Aniks-lift.ru

Подъемное оборудование
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

В наше время индустрия автомобилестроения достигла такого уровня развития, при котором без базовых научных принципов сложно достичь улучшения конструкции традиционных двигателей внутреннего сгорания. Это вынудило конструкторов всё больше обращать внимание на проекты альтернативных силовых установок. Инженерные центры и автоконцерны подошли к этому вопросу по-разному. Одни сосредоточились на создании адаптации к серийному выпуску электрических и гибридных моделей силовой установки. Другие делают вложения в разработку двигателей, потребляющих топливо из возобновляемых источников.

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.

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА: ФИЗИЧЕСКАЯ СТОРОНА ВОПРОСА

Для понимания, как работает настольная электростанция на Стирлинге, следует понимать общие сведения о принципах работы тепловых двигателей. Физически принцип действия заключается в использовании механической энергии, которая получается при расширении газа при нагревании и его последующем сжатии при охлаждении. Для демонстрации принципа работы можно привести пример на основе обычной пластиковой бутыли и двух кастрюль, в одной из которых находится холодная вода, в другой горячая.

Электростанции на двигателе Стирлинга — простота, экономичность и экологическая безопасность

При опускании бутылки в холодную воду, температура которой близка к температуре образования льда при достаточном охлаждении воздуха внутри пластиковой емкости ее следует закрыть пробкой. Далее, при помещении бутыли в кипяток, спустя некоторое время пробка с силой «выстреливает», поскольку в данном случае нагретым воздухом была совершена работа во много раз большая, чем совершается при охлаждении. При многократном повторении опыта результат не меняется.

Первые машины, которые были построены с использованием двигателя Стирлинга, с точностью воспроизводили процесс, демонстрирующийся в опыте. Естественно механизм требовал усовершенствования, заключающееся в применении части тепла, которое терял газ в процессе охлаждения для дальнейшего подогрева, позволяя возвращать тепло газу для ускорения нагревания.

Но даже применение этого новшества не могло спасти положение дел, поскольку первые «Стирлинги» отличались большими размерами при малой вырабатываемой мощности. В дальнейшем не раз предпринимались попытки модернизировать конструкцию для достижения мощности в 250 л.с. приводили к тому, что при наличии цилиндра диаметром 4,2 метра, реальная выходная мощность, которую выдавала электростанция на Стирлинге (Stirling) в 183 кВт на деле составляла всего 73 кВт.

Все двигатели Стирлинга работают по принципу цикла Стирлинга, включающего в себя четыре основные фазы и две промежуточные. Основными являются нагрев, расширение, охлаждение и сжатие. В качестве стадии перехода рассматриваются переход к генератору холода и переход к нагревательному элементу. Полезная работа, совершаемая двигателем, строится исключительно на разнице температур нагревающей и охлаждающей частей.

Читайте так же:
Как подключить провода к тестеру

Шаг 2: Соедините магниты и катушку для датчика

Поместите 2 или 4 постоянных магнита на главный вал таким образом, чтобы катушка могла находиться рядом с ними, когда они вращаются. Поместите их так, чтобы шаблон полярности был — + — +. Идея состоит в том, что магниты будут проходить близко к катушке и генерировать небольшое количество тока, которое мы будем использовать для перемещения датчика. Но чтобы это сработало, вам нужно поместить 4 диода в мостовую конфигурацию, чтобы преобразовать переменный ток, который мы генерируем, в постоянный.

Загуглите «диодный мост», чтобы найти об этом больше информации. Также для калибровки датчика до нужной чувствительности, вам необходимо поместить потенциометр между катушкой и датчиком.

Автомобильный газогенератор

Надо понимать, что газогенератор для автомобиля должен быть достаточно компактным, не слишком тяжелым и в то же время эффективным. Заграничные коллеги, чьи доходы не в пример выше наших, делают корпус генератора, циклон и фильтр охлаждения из нержавеющей стали. Это позволяет брать толщину металла вдвое меньше, а значит, и агрегат выйдет намного легче. В наших реалиях для сборки газогенератора применяют трубы, старые баллоны от пропана, огнетушители и прочие подручные материалы.

Ниже показан чертеж газогенератора, устанавливаемого на старые грузовики УралЗИС-352, по нему и надо ориентироваться при сборке агрегата:

схема газогенератора

Наружную емкость наши мастера чаще всего делают из баллонов для сжиженного пропана, внутреннюю можно сделать из ресивера грузового автомобиля ЗИЛ или КаМАЗ. Колосниковая решетка выполняется из толстого металла, патрубки – из соответствующего диаметра труб. Крышку с фиксаторами можно изготовить из отрезанного верха баллона либо из листовой стали. Уплотнение крышки – шнур из асбеста с графитной пропиткой.

Грубый фильтр – циклон для авто делают из старого огнетушителя либо простого отрезка трубы. Снизу трубы выполняется конусная насадка со штуцером для выгрузки золы, сверху торец закрывается наглухо привариваемой крышкой. В нее врезается выходной патрубок для очищенных газов, а сбоку – второй штуцер, куда будет осуществляться подача продуктов горения. Функциональная схема циклона в разрезе показана на рисунке:

функциональная схема циклона

Поскольку автомобильный газогенератор выдает газы с высокой температурой, их требуется охлаждать. Причины две:

  • раскаленное газообразное топливо имеет слишком малую плотность и поджечь его в цилиндрах ДВС будет непросто;
  • существует опасность самопроизвольной вспышки при контакте с горячими поверхностями мотора.
Читайте так же:
Как правильно мирослава или мираслава

Движение газов по всему тракту во время розжига обеспечивает вентилятор, а после пуска мотора в системе появляется необходимое разрежение, вентилятор отключается.

применение радиаторов отопления

Для охлаждения мастера-умельцы применяют обычные ребристые радиаторы отопления, располагая их на автомобиле таким образом, чтобы они максимально обдувались воздухом во время движения. Иногда даже используются современные биметаллические радиаторы. Перед попаданием в газогенераторный двигатель топливо требует тонкой очистки, для этого используют разного рода фильтры на свое усмотрение. Все узлы объединяются в одну установку в соответствии со схемой:

объединение всех узлов генератора

И последняя деталь – смеситель, нужен для регулирования пропорций газовоздушной смеси. Дело в том, что древесный газ имеет теплоту сгорания всего 4.5 МДж/м3, в то время как используемый в автомобилях природный газ — целых 34 МДж/м3. Следовательно, пропорции топлива и воздуха должны быть другими, их потребуется настроить заслонкой.

применение смесителя

Принцип действия ДВС

На сегодняшний день существуют разные виды двигателей, но для моделизма чаще всего используются:

  • Поршневые двигатели дизельного типа.
  • Двигатели, зажигаемые путём накала или искры.

Дизельные двигатели отличаются от искровых или калильных тем, что в первых возгорание горючего происходит при сильном сжатии газа в процессе движения поршня в цилиндре. А последние два типа двигателей требуют для возгорания уже сжатой смеси дополнительной энергии, для чего необходимо заранее нагреть калильную свечу или произвести искровой разряд.

Поршневые двигатели могут быть только двухтактными. Двигатели, которые зажигаются путём накала или искры, бывают и двухтактные, и четырехтактные.

Двухтактные двигатели осуществляют любой рабочий процесс в два такта, выполняемые за 1 оборот коленвала.

В первом такте осуществляется «всасывание-сжатие»: когда коленчатый вал вращается, поршень перемещается снизу вверх. В процессе его движения топливная смесь всасывается через золотник в картер, и в то же время в цилиндре сжимается предыдущая порция горючего.

Перед тем как завершается первый такт, в цилиндре воспламеняется горючая смесь, в результате чего значительно увеличивается давление в камере сгорания, которое способствует движению поршня вверх и вниз.

Во втором такте — «рабочем ходе-продувке» сгорающее топливо расширяется, что способствует развитию механической мощности, а свежая порция топлива, засосанная в цилиндр во время первого такта, сжимается.

После того, как поршень проходит около половины пути вниз, газы, образованные во время сгорания топлива, выталкиваются из цилиндра через специально открывающееся окно. А после того, как открывается перепускное окно, сжатое в картере горючее поступает в цилиндр, и тем самым вытесняет из него оставшиеся отработанные газы, то есть, происходит продувка.

Читайте так же:
Лавки из металла фото

Основные способы тюнинга двигателя

Существует два основных способа повышения мощности двигателя:

  • Снижение массы движущихся частей
  • Установка новых элементов

Так, к примеру, стандартные детали двигателя заменяют на облегченные (поршни, шкивы, маховик и пр.), вместо механических систем устанавливают электрические. Некоторые автовладельцы (особенно это касается водителей гоночных автомобилей) в целях снижения веса снимают с ТС все навесное оборудование.

Рассмотрим наиболее распространенные методы совершенствования двигателя подробнее.

Смена головки блока цилиндров

Сегодня существует множество вариантов головок блока цилиндра, предназначенных специально для тюнинга двигателя. Их соединительные разъемы и патрубки имеют такую же конструкцию, как и стандартные ГБЦ, поэтому при их установке сложностей не возникает.

Помимо специальных головок, выпускаются модифицированные модели для конкретных автомобилей. Стоят они дешевле тюнинговых, однако также привносят новые возможности для двигателя.

Модернизированная головка блока цилиндров

Современные ГБЦ с вертикальным и горизонтальным вихрем увеличивают скорость поступления воздуха и в улучшают общие характеристики воздушного потока.

Расточка блока цилиндров

Процедура расточки цилиндров помогает увеличить общий объем двигателя. Операция по увеличению сечения гильз изнутри осуществляется только на специализированном высокоточном станке, позволяющем сохранить их правильную геометрию.

Для расточенных цилиндров подбираются бОльшие по диаметру поршни, так как только идеальное совмещение этих деталей обеспечивает необходимый уровень компрессии двигателя.

Тюнинг клапанов двигателя

Клапаны двигателя пропускают и выпускают воздушный поток. Временем открытия клапанов управляет распределительный вал, а степенью – толкатель.

Впускные клапаны не должны иметь острых углов и «заусенцев», препятствующих прохождению воздуха, поэтому эти элементы должны быть тщательно отполированы. Важно, чтобы клапаны размещались в посадочных местах плотно и без зазоров.

Увеличить количество поступающего воздуха можно путем расширения впускных отверстий или установки большего количества клапанов (16, 20, 24, 32 и т.д.). Последний способ наиболее актуален, так как увеличенные отверстия и большие клапаны уменьшают скорость воздушного потока на низких оборотах, что негативно отражается на крутящем моменте.

Помимо увеличения количества клапанов, устанавливают специальные тюнинговые клапанные пружины.

Замена штатного распредвала

Не менее популярный способ тюнинга, чем расточка блока цилиндров.

Распределительный вал управляет открытием и закрытием клапанов двигателя. Время открытия задается профилем кулачков вала.

В отличие от обычных распредвалов, тюнинговые имеют более высокие и широкие кулачки, позволяющие клапанам подниматься выше и находится в открытом состоянии дольше. Это способствует подаче большего количества топливно-воздушной смеси.

Читайте так же:
Как правильно паять транзисторы

Спортивные распределительные валы

Существует несколько видов модернизированных распределительных валов для умеренной, быстрой и спортивной езды:

  • Mild Road Cams: подходят практически для всех автомобилей, улучшают приемистость и мощность двигателя
  • Fast Road Cams: идеальны для скоростных автомобилей, увеличивают мощность двигателя, однако нестабильно работают на холостом ходу
  • Competition Cams: предназначены для спортивных автомобилей; эффективно повышают мощность двигателя, однако увеличивают расход топлива, обладают неровным холостым ходом и быстро изнашиваются

Спортивные распредвалы непригодны для использования в городских условиях, так как характеризуются максимальной отдачей в области почти предельных частот вращения двигателя (2-3 тыс. оборотов).

Доработка топливной системы

Для повышения мощности двигателя очень важно увеличить количество топливно-воздушной смеси, поступающей в камеру сгорания. Сделать это можно путем доработки топливной системы автомобиля: установки более производительного насоса, топливной рампы с мощными инжекторами, усовершенствования топливного регулятора.

После проведения этих мероприятий обычно требуется использовать бензин с максимальным октановым числом.

Использование строкер-китов

Многие компании производят готовые комплекты (поршни, кольца, шатуны, подшипники и коленвал) для механического тюнинга двигателя. В основном, эти наборы ориентированы на американские восьмицилиндровые двигатели. Их использование изменяет длину хода поршня, увеличивает крутящий момент и в результате добавляет силовому агрегату 10-15 % объема.

Все детали строкер-китов изготавливаются по передовым спортивным технологиям, поэтому имеют больший запас прочности и износостойкости.

Строкер-кит

В зависимости от оборотистости двигателя существует несколько базовых вариантов строкер-китов с деталями разной высоты, ширины, углом поворота кулачка и прочими характеристиками.

Повышение компрессии двигателя

Повысить компрессию в цилиндрах можно разными способами. Одним из них является использование так называемых высококомпрессионных поршней. Обычно они выполнены из алюминиевого сплава с добавлением кремния, имеют увеличенное компрессионное кольцо и выпуклость на днище.

Высококомпрессионные поршни создают более высокое давление, чем стандартные, чем ускоряют процесс сгорания топлива и повышают мощность двигателя. В процессе работы они выдерживают очень большие нагрузки и температуры, поэтому могут использоваться для комплектации автомобилей с самыми мощными двигателями.

Ранее они наносились только на заводе-изготовителе, сейчас их применение не ограничено промышленными рамками – защитные составы доступны в компактном и удобном аэрозольном формате.

По-настоящему уникальным средством для восстановления изношенного заводского покрытия является MODENGY Для деталей ДВС. Оно защищает детали при «масляном голодании» и перегреве, предотвращает появление задиров на сопряженных поверхностях и максимально снижает их износ.

Набор для нанесения антифрикционного покрытия на детали ДВС

Состав используется для юбок поршней, вкладышей распредвалов, дроссельных заслонок, шлицевых соединений, штоков клапанов.

Покрытие наносится после предварительного очищения и обезжиривания поверхностей Специальным очистителем-активатором MODENGY, сохнет при комнатной температуре и не требует возобновления в дальнейшем.

Читайте так же:
Измерительные приборы и инструменты в строительстве

Уровень компрессии двигателя можно увеличить не только с помощью применения специальных поршней, но и путем шлифовки головки блока цилиндров. При этом стандартная прокладка ГБЦ меняется на тюнинговую (выдерживающую избыточное давление).

Различные методы повышения давления не следует применять в двигателях с турбонаддувом – для них свойственна малая компрессия, в противном случае возникает риск детонации и повреждения силового агрегата.

Установка турбокомпрессора или турбонагнетателя

Принудительно закачать во впускной коллектор больше воздуха и создать тем самым более высокое давление могут 2 устройства: турбокомпрессор и турбонагнетатель.

Турбокомпрессор увеличивает мощность двигателя только при достижении нужного числа оборотов. Промежуток времени от старта двигателя до этого момента называется турболагом.

Турбонагнетатель начинает свою работу сразу, однако при этом отнимает около 30 % мощности силового агрегата.

Турбонагнетатель

Установка прямоточного глушителя

Чтобы выхлопные газы легче отделялись от двигателя с турбокомпрессором, устанавливается глушитель без катализатаров, с ровными изгибами или вообще без них. Он оказывает наименьшее сопротивление газам, и при комплексном подходе к тюнингу выхлопной системы прибавляет 15-20 % к мощности двигателя.

Установка дополнительного радиатора

Мощный модернизированный двигатель испытывает экстремальные нагрузки и температуры, поэтому требует более совершенной системы охлаждения.

Именно поэтому, чтобы продлить срок службы силового агрегата после доработки, желательно установить отдельный масляный радиатор и тосольный радиатор большего размера.

Двигатель внешнего сгорания. История открытия Стирлинга

В XIX веке возникла необходимость замены паровых двигателей на что-то более безопасное, так как котлы часто взрывались из-за высокого давления пара и некоторых серьезных конструктивных недостатков.
Хорошим вариантом стал двигатель внешнего сгорания, который запатентовал в 1816 году шотландский священник Роберт Стирлинг.

Правда, «двигатели горячего воздуха» делали и раньше, ещё в XVII веке. Но Стирлинг добавил в установку очиститель. В современном понимании ‒ регенератор.

Он повысил производительность установки, сохраняя тепло в тёплой зоне машины, в тот момент, когда рабочее тело охлаждалось. Это значительно увеличило эффективность системы.

Изобретение нашло широкое практическое применение, была стадия подъема и развития, но затем Стирлинги были незаслуженно забыты.

Они уступили место паровым машинам и двигателям внутреннего сгорания, а в двадцатом веке снова возродились.

Ввиду того что этот принцип внешнего сгорания сам по себе очень интересен, сегодня над созданием новых моделей трудятся лучшие инженеры и любители в США, Японии, Швеции…

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector