Двигатель наружного сгорания принцип работы. Двигатель внешнего сгорания: принцип работы, модификации и перспективы применения в автомобилях — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга. Какие существуют модификации двигателя внешнего сгорания. Каковы преимущества и недостатки двигателя Стирлинга по сравнению с ДВС. Какие попытки применения двигателя внешнего сгорания в автомобилях предпринимались.

Содержание

История создания двигателя внешнего сгорания

Двигатель внешнего сгорания, также известный как двигатель Стирлинга, был изобретен шотландским инженером Робертом Стирлингом в 1816 году. Хотя сама идея двигателей горячего воздуха существовала и ранее, Стирлинг первым разработал работоспособную конструкцию такого двигателя.

Ключевым усовершенствованием Стирлинга стало добавление в конструкцию теплообменника (регенератора), который значительно повысил эффективность двигателя. Благодаря этому нововведению двигатель Стирлинга считался одним из самых надежных и безопасных двигателей своего времени.

Несмотря на первоначальный успех, в начале 20 века интерес к двигателям внешнего сгорания угас в пользу более дешевых в производстве двигателей внутреннего сгорания. Однако в середине 20 века вновь возник интерес к двигателям Стирлинга из-за их потенциальных преимуществ.

Принцип работы двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую работу за счет циклического нагрева и охлаждения рабочего тела (газа или жидкости) в замкнутом объеме. Основные этапы рабочего цикла:

Нагрев рабочего тела в нижней части цилиндра, что приводит к его расширению и движению поршня вверх.
Перемещение горячего газа в верхнюю часть цилиндра, где он охлаждается.
Сжатие охлажденного газа, что приводит к движению поршня вниз.
Возвращение газа в нижнюю часть цилиндра для повторения цикла.

Важно отметить, что система полностью герметична, поэтому рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла. Это отличает двигатель Стирлинга от двигателей внутреннего сгорания, где топливо сгорает внутри цилиндров.

Модификации двигателя внешнего сгорания

Существует три основные модификации двигателя Стирлинга:

Модификация «Альфа»

Эта конфигурация состоит из двух отдельных цилиндров — горячего и холодного. Каждый цилиндр содержит свой поршень. Тепло подводится к горячему цилиндру, а холодный находится в охлаждающем теплообменнике.

Модификация «Бета»

В этой версии используется один цилиндр, который с одной стороны нагревается, а с другой охлаждается. Внутри цилиндра перемещаются два элемента — силовой поршень и вытеснитель. Вытеснитель служит для перемещения рабочего газа между горячей и холодной зонами цилиндра.

Модификация «Гамма»

Эта модификация использует два соединенных цилиндра. В одном цилиндре (полностью холодном) движется силовой поршень. Во втором цилиндре, который нагрет с одной стороны и охлажден с другой, перемещается вытеснитель.

Преимущества двигателя внешнего сгорания

Двигатель Стирлинга обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными двигателями внутреннего сгорания:

Универсальность в выборе источника тепла: может работать от любого источника тепловой энергии, включая солнечную энергию и биотопливо.
Простота конструкции: не требует сложных систем зажигания, газораспределения и т.д.
Долговечность: отсутствие детонации и меньшее количество движущихся частей обеспечивают длительный срок службы.
Бесшумность работы: особенно в модификации «Бета» с ромбовидным механизмом.
Экологичность: низкий уровень выбросов, особенно при использовании альтернативных источников тепла.
Высокий теоретический КПД: в идеальных условиях может достигать 60-70%.

Недостатки и ограничения двигателя Стирлинга

Несмотря на многочисленные преимущества, двигатели внешнего сгорания имеют ряд существенных недостатков, препятствующих их массовому применению:

Высокая материалоемкость: требуют использования дорогих жаропрочных материалов.
Большие габариты и вес: из-за необходимости в объемных теплообменниках.
Сложность регулирования мощности: требуются специальные системы управления.
Высокая стоимость производства: из-за использования дорогих материалов и сложной обработки.
Медленный отклик на изменение нагрузки: усложняет применение в транспортных средствах.

Попытки применения двигателя внешнего сгорания в автомобилях

Несмотря на технические сложности, было предпринято несколько попыток создания автомобилей с двигателями Стирлинга:

Ford Motor Company и Volkswagen Group проявляли интерес к этой технологии в 1950-х годах.
Шведская компания UNITED STIRLING разработала четырехцилиндровый V-образный двигатель для грузовых фургонов.
Philips создала двигатель 4-125DA мощностью 173 л.с. для легковых автомобилей.

General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель, который устанавливался на ограниченную серию Ford Torino в 1972 году.

Эти эксперименты показали потенциал двигателей Стирлинга, но также выявили их ограничения для массового применения в автомобильной промышленности.

Перспективы развития двигателей внешнего сгорания

Несмотря на текущие ограничения, двигатели Стирлинга продолжают привлекать внимание исследователей и инженеров. Основные направления развития включают:

Разработку новых материалов: создание доступных жаропрочных сплавов и керамики может снизить стоимость производства.
Совершенствование систем управления: разработка эффективных методов регулирования мощности.
Оптимизация конструкции: уменьшение габаритов и веса двигателя.
Интеграция с альтернативными источниками энергии: использование солнечной энергии или биотоплива.

При успешном решении этих задач двигатели внешнего сгорания могут стать конкурентоспособной альтернативой традиционным ДВС и электромоторам, особенно в специализированных применениях, требующих высокой эффективности и экологичности.

Заключение: будущее двигателей внешнего сгорания

Двигатели Стирлинга, несмотря на свой возраст, продолжают оставаться перспективной технологией. Их уникальные преимущества — универсальность в выборе топлива, высокая эффективность и экологичность — делают их привлекательными для ряда специализированных применений.

Однако для широкого распространения в автомобильной промышленности потребуются значительные технологические прорывы. Ключевыми факторами успеха станут разработка доступных жаропрочных материалов, оптимизация конструкции для уменьшения габаритов и совершенствование систем управления.

В ближайшем будущем двигатели внешнего сгорания, вероятно, найдут применение в нишевых областях, таких как автономные энергоустановки, космические аппараты и специализированные транспортные средства. Их развитие может также стимулировать инновации в смежных областях, например, в разработке новых материалов и теплообменников.

Хотя маловероятно, что двигатели Стирлинга полностью вытеснят традиционные ДВС или электромоторы в ближайшее время, они, несомненно, останутся важной частью развития энергоэффективных и экологичных технологий будущего.

Двигатели внешнего сгорания

Энергосберегающие технологии: Теплоэнергетическая установка FX-38 на основе двигателя внешнего сгорания с сжиганием газообразного топлива

Принцип работы

Предлагаемая инновационная технология основана на использовании высокоэффективного четырехцилиндрового двигателя внешнего сгорания. Это — тепловой двигатель. Тепло может поставляться от внешнего источника тепла или производиться путем сжигания широкого спектра видов топлива внутри камеры сгорания.

Тепло поддерживается при постоянной температуре в одном отделении двигателя, где оно преобразуется в водород, находящийся под давлением. Расширяясь, водород толкает поршень. В отделении двигателя с низкой температурой водород охлаждается при помощи аккумуляторов тепла и охладителей жидкости. При расширении и сжатии водород вызывает возвратно-поступательное движение поршня, которое преобразуется во вращательное движение при помощи наклонной шайбы, которая приводит в действие стандартный, емкостный электрический генератор. В процессе охлаждения водорода также производится тепло, которое можно использовать для комбинированного производства электроэнергии и тепла во вспомогательных процессах.

Общее описание

Теплоэнергетическая установка FX-38 представляет собой единый модуль «двигатель-генератор», который включает двигатель внешнего сгорания, систему сгорания, работающую на пропане, природном газе, попутном нефтяном газе, других видах топлива со средней и низкой энергоемкостью (биогаз), индуктивный генератор, систему контроля двигателя, защищенный от атмосферных воздействий корпус со встроенной системой вентиляции и другое вспомогательное оборудование для параллельной работы с сетью высокого напряжения.

Номинальная мощность по электричеству при работе на природном газе или биогазе при частоте 50 Гц составляет 38 кВт. Кроме того, установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла с поставляемой по специальному заказу системой комбинированного производства тепла и электроэнергии.

Установка FX-38 может быть оснащена различными опциями системы охлаждения для обеспечения гибкости схемы установки. Продукт разработан для простого подключения к электрическим контактам, системам подачи топлива и внешним трубам системы охлаждения, если оборудованы таковыми.

Дополнительные детали и опции

Модуль измерения мощности (обеспечивает установленный трансформатор тока для считывания на дисплее параметров переменного тока)
Опция дистанционного мониторинга по интерфейсу RS-485

Опции встроенного, либо удаленно смонтированного радиатора
Опция использования пропанового топлива
Опция использования природного газа
Опция использования попутного нефтяного газа
Опция использования топлива низкой энергоемкости

Установка FX-48 может применяться в нескольких вариантах следующим образом:

Параллельное подключение к высоковольтной сети при 50 Гц, 380 В переменного тока
Режим совместной выработки тепла и электроэнергии

Эксплуатационные характеристики установки

Выходная мощность складывается из электрической мощности и тепловой мощности. Для работы при частоте 50 Гц установка работает с тепловым коэффициентом 12230 кДж/кВт-ч (низшая теплота сгорания) и рассчитана на электрическую мощность 38 кВт. Показатель вырабатываемой электроэнергии 38 кВт включает паразитные потери, связанные с радиатором системы охлаждения, водяным насосом, вентилятором подачи воздуха в камеру сжигания, масляным насосом, контрольной системой и системой вентиляции блока.

В режиме производства электроэнергии и тепла при частоте 50 Гц установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла. Продукт оборудован системой труб, готовой для подключения к поставляемому заказчиком теплообменнику типа жидкость/жидкость. Горячая сторона теплообменника представляет собой схему замкнутого цикла с охладителем кожуха двигателя и встроенным радиатором системы, если таковые присутствуют. Холодная сторона теплообменника предназначена для схем теплоприемника заказчика.

Техническое обслуживание

Установка предназначена для непрерывной работы и отбора мощности. Базовая проверка эксплуатационных характеристик проводится заказчиком с интервалом в 1000 часов и включает проверку системы водяного охлаждения и уровня масла. Через 10000 часов эксплуатации производится обслуживание передней части установки, включающее замену поршневого кольца, сальника штока, ремня привода и различных сальников. Специфические ключевые компоненты проверяются на износ. Скорость работы двигателя составляет 1500 оборотов в минуту для работы на частоте 50 Гц.

Бесперебойность

Бесперебойность работы установки составляет свыше 95%, исходя из интервалов эксплуатации, и учитывается при графике технического обслуживания.

Уровень звукового давления

Уровень звукового давления блока без встроенного радиатора составляет 64 дБА на расстоянии 7 метров. Уровень звукового давления блока с встроенным радиатором с вентиляторами охлаждения составляет 66 дБА на расстоянии 7 метров.

Выбросы

При работе на природном газе выбросы двигателя меньше или равны 0,0574 г/Нм³ NO_x, 15,5 г/Нм³ летучих органических соединений и 0,345 г/Нм³ СО.

Газообразное топливо

Двигатель рассчитан на работу на различных типах газообразного топлива со значениями низшей теплоты сгорания от 13,2 до 90,6 МДж/Нм³, попутный нефтяной газ, природный газ, угольный метан, газ вторичной переработки, пропан и биогаз полигонов ТБО. Для охвата данного диапазона устройство может быть заказано со следующими конфигурациями топливной системы:

Система сгорания требует регулируемого давления подачи газа в 124-152 мбар для всех типов топлива.

Окружающая среда

Установка в стандартном исполнении работает при температуре окружающей среды от -20 до +50°С.

Описание установки

Теплоэнергетическая установка FX-38 полностью готова для выработки электроэнергии в заводской поставке. Встроенный электрический пульт монтируется на блок для удовлетворения требований интерфейса и контроля. Устойчивый к атмосферным воздействиям цифровой дисплей, встроенный в электрический пульт, обеспечивает оператору интерфейс запуска, остановки и перезапуска с помощью кнопок. Электрический пульт также служит основным местом подключения оконечного электрического устройства заказчика, а также с оконечными устройствами проводной связи.

Установка способна достигать выходной мощности полной нагрузки примерно через 3-5 минут с момента запуска в зависимости от изначальной температуры системы. Последовательность запуска и установки приводится в действие нажатием кнопки.

После команды пуска установка подключается к высоковольтной сети путем закрытия внутреннего контактора на сеть. Двигатель немедленно поворачивается, очищая камеру сжигания до открытия топливных клапанов. После открытия топливного клапана энергия подается на запальное устройство, поджигая топливо в камере сжигания. Наличие сжигания определяется по повышению температуры рабочего газа, что приводит в действие процедуру управления разгоном до точки рабочей температуры. После этого пламя остается самоподдерживающимся и постоянным.

После команды остановки установки сначала закрывается топливный клапан для прекращения процесса сжигания. По прошествии предварительно установленного времени, в течение которого механизм охлаждается, откроется контактор, отключая установку от сети. В случае если таковые установлены, вентиляторы радиатора могут работать некоторое время для уменьшении температуры охлаждающей жидкости.

В установке используется двигатель внешнего сгорания с постоянной длиной хода, подключенный к стандартному индукционному генератору. Устройство работает параллельно с высоковольтной сетью или параллельно с системой распределения энергии. Индукционный генератор не создает своего собственного возбуждения: он получает возбуждение от подключенного источника электросети. Если напряжение в электросети исчезает, установка отключается.

Описание узлов установки

Конструкция установки обеспечивает ее простой монтаж и подключение. Имеются внешние соединения для топливных труб, оконечных устройств электроэнергии, интерфейсов коммуникаций и, если это предусмотрено, внешнего радиатора и система труб теплообменника жидкость/жидкость. Установку можно заказать в комплекте со встроенным или удаленно монтированным радиатором и/или системой труб теплообменника жидкость/жидкость для охлаждения двигателя. Также предоставляются инструменты для безопасного отключения и логические схемы управления, разработанные специально для желаемого режима работы.

Кожух имеет две эксплуатационные панели на каждой стороне отделения двигатель/генератор и внешнюю однопетельную дверь для доступа к электрическому отделению.

Вес установки: около 1770 кг.

Двигатель является 4-цилиндровым (260 см³/цилиндр) двигателем внешнего сгорания, поглощающим тепло непрерывного сжигания газового топлива в камере внутреннего сгорания, и включает следующие встроенные компоненты:

Вентилятор подачи воздуха в камеру сгорания, приводится в действие двигателем
Воздушный фильтр камеры сгорания
Топливная система и кожух камеры сгорания
Насос для смазочного масла, приводится в действие двигателем
Охладитель и фильтр для смазочного масла
Водяной насос системы охлаждения двигателя, приводится в действие двигателем
Температурный датчик воды в системе охлаждения
Датчик давления смазочного масла
Датчик давления и температуры газа
Все необходимое контрольное и защитное оборудование

Характеристики генератора приводятся ниже:

Номинальная мощность 38 кВт при 50 Гц, 380 В переменного тока
Электрический КПД 95,0% при коэффициенте мощности 0,7
Возбуждение от коммунальной электросети при помощи индукционного мотора/генераторного возбудителя
Менее 5% общих гармонических искажений от отсутствия нагрузки до полной нагрузки
Класс изоляции F

Интерфейс оператора – цифровой дисплей обеспечивает управление установкой. Оператор может запустить и остановить установку с цифрового дисплея, посмотреть время работы, рабочие данные и предупреждения/сбои. При установке опционального модуля измерения мощности оператор может видеть многие электрические параметры, такие как вырабатываемая мощность, киловатт-часы, киловатт-амперы и коэффициент мощности.

Функция диагностики оборудования и сбора данных встроена в систему контроля установки. Диагностическая информация упрощает удаленный сбор данных, отчет по данным и устранение неисправностей устройства. Эти функции включают сбор системных данных, таких как информация о рабочем состоянии, все механические рабочие параметры, такие как температура и давление цилиндров, а также, если подключен опциональный измеритель мощности, – электрические параметры значений вырабатываемой мощности. Данные могут быть переданы через стандартный порт соединения RS-232 и показаны на персональном компьютере или ноутбуке при помощи программного обеспечения для сбора данных. Для нескольких установок или в случаях, когда расстояние передачи сигнала превышает возможности RS-232, для получения данных используется опциональный порт RS-485 с использованием протокола MODBUS RTU.

Для переноса горячих выхлопных газов от системы сгорания используются трубы из нержавеющей стали. К выхлопной трубе в месте выхода из кожуха прикреплена сбалансированная выхлопная заслонка с защитным колпаком от дождя и снега.

Для охлаждения могут применяться различные прикладные технологии и конфигураций:

Встроенный радиатор – предоставляет собой радиатор, рассчитанный на температуру окружающей среды до +50°C. Все трубы подключаются в заводских условиях. Это типичная технология в случае, если не используется утилизация отходящего тепла.

Внешний радиатор – предназначен для установки заказчиком, рассчитан на температуру окружающей среды до +50°C. Короткие несущие ножки поставляются с радиатором для монтажа на контактном столике. При необходимости установки в помещении можно использовать данный вариант вместо предоставления системы вентиляции, требуемой для подачи охлаждающего воздуха во встроенный радиатор.

Внешняя система охлаждения – предоставляет систему труб снаружи кожуха для поставляемой заказчиком системы охлаждения. Ей может выступать теплообменник или удаленно монтированный радиатор.

Хладагент состоит из 50% воды и 50% этиленгликоля по объему: можно заменить смесью пропиленгликоля и воды, при необходимости.

Установка FX-38 использует водород в качестве рабочего тела для приведения в движение поршней двигателей по причине высоких способностей водорода к передаче тепла. В нормальном режиме работы потребляется предсказуемое количество водорода из-за нормальных утечек, вызванных проницаемостью материала. Для учета этого темпа потребления место установки требует наличия одного или нескольких наборов баллонов с водородом, отрегулированных и подсоединенных к блоку. Внутри установки встроенный водородный компрессор увеличивает давление в баллоне до более высокого давления в двигателе и вводит малые порции по запросу встроенного программного обеспечения. Встроенная система не требует технического обслуживания, а баллоны подлежат замене в зависимости от работы двигателя.

Для подачи топлива поставляется труба со стандартной трубной резьбой 1 дюйм для всех стандартных типов топлива, за исключением низкоэнергетических вариантов, для которых используется стандартная трубная резьба 1 ¹/₂ дюйма. Требования к давлению топлива для всех видов газообразного топлива составляют от 124 до 152 мбар.

Двигатель внешнего сгорания: 3 модификации двинателя Стирлинга

Содержание статьи

Одним из перспективных источников механической энергии для автомобилей является двигатель внешнего сгорания, разработанный уроженцем Шотландии Робертом Стирлингом пару веков назад. Двигатель внешнего сгорания Стирлинга по принципу работы сильно отличается от привычного для всех ДВС. Но на какое-то время после разработки о нём благополучно забыли.

История создания

В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг.

Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.

Несмотря на такой быстрый успех продвижения модели, в начале двадцатого столетия от дальнейшего развития двигателя внешнего сгорания отказались из-за его себестоимости в пользу двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации

Принцип работы любого теплового мотора заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии нужны немалые механические усилия. В качестве наглядного примера можно привести опыт с двумя кастрюлями, согласно которому их наполняют холодной и горячей водой. Опускают в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку переносят в горячую воду.

При таком перемещении газ в бутылке совершает механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель осознал, что часть выделяемого тепла можно использовать для подогрева. Производительность агрегата от этого только возросла.

Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею об охлаждении и нагревании газа при постоянном давлении вместо объёма. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажей и транспортных средств агрегат оказался слишком тяжёлым.

На рисунке наглядно отображается рабочий цикл двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит за счёт изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объёме. В нижней части агрегата рабочее вещество нагревается, увеличивается в объёме и выталкивает поршень вверх.

Горячий воздух поступает в верхнюю часть мотора и охлаждается с помощью радиатора. Давление рабочего тела понижается, а поршень опускается для повторения всего цикла. Система полностью герметична, благодаря чему рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла.

Кроме того, существуют моторы с открытым циклом, в которых регулирование потоком реализуется с помощью клапанов. Эти модели называют двигателем Эриксона. В целом принцип работы двигателя внешнего сгорания схож с ДВС. При низких температурах в нём происходит сжатие и наоборот. Нагрев же осуществляется по-разному.

Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра извне. Стирлинг догадался применять периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Этот поршень перемещает газы с одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой — высокие. При перемещении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость.

Система вытеснителя в двигателе соединена с рабочим поршнем, который сжимает газ в холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа совершается как раз благодаря сжатию в более низких температурах. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между стадиями цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Некоторые детали работы двигателя

В теории подводить энергию в двигатель внешнего сгорания может любой источник тепла (солнце, электричество, топливо). Принцип работы тела двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Термическим максимально возможным КПД обладает идеальный цикл. КПД при этом составляет от 30 до 40 %. Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимуществом является работа без масел. В целом смазки двигателю необходимо немного. Среднее давление в цилиндре варьируется от 10 до 20 МПа. Необходима хорошая уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Согласно теоретическим расчётам эффективность двигателя Стирлинга сильно зависима от температуры и может достигать даже 70 %. Самые первые реализованные в металле образцы двигателя обладали низким КПД, поскольку варианты теплоносителя были неэффективны и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению. Во второй половине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель 35 % КПД на водном теплоносителе и с температурой 55 градусов по Цельсию. Совершенствование конструкции в некоторых экспериментальных образцах позволило достичь практически 39 % КПД. Почти все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 — 30 %. Турбированные дизели достигают около 35 %. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, показывают эффективность до 43 %.

После освоения жаропрочной керамики и других инновационных материалов появится возможность ещё сильнее увеличить температуру среды. КПД может при таких условиях достичь даже 60 %.

Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.