Двигатели внешнего сгорания. Виды и принцип работы двигателей внешнего сгорания: полный обзор

Что такое двигатель внешнего сгорания. Какие бывают виды двигателей внешнего сгорания. Как работает двигатель внешнего сгорания. Какие преимущества и недостатки у двигателей внешнего сгорания. Где применяются двигатели внешнего сгорания.

Что такое двигатель внешнего сгорания

Двигатель внешнего сгорания — это тепловой двигатель, в котором процесс сгорания топлива происходит вне рабочего цилиндра. Тепло от сгорания передается рабочему телу через стенки цилиндра или специальный теплообменник.

Основные особенности двигателей внешнего сгорания:

• Топливо сгорает во внешней камере сгорания
• Рабочее тело (газ, пар или жидкость) нагревается извне
• При нагреве рабочее тело расширяется и совершает работу
• Тепло передается рабочему телу через теплообменник или стенки цилиндра

Основные виды двигателей внешнего сгорания

Существует несколько основных типов двигателей внешнего сгорания:

1. Паровая машина

Это один из первых и наиболее известных видов двигателей внешнего сгорания. В паровой машине вода нагревается в котле до образования пара высокого давления, который затем расширяется в цилиндре и приводит в движение поршень.

2. Двигатель Стирлинга

В двигателе Стирлинга используется замкнутый цикл с постоянным количеством рабочего газа. Газ циклически сжимается в холодном цилиндре, нагревается во внешнем нагревателе, расширяется в горячем цилиндре и охлаждается в охладителе.

3. Паровая турбина

В паровой турбине пар высокого давления расширяется, проходя через систему неподвижных и вращающихся лопаток. Энергия пара преобразуется во вращение вала турбины.

4. Двигатель с внешним подводом теплоты

Этот тип двигателя использует любой внешний источник тепла для нагрева рабочего тела. Источником может быть солнечная, ядерная энергия, сжигание различных видов топлива и т.д.

Принцип работы двигателя внешнего сгорания

Рассмотрим принцип работы двигателя внешнего сгорания на примере паровой машины:

1. Топливо сжигается во внешней камере сгорания (топке)
2. Тепло от сгорания передается воде в котле через стенки
3. Вода закипает и превращается в пар высокого давления
4. Пар по трубопроводу поступает в рабочий цилиндр
5. Расширяясь, пар толкает поршень и совершает полезную работу
6. Отработавший пар выпускается в конденсатор
7. В конденсаторе пар охлаждается и снова превращается в воду
8. Вода возвращается в котел, и цикл повторяется

Таким образом, в двигателе внешнего сгорания энергия топлива сначала преобразуется в тепловую энергию рабочего тела, а затем в механическую работу.

Преимущества двигателей внешнего сгорания

Двигатели внешнего сгорания имеют ряд важных достоинств:

• Возможность использования различных видов топлива
• Относительно низкий уровень шума и вибраций
• Высокая надежность и большой ресурс
• Плавный ход и высокий крутящий момент
• Экологичность (при правильной организации процесса горения)
• Возможность утилизации низкопотенциального тепла

Недостатки двигателей внешнего сгорания

К основным недостаткам двигателей внешнего сгорания относятся:

• Низкий КПД по сравнению с двигателями внутреннего сгорания
• Большие габариты и масса
• Медленный запуск и прогрев
• Сложность регулирования мощности
• Необходимость в отдельных системах подвода тепла и охлаждения

Области применения двигателей внешнего сгорания

Несмотря на недостатки, двигатели внешнего сгорания находят применение в различных сферах:

• Тепловые электростанции (паровые турбины)
• Атомные электростанции
• Корабельные силовые установки
• Локомотивы (паровозы)
• Автономные энергетические установки
• Системы утилизации тепла
• Криогенная техника

Перспективы развития двигателей внешнего сгорания

Современные разработки в области двигателей внешнего сгорания направлены на:

• Повышение КПД за счет использования новых материалов и конструкций
• Создание компактных и легких двигателей Стирлинга
• Разработку двигателей на альтернативных источниках энергии
• Применение в гибридных силовых установках
• Использование в микро-ТЭЦ для автономного энергоснабжения

Хотя двигатели внутреннего сгорания сегодня доминируют на транспорте, двигатели внешнего сгорания остаются востребованными в энергетике и ряде специальных применений. Их экологичность и возможность работы на различных видах топлива делают их перспективными для дальнейшего развития.

Двигатели с внешним подводом тепла

По критерию экологичности, использования любого вида топлива, наилучшими характеристиками обладает двигатель с внешним подводом тепла (ДВПТ), реализующий цикл Стирлинга. Внешний подвод тепла позволяет применять различные тепловые источники без каких-либо существенных изменений конструкции двигателя. Практически все виды ископаемого топлива от твердых до газообразных могут быть использованы в подобных двигателях. Для оценки уровня токсичности двигателя с внешним подводом тепла на рисунке приведены удельные выделения токсичных веществ в этом двигателе, в дизеле, газовой турбине и карбюраторном двигателе [4]. Рассмотрим основные преимущества двигателей с внешним подводом тепла (внешнего сгорания) [4]. Термический КПД составляет до 60% Использование практически всех видов ископаемого топлива – от твердых до газообразных, использование солнечной энергии, энергии геотермальных источников Регулирование мощности путем изменения давления рабочего тела и температуры Легкий запуск при низкой температуре окружающей среды Герметичность Высокий моторесурс Термический КПД равен КПД цикла Карно и с учетом достигнутых в настоящее время температур составляет около 60%. В двигателе внешнего сгорания снимаемая с вала мощность регулируется путем изменения давления рабочего тела во внутренних полостях двигателя. В то же время температуры нагревателя и охладителя автоматически поддерживаются постоянными. Следовательно, при изменении мощности и частоты вращения вала граничные температуры и их отношения остаются постоянными. Благодаря этому экономичность двигателя при работе на неноминальном режиме меняется незначительно. Двигатель внешнего сгорания, имеющий большое давление рабочего тела во внутренних полостях и достаточно высокую температуру трубок нагревателя, легко пускается при любой температуре окружающей среды. Его пуск зависит исключительно от надежности, с которой может быть воспламенено топливо в камере сгорания. Так как двигатель внешнего сгорания полностью герметичен, то пыль, попадающая в воздушный заряд камеры сгорания из окружающего пространства, не поступает в цилиндры и картер. Вследствие этого отсутствует дополнительный абразивный износ движущихся деталей механизма привода. Моторесурс двигателя внешнего сгорания определяется скоростью наступления предела ползучести материала деталей нагревателя, работающих при высокой температуре. В общем случае любой двигатель внешнего сгорания может гарантированно выдерживать кратковременную 50–80%-ную перегрузку без заметного снижения долговечности [4], так как температура деталей остается неизменной. Внешнее сгорание происходит непрерывно и не имеет взрывного характера, благодаря чему при сгорании и выпуске шум почти не генерируется. Кроме того, давление в цилиндрах двигателя внешнего сгорания изменяется плавно, практически по синусоидальному закону. Впускные и выпускные клапаны, а также механизм газораспределения отсутствуют. Уровень шума этого двигателя в среднем на 20–30 дБ ниже, чем дизеля такой же мощности. Основываясь на вышесказанном можно сказать, что в области создания двигателей возникло техническое противоречие: с одной стороны мы имеем компактные и дешевые двигатели внутреннего сгорания, а с другой массивные и дорогие в изготовлении двигатели с внешним подводом теплоты.

Псков, 2009

дальше >>>

Роторные двигатели внешнего сгорания

Первые тепловые машины созданные человечеством были машинами внешнего сгорания. Они широко (для того времени) использовались в различных  отраслях промышленности и на транспорте. Как правило, основой преобразования энергии газа во вращательное движение была кинематика поршневого двигателя с кривошипно-шатунным механизмом. После создания двигателей внутреннего сгорания, сфера применения двигателей с внешним подводом тепла значительно сократилась. В последнее время в связи с развитием  технологии, появлением новых материалов появились перспективы реализовать потенциальные возможности двигателей  внешнего сгорания.

Их относительная экологическая чистота, возможность применения помимо традиционного другого разнообразного топлива  или источников тепла (солнечной, ядерной энергии) меньшая шумность возродила интерес к ним.

Одним из самых конструктивно и технологически проработанным (не считая турбин)  двигателем внешнего сгорания является двигатель Стирлинга, который к тому же имеет довольно высокий теоретический (до 70 %) КПД. Правда, основные модификации  (альфа, бета, гамма) таких двигателей конструктивно сложны и громоздки, а схема преобразования теплоты, содержащейся в топливе, предполагает значительные потери механической энергии, и небольшую по сравнению с обычным ДВС, удельную мощность. Кроме того, сложно решить  вопросы уплотнения и    герметизации рабочего тела. И попытки обойти эти проблемы в существующих схемах, даже с учетом новых технологий, пока не привели к созданию конкурентоспособной  с обычным ДВС силовой установки.

Авторы предлагают варианты схем построения двигателей внешнего сгорания, лишенных, на их взгляд,  некоторых из вышеописанных, существенных недостатков. Такие схемы позволяют иметь высокие удельные характеристики двигателей, меньшие требования к уплотнениям, использование распространенных компонент в качестве рабочего тела и более низкие значения средних давлений цикла без потери эффективности. Тип расширительной машины  и схемы построения двигателя позволяют иметь два важных свойства.

 Первое – однонаправленностьпроцесса  исключает потери, связанные с изменением направления  движения рабочего тела. Возвратно–поступательное движение поршневой машины (большинство построенных двигателей имеет этот тип кинематики), создает  и  соответственное движение рабочего тела. А это,  при больших паразитных объемах и на высоких частотах вращения, приводит  к уменьшению   перемещаемой массы рабочего тела в системе согласно тактам цикла. В существующих двигателях с возвратно поступательным движением, порции рабочего тела не могут в цикле находится более чем в двух смежных тактах.  Приходится резко ограничивать объемы теплообменников и трубопроводов. Ограничение объемов теплообменников  свою очередь ведет к  снижению скорости теплообмена. И тогда, для построения двигателей с высокими удельными характеристиками полученных за счет значительных оборотов, надо   использовать рабочее тело с большим коэффициентом теплопередачи (водород, гелий). А  ограничение объемов трубопроводов приводит  к большим газодинамическим потерям (уменьшение проходного сечения).

Однонаправленность, же позволяет иметь в устоявшемся режиме относительно  постоянную скорость рабочего тела в системе и темне позволяет пружинить рабочим телом, что значительно уменьшает потери от паразитных объемов. Используя это свойство можно иметь в теплообменнике 2-3 «порций» рабочего тела. Отсюда,  при сквозном проходе рабочего тела по закольцованному контуру, время теплообмена можно увеличить в 2-3 раза, и при этом  иметь более развитую  площадь теплообмена за счет больших теплообменников. А это в свою очередь увеличит и скорость теплообмена. Похожие схемы имеют двигатель Нисковских и частично Цвауэра.

Второе –  параллелизм,  кратно увеличивающий (при равном количестве рабочих тактов в единицу времени) время такта в цикле т.к. каждый такт в параллельных секциях происходит   одновременно и синфазно, что приводит и соответственному увеличению  времени теплообмена. К примеру, это время вчетверо больше, чем в существующих двигателях Стирлинга любой модификации с последовательным чередованием тактов  цикла.  И это качество, при равных условиях, позволяет иметь меньшую  скорость рабочего тела, тем самым значительно уменьшая и газодинамические потери.

  В итоге, реализуя оба свойства длительность теплообмена   можно увеличить на порядок. А это  – повышение удельных показателей двигателей использующих доступный газ, к примеру азот  (воздух) на уровень двигателей, где в качестве рабочего тела используется вещество с большим коэффициентом передачи теплоты (водород и гелий). И поэтому появляется возможность создания относительно дешевых двигателей с высокими удельными характеристиками, с меньшими требованиями к уплотнениям, с функцией  компенсации потери рабочего тела(воздух) и поддержании среднего давления цикла посредством подкачки (компрессор с независимым приводом или от двигателя, ресивер и т. д.) из атмосферы. Кроме того, более высокая масса воздуха (по сравнению с водородом), при однонаправленном движения  рабочего тела, способствует накоплении энергии, чем выравниваются возникающие пульсации потока.

 Естественно в качестве рабочего тела можно использовать и другие газы, а с применением  водорода или  гелия можно кратно увеличить удельную мощность (за счет оборотов)   по отношению к существующим двигателям, до пределов механических ограничений.

Сердце данных двигателей его силовая часть, основа преобразования – роторная машина расширения (Рис.1).

 

 

 

 

 

 

 Машина расширения для двигателя внешнего сгорания  содержит неподвижный корпус  представляющий полый цилиндр, который с торцов прикрыт крышками, ротор  в виде посаженного на вал  колеса и имеющего n  П-образных выдвигающихся, посредством выдвижного устройства (ВУ), пластин –лопаток расположенных в спицах. Внутренняя ободная поверхность корпуса и внешняя ободная поверхность ротора образуют n  синусоидальнообразных полостей с впускными и выпускными окнами каждая.

  Конструктивные особенности машины расширения позволяют иметь довольно значительные объемы полостей, при небольших общих габаритах. Самым оптимальным является трехлопаточный вариант, (и при  дальнейшем увеличении лопаток — кратно трем) обеспечивающий при минимальном диаметре ротора максимальное значение опорной части лопаток при  их полном выдвижении, и наибольшую величину этого выдвижения.

Механизм ВУ обладает несложной кинематикой и суть вспомогательное устройство, а не элемент преобразования энергии, и служит для согласования выдвижения лопаток с углом поворота ротора. Механизм ВУ не подвергается большим динамическим нагрузкам  и не является  источником значительных механических потерь.

 Герметизацию полостей машины расширения можно обеспечить путем лабиринтных уплотнений. В внутриободном пространстве ротора можно иметь избыточное давление без потерь КПД ( в отличии альфа модификаций, где подпоршневое давление в картере уменьшает КПД). Лопатки находятся в закрытых (изолированных от внутриободного пространства ротора) каналах расположенных в спицах с выходом только в рабочие полости и  соединенных с элементами ВУ (толкателями) через легко уплотняемые штоки. Последние, в свою очередь, могут быть защищены гофрированными втулками от масла. Внутриободное пространство ротора в свою очередь должно быть отделено (не показано) от подверженного  смазке около осевого пространства (где расположены элементы ВУ). В каналах лопаток (лучше с выталкивающей стороны) расположены желобки, для подвода рабочего тела к тыльной грани лопаток, что бы избежать  тормозящего разряжения.

                        Работа машины расширения осуществляется следующим образом (Рис.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Рабочее тело  через впускное окно  подается в рабочую полость  и, воздействуя на заднюю грань (по ходу вращения) лопатки, заставляет ротор  вращаться. А в дальнейшем  лопатка своей передней гранью выталкивает отработанное рабочее тело через выпускное окно, чем обеспечивается  его прямоточное движение внутри расширительной машины.

Построение двигателя как комбинации нескольких размещенных на одном валу модулей (секций машин расширения) с подобранными объемами полостей и расположением зон нагрева и охлаждения, позволяет задать  любой термодинамический цикл его работы (с учетом параметров рабочего тела, конструкционных материалов, и используемого топлива), к примеру  цикл Стирлинга, Эриксона и т.д. Варианты схем построения двигателей ограниченны только рациональностью и здравым смыслом и показывают гибкость данной конструкции.

Классический цикл Стирлинга  реализуется в двигателе, в котором  на всех этапах цикла используется  только газообразное рабочее тело с четырьмя переменными объемами и с использованием регенераторов (Рис3. схема построения).

 

 

 

 

 

 

 

 

 Двигатель составлен из последовательно расположенных на одном валу  секций-модулей  Si  (где i = 1,2…k), каждая из которых имеет  N полостей  определенного (условного) объема Vi. И двигатель состоит из двух четко разделенных частей.  Одна – нагревается (горячая) Dh, а другая – охлаждается (холодная) Dc.. Участки корпуса и ротора, принадлежащие к разным частям, теплоизолированы друг от друга.  Основные элементы Ву (кривошипы, коромысло) расположены в «холодной» части двигателя. Водило с расположенными на нем элементами, организующими качание вала выдвижного устройства,  может быть общим для всех секций двигателя. А вал ВУ проходит по геометрической оси через общий полый вал роторов модулей  и «поэтажно» имеет рычаги с толкателями лопаток. Этим обеспечивается синфазное выдвижение лопаток  всех модулей.  Каждая часть состоит из  двух секций S. Соотношение объемовVполостей соответствующих секций Si (модулей), ( V1 = V2, V3 = V4для цикла Стирлинга).  Выпускные окна  полостей одной секции (Si)последовательно соединены трубопроводами с впускными окнами  другой Si+1 (последующей по циклу). А так, как не имеет значения, из какой полости секции (Si) рабочее тело перейдет в конкретную полость следующей по циклу секции (Si+1), то можно  выходы одной секции и   входы следующей свести в один коллектор  кольцевого типа, охватывающий двигатель и исполняющий роль теплообменника, причем   значительная  площадь его поверхности  будет этому способствовать. В определенном месте (в соответствии с термодинамическим циклом) в  разрез трубопроводов противонаправленных потоков рабочего тела вставлены вращающиеся вокруг своей оси дисковые регенераторы (регенератор) рабочеготела Rg 1.  Регенераторимеет радиальное разделение его насадок на секторы теплоизоляционными продольными пластинами (в поперечном разрезе –  как цитрусовые). Трубопроводы различных направлений (относительно зон нагрева и охлаждения), в разрез которых вставлен диск-кассета,  чередуясь, последовательно разнесены с учетом направления вращения диска с насадками (причем на один диск могут подводится трубопроводы от нескольких полостей, или их общего коллектора). Скорость вращения диска регенератора  и толщина насадок должна быть согласована со скоростью вращения ротора, с учетом привода от двигателя (возможный и независимый привод). Задавая направленность рабочего тела (подсоединением трубопроводов к соответствующим сторонам диска регенератора), можно еще  использовать и резонансный эффект.

Для предотвращения потерь связанных с холостым проходом рабочего тела рабочих полостей, в модуле расширения (или в других модулях в зависимости от цикла), при нахождении лопаток в зоны перехода, нужна перекрывающая задвижка перед впускным окном соответствующего модуля. Диск регенератора также может исполнять роль запирающей задвижки, перекрывающей трубопровод в момент прохождения лопаткой зону перехода, когда соответствующий сектор будет  глухо закрыт пластиной.

 Нагрев рабочего тела происходит в нагревателе Hот любого источника тепла ((в представленном – горелки). Охлаждение рабочего тела в холодильнике С посредством  охлаждающей жидкости с последующим отводом тепла через радиатор Rd.  Нагрев и охлаждение также захватывают стенки  модулей в соответствии расположении последних  в определенных  зонах (частях ) двигателя.  Для более эффективного использования тепла рабочего тела  служит и  предварительный теплообменник НС 1 выравнивающий  температуру отходящего и входящего потока  рабочего тела. Для регулировки мощности служит золотник Z , управляемый посредством  штока,  и перепускной канал, соединяющий выпускной трубопровод секции  S1 с впускным. Выдвигаясь, при регулировании, золотник отсекает часть потока рабочего тела выходящего из модуля «холодного» отдела и следующего в «теплый»  и возвращает во входящий трубопровод данного модуля. Тем самым определяется количество рабочего тела проходящего через зону нагрева, что  и  соответственно влияет на изменение мощности с высокой степенью реакции.

Подвод воздуха к горелкам (для источников тепла требующих кислород) происходит посредством нагнетателя, через воздушный  регенератор Rg 2( построенного аналогично Rg 1) и  встроенного в противонаправленные каналы подвода воздуха и отвода  отработанных газов. Тем самым идет подогрев воздуха к горелкам и уменьшаются тепловые потери. Для той же цели  также используется  и воздушный предварительный теплообменник НС 2. Такая обвязка позволяет максимально исключить (уменьшить) тепловые потери.

В данном исполнении термодинамический цикл, благодаря синфазности выдвижения лопаток будет более полно соответствовать теоретическому циклу Стирлинга.

Полезная работа двигателя будет

L= Pср. h (V2 –V1) – Pср.c(V3 – V4) – Lспр.

   где, Pср. h   — среднее давление в горячем отделе

           Pср.c  — среднее давление в холодном отделе

Pср. h   = Pср.c *(T2 ) / (T1 ) ,

где T1  — температура (K) холодильника ( в отделе C),     T2 – температура (K) нагревателя (в отделе H)

            L спр.   – работа сил механического, газодинамического и др. сопротивления.

 Мы уже отмечали гибкость системы для  построения двигателей по различным термодинамическим циклам. И, как вариант, исключим одну малую «горячую» секцию с условным объемом  V2.Образующая система с подобранными объемами V1, V3. V4. и рабочим процессом при трех тактах  будет реализовывать следующий термодинамический (в теории естественно) цикл.

Это естественно, приведет к некоторой потере эффективности. Но, помимо упрощения конструкции двигателя и снижения его массогабаритных показателей, можно иметь важное преимущество. В «горячей» области в секции с условным объемом  V3, давление, перед  и после лопатки существенно не различимо (естественно будут определенные незначительные отклонения). Отсюда  в самой термически нагруженной части двигателя значительно упрощаются требования к уплотнениям лопаток. Достаточно иметь технологические зазоры (как в турбине) между стенками рабочей полости и торцами лопатки. Это возможно, так как выдвижение лопаток согласованно с углом поворота ротора. А в оставшихся «холодной» секции с почти «комнатной» температурой, проблемы уплотнений (включая материал изготовления) решить значительно проще.

 

Также можно позволяют построить  паровой двигатель с использованием регенераторов (общий вид рис.1).

В двигателе, в качестве рабочего тела используются  две компоненты, одна  постоянно пребывающая в цикле в газообразном состоянии — газовый носитель, и компоненты  изменяющей свое фазовое состояние. Газовая составляющая в двухобъемном варианте, может и не является рабочим телом. Это несущая и вспомогательная субстанция позволяющая использовать регенераторы в паровой машине. И газовая составляющая изначально находится при повышенном давлении.

Для построения данного двигателя используем две секции (модуля), первая S1 с условным объемом  V1 является насосом газовой составляющей, а вторая  S3 с условным большим объемом V3-  непосредственно машина расширения (Рис. 5).

 

Рабочее тело (в газообразном состоянии) с газовым носителем, пройдя  после расширения  регенератор Rg 1, в конденсаторе-сепараторе Cs, конденсируется и становится жидкостью, а газовая составляющая попадает в малую «холодную» секцию S1 (V1).

 На выходе этой секции перед регенератором или  через открытый торец его обода  компоненты опять смешиваются, там жидкообразная распыляется  форсункой F, а газовая несущая позволяет создавать направленность потока и осуществляет перенос компоненты  изменяющей фазовое состояние.

Трубопровод перед регенератором разделен камеры таким образом сначала в первой камере (по чередованию прохождения насадки) происходит смешивание компонент. Пройдя регенератор жидкая составляющая опять становится газом (паром), и поступает через нагреватель в зону расширения всекцию  S3 (V3). В итоге получается паровая машина с регенераторами, где газовая составляющая  является постоянной компонентой замкнутого цикла. Форсунка Fa расположенная в зоне нагрева служит для максимально быстрого изменения – акселерации (увеличения) мощности.

 Если задействовать в паровой машине три секции(и более) получим   более перспективное направление – двигатели, использующие  смешанное двухкомпонентное рабочее тело. Здесь газовая компонента суть рабочее тело, иуже будет совершать работу, содействуя приросту КПД.  Наиболее перспективным выглядит двухкомпонентный двигатель и с тремя секциями S1,S3,S4 с условными объемами V1,   V3 , V4 (Рис.6).

Основным достоинством такого рабочего тела является возможность получения при существующих уровнях среднего давления рабочего тела  удельной мощности, почти в 2 раза большей, чем в случае однокомпонентного газового топлива. Кроме того, процессы парообразования и конденсации, наблюдаемые при фазовом переходе компонентов, характеризуется высокими коэффициентами теплоотдачи. Поэтому процессы сжатия и расширения в большей степени приближенны к изотермическим, чем в цикле с газовым рабочим телом.  Важно и то, что при этом значительно (на две-три сотни градусов) снижается  максимальная температура цикла и  начальное давление газообразного рабочего тела. При этом чувствительность мощности двигателя к изменению «мертвого» объема оказывается чрезвычайно низкой.

Таким образомширокий выбор вариантов построения двигателя с определенным циклом, способом организации рабочего процесса, при однонаправленном движением рабочего тела, в сочетании с простотой расширительной машины и использованием вращающихся регенераторов позволяет с помощью дешевых и доступных материалов добиться повышения  КПД и удельных характеристик двигателя. Сохраняя при этом уже известные достоинства  двигателей данного типа– малошумность, «всеядность», высокий крутящий момент в очень широком диапазоне частот вращения выходного вала, увеличенный ресурс и низкие затраты на обслуживание  при длительной эксплуатации.  А указанные способы регулирования мощности  позволяют применять данный двигатель не только в качестве стационарной силовой установки, но и стать реальной  альтернативой мобильным (транспортным)  ДВС.

       Литература.

1. Уокер Г. Пер.с англ. – М.: Машиностроение,1985.
2. Г.Т.Ридер, Ч.Хупер.. М., Наука, 1986.
3. Двигатели Стирлинга / [В.Н. Даниличев, С.И. Ефимов, В.А. Звонок и др.]; под ред. М.Г. Круглова. – М.: «Машиностроение», 1977.
4. Патент РФ 2454546. Роторный преобразователь энергии и двигатель внешнего сгорания с его      использованием.  Чантурия И.Г., Чантурия О.Г.

                                                                                                     О.ЧАНТУРИЯ, И.ЧАНТУРИЯ.

Как работает двигатель внешнего сгорания?

Содержание

Двигатель — это механическое оборудование, преобразующее энергию топлива в механическую работу. Двигатели используются для различных целей по всему миру. Существует несколько типов двигателей в зависимости от характера применения. Однако двумя наиболее известными типами двигателей являются двигатель внешнего сгорания (EC) и двигатель внутреннего сгорания (IC). В предыдущей статье мы подробно обсудили двигатели внутреннего сгорания. Поэтому в этой статье в основном рассказывается о двигателе ЕС.

Что такое двигатель внешнего сгорания?

Типы двигателей внутреннего сгорания, P…

Пожалуйста, включите JavaScript

Типы двигателей внутреннего сгорания, детали и компоненты

Двигатель внешнего сгорания (двигатель ЕС) — поршневой двигатель, в котором внешний источник тепла используется для нагрева (внутреннего) рабочего тела через теплообменник или стенки двигателя. Когда жидкость нагревается, она расширяется, вырабатывает энергию и приводит в движение транспортное средство.

Простыми словами, двигатель , в котором сгорание рабочего топлива происходит вне рабочего цилиндра , называется двигателем внешнего сгорания .

В этих типах двигателей в качестве рабочего тела используется газ, пар или жидкость. В этом двигателе топливно-воздушная смесь заполняется во внешнюю камеру сгорания. При сгорании топливно-воздушной смеси выделяется большое количество тепла.

Теплообменник или стенка двигателя используются для передачи произведенного тепла от внешней камеры сгорания к внутреннему рабочему телу. Когда внутренняя жидкость нагревается, она расширяется и воздействует на механизмы двигателя, в результате чего возникает движение и возможная работа.

Паровой двигатель является наиболее распространенным примером двигателя внешнего сгорания. В этом двигателе, когда пар входит в двигатель, он расходуется, вращает поршень и преобразует тепловую энергию в механическую энергию. В случае паровой машины пар генерируется вне двигателя (т. Е. Котла). Поэтому он называется двигателем ЕС.

В настоящее время двигатели ЕС не используются на транспорте из-за неэффективности мобильной конструкции, но все еще используются на электростанциях. Эти типы двигателей чаще всего используются на гидроэлектростанциях.

Угольные электростанции работают аналогичным образом: уголь доставляется из шахт на электростанции и сжигается в котлах. Трубы используются для подачи воды в котел. Когда вода поступает в котел, горящий уголь нагревает воду и превращает ее в пар, который приводит в действие турбину для производства электроэнергии.

Работа двигателя внешнего сгорания

Двигатель внешнего сгорания — это тип двигателя, в котором для сжигания внутреннего рабочего тела используется внешний источник тепла. Двигатель Стирлинга и паровой двигатель являются наиболее распространенными типами двигателей ЕС. Двигатель ЕС работает следующим образом:

• Прежде всего, теплоноситель (например, уголь) подается к внешнему источнику тепла (например, котлу).
• Подача воды из резервуара в котел.
• Когда вода поступает в котел, уголь воспламеняется и нагревает воду.
• При повышении температуры воды она превращается в пар.
• После преобразования воды в пар пар проходит через компрессор, который сжимает пар и увеличивает давление пара.
• Когда сильно сжатый пар достигает цилиндра двигателя, он расширяется и заставляет поршень двигаться вперед и назад.
• Коленчатый вал соединен с поршнем. Поршень сообщает свое движение коленчатому валу.
• Коленчатый вал преобразует движение поршня во вращательное и приводит во вращение маховик.
• При вращении маховик дополнительно передает мощность на шины автомобиля и помогает ему двигаться.

Типы двигателей внешнего сгорания

Двигатель внешнего сгорания бывает двух основных типов:

1. Паровой двигатель
2. Двигатель Стирлинга

1) Паровой двигатель

. Этот тип двигателя EC использует пар в качестве рабочей среды для выполнения механической работы. Паровая машина преобразует тепловую энергию пара в энергию вращения.

Двигатель, в котором рабочая среда отделена от продукта горения. Для анализа этого процесса используется идеальный термодинамический цикл, известный как «цикл Ренкина».

Этот двигатель использует тепловую энергию пара для перемещения поршня вперед и назад в цилиндре. Это возвратно-поступательное движение поршня передается на коленчатый вал и шатун. Коленчатый вал преобразует движение поршня во вращательное движение, приводя в действие систему рулевого управления автомобиля.

2) Двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга является одним из самых известных типов двигателей внешнего сгорания. В холодную погоду заводится быстро. Обладает высокой гибкостью.

Эти типы двигателей имеют тихую работу. Они могут использовать различные источники тепла, такие как ядерное, геотермальное и биологическое.

Детали и функция двигателя внешнего сгорания

Двигатель внешнего сгорания имеет приведенные ниже основные детали:

1. Цилиндр
2. Ям0054

1) Цилиндр

Рабочий цилиндр — это часть двигателя ЕС, в которой находится рабочее топливо (т. е. газ). Получая тепло от внешнего источника тепла, он нагревает рабочее тело, сжигает его и производит полезную работу.

2) Поршень

Этот поршневой компонент двигателя внешнего сгорания совершает возвратно-поступательное движение внутри рабочего цилиндра.

Когда рабочее топливо воспламеняется в цилиндре, генерируемая мощность перемещает поршень возвратно-поступательно вперед и назад. Это движение поршня дополнительно вращает коленчатый вал.

3) Коленчатый вал

Когда коленчатый вал совершает возвратно-поступательное движение от поршня, он преобразует это движение во вращательное и приводит во вращение маховик.

4) Маховик

Когда маховик получает мощность от коленчатого вала, он преобразует полученное вращательное движение в механическую энергию и приводит в движение колеса автомобиля.

5) Распределительный вал

Основной функцией распределительного вала является управление открытием и закрытием впускных и выпускных клапанов. Эта часть двигателя обеспечивает правильное открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов и обеспечивает правильную подачу топлива.

Преимущества и недостатки двигателей внешнего сгорания

Преимущества двигателей внешнего сгорания

1. Эти двигатели могут работать на всех видах топлива.
2. Двигатели внешнего сгорания производят очень мало шума.
3. Имеют низкий уровень выбросов.
4. Они лучше всего подходят для приложений с высокой мощностью.

Недостатки двигателя внешнего сгорания

1. Они не идеальны для приложений с низким энергопотреблением.
2. Проблемы с утечкой рабочей жидкости.
3. Двигатель ЕС имеет больший размер, чем двигатель внутреннего сгорания.
4. Они потребляют больше смазки, чем двигатели внутреннего сгорания.
5. Эти двигатели имеют высокую рабочую температуру. Поэтому они нуждаются в большем уходе и высоком строительном материале.

Применение двигателя внешнего сгорания

1. Двигатели внешнего сгорания используются в судостроении и локомотивах.
2. Использование в экспериментальных космических аппаратах
3. Использование в силовых установках и крупных морских судах

Двигатель внешнего сгорания VS Двигатель внутреннего сгорания

Основное различие между двигателем внешнего сгорания и двигателем внутреннего сгорания приведено ниже:

Двигатель внешнего сгорания	Двигатель внутреннего сгорания
В двигателе ЕС процесс сжигания рабочего топлива происходит вне рабочего цилиндра.	В двигателе внутреннего сгорания процесс горения рабочего топлива происходит внутри цилиндра.
Они имеют большой размер.	Имеют небольшие размеры.
Для установки двигателя внешнего сгорания требуется большое пространство.	Для установки двигателя внутреннего сгорания требуется меньше места, чем для двигателя ЕС.
Эти двигатели имеют большой вес.	Они легкие.
Их трудно запустить.	Их очень легко завести.
Этот двигатель требует больше времени для первоначального запуска.	Запускается очень быстро.
КПД двигателя внешнего сгорания составляет от 15% до 25% .	КПД двигателя внутреннего сгорания составляет от 35% до 45% .
Имеет высокие капитальные затраты.	Имеет низкие капитальные затраты.
Двигатель ЕС имеет низкий тепловой КПД.	Двигатель внутреннего сгорания имеет высокий тепловой КПД.
Топливо, используемое для двигателей ЕС, имеет низкую стоимость.	Топливо, используемое для двигателей внутреннего сгорания, имеет высокую стоимость.
Он менее эффективен, чем двигатель внутреннего сгорания.	Самый эффективный двигатель.

Часто задаваемые вопросы Раздел

Какие существуют типы двигателей внешнего сгорания?

Двигатель ЕС бывает следующих основных типов:

1. Паровой двигатель
2. Двигатель Стирлинга

Для чего используются двигатели внешнего сгорания?

Двигатели внешнего сгорания используются для локомотивов, транспортных средств и морских судов.

Кто изобрел двигатель ЕС?

В 1816 , Роберт Стирлинг изобрел первый двигатель внешнего сгорания, известный как двигатель Стирлинга.

Какие примеры двигателей внешнего сгорания?

Двигатели ЕС чаще всего используются на гидроэлектростанциях и морских судах. Двигатель Стирлинга и паровой двигатель являются наиболее распространенными примерами двигателей внешнего сгорания.

Какие компоненты двигателя внешнего сгорания?

1. Внешний источник тепла
2. Цилиндр
3. Распределительный вал
4. Коленчатый вал
5. Поршень
6. Шатун
7. Маховик

Гребень внешний | Применение, преимущества, недостатки

Двигатель внутреннего сгорания

6 августа 2018 г. 24 марта 2019 г. 1 комментарий о двигателях внешнего сгорания | Применение, преимущества, недостатки

Table of Contents

Все мы знаем, что двигатель преобразует одну форму энергии в другую, обычно в работу. Тип двигателей, которые обычно используются для движения транспортных средств, — это двигатели внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания – это двигатели, которые сжигают топливо для получения энергии и преобразуют эту энергию в работу.

Двигатели внутреннего сгорания бывают двух типов.

Двигатель внутреннего сгорания и двигатель внешнего сгорания.

При внутреннем сгорании топливо сгорает внутри блока двигателя.

Как работают двигатели внутреннего сгорания, это не тема для обсуждения в этой статье. В этой статье мы сосредоточимся на двигателях внешнего сгорания.

Работа двигателя внешнего сгорания

В двигателе внешнего сгорания топливо сжигается вне двигателя, а энергия, полученная при сгорании топлива, затем переносится в двигатель с помощью теплоносителя.

Во многих двигателях теплоносителем является вода, но в некоторых других случаях это может быть и воздух.

Одним из наиболее распространенных примеров внешнего сгорания является паровой двигатель, разработанный великим ученым Джеймсом Уаттом.

В этом двигателе пар получается с помощью тепла, получаемого при сжигании угля. Затем пар направляется в двигатель, где энергия его давления преобразуется в работу. Используемый в то время двигатель был поршневого типа.

В настоящее время такие поршневые двигатели внешнего сгорания не используются. Их полностью заменили двигатели внутреннего сгорания. Причиной замены стали их большие размеры и неэффективность. Кроме того, они требуют тщательного ухода.

Поршневые двигатели внешнего сгорания сегодня можно легко увидеть в различных музеях.

Все ли двигатели внешнего сгорания сегодня не используются?

Нет, не все двигатели внешнего сгорания устарели. На самом деле, многие из них сегодня очень популярны.

Одним из самых популярных сегодня двигателей внешнего сгорания является паровая турбина. Паровая турбина представляет собой двигатель внешнего сгорания, который расходует пар и преобразует его энергию в полезную работу. Поскольку пар производится где-то за пределами турбины (которая является двигателем), он известен как двигатель внешнего сгорания.

Двигатели внешнего сгорания

На большинстве электростанций мира для выработки электроэнергии используются паровые турбины. Причина их популярности в том, что, поскольку они являются двигателями внешнего сгорания, они не имеют ничего общего с типом топлива, которое используется для преобразования воды в пар. Все, что нужно паровым турбинам, — это пар хорошего качества.

Разнообразие топлива, которое можно использовать для производства пара в паровой турбине, очень велико. Это может быть уголь, дрова, травяная солома, жидкое или газообразное топливо.

Другим важным типом двигателя внешнего сгорания, который используется сегодня, является газовая турбина. Работа газовых турбин аналогична паровой турбине, с той лишь разницей, что в качестве теплоносителя здесь используется воздух, а не пар.

Преимущества двигателей внешнего сгорания

1. Можно использовать практически любой доступный вид топлива
2. Поскольку мощность не вырабатывается из-за детонации топлива, поэтому создается очень меньше шума.
3. Выбросы двигателя также очень низкие
4. Очень экономичный для мощного производства энергии

Недостатки двигателей внешнего сгорания

1. Не подходит для требований низкой нагрузки
2. Утечка рабочей жидкости
3. Расход смазки
4. Размер двигателя относительно большой
5. Общая рабочая температура высокая, поэтому требуется большая осторожность и специальные строительные материалы

Типы и применение двигателей внешнего сгорания

1. Паровые двигатели: паровозные, морские
2. Двигатели Стирлинга: экспериментальные космические аппараты
3. Паровые турбины: мощные, большие морские
4. Газовая турбина замкнутого цикла: силовая, морская

Изображение (также указано авторство):  Автор Википедии (пользователь:andrew.