Энергоинформ / Опыт профессионалов / Двигатель "внешнего сгорания"
На рубеже веков человечество смотрит в будущее с надеждой. Надежда эта вполне оправдана: ученая мысль не стоит на месте, напротив, предлагает все новые и новые разработки, внедряя в нашу жизнь все более экономичные, экологически безопасные и перспективные технологии.
В полной мере это касается и альтернативного двигателестроения и использования так называемых "новых" альтернативных видов топлива: ветра, солнца, воды и других источников энергии
Имя Роберта Стирлинга (1790-1878) - шотландского пастора, который, несмотря на свою ученую степень доктора богословия, не оставил, как писала газета "Таймс" в некрологе, посвященном его памяти, "ни одного богословского произведения", должно занимать почетное место среди тех, кто заложил основы современной термодинамики и теплотехники.
В 1816 году Стирлинг получил патент на "машину, которая производит движущую силу посредством нагретого воздуха". В 1827 и 1840 годах он получает еще два патента на усовершенствованные варианты своей машины. А в 1845 году на литейном заводе в Дании была пущена машина Стирлинга мощностью 50 индикаторных лошадиных сил, проработавшая в течение трех лет.
Долгое время после этого двигатели Стирлинга не строились. И только в 1890 году было выпущено несколько образцов таких машин малой мощности. С конца ХIX века, в связи с успехами в развитии двигателей внутреннего сгорания, машина Стирлинга была совершенно забыта, и только с 1938 года началось ее возрождение. Развернулись научные исследования, и начались промышленные разработки.
Говоря языком науки, двигатель Стирлинга -это машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема. Данное определение является обобщенным для большого семейства машин Стирлинга, различающихся по своим функциям, характеристикам и конструктивным схемам. Эти двигатели могут быть роторными и поршневыми различной степени сложности. Указанные машины способны работать как двигатели, тепловые насосы, холодильные установки и генераторы давления. Вместе с тем, существуют машины, работающие по открытому циклу, в которых управление потоком рабочего тела осуществляется с помощью клапанов. Такие машины более точно могут быть названы двигателями Эриксона -по имени изобретателя. Между двумя типами этих машин, как правило, не делается никакого различия, поэтому название "двигатель Стирлинга" употребляется для всех без исключения регенеративных машин. В двигателях внутреннего сгорания полезная работа производится в результате предварительного сжатия определенного количества воздуха, впрыскивания распыленного топлива (до или после сжатия), последующего нагрева этой смеси при быстром сгорании топлива и дальнейшем расширении при высокой температуре.
Принцип действия теплового двигателя Стирлинга такой же: сжатие определенного количества газа при низкой температуре и расширение при высокой. Однако, нагрев в двигателе Стирлинга происходит совершенно иным способом: тепло к газу подводится извне, через стенку цилиндра. Поэтому для такого двигателя больше всего подходит, условно, конечно, название "двигатель внешнего сгорания". Известно, что Стирлинг использовал периодическое изменение температуры газа, применив вытеснительный поршень (в дальнейшем называемый вытеснителем). Вытеснитель заставляет перемещаться газ в одну из двух полостей цилиндра, одна из которых находится при постоянно низкой, а другая при постоянно высокой температуре. При движении вытеснителя вверх газ по каналам нагревателя и холодильника перемещается из
 |
горячей полости в холодную. При движении вытеснителя вниз газ возвращается тем же путем в горячую полость. В первом случае газ должен отдавать большое количество тепла холодильнику. Во втором
-получать от нагревателя равное количество тепла. Регенератор, предназначенный для предотвращения потерь тепла, располагается между нагревателем и холодильником. Он представляет собой некую полость, заполненную пористым материалом, которому горячий газ до
поступления в холодильник отдает тепло. Когда же газ течет обратно, регенератор возвращает ему запасенное тепло до того, как газ поступает в нагреватель. Система вытеснителя, обеспечивающая периодичность нагрева и охлаждения газа, соединена с рабочим поршнем (в дальнейшем называемым поршнем), который сжимает газ в холодной полости и позволяет ему расширяться в горячей. Поскольку сжатие газа происходит в полости с более низкой температурой, чем расширение, то получается полезная работа. На рисунке показаны четыре цикла, через которые проходит вся система, предполагая, что поршень и вытеснитель двигаются прерывисто. Движения поршня и вытеснителя в двигателе практически непрерывны. Их непрерывное движение обеспечивается посредством кривошипно-шатунного механизма. В этом случае невозможно обнаружить резких границ между четырьмя стадиями цикла, и сам цикл принципиально не меняется, и его КПД не уменьшается. Таким образом, двигатель Стирлинга представляет собой поршневую машину с внешним подводом тепла, в котором рабочее тело постоянно находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.
Для подвода тепловой энергии можно использовать любой источник тепла: солнечную энергию, биотопливо, ядерную энергию, электроэнергию и проч. В качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга обычно используется воздух, гелий или водород. Идеальный термодинамический цикл двигателя Стирлинга обладает термическим КПД, равным максимально возможному теоретическому и составляет 30-40%. КПД двигателя остается почти постоянным в широком диапазоне условий его работы. Но следует учитывать, что двигатель Стирлинга может работать с высоким КПД только при наличие эффективного регенератора. Наиболее эффективно двигатель работает при постоянных значениях скорости и мощности. Нагрев, охлаждение и регенерация рабочего тела в двигателе осуществляется с помощью встроенных теплообменников, которые должны работать в среде, не содержащей масел, что предотвращает их засорение. В двигателе расходуется довольно малое количество смазочных материалов. Среднее давление в цилиндре, как правило, находится в пределах 10…20МПа. При таких колебаниях давления требуется совершенная система уплотнений для предотвращения утечки рабочего тела в картер (проблема, особенно сложная при использовании гелия или водорода), а также попадания смазочных материалов в рабочие полости, что может вызвать увеличение потери давления и снижение выходной мощности. В настоящее время в большинстве установок с двигателями Стирлинга применяется жидкое топливо из-за простоты его использования и из-за требований, обусловленных конкретным назначением установки. Для нагрева рабочего тела применяют непрерывный процесс горения, что позволяет сжигать различные виды топлива, которые, эффективно сгорая, не создают опасности попадания твердых частиц из топлива, окислителя или окружающего пространства в рабочие цилиндры. При использовании для сжигания жидкого топлива непрерывное горение можно легко регулировать, в результате чего резко снижается уровень выбросов, особенно несгоревших углеводородов и окиси углерода. Отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга и работа без периодических взрывов в цилиндрах означают, что устранены основные источники шума, как газодинамического, так и механического. Это делает двигатель Стирлинга существенно менее шумным, чем другие устройства для выработки механической энергии с возвратно-поступательным движением, и перспективным для применения в военных целях. Отношение мощности к массе у двигателя Стирлинга сопоставимо с аналогичным показателем дизельного двигателя с турбонаддувом. Удельная мощность на выходе такая же, как и у дизельного двигателя. Крутящий момент практически не зависит от скорости. Двигатель Стирлинга реагирует на изменения нагрузки аналогично дизелю, однако требует более сложной системы регулировки, он более сложен, чем обычные тепловые двигатели. Стоимость его изготовления выше стоимости изготовления ДВС, однако, расходы на эксплуатацию гораздо меньше.
Возрождение интереса к двигателям Стирлинга обычно ассоциируется с деятельностью фирмы Philips.
 |
| Действующая модель двигателя Стирлинга: одноцилиндровый двигатель, помещающийся на ладони, способен заменить пару батареек. |
 |
| Он работает некоторое время и после отключения от источника тепла. |
Работы по конструированию двигателей Стирлинга небольшой мощности начались на Philips в середине 30-х годов ХХ века. Целью работ было создание небольшого с низким уровнем шума электрического генератора с тепловым приводом для питания радиоаппаратуры в тех районах мира, где отсутствовали регулярные источники электроснабжения. В 1958 году компания General Motors заключила лицензионное соглашение с фирмой Philips, и их сотрудничество продолжалось до 1970 года. Разработки были связаны с использованием Стирлингов для космических и подводных энергетических установок, автомобилей и судов, а также для Действующая модель систем стационарного энергоснабжения. двигателя Стирлинга: Шведская фирма United Stirling, сосредоточившая вначале свои одноцилиндровый двигатель, работы в основном на двигателях для транспортных средств помещающийся на ладони, большой грузоподъемности, расширила свои интересы в способен заменить пару области двигателей и для легковых машин. батареек Исследования двигателей Стирлинга для солнечных, космических и подводных энергетических установок, а также разработка базовых лабораторных и опытных двигателей в настоящее время широко проводятся в Германии, США, Канаде, Франции и особенно в Японии. Результатом заинтересованности общественности вопросами борьбы с шумом и загрязнением воздуха вместе с такой важной проблемой, как сохранение природных источников энергии, явился повышенный интерес к двигателям Стирлинга. В настоящее время, будущее двигателей Стирлинга представляется более перспективным. В обзорах по различным двигательным установкам для транспорта и стационарных энергетических установок двигатель Стирлинга рассматривают как обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки.
Низкий уровень шума, малая токсичность выхлопа, возможность работы на различном топливе, большой ресурс, сравнимые с ДВС размеры и масса, хорошие характеристики в режимах частичной нагрузки (что особенно важно для городского транспорта) и благоприятные характеристики крутящего момента -все эти параметры дают возможность бросить вызов двигателю внутреннего сгорания. Однако, двигатели с искровым зажиганием и дизели с их большим разнообразием конструкций будут являться еще достаточно сильными конкурентами до тех пор, пока высококачественное очищенное топливо остается доступным при его относительном избытке на рынке.
Также нельзя сбрасывать со счетов и тот факт, что ДВС за всю свою долгую историю развития приобрели огромное число различных модификаций и усовершенствуются до сих пор, доходя порой до почти "идеальных" двигателей. Благодаря этому качеству они и занимают лидирующие позиции в среде своих возможных конкурентов. Не малую роль играют также и наши привычки: вы предпочтете купить автомобиль именно с ДВС, а не с другим каким-либо двигателем, пусть даже этот двигатель и будет работать на воздухе. Но по мере истощения природных источников энергии стремление к всеобщей экономии в энергетике станет неизбежным. Естественно, что при таких обстоятельствах двигатель Стирлинга в сочетании с подзаряжаемой теплоаккумулирующей системой может оказаться доминирующим в двигательных установках для автомобилей и вообще для транспорта. Можно с уверенностью гарантировать использование двигателей Стирлинга для стационарных энергетических систем в широком диапазоне мощностей. Очевидно, что эти двигатели найдут более широкое применение в тепловых насосах и холодильных системах.
Текст: Владимир Бреусов, сотрудник кафедры возобновляемых источников энергии и гидротехники СПбГТУ, Антон Федосеев-Залецкий Фото: Роман Останинwww.energoinform.org
| Когда в конце 19-го века на улицах городов появились первые неуклюжие механические экипажи, едва ли кто мог представить себе те последствия, к которым приведёт вспыхнувшая в скором времени «битва моторов». Инженеры потратили немало труда, чтобы выяснить, какой из двигателей самый практичный. В конце концов лёгкость и высокая удельная мощность, экономичность и надёжность бензинового мотора взяли верх над бездымностью электрического, простотой и бесшумностью парового двигателя. И теперь более половины мощности моторов планеты приходится на долю автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Для перевозки жидкого топлива построен колоссальный танкерный флот. Сотни заводов перерабатывают сырую нефть, чтобы насытить автомобили бензином. Недостатки бензиновых двигателей, не очень существенные, когда речь идёт об одиночном экипаже, складываясь по мере накопления автомобилей на улицах городов, начинают угрожать здоровью населения. Смрадное удушье смога и шум моторов уже приносят миллионные убытки. Всё это заставляет специалистов искать замену двигателю внутреннего сгорания. В качестве соперников выступают уже давно известные газовая турбина и электрический мотор с аккумуляторами, роторный двигатель и паровая машина. А лет 45—50 назад печать всего мира заговорила о новом двигателе, в котором поразительно сочетается экономичность и надёжность бензинового мотора с бесшумностью и всеядностью паровой установки. Впрочем, слово «забытый» здесь подходит больше, чем «новый», ибо прошло уже свыше 180-ти лет с того момента, как шотландский священник Роберт Стирлинг получил патент на первый двигатель внешнего сгорания. |
| Блистательные неудачи XIX века |
| Принцип действия всех без исключения тепловых двигателей основан на том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем требуется на сжатие холодного. Чтобы продемонстрировать это, достаточно бутылки и двух кастрюль с горячей и холодной водой. Сначала бутылку опускают в ледяную воду, и когда воздух в ней охладится, горлышко затыкают пробкой и быстро переносят в горячую воду. Через несколько секунд раздаётся хлопок, и нагреваемый в бутылке газ выталкивает пробку, совершая механическую работу. Бутылку можно снова возвратить в ледяную воду — цикл повторяется. В цилиндрах, поршнях и замысловатых рычагах первой машины Стирлинга почти в точности воспроизводился этот процесс, пока изобретатель не сообразил, что часть тепла, отнимаемого у газа при охлаждении, можно использовать для получения работы. Нужна лишь какая-то ёмкость, в которой можно было бы запасать тепло, отнятое у газа при охлаждении, и снова отдавать газу при нагревании. |
 |
| Но, увы, даже это очень важное усовершенствование не спасло двигатель Стирлинга. К 1885 году достигнутые результаты были весьма посредственны: 5—7 % к. п. д., 2 л. с. мощности, 4 т веса и 21 куб. м занимаемого пространства. Двигатели внешнего сгорания не были спасены даже некоторыми усовершенствованиями, сделанными шведским инженером Эриксоном. В отличие от Стирлинга он предложил нагревать и охлаждать газ не при постоянном объёме, а при постоянном давлении. Значит, при одинаковой средней температуре, как и у Стирлинга, в его двигателе ниже требования к прочности материалов и уплотнениям. К 1877 году несколько тысяч небольших эриксоновских двигателей работало в типографиях, в домах, на шахтах, на судах. Они наполняли водонапорные баки, приводили в действие лифты. Эриксон пытался даже приспособить их для привода экипажей, но они оказались чересчур тяжёлыми. До революции большое количество таких двигателей выпускалось в России под названием «Тепло и сила». Однако попытки увеличить мощность до 250 л. с. окончились полным провалом. Машина с диаметром цилиндра 4,2 м развила меньше 100 л. с., огневые камеры прогорели, и судно, на котором были установлены двигатели, погибло. Инженеры без сожаления распрощались с этими слабосильными мастодонтами, как только появились мощные, компактные и лёгкие бензомоторы и дизели. И вдруг, спустя 80 лет, о стирлингах и эриксонах заговорили как о грозных соперниках двигателей внутреннего сгорания. Чем же объясняется такой крутой поворот во взглядах? |
| Цена методичности |
| Когда узнаёшь о старой идее, возродившейся в современной технике, сразу же возникает вопрос: "Что же препятствовало её осуществлению раньше?" И почти всегда выясняется, что своим возрождением старая идея обязана либо новому технологическому методу, либо новой конструкции, до которой не додумались предшественники, либо новым материалам. Двигатель внешнего сгорания можно считать редчайшим исключением. Теоретические расчёты показывают, что при ныне освоенных рабочих температурах к. п. д. стирлингов и эриксонов может превышать 70%; а это больше, чем у любого другого двигателя. То есть неудачи предшественников объяснялись второстепенными, в принципе устранимыми факторами. Правильный выбор параметров, скрупулёзное исследование работы каждого узла, тщательная обработка и доводка всех деталей позволили реализовать преимущества теплового цикла. Уже первые экспериментальные образцы дали к. п. д. 39%, в то время как у бензиновых двигателей и дизелей, которые отрабатывались годами, — соответственно 28—30% и 32—35%. Какие же возможности "проглядели" в своё время и Стирлинг и Эриксон? Прежде всего — регенератор, та самая "ёмкость", где попеременно то запасается, то отдаётся тепло. Расчёт регенератора в те времена был просто невозможен: науки о теплопередаче не существовало. Их размеры определялись на глазок, а как показывают расчёты, к. п. д. двигателей внешнего сгорания очень сильно зависит от регенератора. Правда, повышением давления можно компенсировать плохую работу регенератора. По этой причине эриксоны, теоретически требующие меньших давлений, чем стирлинги, в 19-м веке показали лучшие результаты. Вторая причина заключалась в том, что первые установки работали на воздухе при атмосферном давлении: их размеры получались огромными, а мощности — малыми. Доведя к. п. д. регенератора до 98% и заполнив замкнутый контур сжатым до 100 атмосфер водородом или гелием, инженеры в 60-х годах прошлого века увеличили экономичность и мощность стирлингов. Уже одного этого было бы достаточно, чтобы говорить об установке двигателей внешнего сгорания на автомобилях. Но только высокой экономичностью отнюдь ещё не исчерпываются достоинства этих возрождённых машин... |
| Эриксоны и стирлинги вместо ДВС? |
| Много написано о Стирлингах, в которых сочетаются достоинства паровой машины и двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Первые же испытания показали, что эти двигатели почти бесшумны. Ведь у них нет карбюраторов, систем зажигания, клапанов, свечей. Давление в цилиндре хотя и повышается почти до 200 атмосфер, но повышается не взрывом, как в двигателе внутреннего сгорания, а плавно. На двигатель не нужны глушители. Ромбовидный кинематический привод поршней полностью уравновешен. Никаких вибраций, никакого дребезжания. Рассказывают, что, положив руку на двигатель, не всегда удаётся определить, работает ли он. А вот другое качество – “всеядность”. По сути дела, нет такого источника тепла, который не годился бы для привода Стирлинга. Автомобиль с таким двигателем может работать на дровах, на соломе, на угле, на керосине, на ядерном горючем, даже на солнечных лучах. Можно обойтись и вовсе без горючего, заливая в двигатель расплав какой-нибудь соли или окисла. Например, расплав 7 л окиси алюминия заменяет 1 л бензина. Подобная универсальность не только сможет всегда выручить шофёра, попавшего в беду. Она в какой-то степени разрешит и проблему задымления городов. Подъезжая к городу, водитель включает горелку и расплавляет соль в баке. В черте города топливо не сжигается: двигатель работает на расплаве. А регулирование? Чтобы сбавить мощность, достаточно выпустить из замкнутого контура двигателя в стальной баллон нужное количество газа. Автоматика сразу же уменьшает подачу топлива так, чтобы температура оставалось постоянной независимо от количества газа. Для увеличения мощности газ нагнетается из баллона снова в контур. Первые, не доведённые до высокой степени совершенства, модели по стоимости и по весу уступали двигателям внутреннего сгорания. На 1 л. с. у них приходилось 5 кг, у дизеля – 4,7 кг, а у бензинового мотора – 1,3 кг. Разработкой и совершенствованием нового двигателя занимаются конструкторы многих стран. В СССР стирлингами занимались ташкентские учёные под руководством члена-корреспондента АН Узбекской ССР Г. Умарова. Ну а что можно сказать о будущем эриксонов? В тех случаях, когда конструктор не стеснён габаритами, эриксоны получаются дешевле. Если же определяющим качеством является размер, то здесь преимущество на стороне Стирлингов. Теоретические расчёты показывают, что при умеренных давлениях эриксоны оказываются более экономичными, чем стирлинги. Это важное достоинство. И если у эриксонов найдутся ещё и конструктивные преимущества, то не исключено, что именно они окажутся самым грозным соперником двигателей внутреннего сгорания. |
| Г. Смирнов, инженер |
www.foundbasis.narod.ru
ГАЗОВЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
В 1816 г. пастор Роберт Стирлинг получил патент на "машину,
которая производит движущую силу посредством нагретого воздуха". В 1827 г.
и 1840 гг. он получил еще два патента на усовершенствованные варианты свой
машины.
Р.Стирлинг занимал министра по делам церкви Шотландии. Изготовление двигателей
Стирлинга началось в 1818г. Они приводили в действие водяные насосы, воздуходувки
и станки на мелких фабриках, где не годились громоздкие паровые машины. Кинематическая
схема модифицированного двигателя Стирлинга приведена на фиг. 10. Двигатель
состоит из рабочего и теплообменного цилиндров соединенных трубкой. В цилиндрах
перемещаются соответсвенно рабочий и вытеснительный поршни, связанные шатунами,
ползуном и штоком. Шатуны одеты на палец кривошипа, который находится на
одном валу с маховиком. Источник тепла нагревает газ в правой части теплообменного
цилиндра. Газ разширяется ичерез трубку оказывает давлением на рабочий поршень.
Поршень опускается, толкает шатун и поворачиает маховик. При этом одновременно
в право двигатеся вытеснительный поршень. Он вытесняет газ из нагревающейся
части теплообменного цилиндра в его холодную часть, которая имеет охлаждающееся
оребрение. Теплообменный поршень заполнен теплоизолирующим материалом. Газ
остывает, создавая обратное усилие на рабочий поршень, поршень поднимается
вверх и цикл повторяется с начала. Есть вариант двигателя в цилиндре которого
устанавливались один над другим два поршня: вытеснитель и рабочий поршень.
Вытеснитель делит полость над рабочим поршнем на две части "горячую" - расположенную
между вытеснителем и торцом цилиндра и "холодную" - заключенную между поршнями.
Обе части полости сообщаются между собой через перепускную магистраль, в
которой последовательно установлены холодильник, примыкающий к "холодной"
полости, регенератор и нагреватель, примыкающий к "горячей" полости. Задача
вытеснителя состоит в перемещении рабочего тела из "горячей" полости в "холодную"
и, наоборот, через перепускную магистраль. Поршни в цилиндре движутся попеременно,
и их мертвые точки смещены. Двигатель Стирлинга впервые содержал теплообменник
для регенерации тепла отработавшего горячего воздуха - регенератор
. Существовавшие в то время материалы очень ограничивали уровень рабочих
температур и давлений, что для двигателя Стирлинга было очень важно. Роберт
Стирлинг выразил надежду, что препятствия, которые возникают из-за отсутствия
соответствующих материалов со временем будут устранены. Он оказаля прав.
В 20 веке о двигателе вспомнили снова. В настоящее время этот двигатель считается
перспективным.
В 1837 г. бал запатентован еще один двигатель на горячем воздухе, получивший название "калорический двигатель". Его изобретатель Джодж Кейли создал его как аналог паровой машины. У этого двигателя был котел, в котором в отличии от паровой машины не испаряли воду, а нагревали сжатый воздух. При этом часть сжатого воздуха использовалась в котле ( в нем сжигали топливо), затем обе части смешивали, поэтому, строго говоря, рабочи телом служил не чистый воздух, а его смесь с продуктами сгорания, С жатый воздух получали в поршневом компрессоре, Между компрессором и котлом устанавливался управляемый золотник, при помощи которго осуществлялось распределение воздуха на два потока: в топку ( в качестве окислителя) и на смешение. Котел, кроме того, был снабжен устройством для загрузки угля и для перекрытия клапанов на время загрузки. Испытания двухцилиндрового образца такого двигателя показали его работоспособность, но КПД составлял всего около 8%.
В 1852 г. появился двигатель шведского изобретателя Эриксона и вызвал в то время большие ожидания. Рабочий цилиндр двигателя устанавливался вертикально, и под ним была топка. Компрессорный цилиндр размещался сверху над рабочим. Рабочий цилиндр через выхлопное окно соединялся с теплообменником, а теплообменник имел два поочередно перекрываемых патрубка: первый для сообщения с атмосферой и второй для ссобщения с нагнетательным клапном компрессороного цилиндра. Всасывающий клапан компрессора был открыт в атмосферу. Когда в топке разводили огонь, воздух в рабочем цилиндре нагревался и поднимал рабочий поршень. При своем перемещении этот поршень передавал усилие на механизм отбора мощности и одновременно перемещал поршень компрессора, сжимая находившийся в компрессорном цилиндре воздух. Заием открывалось выхлопное окно и отработаший горячий воздух из рабочего цилиндра выпускался в атмосферу через теплообменник. Теплообменник был заполнен медной сеткой, и выходящий воздух нагревал эту сетку, отдавая ей тепло, не использованное в рабочем цилиндре. Затем в рабочий цилиндр через теплообменник начинал поступать сжатый воздух из компрессора. Проходя через ячейки сетки, этот воздух нагревался запасенным в ней теплом. После того как рабочий цилиндр заполнялся, механизм отбора мощности опускал поршень, сжимая заряд, и цикл повторялся. К сожалению двигатель Эриксона по мощности и по экономичности уступал паровым машинам.
Ж.Хотфейл (1678-1682гг.) и Х.Гюйгенс (1681г.) предлагали так называемый атмосферный двигатель, у которого поршень поднимался взрывом пороха вверх и фиксировался. После охлаждения продуктов сгорания под поршнем создавалось разрежение, У двигателя Гюйгенса под действием атмосферного давления поршень опускался, совершая полезную работу. У двигателя Готфейльда разряжение в подпоршневой полости использовалось для всасывания воды, а после того как поршень переставали удерживать, он, опускаясь вытеснял воду. Это была видимо первая попытка использовать продуктов сгорания непосредственно для производства работы.
Решение задачи использования продуктов сгорания лежало на пути поисков соответствующего горючего.
Братья Клод и Жозеф Нисефор Ньепсы в 1794 г. начали поиски такого топлива. Братья писали так : "Занимаясь разыскиванием физической (природной) силы, которая могла сравниться с силой паровых машин и при этом не требовала таких громоздких приборов, а в особенности не поглащала столько топлива, мы предположили, что нашим требованиям мог бы удовлетворить расширяемый огнем атмосферный воздух. Но так как воздух, судя по произведенным до сих пор наблюдениям, разрежается весьма слабо, даже при высокой температуре, то мы представили себе, что исли он будет внезапно пронизан в замкнутом объеме пламенем чрезвычайно горючего вещества, измельченного в очень мелкий порошок и рассеянного по всему объему этого сосуда, то он разовьет гараздо большую энергию и произведет нечто вроде взрыва, соразмерного сопротивлению тех препятствий, которые он должен преодолеть". В качестве такого порошка братья на первых порах применили ликоподий - семена спорового растения плауна. Но урожай спор плауна очень ограничен. Свой двигатель братья назвали "пироэолофор". Сведения об устройстве этого двигателя крайне скудны. В 1816 г. братья начинают использовать нефть и строят опытное судно на Сене под Парижем. Но денежные средства братьев иссекают. Вскоре Клод умер, а Нисефор забросил пирэолофор и сосредоточился на фотографии, что и принесло ему славу.
Француз Филип Лебон обнаружил, что при высокой температуре без доступа воздуха дерево выделяет горючий газ. Из дальнейших опытов он убедился, что такой же , но в еще больших количествах выделяет каменный уголь. В 1799 г. он получает патент на светильный газ, но никто не интересуется его изобретением. Тогда Лебон на собственные средства оборудует систему газового освещения одной из парижских гостинниц. И такая наглядная демонстрация помогает ему получить правительственную концессию. Получив газообразное горючее, Лебон также сообразил, что его можно равномерно распределить в воздухе и получить поле воспламенения однородную массу, подобно пару. Он в 1801 г. берет патент, являющийся развитием основного и содержащий описание двигателя на светильном газе. Лебон проедлагал сжимать светильный газ и воздух отдельными насосами и смешивать их в специальной камере. Затем смесь подавалась в рабочий цилиндр, где воспламенялась и расширялась. Двигатель был двойного действия.
Работы Ньепсов и идеи Лебона не получили должного развития по той причине, паровая машина в начале 19 века практически только начинала свой победный ход в качестве универсального двигателя.
Первая официально зарегестрированная попытка создания двигателя внутреннего сгорани (ДВС) была сделана почти одновременно с началом работ братье Ньепсов. В 1794 г. изобретатель Роберт Стрит получил в Англии патент на атмосферный двигатель, работающий на продуктах сгорания горючей жидкости (терпентин или спирт). Жидкость наливалась на дно вертикального цилиндра, при нагреве испарялась, и ее пары смешивались с воздухом. После воспламенения горючей смеси продукты ее сгорания поднимали поршень и совершали работу.
Были предложения использовать водород в 1820г. англичанином Сесиль. В 1841 г. изобретатель Джеймс Джонстон получил в Англии патент на двигатель, работающий на смеси водорода с кислородом. Продукты сгорания, охлаждались, конденсировались, и и поршень перемещался атмосферным воздухом. Но как известно, применение водорода в качестве горючего связано с трудностями его транпортировки и хранения.
Есть сведения о том, что изобретатель Самуэль Браун построил и получи два патента в Англии 1823 г. двигатель внутреннего сгорания на светильном газе. Это был атмосферный двигатель. Разряжение в цилиндре достигалось тем, сто после выпуска продуктов сгорания остаток газов в цилиндре охлаждался. Цилиндр был снабжен водяной рубашкой. Воспламенение осуществлялось в мертвой точке открытым пламенем.
В 1833 г. изобретатель Вельмант Райт получает в Англии патент, в котором оговорено охлаждение цилиндров с помощью водяной рубашки в двигателе двойного действия.
В 1938 г. в Англии выдан патент В.Бартнеру, согласно которому газ и воздух предварительно сжимают в отдельных цилиндрах, а смесь перед воспламенением дожимают в рабочем цилиндре. Воспламенение должно бало производиться в мертвой точке с помощью раскаленной губчатой пластины или же пламенем через золотник.
Есть сведения еще об одном работавшем двигателе. Этот двигатель построил и запатентовал в 1842 г. Дрейк. Всасывание смеси происходило на первой половине хода и зажигание было калильным от раскаленной чугунной трубки, сообщающейся с цилиндром в середине хода поршня. Регулирование было качественным и осуществлялось при помощи центробежного регулятора. Позднее двигатель был приспособлен для работы на керосине.
В 1854 г. Барзани и Матеукки получили английский патент , а затем и французкий патент на атмосферный двигатель со свободным поршем. Смесь светильного газа с воздухом воспламенялась под поршнем электрической искрой, и давление продуктов сгорания поднимало свободный поршень вверх. За счет охлаждения под поршнем создавалось разряжение, под действием атмосферного давления поршень опускался и прикрепленная к его штоку рейка приводила во вращение вал с маховиком. Впускные и выпукные клапаны управлялись от вала.
В 1858 г. Дегеран получил французкий патент на газовый двигатель со сжатием горючей смеси в рабочем цилиндре.
24 января 1860 г. был выдан патент французкому инженеру Ленуару. Но двигатель строился раньше. Машина была двойного действия с золотниковым распределением рабочего тела: нижний золотник обеспечивал поочередную подачу воздуха и газа в полости цилиндра, расположенные по разные стороны поршня, верхний золотник обеспечивал поочередный выпуск отработавших продуктов сгорания из этих полостей. Ленуар принял меры, чтобы газ и воздух до попадания в цилиндр не смешивались (к золотнику они подводились по отдельным каналам). Всасывание смеси происходило примерно до половины хода, после чего золотник перекрывал впускное окно и смесь воспламенялась электрической искрой. Давление сгоревшей смеси возрастало и действовало на поршень, производя работу расширения. После окончания расширения второй золотник соединял цилиндр с выхлопной трубой и поршень вытеснял отработавшие газы. Цикл замыкался.
На всемирной выставке в Париже 1867 г. немецкий коммерсант Николаус Август Отто представил новый газовый двигатель, который он создал в содружестве с инженером Эйгеном Лангеном. Цилиндр был вертикальным, вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом отбора мощности. Двигатель работал следующи образом. Вращением вала поршень поднимался со дна цилиндра на одну десятую долю высоты цилиндра, в результате чего под поршнем создавалось разрежение и происходило всасывание смеси. Затем смесь воспламенялась. Воспламенение осуществлялось открытым пламенем через трубку. При врыве смеси давление под поршнем возрастало. Под действием этого давления поршень поднимался, объем увеличивался и давление падало. При подъеме поршня механиз отсоединял рейку от вала и поршень сначало под давлением газов, а затем по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разрежение. В этом и заключалась оригинальность идеи Отто, он не охлаждал газы под поршнем, а использовал для получения разряжения инерцию поршня.
Через десять лет, в 1878 г., в Париже открылась очередная всемирная выставка, на ней было представлено несколько модификаций нового двигателя Отто. В первые в двигателе был реализован цикл, который в последствии получил название четырехтактного и который был изложен Отто в его патенте, поданной им в патентное ведомство Германии 4 августа 1877г. В отличие от предшевствующего двигателя Отто, цилиндр был горизонтальным и удлиненным. Между поршнем и крышкой цилиндра оставался достаточно большрй зазор для организации камеры сгорания. После вытеснения продуктов сгорания этот зазаор оставался заполненным остаточными газами. В крышке было предусмотрено два впускных канала (один для воздуха, другой для газа). Во время хода всасывания открывался сначала канал для воздуха и только через некоторое время газовый, благодоря чему в цилиндр раньше поступал чистый воздух, а затем газовоздушная смесь. Воспламенение производилось открытым пламенем в канале подачи газа между органом его перекрытия и цилиндром. Регулирование осуществлялось пропусками подачи газа. Всасывающий клапан был автоматическим, выхлопной - управляемый в виде плоского вращающегося золотника.
dvpt.narod.ru
Цикл Эриксона — идеализированный термодинамический цикл, состоящий из двух изотермических процессов сжатия и расширения и двух регенеративных изобарных процессов. [c.380]
Теория регенеративных циклов изложена оригинально и обстоятельно, она свидетельствует о творческой в этой части курса работе автора. После установления основной теории регенеративных циклов рассматриваются машины Эриксона и Стерлинга, особенности их действия, их циклы и проводится сравнение экономичности их работы. [c.60]
Существует достаточно много простейших циклов. Многие из них носят имена тех, кто первым их предложил, изучил или применил. В термодинамике известны циклы Отто (Бо де Роша), Дизеля, Брайтона, Эриксона, Стирлинга, Рэнкина. Но самый известный и исторически значительный из всех — это цикл, обоснованный и проанализированный С. Карно. В честь вклада Карно в термодинамику любой циклический процесс, состоящий из двух адиабатических и двух изотермических процессов (рис. 8.12), называют теперь циклом Карно. [c.22]
Вместе с тем существуют и машины, работающие по открытому циклу, в которых управление потоком рабочего тела осуществляется с помощью клапанов. Такие машины более точно могут быть названы двигателями Эриксона. Между двумя типами этих машин, как правило, не делается никакого различия, поэтому название двигатель Стирлинга употребляется для всех без исключения типов регенеративных машин. [c.9]
Строго говоря, уравнение (1.2) следовало бы назвать уравнением Стирлинга, поскольку цикл Стирлинга появился на несколько лет раньше цикла Карно, однако именно цикл Карно был принят в качестве идеального при оценке термического КПД. Следует знать также, что этому уравнению, определяющему верхний предел КПД, удовлетворяют не только циклы Стирлинга и Карно, но и некоторые другие идеальные циклы, например цикл Эриксона [7] и цикл Рейтлингера [31]. Влияние температур на термические КПД идеального цикла Отто и дизельного двигателя не так велико, как на КПД цикла Стирлинга. Максимальный КПД этих циклов определяется уравнением [32] [c.85]
В первый период создания теоретических основ циклов тепловых двигателей Брайтоном цикл р = onst), Эриксоном (цикл Т = = onst) и Отто (цикл V = onst) были предложены идеальные циклы, послужившие также основой для развития термодинамики газотурбинной установки. [c.100]
Подобно тому, как сгорание топлива в самом рабочем цилиндре газового двигателя, выдвинуло последний в качестве заменителя паровой машины, так и у паровой турбины наро дился, но еще не возмужал, конкурент — газовая турбина [1]. Приведенная формулировка повторяет убеждения Цейнера и Редшенбахера уже на новом более высоком уровне развития теплотехники. Опять как во времена Цейнера и Эриксона только на основе положения Карно предопределялось несовершенство парового цикла по сравнению с воздушным. Приведенная цитата [ 1 ] может быть названа основной формулировкой доказательств неизбежности замены паровой турбины турбиной внутреннего сгорания, сложившихся в 20—40-х годах [c.199]
Возможности циклов с рабочим тело.м, находящимся в однофазном состоянии, этим не исчерпаны. Цикл Карно не единственно возможный идеальный цикл. Существуют другие обратимые циклы, с термодинамической точки зрения эквивалентные циклу Карно. Таким циклом является цикл, составленный из двух изотерм и двух изохор (или двух изобар) (см. рис. 34 з). Действительно, в условиях идеального цикла оба цикла эквивалентны циклу Карно. В то же время, только один теоретический цикл—изотермо-изохорный эквивалентен идеальному, поскольку для ван-дер-Ваальсовых веществ — функция только температуры. Подобные циклы известны давно. Еще в 1850 г. была построена воздушная тепловая машина Стирлинга с регенераторами и позднее машина Эриксона. В 1871 г. И. А. Вышнеградский развил теорию регенеративных циклов, считая, что регенераторы предназначены для замены адиабатических линий цикла Карно линиями постоянного давления и линиями постоянного удельного объема . Несмотря на это, в низкотемпературной технике трудности, связанные с практическим осуществлением подобных циклов были впервые преодолены только в 1954 г. при создании газовой холодильной машины Филипс , предназначенной [c.148]
Учебник Вышнеградского по содержанию является значительно более развитым, чем учебник Окатова. Так, например, в учебнике Вышнеградского дается теория регенеративных циклов, рассматривается работа тепловых газовых машин — Стерлинга, Эриксона и приводится сравнение их в нем излагается притом весьма развитая теория истечепил значительно полнее приводится теория насыщенного и перегретого пара и паровых процессов, особенно процесса адпабатного. В нем обстоятельно и довольно подробно, конечно, для того периода, рассматривается термодинамическая теория паровой машины. [c.51]
В машинах с нестационарными процессами различные доли рабочего тела проходят по существу различные циклы, в связи с чем изображение их в диаграммах состояния следует рассматривать только условно. В различных элементах установки работает разное, изменяющееся во времени, массовое количество рабочего тела. Такого рода нестационарные термодинамические циклы реализуются в машинах Стирлинга, Мак-Магона-Гиф-форда, Эриксона и в пульсационной трубе (см. гл. 1). [c.156]
Одновременно со Стирлингом шведский изобретатель Джон Эриксон, работавший в Великобритании, разработал разнообразные конструктивные схемы регенеративных воздушных двигателей открытого цикла. Семейство двигателей, в которых управление потоком рабочего тела осуществляется при помощи клапанов, было названо двигателями Эриксона в знак признания его работ. Эриксон был крупным инженером и талантливым изобретателем. Ему принадлежит честь изобретения гребного винта. Он также участвовал в первой стадии разработок железных дорог в Великобритании и был одним из участников известных Райнхиллских гонок паровых локомотивов, которые выиграл паровоз Ракета Джорджа Стефенсона. Позднее Эриксон уехал в Соединенные Штаты, где основал предприятие по выпуску регенеративных двигателей открытого и замкнутого циклов. Ему сопутствовал успех в различных областях техники хорошо известны его замечательные достижения в области корабельной техники. [c.11]
В двигателе Стирлинга. Таким обобщенным циклом является цикл Рейтлингера — из двух изотерм с соответствующим подводом и отводом теплоты при максимальной и минимальной температурах цикла и двух политроп с совершенными регенеративными процессами теплообмена. Идеальные циклы Карно, Стирлинга, Эриксона, а также другие регенеративные циклы относятся к частным случаям цикла Рейнтлингера. Термический КПД всех этих циклов равен КПД цикла Карно, т. е. [c.23]
mash-xxl.info
Erikson-Motor m
Русско-немецкий словарь по энергетике. 2009.
Цикл Брайтона — Термодинамические циклы … Википедия
Корабль морское судно — в общем смысле название всякого морского судна больших размеров. Деревянный парусный К. Для ознакомления с названиями, встречающимися в дальнейшем изложении, рассмотрим деревянный парусный К. ХIХ века (фиг. 1). Фиг. 1. Для своего передвижения К.… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Корабль, морское судно — в общем смысле название всякого морского судна больших размеров. Деревянный парусный К. Для ознакомления с названиями, встречающимися в дальнейшем изложении, рассмотрим деревянный парусный К. XIX века (фиг. 1). Фиг. 1. Для своего передвижения К.… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
История подводного кораблестроения — Основная статья: Подводная лодка CSS H.L.Hunley во флоте Конфедерации … Википедия
Вечное движение — (Perpetuum mobile). Под этим названием обыкновенно подразумевается машина, способная не только поддерживать свое собственное движение неопределенно долгое время, но и производить сверх того полезную механическую работу, не требующая поддержки… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Подводные лодки* — Под этим названием разумеют особые вполне замкнутые суда, в которых человек может проплыть под водой некоторое время. За боевой тип П. лодки американцы принимают строящуюся у них П. лодку Голланда (см. в конце статьи), район действия которой… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Подводные лодки — Под этим названием разумеют особые вполне замкнутые суда, в которых человек может проплыть под водой некоторое время. За боевой тип П. лодки американцы принимают строящуюся у них П. лодку Голланда (см. в конце статьи), район действия которой… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Бронебашенные установки в крепостях — БРОНЕБАШЕННЫЯ УСТАНОВКИ ВЪ КРѢПОСТЯХЪ, въ наст. время примѣняются для орудій и пул товъ, наблюдат. постовъ для часовыхъ и арт. наблюдателей и для прожекторовъ. Наиб. распространеніемъ пользуются Б. перваго и второго рода. Гл. достоинства Б.:… … Военная энциклопедия
energetics_ru_de.deacademic.com
Машины, работающие по циклу Стерлинга
Регенеративные машины с клапанным управлением потока рабочего тела (здесь они называются машинами Эриксона), так же как и родственные им машины Стирлинга, разнообразны по типам, формам и габаритам. Иногда классификацию обоих типов машин можно
|
Рис. 6-10. Классификация машин Эриксона. |
Проводить по аналогии; единственное различие между ними — в наличии (или в отсутствии) клапанов, обеспечивающих циклическое изменение потока газа в рабочей полости, обычно предназначаемых для регулирования потока рабочего тела. При таком определении исключаются из рассмотрения газовые клапаны, использующиеся в системе регулирования машин Стирлинга для изменения давления рабочего тела. В данной работе семейство таких машин подробно не рассматривается, но представляется, что краткое сообщение об их основных типах для сравнения с машинами Стирлинга может быть полезным. Возможности же использования любого теоретического или экспериментального материала, рассматриваемого здесь, применительно к машинам Эриксона неизвестны.
«Семейство» машин Эриксона иллюстрируется на рис. 6-10. В большинстве случаев их можно разделить либо на машины вытеснительного типа, либо на машины с рабочим поршнем. В каждойиз этих основных групп может быть проведена их дальнейшая классификация. Машины вытеснительного типа могут иметь либо постоянный, либо переменный рабочий объем. Машины с рабочим поршнем могут подразделяться на одно - и двухпоршневые.
На рис. 6-11 показаны некоторые из вариантов машин вытеснительного типа, часть из которых хорошо известна по именам их изобретателей. В качестве примера приведена только одна машина
Машины Эриксона вытеснительного типа
I
С постоянным рабочим объемом переменным рабочим объемом
□С
С приводом вытеснителя от небольшего поршня
С газовыми клапанами
| С внешним приводом вытеснителя |
С прерывистым движением вытеснителя у управляемого клапаном
С механическими клапанами
С регенеративным
Вытеснителем и с независимым рабочим поршнем
|
|
Джиусрорд - - Мак-Магон
Рис. 6-11. Возможные варианты компоновочных схем машин Эриксона вытеснительного типа.
С переменным объемом рабочего тела. Такой была первая машина Джона Эриксона. Она состояла из соединенных (но смещенных по фазе) с помощью кривошипно-шатунного механизма рабочего поршня и регенеративного вытеснителя. В этих же машинах могут быть использованы и клапаны либо с газовым, либо с механическим приводом. Потенциально подобные системы привлекательны для больших установок с ядерными реакторами, в которых рабочее тело машины могло бы использоваться как хладагент для реактора.
Большие возможности имеют машины с постоянным рабочим объемом. Показанные на рис. 6-11 три отдельные группы отличаются по способу привода вытеснителя. Тип машин с внешним приводом вытеснителя и газовыми клапанами запатентован Бушем (Bush) как генератор давления, а машины с механическим приводом кла-
Панов успешно продаются как криогенные машины Джиффорда — Мак-Магона. Машины этих типов были описаны Мартини (Martini, 1968 г.) и Баком (Buck, 1968 г.) в их работах по исследованию в области имплантации искусственного сердца. Оба варианта относятся к машинам типа «двигателей Стирлинга».
В качестве примера на рис. 6-12 приведено только по одной схеме однопоршневой и двухпоршневой машин Эриксона. Возможны
Машины Эриксона с рабочим порш-нем
I
| С двумя поршнями Т |
С одним поршнем 1
С регенеративным вытеснителем, соединенным с рабочим поршнем
|
|
Джисрфорд - - Мак-Магон
| С протидоточным регенератором
|
Эриксон Схема аналогична варианту с рекуперативным теплообменником
Рис. 6-12. Возможные варианты компоновочных схем машин Эриксона с рабочим поршнем.
Также и другие варианты. Двухпоршневые машины Эриксона могут иметь как регенеративные, так и рекуперативные теплообменники и считаются весьма надежными.
Среднее давление цикла определяется формулой 2я 2я Рср-— Г рй(ф—0) = — Г Р-акс(1-в) (4.12) FcP 2Я J Н V 2я J l+6cos(<D-0) V v / [10] [11] Подобное расположение …
Несколько советов, заслуживающих внимания, при конструировании машин Стирлинга. Быть реалистами. Легко сделаться оптимистом и восторженно относиться к потенциальным возможностям машин Стирлинга. Необходимо признать, что двигатель фирмы «Филипс» — это результат …
Из гл. 7 следует, что существующие методы проектирования регенеративных (и других) теплообменников неудовлетворительны. Исследования в этой области могут быть предприняты на инженерных факультетах университетов, но при этом должен быть достигнут …
msd.com.ua
