Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга)

Рнс. 24. Функциональная схема системы  регулирования подачи топлива в  двигателе внешнего сгорания.

 

1—регулятор давления: 2— топливный Насос; 3 —нагнетатель; 4 — регулятор подачи топлива; 5 —топливные клапаны; 6 — сервомотор; 7 — термопара.

ниях. Недостатком этого способа  является существенное усложнение кривошипного механизма двигателя, достоинством — возможность получения реверсивного двигателя.

В малых установках, где с целью  упрощения конструкции и уменьшения массы можно смириться с ухудшением к. п. д. двигателя на частичных нагрузках, мощность двигателя регулируют системой паразитной нагрузки или перепускным клапаном, без регулирования уровня давления.

Система регулирования подачи топлива  в двигателе Стирлинга имеет ряд особенностей. В обычных тепловых двигателях расход топлива непосредственно определяет выходную мощность. В двигателе Стирлинга поверхности нагрева имеют такую большую теплоемкость, что механическая работа может создаваться некоторое время и после прекращения подачи топлива. Функциональная схема системы управления подачей топлива показана на рис. 24. Подача топлива регулируется прежде всего по количеству подаваемого воздуха, которое для конкретного двигателя определяется давлением за нагнетателем.

Специальный регулятор дозирует подачу топлива в соответствии с расходом воздуха. Дальнейшее регулирование количества подаваемого топлива осуществляется по температуре нагревателя. Сигнал от термопар, установленных на трубках нагревателя, усиливается электронной схемой и направляется к регулирующему клапану, который открывается и увеличивает подачу топлива при снижении заданной температуры. Расход топлива при этом устанавливается несколько больший, чем требуется для достижения заданной температуры. Избыточное топливо запирается регулирующим клапаном и отводится через невозвратный клапан к топливному насосу.

§ 13

Нагрузочные и скоростные характеристики

Рабочие характеристики двигателей внешнего сгорания существенно зависят от принятых конструктивных решений. Если в практике дизелестроения установились определенные традиции, накоплен богатый опыт проектирования двигателей и разработчик по заданным параметрам уже может в первом приближении представить конструктивный абрис двигателя, то разработка двигателей Стирлинга еще находится в стадии поиска и находок. Первые двигатели создавались методом экспериментальных проб и ошибок, соотношения между параметрами отдельных узлов определялись интуитивно или с помощью модельных исследований. Параметры двигателей второго поколения уже рассчитывались по специальной оптимизационной программе, разработанной фирмой Филипс. При этом для заданной мощности и частоты вращения задаются желаемым параметром, который должен иметь экстремальное значение (например, к. п. д., литровая мощность, удельный габарит и т. д.). Затем просчитывают различные комбинации, параметров (диаметр и ход поршня, длину трубок, размеры регенератора и т. д.) и находят сочетание, дающее оптимальное значение. Для судовых машин, особенно для двигателей подводных аппаратов [21, 30], наибольший интерес представляет определение взаимосвязи к. п. д. двигателя и его удельной мощности. Это позволяет выбрать оптимальный вариант с точки зрения массы двигателя и запасов топлива.

Оптимизированные кривые для двигателей мощностью 7,36 и 22 кВт приведены на рис. 25. Каждая кривая представляет семейство точек, определяющих различные конструкции двигателей одинаковой мощности, и дает максимальный к. п. д., который можно получить при заданной удельной мощности. Естественно, что частота вращения, как и другие параметры двигателя, для каждой точки кривой различны. Из графика видно, что тихоходные двигатели большого размера имеют более вы 
сокий к. п. д., чем быстроходные малогабаритные двигатели той же мощности. К. п. д. двигателя определяется как отношение выходной мощности к теплоте, поступающей в нагреватель, независимо от вида теплового источника. Такое определение к. п. д. позволяет сравнивать степень термодинамического совершенства собственно двигателя в установках различного типа.

Рис. 25. Оптимизированные расчетные характеристики для двигателей мощностью 7,36 и 22 кВт.

100 150 200 25& 100 Удельная мощность, л с. /л

j I I

100 150 200 Ф/л

Температура нагревателя 815° С; температура воды 10° С; среднее давление газа 105 кгс/см²; рабочий газ — водород; 1 — двигатели мощностью 7,36 кВт; 2 — двигатели мощностью 22 кВт; 3— опытный двигатель 30-15.

Поскольку характеристики (экономичность, мощность) в значительной степени  зависят от температур нагревателя  и холодильника, их необходимо сравнивать при одинаковых значениях температур. Ниже приводятся характеристики при  температуре нагревателя 815° С и температуре холодильника 10° С.

На рис. 26 характеристики одноцилиндрового двигателя GPU-3 мощностью 1,1 кВт с ромбической передачей приведены в зависимости от частоты вращения и от среднего давления рабочего тела.

 

Из графиков видно, что к. п. д. двигателя увеличивается с ростом среднего давления рабочего тела и становится максималь 
ным при частоте вра!дения около 50% номинальной. С уменьшением частоты вращения ниже 50% к. п. д. резко падает, что связано с повышенной протечкой газа через поршневые кольца: По-

 

 

1000 гш jaoo

кВт

150 Л

3000

1000 2000 п, об/мин

-100

50-

100-

п, об/тн

 

Рис. 27. Расчетные характеристики двигателя 4-235 мощностью 147 кВт при различных  давлениях рабочего газа. t — P_m—220 кгс/см² \ ^Гнагр ⁼⁶³⁰° ^с. 2 — Р_т—НО кгс/смг / Г^^бСС;

Jl,%

=37" С.

3 — эксперимент, р _т =110 кгс/см², Т _наг[) =630° С, Г_х

вышение частоты вращения от 50 до 100% номинальной приводит к некоторому уменьшению к. п. д., приблизительно на 5—10% максимального значения. Аналогичный характер имеет изменение крутящего момента

ч V
	„«и
\

20

J ООО

2000

20 W 60 80 %

1000

Рис. 28. Изменение к. п. д. двигателя

GPU-3 при работе по нагрузочной ( )

и винтовой ( ) кубической характеристике.

30

10

п,о5/мин Л000

двигателя: увеличение при снижении частоты вращения двигателя (и постоянном давлении рабочего газа), а затем,при достижении очень малой частоты вращения — резкое падение.

Кривая изменения крутящего  момента аналогична кривой для дизеля без наддува, однако область высокого крутящего момента доходит до очень низких частот вращения. Это видно на характеристиках четырехцилиндрового двигателя 4-235, приведенных на рис. 27. Крутящий момент двигателя при снижении частоты вращения с 3000 до 1000 об/мин увеличился на 70%. Повышение давления рабочего газа приводит к пропорциональному увеличению крутящего момента. 

Характер йзМейенйя крутящего  моМейта пбЗйолйет Заключить, что двигатель внешнего сгорания безусловно может обеспечить все потребные в судовых условиях режимы: работу как ТЮ генераторной, так и по винтовым характеристикам N_e=Ati^m, с любыми возможными показателями т. Регулирование при

Рис. 29. Универсальная характеристика двигателя типа

4-235.

 

этом будет осуществляться изменением количества рабочего тела в цилиндре, как описано в § 11. Длй двигателя мощностью 110 кВт, работающего на водороде, количество рабочего газа в цилиндре будет в зависимости от режима составлять от 16 до 45 г.

Практический интерес представляет только изменение к. п. д. двигателя в зависимости от вида эксплуатационной характеристики. На рис. 28 приведено изменение к. п. д. двигателя GPU-3 при работе по нагрузочной и винтовой кубической характеристике. Видно, что к. п. д. двигателя при работе по винтовой Характеристике выше аналогичных значений при работе на генератор для одинаковых нагрузок.

 

Дизель

ДВПТ

Рис. 30. Сравнение теплового баланса  дизеля и ДВПТ;

/ — полезная работа; 2 —работа  на привод вспомогательных механизмов; 3 — теплота трения; 4 — теплота, отдаваемая охлаждающей воде; В — теплота выпускных газов.

Универсальная характеристика четырехцилиндрового  двигателя типа 4-235, приведенная  на рис. 29, показывает взаимосвязв между  изменением основных параметров во Всем диапазоне изменения частоты вращения и крутящего момента. 

Интересно сравнить также тепловой баланс двигателя Стирлинга и дизеля (рис. 30). При практически одинаковых к. п. д. заметна разница между потерями теплоты с выпускными газами и в охлаждающую воду. Благодаря развитой системе утилизации теплоты выпускных газов в экономайзере потери теплоты с выпуском в двигателе Стирлинга не превышают 10% (против 35% у дизеля). Потери теплоты в охлаждающую воду составляют до 50% (против примерно 20% у дизеля).

В судовых условиях, где расход охлаждающей воды не лимитирует работу двигателя, такое распределение статей теплового баланса является предпочтительным.

§ 14

Токсичность выпускных газов

Одно из важных и с каждым годом  ужесточающихся требований, предъявляемых к двигателям, заключается в том, что их выпускные газы должны содержать минимальное количество вредных компонентов.

В двигателе Стирлинга сгорание углеводородного топлива происходит непрерывно, практически при атмосферном  давлении с избыточным количеством воздуха. Воздух, поступающий в камеру сгорания, предварительно подогревается в экономайзере до температуры 600—700° С. Температура стенок камеры сгорания оказывается в диапазоне 700—800° С, что обеспечивает благоприятные условия для полного сгорания топлива. При высоких темп&ратурах сгорания (до 2000°С), которые имеют место в двигателе Стирлинга, образуются не только нормальные продукты полного сгорания топлива (С0₂, Н₂0 и 0₂), но также окислы азота (N0₂ и N0) и окись углерода. Последнее может показаться неожиданным, но это объясняется тем, что при высоких температурах сгорание углерода до окиси углерода дает более высокое энтропийное содержание. В табл.2 указаны токсичные компоненты, которые содержатся в выпускных газах различных двигателей.

Двигатель Стирлинга имеет существенное преимущество перед бензиновыми двигателями и дизелями, у которых на процесс горения отводится очень малое время и полнота сгорания сильно зависит от геометрии камеры сгорания, образуемой поршнем и головкой цилиндра. Кроме того, в топливо для ДВПТ нет необходимости вводить какие-либо специальные присадки,, дополнительно загрязняющие выпускные газы. Стабилизация пламени при непрерывном процессе горения достигается внутренней рециркуляцией газа за счет вихревой подачи свежего воздуха в камеру сгорания. При этом схема потока создает в районе распы- ливания топлива из форсунки центральную зону низкого давления с пониженным содержанием кислорода. Рециркуляция вы-

Таблица 2

Содержание токсичных компонентов, в выпускных газах двигателей различных типов

Двигатели	Содержание компонентов, миллионные доли объема
	N0	со	СхНу
Двигатель Стирлинга . . . Газовая турбина (с регенеративным теплообменником)   Дизель  Бензиновый двигатель . .	100- 200 90-250 400—2000 600—2000	50—200 250—450 200—5 000 40 000—100 000	0,5—3 0,5—3 200—4 000 5 000—40 000

 

пускного газа в зону сгорания обеспечивает низкое содержание окислов азота в выхлопе двигателя Стирлинга, что подтверждается данными экспериментальных исследований [15, 16, 28]. О низком содержании вредных компонентов в выхлопе двигателя Стирлинга свидетельствует и тот факт, что запах отработавших газов практически не ощущается человеком.

Из табл. 2 видно, что самые низкие объемные концентрации вредных компонентов  в выпускных газах имеют двигатель  Стирлинга и газовая турбина. Однако газовая турбина, у которой большой коэффициент избытка воздуха и низкий к. п. д., выпускает приблизительно в 8 раз больше газов на единицу мощности, так что относительное загрязнение, обусловленное газовой турбиной, оказывается значительным. Наиболее объективным является сравнение массового содержания вредных компонентов, выпускаемых в атмосферу различными двигателями равной мощности. В табл. 3 приведено удельное содержание компонентов выпускных газов на полной нагрузке при допущении, что окислы азота образуются в виде N0, а несгоревшие углеводороды — в виде CeHi₄. Видно, что двигатель Стирлинга имеет

Таблица 3

Содержание токсичных компонентов в выпускных газах двигателей

Двигатели	Содержание компонентов, мг/л.с.-с
	NO	со	СаН„
Двигатель Стирлинга .... Газовая турбина (с регенеративным теплообменником) . . . Дизель  Бензиновый двигатель ....	0,1—0,2 0,7—2,0 0,4—2,0 0,6—2,0	0,05—0,2 2,0—3,6 0,2—5,0 40—100	0,001 5—0,009 0,012—0,072 0,6—12 15—120

 

ййачй^льноё преимущество по ШДеЛеййю токсичных 66cfa$Jtfl- ющих перед всеми сравниваемыми машинами. Так, содержание

			" N0*
				СО