Дмитро Конюхов
Введення
Автомобільний двигун пройшов тривалий шлях розвитку і з технічної точки зору є досконалим. Однак до теперішнього часу найбільшу увагу в процесі його вдосконалення приділялася досягненню максимальної потужності, малої маси і розмірів двигуна, мінімальних виробничих витрат. Тепер на перший план як найважливіший критерій оцінки двигуна виступає мінімізація споживання ним палива. Зниження споживання палива досягти непросто, і, крім того, воно може робити несприятливий вплив на ряд параметрів двигуна.
Незважаючи на постійно скорочуються можливості вдосконалення сучасних двигунів внутрішнього згоряння, їм як і раніше приділяється велика увага. Це пов'язано, перш за все, з труднощами переозброєння такої величезної галузі як автомобілебудування. Тим не менш, виконання висунутих на перспективу жорстких вимог до чистоти відпрацьованих газів і економічності, до бензинових і дизельних двигунів внутрішнього згоряння не представляється можливим.
Тому доцільно приділяти увагу радикальної зміни силових установок механічних транспортних засобів. Одним з варіантів такої радикальної зміни силової установки є двигун із зовнішнім підведенням теплоти. Можливості вдосконалення, такого двигуна ще не вичерпані. Необхідно вдосконалювати як його термодинамічний цикл, так і саму силову установку його використовує.
Термодинаміка
На даний момент для двигунів із зовнішнім підведенням теплоти найбільш відомий термодинамічний цикл Стірлінга, що складається з двох ізотерм і двох ізохорами. Але можливе застосування та інших термодинамічних циклів у подібних двигунах.
Розглянемо ідеальний термодинамічний цикл з ізотермічним стиском і адіабатичним розширенням нікого гіпотетичного двигуна. На рис.1 наведено такий ідеальний термодинамічний цикл, показаний у pV-і sT-координатах.
Рис. 1. Ідеальний термодинамічний цикл
У циклі прийнятий Ізохоричний процес підведення теплоти так як, його термічний ККД більше изобарических. Для спрощення розрахунків, Ізохоричний процес 2-3 показаний прямою лінією.
Термічний ККД циклу за sT-діаграмі рис.1а:
| (1) |
Термічний ККД циклу за pV-діаграмі рис.2б:
| (2) |
де: λ - ступінь підвищення тиску; κ - показник адіабати; ε - ступінь стиснення.
Як видно з формули (1) термічний ККД такого циклу залежить від ставлення температур холодильника і нагрівача, а формули (2) - відповідності між необхідною виробленої роботою, ступенем стиснення і кількістю підводиться теплоти.
Наприклад, при T3 = 1173K; T1 = 337K; ε = 6,5; κ = 1,6 і λ = 3,5 термічний ККД циклу складе 0,55. Що, за інших рівних умов, можна порівняти з термічним ККД циклу Стірлінга.
Але в реальному двигуні домогтися, щоб він працював за такого циклу звичайно важко, тому узагальнений термодинамічний цикл реального двигуна буде виглядати так, як показано на рис.2.
Рис. 2. Реальний термодинамічний цикл
Робота
Для пояснення принципу роботи ДВПТ по циклу з ізохоричному стиском і адіабатичним розширенням скористаємося рис.3.
Рис. 3. Принцип роботи ДВПТ
Такт впуску (рис.3). У верхній мертвої точці (ВМТ) відкривається клапан розташований в поршні і при русі поршня до нижньої мертвої точки (НМТ) робоче тіло, з тиском p1 і температурою T1, надходить в циліндр. У НМТ клапан у поршні закривається.
Такт стиску (ріс.3б). При русі поршня до верхньої мертвої точки (ВМТ) відбувається стискання робочого тіла, при цьому виділяється в процесі стиснення теплота Q1 (див. рис.1) розсіюється в навколишньому середовищі, внаслідок цього температура стінки циліндра, а, отже, і температура робочого тіла підтримується постійною і рівною T1. Тиск робочого тіла зростає і досягає значення p2.
Такт розширення (ріс.3в). У процесі нагрівання теплота через стінку циліндра передається робочому тілу. При миттєвому підводі теплоти Q2 до робочого тіла тиск і температура в циліндрі зростають, відповідно до p3 і T3. Робоче тіло впливає на поршень і переміщує його до НМТ.В процесі адіабатні розширення робоче тіло виробляє корисну роботу, а тиск і температура зменшуються до p1 і T1.
Такт випуску (ріс.3г). При русі поршня до ВМТ в циліндрі відкривається клапан і через нього здійснюється випуск робочого тіла з циліндра, з тиском p1 і температурою T1. У НМТ клапан у циліндрі закривається.
Цикл замикається.
Схема
Спрощена схема двигуна представлена на рис.4.
Рис. 4. Схема роботи ДВПТ
У двигуні такти стиснення і розширення здійснюються в різних циліндрах, відповідно компресійному 1 і розширювальному 2. Циліндри 1 і 2 пов'язані між собою через компресійну 3 та розширювальну 4 магістралі. У компресійної магістралі 3 знаходиться охолоджувач 5, а в розширювальної магістралі 4 знаходиться нагрівач 6. Компресійна магістраль 3 підключена до компресійному циліндру 1 через випускний клапан 7, а до розширювального циліндра 2 через впускний клапан 8. Розширювальна магістраль 4 підключена до розширювального циліндра 2 через випускний клапан 9, а до компресійному циліндру 1 через впускний клапан 10. Поршні 11 і 12 циліндрів 1 і 2 пов'язані з валом двигуна 13 через механізм перетворення руху 14.
Висновок
Головне питання - як технічно реалізувати розглянутий вище цикл на реальному пристрої. Без сумніву існує кілька варіантів.
Автор запропонував варіант реалізації циклу в двигуні, що містить компресійні і розширювальні циліндри розташовані навколо осі приводного валу з похилою шайбою. Причому впускний орган компресійних і випускний орган розширювальних циліндрів виконані в поршнях. Це дозволить зробити геометричні характеристики впускних і випускних органів максимально можливих розмірів, і внаслідок чого, максимально зменшити опір при впуску і випуску робочого тіла. Впускні і випускні органи компресійних і розширювальних циліндрів управляються електронікою. Як джерело тепла застосований тепловий акумулятор. До теплового акумулятора підключена камера згоряння, яка автоматично підтримує в ньому постійну температуру.
Сукупність вище названих технічних рішень, на думку автора, дозволить:
досягти високого ККД двигуна;
здійснювати беспрінудітельний запуск двигуна;
повертати теплоту назад в тепловий акумулятор у режимі гальмування двигуном;
при запуску вибирати напрямок обертання вала двигуна в будь-яку сторону;
використовувати практично всі види палива;
забезпечити мінімальний вміст шкідливих речовин у відпрацьованих газах.
Список літератури
Двигуни Стірлінга: Збірник статей / Переклад з англ. Б. В. Сутугіна; під ред. д.т.н., проф. В. М. Бродянского. - М.: «Світ», 1975.
Двигуни Стірлінга / [В. Н. Данилич, С. І. Єфімов, В. А. Дзвінок и др.]; під ред. М. Г. Круглова. - М.: «Машинобудування», 1977.
«Двигун з зовнішнім підводом тепла». Патент № 2105156 від 23 червня 1995р., РФ
«Двигун з зовнішнім підводом тепла». Заявка № 99110725 від 31 травня 1999р., РФ