление рабочим потоком происходит посредством изменения его объема.
Двигатель Стирлинга может работать в качестве теплового насоса, генератора давления, устройства для охлаждения.
В данном двигателе при низкой температуре идет сжатие газа, а при высокой – его расширение. Периодическое изменение параметров происходит за счет использования особого поршня, имеющего функцию вытеснителя. Тепло к рабочему телу при этом подводится с внешней стороны, через стенку цилиндра. Эта особенность и дает право
Это вступительная часть цикла статей посвящённых Двигателю Внутреннего Сгорания , являющаяся кратким экскурсом в историю, повествующая об эволюции ДВС. Так же, в статье будут затронуты первые автомобили.
В следующих частях будут подробно описаны различные ДВС:
Шатунно-поршневые
Роторные
Турбореактивные
Реактивные
Двигатель был установлен на лодку, которая смогла подняться вверх по течению реки Сона . Спустя год, после испытаний, братья получили патент на своё изобретение, подписаный Наполеоном Бонопартом, сроком на 10 лет.
Правильнее всего, было бы назвать этот двигатель реактивным, так как его работа заключалась в выталкивании воды из трубы находящейся под днищем лодки…
Двигатель состоял из камеры поджигания и камеры сгорания, сильфона для нагнетания воздуха, топливо-раздаточного устройства и устройства зажигания. Топливом для двигателя служила угольная пыль.
Сильфон впрыскивал струю воздуха смешанную с угольной пылью в камеру поджигания где тлеющий фитиль зажигал смесь. После этого, частично подожжённая смесь (угольная пыль горит относительно медленно) попадала в камеру сгорания где полностью прогорала и происходило расширение.
Далее давление газов выталкивало воду из выхлопной трубы, что заставляло лодку двигаться, после этого цикл повторялся.
Двигатель работал в импульсном режиме с частотой ~12 и/минуту.
Спустя некоторое время, братья усовершенствовали топливо добавив в него смолу, а позже заменили его нефтью и сконструировали простую систему впрыска .
В течении следующих десяти лет проект не получил никакого развития. Клод уехал в Англию с целью продвижения идеи двигателя, но растратил все деньги и ничего не добился, а Джозеф занялся фотографией и стал автором первой в мире фотографии «Вид из окна» .
Во Франции, в доме-музее Ньепсов, выставлена реплика «Pyreolophore».
Чуть позже, де Рива водрузил свой двигатель на четырёхколёсную повозку, которая, по мнению историков, стала первым автомобилем с ДВС.
Про Алессандро Вольта
Вольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока («Вольтов столб») .
В 1776 г. Вольта изобрел газовый пистолет - «пистолет Вольты», в котором газ взрывался от электрической искры.
В 1800 году построил химическую батарею, что позволило получать электричество с помощью химических реакций.
Именем Вольты названа единица измерения электрического напряжения - Вольт.
A
- цилиндр, B
- «свеча» зажигания, C
- поршень, D
- «воздушный» шар с водородом, E
- храповик, F
- клапан сброса отработанных газов, G
- рукоятка для управления клапаном.
Водород хранился в «воздушном» шаре соединённым трубой с цилиндром. Подача топлива и воздуха, а так же поджиг смеси и выброс отработанных газов осуществлялись вручную, с помощью рычагов.
Принцип работы:
Через клапан сброса отработанных газов в камеру сгорания поступал воздух.
Клапан закрывался.
Открывался кран подачи водорода из шара.
Кран закрывался.
Нажатием на кнопку подавался электрический разряд на «свечу».
Смесь вспыхивала и поднимала поршень вверх.
Открывался клапан сброса отработанных газов.
Поршень падал под собственным весом (он был тяжёлый) и тянул верёвку, которая через блок поворачивала колёса.
После этого цикл повторялся.
В 1813 году де Рива построил ещё один автомобиль. Это была повозка длиной около шести метров, с колесами двухметрового диаметра и весившея почти тонну.
Машина смогла проехать 26 метров с грузом камней (около 700 фунтов)
и четырьмя мужчинами, со скоростью 3 км/ч.
С каждым циклом, машина перемещалась на 4-6 метров.
Мало кто из его современников серьезно относился к этому изобретению, а Французская Академия Наук утверждала, что двигатель внутреннего сгорания никогда не будет конкурировать по производительности с паровой машиной.
В 1833 году
, американский изобретатель Лемюэль Веллман Райт , зарегистрировал патент на двухтактный газовый двигатель внутреннего сгорания с водяным охлаждением.
(см. ниже)
в своей книге «Gas and Oil Engines» написал о двигателе Райта следующее:
«Чертеж двигателя весьма функционален, а детали тщательно проработаны. Взрыв смеси действует непосредственно на поршень, который через шатун вращает кривошипный вал. По внешнему виду двигатель напоминает паровую машину высокого давления, в которой газ и воздух подаются с помощью насосов из отдельных резервуаров. Смесь, находящаяся в сферических ёмкостях поджигалась во время подъёма поршня в ВМТ (верхняя мёртвая точка) и толкала его вниз/вверх. В конце такта открывался клапан и выбрасывал выхлопные газы в атмосферу.»
Неизвестно, был ли когда-либо этот двигатель построен, однако есть его чертёж:
В 1838 году , английский инженер Уильям Барнетт получил патент на три двигателя внутреннего сгорания.
Первый двигатель - двухтактный одностороннего действия (топливо горело только с одной стороны поршня) с отдельными насосами для газа и воздуха. Поджиг смеси происходил в отдельном цилиндре, а потом горящая смесь перетекала в рабочий цилиндр. Впуск и выпуск осуществлялся через механические клапана.
Второй двигатель повторял первый, но был двойного действия, то есть горение происходило попеременно с обоих сторон поршня.
Третий двигатель, так же был двойного действия, но имел впускные и выпускные окна в стенках цилиндра открывающееся в момент достижения поршнем крайней точки (как в современных двухтактниках). Это позволяло автоматически выпускать выхлопные газы и впускать новый заряд смеси.
Отличительной особенностью двигателя Барнетта было то, что свежая смесь сжималась поршнем перед воспламенением.
Чертёж одного из двигателей Барнетта:
В 1853-57 годах
, итальянские изобретатели Еугенио Барзанти и Феличе Маттеуччи разработали и запатентовали двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания мощность 5 л/с.
Патент был выдан Лондонским бюро так как итальянское законодательство не могло гарантировать достаточную защиту.
Строительство прототипа было поручено компании «Bauer & Co. of Milan» (Helvetica) , и завершено в начале 1863 года. Успех двигателя, который был гораздо более эффективным чем паровая машина, оказался настолько велик, что компания стала получать заказы со всего света.
Ранний, одноцилиндровый двигатель Барзанти-Маттеуччи:
Модель двухцилиндрового двигателя Барзанти-Маттеуччи:
Маттеуччи и Барзанти заключили соглашение на производство двигателя с одной из бельгийских компаний. Барзанти отбыл в Бельгию для наблюдения за работой лично и внезапно умер от тифа. Со смертью Барзанти все работы по двигателю были прекращены, а Маттеуччи вернулся к своей прежней работе в качестве инженера-гидравлика.
В 1877 году, Маттеуччи утверждал, что он с Барзанти были главными создателями двигателя внутреннего сгорания, а двигатель построенный Августом Отто очень походил на двигатель Барзанти-Маттеуччи.
Документы касающиеся патентов Барзанти и Маттеуччи хранятся в архиве библиотеки Museo Galileo во Флоренции.
Самым главным изобретением Николауса Отто был двигатель с четырёхтактным циклом - циклом Отто . Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.
Четырёхтактный цикл был самым большим техническим достижением Отто, но вскоре обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения точно такой же принцип работы двигателя был описан французским инженером Бо де Роша (см. выше) . Группа французских промышленников оспорила патент Отто в суде, суд счёл их доводы убедительными. Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырёхтактный цикл.
Не смотря на то, что конкуренты наладили выпуск четырёхтактных двигателей, отработанная многолетним опытом модель Отто всё равно была лучшей, и спрос на неё не прекращался. К 1897 году было выпущено около 42 тысяч таких двигателей разной мощности. Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область их применения.
Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два - в Москве и Петербурге.
В 1865 году , французкий изобретатель Пьер Хьюго получил патент на машину представлявшую собой вертикальный одноцилиндровый двигатель двойного действия, в котором для подачи смеси использовались два резиновых насоса, приводимых в действие от коленчатого вала.
Позже Хьюго сконструировал горизонтальный двигатель схожий с двигателем Ленуара.
Science Museum, London.
В 1870 году , австро-венгерский изобретатель Сэмюэль Маркус Зигфрид сконструировал двигатель внутреннего сгорания работающий на жидком топливе и установил его на четырёхколёсную тележку.
Сегодня этот автомобиль хорошо известен как «The first Marcus Car».
В 1887 году, в сотрудничестве с компанией «Bromovsky & Schulz», Маркус построил второй автомобиль - «Second Marcus Car».
В 1872 году
, американский изобретатель запатентовал двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания постоянного давления, работающий на керосине.
Брайтон назвал свой двигатель «Ready Motor».
Первый цилиндр выполнял функцию компрессора, нагнетавшего воздух в камеру сгорания, в которую непрерывно поступал и керосин. В камере сгорания смесь поджигалась и через золотниковый механизм поступало во второй - рабочий цилиндр. Существенным отличием от других двигателей, было то, что топливовоздушная смесь сгорала постепенно и при постоянном давлении.
Интересующиеся термодинамическими аспектами двигателя, могут почитать про «Цикл Брайтона» .
В 1878 году , шотландский инженер Сэр (в 1917 году посвящён в рыцари) разработал первый двухтактный двигатель с воспламенением сжатой смеси. Он запатентовал его в Англии в 1881 году.
Двигатель работал любопытным образом: в правый цилиндр подавался воздух и топливо, там оно смешивалось и эта смесь выталкивалась в левый цилиндр, где и происходило поджигание смеси от свечи. Происходило расширение, оба поршня опускались, из левого цилиндра (через левый патрубок) выбрасывались выхлопные газы, а в правый цилиндр всасывалась новая порция воздуха и топлива. Следуя по инерции поршни поднимались и цикл повторялся.
В 1879 году , построил вполне надежный бензиновый двухтактный двигатель и получил на него патент.
Однако настоящий гений Бенца проявился в том, что в последующих проектах он сумел совместить различные устройства (дроссель, зажигание с помощью искры с батареи, свеча зажигания, карбюратор, сцепление, КПП и радиатор) на своих изделиях, что в свою очередь стало стандартом для всего машиностроения.
В 1883 году, Бенц основал компанию «Benz & Cie» по производству газовых двигателей и в 1886 году запатентовал четырехтактный двигатель, который он использован на своих автомобилях.
Благодаря успеху компании «Benz & Cie», Бенц смог заняться проектированием безлошадных экипажей. Совместив опыт изготовления двигателей и давнишнее хобби - конструирование велосипедов, к 1886-му году он построил свой первый автомобиль и назвал его "Benz Patent Motorwagen ".
Конструкция сильно напоминает трехколёсный велосипед.
Одноцилиндровый четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания рабочим объёмом 954 см3., установленный на "Benz Patent Motorwagen ".
Двигатель был оснащён большим маховиком (использовался не только для равномерного вращения, но и для запуска) , бензобаком на 4,5 л., карбюратором испарительного типа и золотниковым клапаном, через который топливо поступало в камеру сгорания. Воспламенение производилось свечой зажигания собственной конструкции Бенца, напряжение на которую подавалось от катушки Румкорфа .
Охлаждение было водяным, но не замкнутого цикла, а испарительным. Пар уходил в атмосферу, так что заправлять автомобиль приходилось не только бензином, но и водой.
Двигатель развивал мощность 0,9 л.с. при 400 об/мин и разгонял автомобиль до 16 км/ч.
Карл Бенц за «рулём» своего авто.
Чуть позже, в 1896 году, Карл Бенц изобрел оппозитный двигатель (или плоский двигатель) , в котором поршни достигают верхней мертвой точки в одно и то же время, тем самым уравновешивая друг друга.
Музей «Mercedes-Benz» в Штутгарте.
В 1882 году , английский инженер Джеймс Аткинсон придумал цикл Аткинсона и двигатель Аткинсона.
Двигатель Аткинсона - это по существу двигатель, работающий по четырёхтактному циклу Отто , но с измененным кривошипно-шатунным механизмом. Отличие заключалось в том, что в двигателе Аткинсона все четыре такта происходили за один оборот коленчатого вала.
Использование цикла Аткинсона в двигателе позволяло уменьшить потребление топлива и снизить уровень шума при работе за счёт меньшего давления при выпуске. Кроме того, в этом двигателе не требовалось редуктора для привода газораспределительного механизма, так как открытие клапанов приводил в движение коленчатый вал.
Не смотря на ряд преимуществ (включая обход патентов Отто)
двигатель не получил широкого распространения из-за сложности изготовления и некоторых других недостатков.
Цикл Аткинсона позволяет получить лучшие экологические показатели и экономичность, но требует высоких оборотов. На малых оборотах выдаёт сравнительно малый момент и может заглохнуть.
Сейчас двигатель Аткинсона применяется на гибридных автомобилях «Toyota Prius» и «Lexus HS 250h».
В 1884 году , британский инженер Эдвард Батлер , на лондонской выставке велосипедов "Stanley Cycle Show " продемонстрировал чертежи трёхколёсного автомобиля с бензиновым двигателем внутреннего сгорания , а в 1885 году построил его и показал на той же выставке, назвав «Velocycle». Так же, Батлер был первым кто использовал слово бензин .
Патент на «Velocycle» был выдан в 1887 году.
На «Velocycle» был установлен одноцилиндровый, четырёхтактный бензиновый ДВС оснащенный катушкой зажигания, карбюратором, дросселем и жидкостным охлаждением. Двигатель развивал мощность около 5 л.с. при объёме 600 см3, и разгонял автомобиль до 16 км/ч.
На протяжении многих лет Батлер улучшал характеристики своего транспортного средства, но был лишен возможности его тестировать из-за "Закона Красного Флага " (издан в 1865 году) , согласно которому транспортные средства не должны были превышать скорость свыше 3 км/ч. Кроме того, в автомобиле должны были присутствовать три человека, один из которых должен был идти перед автомобилем с красным флагом (такие вот меры безопасности) .
В журнале «Английский Механик» от 1890 года, Батлер написал - «Власти запрещают использование автомобиля на дорогах, в следствии чего я отказываюсь от дальнейшего развития.»
Из-за отсутствия общественного интереса к автомобилю, Батлер разобрал его на металлолом, и продал патентные права Гарри Дж. Лоусону (производителю велосипедов) , который продолжил производство двигателя для использования на катерах.
Сам же Батлер перешёл к созданию стационарных и судовых двигателей.
В 1891 году , Герберт Эйкройд Стюарт в сотрудничестве с компанией "Richard Hornsby and Sons " построил двигатель «Hornsby-Akroyd», в котором топливо (керосин) под давлением впрыскивалось в дополнительную камеру (из-за формы её называли «горячий шарик») , установленную на головке блока цилиндров и соединённую с камерой сгорания узким проходом. Топливо воспламенялось от горячих стенок дополнительной камеры и устремлялось в камеру сгорания.
1. Дополнительная камера (горячий шарик)
.
2. Цилиндр.
3. Поршень.
4. Картер.
Для запуска двигателя использовалась паяльная лампа, которой нагревали дополнительную камеру (после запуска она подогревалась выхлопными газами) . Из-за этого двигатель «Hornsby-Akroyd», который был предшественником дизельного двигателя сконструированного Рудольфом Дизелем , часто называли «полу-дизелем». Однако спустя год Эйкройд усовершенствовал свой двигатель добавив к нему «водяную рубашку» (патент от 1892 г.), что позволило повысить температуру в камере сгорания за счёт увеличения степени сжатия, и теперь уже не было необходимости в дополнительном источнике нагрева.
В 1893 году , Рудольф Дизель получил патенты на тепловой двигатель и модифицированный "цикл Карно " под названием «Метод и аппарат для преобразования высокой температуры в работу».
В 1897 году, на «Аугсбургском машиностроительном заводе» (с 1904 года MAN)
, при финансовом участии компаний Фридриха Круппа и братьев Зульцер, был создан первый функционирующий дизель Рудольфа Дизеля
Мощность двигателя составляла 20 лошадиных сил при 172 оборотах в минуту, КПД 26,2 % при весе пять тонн.
Это намного превосходило существующие двигатели Отто с КПД 20 % и судовые паровые турбины с КПД 12 %, что вызвало живейший интерес промышленности в разных странах.
Двигатель Дизеля был четырёхтактным. Изобретатель установил, что КПД двигателя внутреннего сгорания повышается от увеличения степени сжатия горючей смеси. Но сильно сжимать горючую смесь нельзя, потому что тогда повышаются давление и температура и она самовоспламеняется раньше времени. Поэтому Дизель решил сжимать не горючую смесь, а чистый воздух и концу сжатия впрыскивать топливо в цилиндр под сильным давлением.
Так как температура сжатого воздуха достигала 600-650 °C, топливо самовоспламенялось, и газы, расширяясь, двигали поршень. Таким образом Дизелю удалось значительно повысить КПД двигателя, избавиться от системы зажигания, а вместо карбюратора использовать топливный насос высокого давления
В 1933 году Эллинг пророчески писал: «Когда я начал работать над газовой турбиной в 1882 году, я был твёрдо уверен в том, что моё изобретение будет востребовано в авиастроении.»
К сожалению, Эллинг умер в 1949 году, так и не дожив до наступления эры турбореактивной авиации.
Единственное фото, которое удалось найти.
Возможно кто-то найдёт что-либо об этом человеке в "Норвежском музее техники ".
В 1903 году , Константин Эдуардович Циолковский , в журнале «Научное обозрение» опубликовал статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами », где впервые доказал, что аппаратом, способным совершить космический полёт, является ракета. В статье был предложен и первый проект ракеты дальнего действия. Корпус её представлял собой продолговатую металлическую камеру, снабжённую жидкостным реактивным двигателем (который тоже является двигателем внутреннего сгорания) . В качестве горючего и окислителя он предлагал использовать соответственно жидкие водород и кислород.
Наверное на этой ракетно-космической ноте и стоит закончить историческую часть, так как наступил 20-ый век и Двигатели Внутреннего Сгорания стали производиться повсеместно.
Философское послесловие…
К.Э. Циолковский полагал, что в обозримом будущем люди научатся жить если не вечно, то по крайней мере очень долго. В связи с этим на Земле будет мало места (ресурсов) и потребуются корабли для переселения на другие планеты. К сожалению, что-то в этом мире пошло не так, и с помощью первых ракет люди решили просто уничтожать себе подобных...
Спасибо всем кто прочитал.
Все права защищены © 2016
Любое использование материалов допускается только с указанием активной ссылки на источник.
Из прошлого - в будущее! В 1817 году шотландский священник Роберт Стирлинг получил… патент на новый тип двигателя, названный впоследствии, подобно моторам Дизеля, именем изобретателя - стирлинг. Прихожане маленького шотландского местечка уже давно и с явным подозрением косились на своего духовного пастыря. Еще бы! Шипение и грохот, проникавшие через стены сарая, где частенько пропадал отец Стирлинг, могли смутить не только их богобоязненные умы. Ходили упорные слухи, что в сарае содержится страшный дракон, которого святой отец приручил и вскармливает летучими мышами и керосином.
Но Роберта Стирлинга, одного из просвещеннейших людей Шотландии, не смущала неприязнь паствы. Мирские дела и заботы все больше и больше занимали его, в ущерб служению господу: увлекали пастора… машины.
Британские острова в тот период переживают промышленную революцию: стремительно развиваются мануфактуры. И служители культа не остаются равнодушными к громадным доходам, которые сулит новый способ производства.
С благословения церкви и не без помощи фабрикантов несколько машин Стирлинга были построены, и лучшая из них, в 45 л. с., три года проработала на шахте в Дунди.
Дальнейшее развитие Стирлингов задержалось: в 60-х годах прошлого столетия на арену вышел новый двигатель Эриксона.
В обеих конструкциях было много общего. Это были двигатели внешнего сгорания. И в той и в другой машине рабочим телом был воздух, и в той и в другой основой двигателя являлся регенератор, проходя через который отработанный горячий воздух отдавал все тепло. Свежая же порция воздуха, просачиваясь через плотную металлическую сетку, отбирала это тепло, перед тем как попасть в рабочий цилиндр.
По схеме на рисунке 1 можно проследить, как воздух через всасывающую трубу 10 и клапан 4 попадает в компрессор 3, сжимается и через клапан 5 выходит в промежуточный резервуар. В это время золотник 8 перекрывает выхлопную трубу 9, и воздух через регенератор попадает в рабочий цилиндр 1, нагреваемый топкой 11. Здесь воздух расширяется, совершая полезную работу, которая частично направлена на поднимаемый тяжелый поршень, частично - на сжатие холодного воздуха в компрессоре 3. Опускаясь, поршень выталкивает отработанный воздух через регенератор 7 и золотник 8 в выхлопную трубу. При опускании поршня в компрессор засасывается свежая порция воздуха.
1 - рабочий цилиндр, 2 - поршень; 3 - компрессор; 4 - всасывающий клапан; 5 - нагнетательный клапан; 6 - промежуточный резервуар; 7 - регенератор; 8 - перепускной золотник; 9 - выхлопная труба; 10 - всасывающая труба; 11 -топка.
И та и другая конструкции не отличались экономичностью. Зато неполадок с двигателем шотландца случалось почему-то больше, и он был менее надежным, чем двигатель Эриксона. Быть может, именно поэтому просмотрели одну очень важную деталь: при равных мощностях двигатель Стирлинга был компактнее. Кроме того, он имел существенное преимущество в термодинамике…
Сжатие, нагрев, расширение, охлаждение - вот четыре основных процесса, необходимых для работы любого теплового двигателя. Каждый из них можно проводить разными путями. Скажем, нагрев и охлаждение газа можно вести в замкнутой полости постоянного объема (изохорный процесс) или под движущимся поршнем при постоянном давлении (изобарный процесс). Сжатие или расширение газа может происходить при постоянной температуре (изотермический процесс) или без теплообмена с окружающей средой (адиабатический процесс). Составляя замкнутые цепочки из различных комбинаций таких процессов, нетрудно получить теоретические циклы, по которым работают все современные тепловые двигатели. Скажем, комбинация из двух адиабат и двух изохор образуют теоретический цикл бензинового мотора. Если заменить в нем изохору, по которой идет нагревание газа, изобарой - получится цикл дизеля. Две адиабаты и две изобары дадут теоретический цикл газовой турбины. Среди всех мыслимых циклов комбинация из двух адиабат и двух изотерм играет особо важную роль в термодинамике, так как по такому циклу - циклу Карно - должен работать двигатель с самым высоким к.п.д.
Если в двигателе Стирлинга подвод тепла производился по изохорам, то у Эриксона этот процесс происходил по изобаре, а процессы сжатия и расширения протекали по изотермам.
В начале нашего века движки Эриксона небольшой мощности (порядка 10-20 л. с.) нашли применение в различных странах. Тысячи таких установок трудились на фабриках, в типографиях, шахтах и рудниках, крутили валы станков, качали воду, поднимали лифты. Под названием «тепло и сила» они были известны и в России.
Предпринимались попытки сделать большой судовой двигатель, но результаты испытаний обескураживали не только скептиков, но и самого Эриксона. Вопреки пророчествам первых судно «сдвинулось с места» и даже пересекло Атлантический океан. Но и ожидания изобретателя были обмануты: четыре гигантских по размерам двигателя вместо 1000 л. с. развили всего 300 л. с. Расход угля получился такой же, как и у паровых машин. К тому же днища рабочих цилиндров к концу рейса прогорели насквозь, и в Англии двигатели пришлось снять и тайком заменить обычной паровой машиной. В довершение всех несчастий на обратном пути в Америку судно потерпело аварию и погибло со всем экипажем.
1 - рабочий поршень 2 - поршень-вытеснитель; 3 - охладитель; 4 - нагреватель; 5 - регенератор; 6 - холодное пространство; 7 - горячее пространство.
Отказавшись от мысли строить «калорические машины» большой мощности, Эриксон наладил массовый выпуск небольших двигателей. Дело в том, что уровень науки и техники того времени не позволял спроектировать и построить экономичную и мощную машину.
Но главный удар Эриксону нанесли изобретатели двигателя внутреннего сгорания. Бурное развитие дизелей и карбюраторных двигателей заставило предать забвению хорошую идею.
…Прошло столетие. В 30-х годах одно из военных ведомств поручает фирме «Филипс» разработать энергоустановку мощностью 200-400 вт для походной радиостанции. Причем двигатель должен быть всеядным, то есть работать на любом виде топлива.
Специалисты фирмы со всей основательностью принялись за дело. Начали с исследований различных термодинамических циклов и, к своему удивлению, обнаружили, что теоретически самый экономичный - давно забытый двигатель Стирлинга.
Война приостановила исследования, но в конце 40-х годов работы были продолжены. И тогда в результате многочисленных экспериментов и расчетов было сделано новое открытие - замкнутый контур, в котором под давлением около 200 атм. циркулировало рабочее тело (водород или гелий, как обладающие наименьшей вязкостью и наибольшей теплоемкостью). Правда, замкнув цикл, инженеры вынуждены были позаботиться об искусственном охлаждении рабочего тела. Так появился охладитель, которого не было у первых двигателей внешнего сгорания. И хотя нагреватель и охладитель, как бы компактны они ни были, утяжеляют стирлинг, зато сообщают ему одно очень важное качество.
Изолированные от внешней среды, они практически не зависят от нее. Стирлинг может работать от любого источника тепла всюду: под водой, под землей, в космосе - то есть там, где двигатели внутреннего сгорания, нуждающиеся в воздухе, работать не могут. В таких условиях без нагревателей и охладителей, передающих тепло через стенку, в принципе нельзя обойтись. И тут-то стирлинг побивают своих соперников даже по весу. У первых опытных образцов удельный вес на единицу мощности был порядка 6-7 кг на л. с., как у судовых дизелей. Современные стирлинги имеют еще меньшее соотношение - 1,5-2 кг на л. с. Они еще более компактны и легки.
Итак, схема стала двухконтурной: один контур с рабочим агентом и второй - подвод тепла; это позволило довести энергосъем до 200 л. с. на литр рабочего объема, а к.п.д. - до 38-40 процентов. Для сравнения:современ-
ные дизели имеют к.п.д. 34-38 процентов, а карбюраторные двигатели - 25-28. Кроме того, процесс сгорания топлива у стирлинга непрерывный, а это резко снижает токсичность - по выходу окиси углерода в 200 раз, по окиси азота - на 1-2 порядка. Вот где, возможно, одно из радикальных решений проблемы загрязнения атмосферы городов.
Рабочая часть современного Стирлинга представляет собой замкнутый объем, заполненный рабочим газом (рис. 2). Верхняя часть объема - горячая, она непрерывно нагревается. Нижняя - холодная, все время охлаждается водой. В том же объеме - цилиндр с двумя поршнями: вытеснителем и рабочим. Когда поршень идет вверх, газ в объеме сжимается; вниз - расширяется. Движением же вверх-вниз поршня-вытеснителя производится попеременное распределение нагретого и охлажденного газа. Когда поршень-вытеснитель находится в верхнем положении (в горячем пространстве), большая часть газа оказывается вытесненной в холодную зону. В это время рабочий поршень начинает двигаться вверх и сжимает холодный газ. Теперь поршень-вытеснитель устремляется вниз до соприкосновения с рабочим поршнем, и сжатый холодный газ перекачивается в горячее пространство. Расширение нагреваемого газа - рабочий ход. Часть энергии рабочего хода запасается на последующее сжатие холодного газа, а избыток идет на вал двигателя.
Регенератор находится между холодным и горячим пространствами. Когда расширившийся горячий газ движением поршня-вытеснителя перекачивается в холодную часть, он проходит через плотный пучок тонких медных проволочек и отдает им содержащееся в нем тепло. Во время обратного хода сжатый холодный воздух, прежде чем попасть в горячую часть, отбирает это тепло обратно.
1 - топливная форсунка; 2 - выхлоп охлажденных газов, 3 - воздухонагреватель; 4 - выход горячих газов; 5 - горячее пространство; 6 - регенератор; 7 - цилиндр; 8 - трубки охладителя; 9 - холодное пространство; 10 - рабочий поршень; 11 - ромбический привод; 12 - камера сгорания; 13 - трубки нагревателя; 14 - поршень-вытеснитель; 15 - впуск воздуха для сжигания топлива; 16 - буферная полость.
Конечно, в реальной машине все выглядит не так просто (рис. 3). Невозможно быстро нагреть газ через толстую стенку цилиндра, для этого нужна гораздо большая поверхность нагрева. Вот почему верхняя часть замкнутого объема превращается в систему тонких трубок, нагреваемых пламенем форсунки. Чтобы как можно полнее использовать теплоту продуктов сгорания, холодный воздух, подводящийся к форсунке, предварительно подогревается выхлопными газами - так появляется довольно сложный контур сгорания.
Холодная часть рабочего объема - тоже система трубок, в которые нагнетается охлаждающая вода.
Под рабочим поршнем - замкнутая буферная полость, наполненная сжатым газом. Во время рабочего хода давление в этой полости повышается. Запасаемой при этом энергии достаточно для того, чтобы сжать холодный газ в рабочем объеме.
По мере совершенствования неудержимо росли температура и давление. 800° по Цельсию и 250 атм. - это весьма трудная задача для конструкторов, это поиски особо прочных и термостойких материалов, сложная проблема охлаждения, так как выделение тепла по сравнению с классическими двигателями здесь в полтора-два раза больше.
Результаты этих экспериментов порой приводят к самым неожиданным находкам. К примеру, специалисты фирмы «Филипс», обкатывая свой движок на холостом ходу (без нагрева), заметили, что головка цилиндра сильно охлаждается. Совершенно случайно обнаруженный эффект повлек за собой целую серию разработок, и в итоге рождение новой холодильной машины. Сейчас такие высокопроизводительные и малогабаритные холодильные агрегаты широко используются во всем мире. Но вернемся к тепловым машинам.
Последующие события нарастают как снежный ком. В 1958 году с приобретением лицензий другими фирмами стирлинг шагнул за океан. Его стали испытывать в самых различных областях техники. Разрабатывается проект применения двигателя для питания аппаратуры космических кораблей и спутников. Для полевых радиостанций создаются энергоустановки, работающие на любом виде топлива (мощностью порядка 10 л. с.), обладающие настолько малым уровнем шума, что его не слышно за 20 шагов.
Громадную сенсацию вызвала демонстрационная установка, работающая на двадцати видах топлива. Без отключения двигателя, простым поворотом крана, в камеру сгорания поочередно подавали бензин, солярку, сырую нефть, оливковое масло, горючий газ - и машина прекрасно «съедала» любой «корм». В зарубежной печати были сообщения о проекте двигателя на 2,5 тысячи л. с. с атомным реактором. Предполагаемый к.п.д. 48-50%. Значительно уменьшаются все габариты энергоблока, что позволяет высвободившиеся вес и площадь отдать под биологическую защиту реактора.
Еще одна интересная разработка - привод для искусственного сердца весом 600 г и мощностью 13 вт. Слаборадиоактивный изотоп обеспечивает ее практически неисчерпаемым источником энергии.
Двигатель Стирлинга испытывался на некоторых автомобилях. По своим рабочим параметрам он не уступил карбюраторному, а уровень шумов и токсичность выхлопных газов значительно снизились.
Автомобиль со стирлингом может работать на любом виде.топлива, а при необходимости - на расплаве. Представьте: перед тем как въехать в город, водитель включает горелку и расплавляет несколько килограммов окиси алюминия или гидрида лития. По городским улицам он едет «не дымя»: двигатель работает от тепла, запасенного расплавом. Одна из фирм изготовила мотороллер, в бак которого заливается около 10 литров расплава фтористого лития. Такой зарядки хватает на 5 часов работы при мощности движка 3 л. с.
Работы над Стирлингами продолжаются. В 1967 году изготовлен образец опытной установки мощностью 400 л. с. на один цилиндр. Проводится комплексная программа, согласно которой к 1977 году планируется серийное производство двигателей с диапазоном мощности от 20 до 380 л. с. В 1971 году «Филипс» выпустила четырехцилиндровый промышленный двигатель в 200 л. с. с полным весом 800 кг. Уравновешенность его настолько высока, что поставленная ребром на кожух монета (размером в пятак) стоит не шелохнувшись.
К достоинствам нового типа двигателя можно отнести и большой моторесурс порядка 10 тыс. час. (есть отдельные данные о 27 тыс.), и плавность работы, так как давление в цилиндрах нарастает плавно (по синусоиде), а не взрывами, как у дизеля.
Перспективные разработки новых моделей проводятся и у нас. Ученые и инженеры трудятся над кинематикой различных вариантов, на электронно-вычислительных машинах просчитывают различные виды «сердца», стирлинга-регенератора. Идет поиск новых инженерных решений, которые лягут в основу экономичных и мощных двигателей, способных потеснить привычные дизели и бензиновые моторы, исправив тем самым несправедливую ошибку истории.
А. АЛЕКСЕЕВ
Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter , чтобы сообщить нам.
Двигатели внешнего сгорания стали использоваться тогда, когда людям потребовался мощный и экономичный источник энергии. До этого использовались паровые установки, однако они были взрывоопасными, так как использовали горячий пар под давлением. В начале 19 века им на смену пришли устройства с внешним сгоранием, а еще через несколько десятков лет были изобретены уже привычные приборы с внутренним сгоранием.
Происхождение устройств
В 19 веке человечество столкнулось с проблемой, которая заключалась в том, что паровые котлы слишком часто взрывались, а также имели серьезные конструктивные недостатки, что делало их использование нежелательным. Выход был найден в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Эти устройства можно также называть "двигателями горячего воздуха", которые применялись еще в 17 веке, однако этот человек добавил к изобретению очиститель, называющийся в настоящее время регенератором. Таким образом, двигатель внешнего сгорания Стирлинга был способен сильно повысить производительность установки, так как он сохранял тепло в теплой рабочей зоне, в то время как рабочее тело охлаждалось. Из-за этого эффективность работы всей системы была значительно увеличена.
В то время изобретение использовалось достаточно широко и находилось на подъеме своей популярности, однако со временем его перестали использовать, и о нем забыли. На смену оборудованию внешнего сгорания пришли паровые установки и двигатели, но уже привычные, с внутренним сгоранием. Вновь о них вспомнили лишь в 20 веке.
Работа установки
Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в том, что в нем постоянно чередуются два этапа: нагревание и охлаждение рабочего тела в замкнутом пространстве и получение энергии. Данная энергия возникает из-за того, что постоянно изменяется объем рабочего тела.
Чаще всего рабочим веществом в таких устройствах становится воздух, однако возможно использование еще и гелия или водорода. В то время пока изобретение находилось на стадии разработки, в качестве опытов использовались такие вещества, как двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан. В некоторых образцах пытались применять даже обычную воду. Стоит отметить, что двигатель внешнего сгорания, который запускали с водой в качестве рабочего вещества, отличался тем, что у него была достаточно высокая удельная мощность, высокое давление, а сам он был достаточно компактным.
Первый тип двигателя. «Альфа»
Первой моделью, которая использовалась, стала «Альфа» Стирлинга. Особенность его конструкции состоит в том, что она имеет два силовых поршня, находящихся в разных в раздельных цилиндрах. Один из них имел достаточно высокую температуру и был горячим, другой, наоборот, холодным. Внутри теплообменника с высокой температурой располагалась горячая пара цилиндр-поршень. Холодная пара находилась внутри теплообменника с низкой температурой.
Основными преимуществами теплового двигателя внешнего сгорания стало то, что они имели высокую мощность и объем. Однако температура горячей пары при этом была слишком велика. Из-за этого возникали некоторые технические трудности в процессе изготовления таких изобретений. Регенератор данного устройства находится между горячей и холодной соединительными трубками.
Второй образец. «Бета»
Вторым образцом стала модель «Бета» Стирлинга. Основное конструктивное отличие заключалось в том, что имелся лишь один цилиндр. Один из его концов выполнял роль горячей пары, а другой конец оставался холодным. Внутри данного цилиндра перемещался поршень, с которого можно снимать мощность. Также внутри имелся вытеснитель, который отвечал за изменение объема горячей рабочей зоны. В данном оборудовании использовался газ, который перекачивался из холодной зоны в горячую через регенератор. Этот вид двигателя внешнего сгорания обладал регенератором в виде внешнего теплообменника или же совмещался с поршнем-вытеснителем.
Последняя модель. «Гамма»
Последней разновидностью данного двигателя стала «Гамма» Стирлинга. Этот тип отличался не только наличием поршня, а также вытеснителя, а еще и тем, что в его конструкцию входили уже два цилиндра. Как и в первом случае один из них был холодным и использовался он для отбора мощности. А вот второй цилиндр, как в предыдущем случае, был холодным с одного конца и горячим с другого. Здесь же перемещался вытеснитель. В поршневом двигателе внешнего сгорания также имелся регенератор, который мог быть двух типов. В первом случае он был внешним и соединял между собой такие конструктивные части, как горячую зону цилиндра с холодной, а также с первым цилиндром. Второй тип - это внутренний регенератор. Если использовался этот вариант, то он входил в конструкцию вытеснителя.
Использование Стирлингов обосновано в том случае, если необходим простой и небольшой преобразователь тепловой энергии. Также его можно использовать в том случае, если разница температур недостаточно велика, чтобы использовать газовые или же паровые турбины. Стоит отметить, что на сегодняшний день такие образцы стали использоваться чаще. К примеру, используются автономные модели для туристов, которые способны работать от газовой конфорки.
Применение устройств в настоящее время
Казалось бы, что такое старое изобретение не может использоваться в наши дни, однако это не так. NASA заказало двигатель внешнего сгорания типа Стирлинга, однако в качестве рабочего вещества должны использоваться ядерные и радиоизотопные источники тепла. Кроме этого, он также успешно может быть использован в следующих целях:
- Использовать такую модель двигателя для перекачки жидкости гораздо проще, чем обычный насос. Во многом это благодаря тому, что в качестве поршня можно применять саму перекачиваемую жидкость. Кроме того, она же и будет охлаждать рабочее тело. К примеру, такой вид "насоса" можно использовать, чтобы накачивать воду в ирригационные каналы, используя для этого солнечное тепло.
- Некоторые изготовители холодильников склоняются к установке таких устройств. Стоимость продукции удастся снизить, а в качестве хладагента можно применять обычный воздух.
- Если совместить двигатель внешнего сгорания этого типа с тепловым насосом, то можно оптимизировать работу тепловой сети в доме.
- Довольно успешно Стирлинги используются на подводных лодках ВМС Швеции. Дело в том, что двигатель работает на жидком кислороде, который впоследствии используется для дыхания. Для подводной лодки это очень важно. К тому же такое оборудование обладает достаточно низким уровнем шума. Конечно, агрегат достаточно большой и требует охлаждения, но именно эти два фактора несущественны, если речь идет о подводной лодке.
Преимущества использования двигателя
Если во время конструирования и сборки применить современные методы, то удастся поднять коэффициент полезного действия двигателя внешнего сгорания до 70%. Использование таких образцов сопровождается следующими положительными качествами:
- Удивительно, однако крутящий момент в таком изобретении практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала.
- В данном силовом агрегате отсутствуют такие элементы, как система зажигания и клапанная система. Также здесь отсутствует распредвал.
- Достаточно удобно то, что на протяжении всего периода использования не потребуется проводить регулировку и настройку оборудования.
- Данные модели двигателя не способны "заглохнуть". Простейшая конструкция аппарата позволяет использовать его достаточно продолжительное время в полностью автономном режиме.
- В качестве источника энергии можно использовать практически все, начиная от дров и заканчивая урановым топливом.
- Естественно, что в двигателе внешнего сгорания процесс сжигания веществ осуществляется снаружи. Это способствует тому, что топливо дожигается в полном объеме, а количество токсических выбросов минимизируется.
Недостатки
Естественно, что любое изобретение не лишено недостатков. Если говорить о минусах таких двигателей, то они заключаются в следующем:
- Из-за того что сгорание осуществляется вне двигателя, отвод получаемого тепла происходит через стенки радиатора. Это вынуждает увеличивать габариты устройства.
- Материалоемкость. Для того чтобы создать компактную и эффективную модель двигателя Стирлинг, необходимо иметь качественную жаропрочную сталь, которая сможет выдержать большое давление и высокую температуру. Кроме того, должна быть низкая теплопроводность.
- В качестве смазки придется покупать специальное средство, так как обычное коксуется при высоких температурах, которые достигаются в двигателе.
- Для получения достаточно высокой удельной мощности придется использовать либо водород, либо гелий в качестве рабочего вещества.
Водород и гелий в качестве топлива
Получение высокой мощности, конечно же, необходимо, однако нужно понимать, что использование водорода или гелия достаточно опасно. Водород, к примеру, сам по себе достаточно взрывоопасен, а при высоких температурах он создает соединения, которые называются металлогидритами. Это происходит, когда водород растворяется в металле. Другими словами, он способен разрушить цилиндр изнутри.
Кроме того, и водород, и гелий - это летучие вещества, которые характеризуются высокой проникающей способностью. Если говорить проще, то они достаточно легко просачиваются сквозь практически любые уплотнения. А потери вещества означают потери в рабочем давлении.
Роторный двигатель внешнего сгорания
Сердце такой машины - это роторная машина расширения. Для двигателей с внешним типом сгорания этот элемент представлен в виде полого цилиндра, который с обеих сторон прикрыт крышками. Сам по себе ротор имеет вид колеса, который посажен на вал. Также у него имеется определенное количество П-образных выдвигающихся пластин. Для их выдвижения используется специальное выдвижное устройство.
Двигатель внешнего сгорания Лукьянова
Юрий Лукьянов - это научный сотрудник Псковского политехнического института. Он уже достаточно давно занимается разработкой новых моделей двигателей. Ученый старался сделать так, чтобы в новых моделях отсутствовали такие элементы, как коробка передач, распредвал и выхлопная труба. Основной недостаток устройств Стирлинга заключался в том, что они имели слишком большие габариты. Именно этот недостаток ученому и удалось устранить за счет того, что лопасти были заменены на поршни. Это помогло уменьшить размер всей конструкции в несколько раз. Некоторые говорят о том, что можно сделать двигатель внешнего сгорания своими руками.
Загрузка...
