Классификация двигателей

2. Классификация двигателей

Предлагаемая схема классификации и идентификации двигателей Стирлинга включает следующие три признака:
а) режим работы;
б) способ соединения цилиндров;
в) способ соединения поршней.

Каждый признак включает несколько подпризнаков и в пределах каждого подпризнака возможны еще дополнительные деления. Очевидно, что предлагаемая схема не сможет охватить всех форм двигателя, однако классификация по трем основным признакам могла бы в конечном свете помочь систематизировать все существующие и будущие его формы.

 а. Режим работы

Выделены следующие шесть режимов работы двигателей Стирлинга:

 1а) двойного действия;

 1б) простого действия;

 2а) однофазный;

 2б) многофазный;

 3а) резонансный;

 3б) нерезонансный.

Термины «однофазный» и «многофазный» относятся к физическому состоянию рабочего тела. До появления «мокрого» «Флюидайна» не было необходимости в описании фазового состояния, однако после успешной разработки «Флюидайна» ряд исследований выявил преимущества использования многофазного рабочего тела и в двигателях Стирлинга других видов. Аналогично с изобретением свободнопоршневых форм двигателя потребовалось выделение третьей группы режимов работы. Такие двигателя могут работать при скоростях, соответствующих резонансной частоте упругой системы, которой является такой двигатель, или же в нерезонансном режиме, известном также как режим «банг-банг». Двигатели «Флюидайн» также могут быть рассчитаны на работу при резонансной частоте системы. В двигателях с обычными кривошипно-шатунными механизмами необходимо избегать резонансных режимов. Поэтому третья группа режимов обладает меньшей степенью общности, чем первые две. Итак, конкретный двигатель может быть описан при помощи комбинаций трех терминов из шести, как показано на схеме 4.

 

б. Способ соединения цилиндров.

Классификация по второму признаку включает в себя классификацию, раннее предложенную Керкли и Уокером. Эта классификация идентифицирует способ компоновки пары вытеснитель-поршень по отношению к рабочим полостям переменного объема. Имеются три типа соединения цилиндров:

1)  альфа;

2)  бета;

3)  гамма.

Соединение альфа включает группу двигателей с двумя отдельными цилиндрами, в каждом из которых имеется уплотненный в нем поршень.

Горячий и холодный переменные объемы формируются независимо друг от друга при движении соответствующих поршней. В двигателе с компоновкой бета имеется один цилиндр, в котором последовательно расположены поршень и вытеснитель, а переменный холодный объем образуется при совместном движении поршня и вытеснителя. Соединение гамма – это в той или иной мере гибрид компоновок альфа и бета, в котором имеются два отдельных цилиндра, как в способе альфа, однако переменный холодный объем образуется способом бета. Эти три типа соединения цилиндров показаны на рисунке 1 на примере двигателей с обычным кривошипно-шатунным приводом.

 

в. Способ соединения поршней

Способ соединения поршней является дополнительным классификационным признаком. Этот признак подразделяется на более детальные признаки, примеры которых даны ниже. В двигателях Стирлинга применяются три основные формы соединения поршней:

1)  жесткое соединение;

2)  соединение через газ;

3)  соединение через жидкость.

В двигателях с жестким соединением используются недеформированные механические звенья, соединяющие движущиеся возвратно-поступательно элементы, которые определяют последовательность изменений объемов в цилиндрах, а также образуют механизм для отвода энергии от двигателя. Типичные механизмы, которые относятся к жестким соединениям, следующие:

а) кривошипно-шатунный механизм;

б) ромбический привод;

в) косая шайба;

г) кривошипно-кулисный;

д) кривошипно-балансирный механизм;

е) механизм Росса.

Изобретение двигателя Била и харуэллской машины потребовало введения в классификацию соединения через газ. В этих двигателях взаимное положение поршней определяется газовой динамикой, а не механическими устройствами. Имеется много разновидностей соединения этого типа, например:

а) свободнопоршневой двигатель;

б) двигатель со свободным вытеснителем;

в) двигатель со свободным цилиндром.

Последний тип соединения поршней – соединение через жидкость. Необходимо, однако, подчеркнуть, что использование в двигателе Стирлинга жидкого рабочего тела не обязательно означает, что поршни соединяются через жидкость. Например, в двигателе Стирлинга-Мелоуна поршни соединены жестким механизмом. В соединении через жидкость поршни действительно должны соединяться через жидкость. В настоящее время только двигатели "«Флюидайн» попадают в эту категорию. Имеются, по крайней мере три способа, которыми осуществляется соединение через жидкость:

а) с помощью реактивной струи;

б) с помощью качающегося стержня;

в) с помощью разности давлений.

Три основных классификационных признака можно также использовать для точной классификации гибридных двигателей, в которых, например, рабочий поршень жестко соединен с выходным валом, однако рабочий поршень и вытеснитель соединены друг с другом через газ. Тем не менее новые формы двигателей могут потребовать дальнейшего расширения предлагаемой классификации. Чтобы проиллюстрировать применение предлагаемой классификационной схемы, в таблице 1 приведена классификация по этой схеме хорошо известных двигателей Стирлинга.

Такая система может показаться несколько усложненной, однако простая система оказалась недостаточной для охвата всего разнообразия форм двигателей. В будущем могут быть подобраны подходящие условные обозначения, с помощью которых станет возможным создать методику стенографической классификации. Предлагаемая классификационная схема в полном объеме представлена на схеме 5.

Двигатель	Описание в соответствии с классификацией
Фирмы "Филипс" с ромбическим приводом	Простого действия, однофазный, нерезонансный, типа бета, с жёстким соединением поршней
Р-40 фирмы "Юнайтед Стирлинг"	Двойного действия, однофазный, нерезонансный, типа альфа, с жёстким соединением поршней
"Мокрый" "Флюидайн" с реактивной струёй	Простого действия, многофазный, резонансный, типа альфа, с соеди- нением поршней через жидкость
Свободнопоршневой Била	Простого действия, однофазный, резонансный, типа бета, с соединением поршней через газ
Хенричи	Простого действия, однофазный, нерезонансный, типа гамма, с жёстким соединением поршней

Таблица 1. Классификация двигателя Стирлинга.

Эта схема не только позволит классифицировать и идентифицировать существующие двигатели, но и окажется пригодной для качественной оценки различных форм двигателей, которые могут быть созданы в будущем.

3. Схема работы двигателя Стирлинга

Перечислим основные особенности работы двигателя:

1. В двигателе Стирлинга 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.

2. В принципе при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии.

3. Необходимое изменение рабочего тела обеспечивается наличием разделенных холодной и горячей полостей, по соединительным каналам между которыми под действием поршней перемещается рабочее тело.

4. 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 охлаждение заключенного в изолированном пространстве рабочего тела.

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.

 Предполагается, что движения поршня и вытеснителя - прерывистые. Тогда весь цикл можно разделить на четыре стадии (рис.2.):

 I - Поршень находится в крайнем нижнем положении, а вытеснитель - в крайнем верхнем. Весь газ - в холодной полости;

 II - Вытеснитель остается в верхнем положении. Поршень сжимает газ при низкой температуре;

III - Поршень остается в крайнем верхнем положении. Вытеснитель переталкивает газ из холодной полости в горячую;

IV - Нагретый газ расширился. Поршень и вытеснитель находятся в своих крайних нижних положениях. В то время как поршень остается на месте, вытеснитель переталкивает газ в холодную полость. Потом цикл повторяется.

 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 наличии 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...20 МПа. 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.