Принцип работы двигателя внешнего сгорания

Принцип действия многих тепловых двигателей состоит в том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем при сжатии холодного газа.

Сжатие, нагрев, расширение, охлаждение – вот четыре основных процесса, необходимых для функционирования теплового двигателя.

Каждый из вышеперечисленных процессов возможно проводить различными путями.

Охлаждение и нагрев газа могут протекать в замкнутой полости при постоянном объеме (изохорный процесс) или под движущимся поршнем при постоянном давлении (изобарный процесс). Сжатие и расширение газа могут происходить при постоянной температуре (изотермический процесс) или без теплообмена с окружающей средой (адиабатический процесс). Конструируя замкнутые циклы из различных комбинаций этих процессов, нетрудно получить теоретические циклы, по которым работают все современные тепловые двигатели.

Комбинация из двух адиабат и двух изохор образует теоретический цикл бензинового двигателя (двигатель Отто). Заменяя в этой комбинации изохору, по которой идет нагревание газа на изобару, получим цикл дизельного двигателя (двигатель Дизеля). Две адиабаты и две изобары дадут теоретический цикл газовой турбины.

Среди всех возможных циклов комбинация из двух адиабат и двух изотерм играет особо важную роль в термодинамике. По такому циклу – циклу Карно – должен работать двигатель, имеющий самый высокий КПД для данного интервала температур. Двигатели, работающие по другим циклам, гораздо менее экономичны. И все-таки до настоящего времени никому не удалось по-строить двигатель, реализующий цикл Карно. Почему? Об этом мы поговорим позже.

Трудно предположить, чтобы в тепловых машинах внешнего сгорания были заложены какие-либо возможности, позволяющие конкурировать с двигателями внутреннего сгорания хотя бы по экономичности. В двигателях внешнего сгорания топливо сжигается вне рабочего цилиндра и тепло подводится к рабочему телу через стенку цилиндра. Наивысшая температура цикла ограничена определенными значениями. Казалось бы, ожидать какого-либо выигрыша и в размерах такого двигателя не следует. Циклы, по которым работают cтирлинги, как уже упоминалось выше, состоят из двух изотерм и двух изобар. Достаточно построить диаграммы этих двигателей, чтобы убедится, что при работе на атмосферном воздухе их размеры получаются огромными.

Строго говоря, двигатель Стирлинга может работать и без регенератора. Это объясняется тем, что при нагреве газа на изохоре требуется тепла меньше, чем при нагреве газа по изобаре. Включение регенератора в рабочий цикл двигателя внешнего сгорания придает последнему уникальные свойства.

Чтобы нагреть воздух до определенной температуры при постоянном давлении, следует запасти в регенераторе больше тепла, чем для нагрева воздуха при постоянном объеме. Охлаждение отработавшего расширившегося воздуха в регенераторе тоже происходит при постоянном давлении, значит, здесь запасается ровно столько тепла, сколько требуется для нагрева сжатого воздуха, идущего в рабочий цилиндр. И уже первые расчеты, произведенные голландцами при проектировании cтирлингов, ошеломили создателей этих машин: КПД двигателей внешнего сгорания может достигать 70%. И в 1944 году голландцы запустили опытную модель Стирлинга. Правда, эта опытная модель показала КПД 39%, но модель оказалась экономичней газовой турбины с КПД 26%, авиационного бензинового двигателя с КПД 28–30% и лучших дизелей с КПД 32–35% (однако следует помнить – это была середина прошлого столетия!).

Итак, основные особенности работы двигателя Стирлинга заключаются в следующем:

– в двигателе происходит преобразование тепловой энергии в механическую посредством сжатия постоянного количества рабочего тела при низкой температуре и последующего (после периода нагрева) его расширения при высокой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень совершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабатывает полезную механическую энергию;

– при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии;

– изменение температуры рабочего тела обеспечивается наличием разде-ленных холодной и горячей полостей двигателя по соединительным каналам, между которыми под действием движения поршней перемещается рабочее тело;

– изменения объема в этих двух полостях должны не совпадать по фазе, а получающиеся в результате циклические изменения суммарного объема, в свою очередь, не должны совпадать по фазе с циклическим изменением давления. Это – условие получения механической энергии на валу двигателя.

Таким образом, принцип стирлинга – это попеременный нагрев и охлаж-дение заключенного в изолированном пространстве рабочего тела. Однако нагрев в двигателе внешнего сгорания происходит за счет тепла, подводимого к газу извне, через стенку цилиндра. Из-за существенной теплоемкости стенки цилиндра невозможно, естественно, нагреть или охладить газ с помощью быстрого нагрева или охлаждения самой стенки. Известно, что Роберт Стирлинг ис-пользовал периодическое изменение температуры газа, применяя вытеснительный поршень (вытеснитель). Вытеснитель заставляет перемещаться газ в одну из двух полостей цилиндра, одна из которых находится при постоянной низкой, а другая при постоянной высокой температуре.

Рабочая часть современного cтирлинга представляет собой замкнутый объем, заполненный газом (рис. 1).

Рис. 1. Принцип работы двигателя Стирлинга

1 – рабочий поршень; 2 – поршень-вытеснитель;

3 – охладитель; 4 – нагреватель; 5 – регенератор;

6 – холодное пространство; 7 – горячее пространство

Верхняя часть объема – горячая, она непрерывно нагревается. Нижняя – холодная, она все время охлаждается проточной водой. В этом объеме находится цилиндр с двумя поршнями: поршнем-вытеснителем 2 и рабочим поршнем 1. Когда рабочий поршень движется вверх, газ в объеме сжимается, при движении поршня вниз – расширяется. Движением вверх – вниз поршня-вытеснителя 2 производится попеременное нагревание и охлаждение газа. Когда поршень-вытеснитель находится в верхнем положении в горячем простран-стве 7, большая часть газа оказывается вытесненной в холодное пространство 6. В это время рабочий поршень начинает двигаться вверх и сжимает холодный газ. Теперь поршень-вытеснитель устремляется вниз почти 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.

Какова же роль регенератора в этом процессе? Регенератор 5 расположен между холодным и горячим пространствами. Когда расширившийся газ движением поршня-вытеснителя перекачивается в холодную часть, он проходит через плотную ткань (плотный материал) регенератора и отдает регенератору все содержащееся в нем тепло. Во время обратного хода сжатый холодный воздух, прежде чем попасть в горячую полость (часть цилиндра), отбирает это тепло обратно.

Естественно, в реальной машине Стирлинга все выглядит не так просто. Невозможно быстро нагреть газ через сплошную стенку цилиндра, для этого необходима весьма большая поверхность нагрева. Поэтому верхняя часть замкнутого объема представляет собой развитую систему специальных труб, нагреваемых теми или иными тепловыми источниками (например, пламенем форсунки). Для полноты использования теплоты продуктов сгорания холодный воздух, подводящийся к форсунке, предварительно подогревается выхлопными газами – в связи с этим контур сгорания получается довольно сложным. Хо-лодная часть рабочего объема представляет собой тоже непростую систему.

Под рабочим поршнем находится замкнутая буферная полость, наполненная газом под давлением. Во время рабочего хода давление в этой полости повышается. Запасаемой при этом энергии достаточно для того, чтобы сжать холодный газ в рабочем объеме. Поскольку давление в цилиндре повышается плавно, а не взрывом, как в двигателях внутреннего сгорания, вибрации двигателей практически отсутствуют. У cтирлингов нет карбюраторов, систем зажигания, клапанов, свечей. Им не нужны глушители, ведь они работают почти бесшумно. Качественное сгорание топлива в форсунке полностью снимает проблему задымления.

Но если это так, то почему же ни Стирлинг, ни Эриксон не смогли добиться того успеха, которого заслуживали их изобретения?

Прежде всего, ни Стирлинг, ни Эриксон не смогли полностью использо-вать достоинства изобретенных ими регенераторов. Ведь науки о теплопередаче тогда просто не существовало. Произвести расчет регенератора было невозможно, поэтому его размеры и конструкция принимались «на глазок». А КПД двигателя внешнего сгорания весьма сильно зависит от качества работы регенератора. И еще одна, не менее важная, причина заключалась в том, что ни Стирлинг, ни Эриксон, не сообразили выполнить свои машины замкнутыми. У того и у другого рабочим телом служил воздух, который засасывался в двигатель при атмосферном давлении, а это весьма существенно отражалось на размерах машин при сравнительно малых мощностях.

Но самое удивительное и самое важное не в том, что КПД регенеративных cтирлингов и эриксонов становятся равными. Главное в том, что они становятся равными КПД цикла Карно! А отсюда вытекает, что даже при 600–650 °С теоретический КПД двигателей внешнего сгорания составляет 70%!

Поражает и тот факт, насколько гениальную и остроумную машину создал Роберт Стирлинг еще в XIX веке: принципиальная схема и кинематика ее рабочей части целиком перекочевали в современные модели. Инженеры лишь тщательно изучили процессы регенерации тепла и предложили новые материалы для регенератора, доведя его эффективность до 95–97%. С целью увеличения мощности двигателя внешнего сгорания, а также улучшения компактности со-временные специалисты сделали рабочую часть двигателя изолированной от атмосферы и заполнили ее сжатым газом – гелием или водородом. Это позво-лило в настоящее время в России и весьма широко за рубежом создавать двига-тели внешнего сгорания, способные вступить в жесточайшую конкуренцию с двигателями внутреннего сгорания.

Классификация двигателей Стирлинга

Итак, неотъемлемой частью двигателей внешнего сгорания являются две полости с периодически изменяющимися объемами при различных температурных уровнях. Эти полости, как нам уже известно, соединены между собой посредством регенератора и вспомогательных теплообменников. Двигателями Стирлинга принято в настоящее время называть такие двигатели, в которых управление потоком рабочего тела происходит путем изменения объемов.

По принципу действия они могут быть классифицированы как двигатели одностороннего (простого) и двойного действия. В двигателях одностороннего действия две полости (сжатия и расширения), соединяемые теплообменниками, могут находиться в одном или в двух цилиндрах. В одноцилиндровых двигателях предусмотрены два поршня – рабочий и вытеснительный (рис. 2), а в двухцилиндровых – два рабочих или рабочий и вытеснительный. Каждая из рассмотренных компоновок представляет собой самостоятельные модули, из которых могут быть собраны многоцилиндровые двигатели с передачей мощности на общий коленчатый вал или другой механизм.

Рис. 2. Основные схемы двигателей Стирлинга

одностороннего действия: а – с рабочим поршнем

и вытеснителем в одном цилиндре; б – с рабочим поршнем

и вытеснителем в разных цилиндрах; в – двухпоршневые

(с двумя рабочими поршнями);

1 – рабочий поршень; 2 – вытеснитель;

3 – полость расширения; 4 – полость сжатия;

5 – регенератор; 6 – нагреватель; 7 – холодильник

Рис. 3 Схема работы двигателя двойного действия:

1 – полость расширения; 2 – нагреватель;

3 – регенератор; 4 – холодильник; 5 – полость

сжатия; 6 – рабочий цилиндр; 7 – шток; 8 – газовый тракт

Двигатели двойного действия – это многоцилиндровые двигатели, в которых полости расширения каждого цилиндра последовательно соединены через ряд теплообменников с полостью сжатия соседнего цилиндра. В цилиндре предусмотрен один поступательно движущийся элемент – поршень-вытеснитель. Число таких элементов в двигателе равно числу цилиндров. Большим преимуществом двигателей двойного действия по сравнению с двигателями одностороннего действия является сокращение в 2 раза числа поршней. Это упрощает кинематическую схему приводного механизма и снижает стоимость двигателя (рис. 3).

Все существующие конструкции двигателей Стирлинга можно свести к α-, β- и γ-модификациям (рис. 4). Такая классификация двигателей внешнего сгорания достаточно точно позволяет определить типы двигателей без необходи-мости тщательного изучения деталей конструкции:

Рис. 4. Модификации двигателей Стирлинга:

а – α-модификация; б – β-модификация; в – γ-модификация;

Н – нагреватель; R – регенератор; С – холодильник.

Двигатели α-модификации – это V-образные двигатели. Рабочая полость распределена между двумя цилиндрами, в одном из которых находится горячая полость, а в другом – холодная. Регенератор располагается между цилиндрами.

Двигатели β-модификации имеют только один цилиндр. Объем горячей полости изменяется с помощью поршня-вытеснителя. Изменение объема холодной полости происходит посредством движения как поршня-вытеснителя, так и рабочего поршня.

В двигателе γ-модификации аналогично двигателю β-модификации имеется рабочий поршень и поршень-вытеснитель. Однако они находятся в отдельных цилиндрах. Холодная полость разделена на два цилиндра, и, следовательно, ее минимальный объем всегда больше нуля.

Стирлинг может работать не только на жидком, но и на любом другом виде топлива – твердом и газообразном. Он может работать и совсем без топлива! Ведь нагреть часть рабочего объема через стенку цилиндра можно любым теплом – теплом, исходящим от ядерного реактора, от солнечных лучей, от расплава каких-либо веществ и т.д. Если же нагревательную головку стирлинга заполнить расплавом вещества, обладающего большой теплотой плавления, стирлинг без всякой дозаправки может работать несколько часов. Подсчитано, например, что 5 литров расплава окиси алюминия эквивалентны 1 литру бензина, а 8 литров расплавленного фтористого лития хватает для работы стирлинга мощностью 3 кВт (электрической) в течение пяти часов.

Естественно, современные стирлинги в десятки раз, если не в сотни, меньше, чем двигатели внешнего сгорания, построенные в XIX веке. Применение сжатого водорода или гелия в качестве рабочего тела позволило современным машинам настолько снизить размеры и интенсифицировать теплообмен в нагревателе, что двигатели стали на редкость компактными. Замкнув цикл, современные инженеры вынуждены были позаботиться о том, чтобы искусствен-но охлаждать рабочее тело. В двигателях Стирлинга появился охладитель, тогда как у прежних двигателей внешнего сгорания порции воздуха забирались прямо из атмосферы. Наличие нагревателя и охладителя, как бы компактны они ни были, увеличивает вес двигателя по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, но зато сообщает им еще одно чрезвычайно важное качество.

Изолированные от внешней среды, они практически не зависят от нее. Стирлинг может работать от какого-либо источника тепла всюду: под водой, под землей, в космосе – то есть там, где двигатели внутреннего сгорания, нуждающиеся в воздухе, работать не могут. И тогда-то у стирлинга появляются преимущества перед своими соперниками (ДВС) даже по весу.

Информация о двигателях внешнего сгорания будет неполной, если не упомянуть о своего рода «антистирлингах» – двигателях, превращенных в холодильные машины.

Еще в 1834 году было замечено: если вращать двигатель внешнего сгорания с помощью паровой машины и не разводить огонь под рабочим цилиндром, температура воздуха в нем понижается. На первый взгляд, в этом нет ничего удивительного. В принципе, у любого теплового двигателя есть свой «антипод» – холодильная машина, работающая по такому же циклу, но в противополож-ном направлении.

Поразительно вот что: если паровую машину, дизель или бензиновый дви-гатель вращать принудительно, никакого охлаждения не получится. Нужны специально сконструированные холодильные машины, чтобы реализовать обращенные циклы паровой машины, дизеля или бензинового двигателя. Двигатель же внешнего сгорания фантастическим образом совмещает в «едином лице» и тепловую и холодильную машину.

В 1945 году инженеры фирмы «Филипс» раскрутили электромотором опытную модель двигателя внешнего сгорания мощностью в 1 лошадиную силу и, к своему удивлению, с поразительной легкостью охладили его головку до минус 190 °С (83 °К). Однако, к сожалению, такие низкие температуры в то время были не нужны. И только после 1950 года, когда техника низких температур начала выходить из научных лабораторий в промышленность, снова вспомнили о стирлингах. Но об этом мы расскажем в следующем номере журнала.

(По материалам, опубликованным в российской и зарубежной печати).

В. П. Бреусов, д.т.н., профессор