Прислал:

Рассматривая тему получения электричества в полевых условиях, мы как-то совсем упустили из виду такой преобразователь тепловой энергии в механическую (и далее в электричество), как двигатели внешнего сгорания. В данном обзоре рассмотрим некоторые из них, доступные даже для самостоятельного изготовления любителями.

Собственно, выбор конструкций таких двигателей невелик - паровые машины и турбины, двигатель Стирлинга в различных модификациях да экзотические двигатели, типа вакуумуных. Паровые машины пока отбросим, т.к. пока ничего малогабаритного и легко повторяемого на них не сделано, а уделим внимание двигателям Стирлинга и вакуумным.
Приводить классификацию, типы, принцип работы и т.п. здесь не буду - кому нужно, легко найдёт всё это в Интернете.

В самом общем плане, практически любой тепловой двигатель можно представить как генератор механических колебаний, который использует использует постоянную разность потенциалов (в данном случае, тепловую) для своей работы. Условия самовозбуждения такого двигателя, как и в любом генераторе, обеспечивает запаздывающая обратная связь.

Такое запаздывание создаётся, либо жёсткой механической связью через кривошип, либо с помощью упругого соединения, либо, как в двигателе "замедленного нагрева", с помощью тепловой инерции регенератора.

Оптимально, с точки зрения получения максимальной амплитуды колебаний, съёма максимальной мощности с двигателя, когда сдвиг фаз в движении поршней составляет 90 градусов. В двигателях с кривошипно-шатунным механизмом, такой сдвиг задаётся формой кривошипа. В двигателях, где такая задержка выполняется с помощью упругой связи, либо тепловой инерции, этот фазовый сдвиго выполняется только на некоторой резонансной частоте, на которой мощность двигателя максимальна. Однако, двигатели без кривошипно-шатунного механизма, очень просты и, поэтому, весьма привлекательны для изготовления.

После этого небольшого теоретического вступления, думаю, будет интереснее поглядеть на на те модели, которые реально были построены и которые могут быть пригодны для использования в мобильных условиях.

На YouTube представлены следующие:

Низкотемпературный двигатель Стирлинга для малых перепадов температур,

Двигатель Стирлинга для больших температурных градиентов,

Двигатель "замедленного нагрева", другие названия Lamina Flow Engine, термоаккустический двигатель Стирлинга (хотя, последнее название и неверно, т.к. существует отдельный класс термоаккустических двигателей),

Двигатель Стирлинга со свободным поршнем (free piston Stirling engine),

Вакуумный двигатель (FlameSucker).

Внешний вид наиболее характерный представителей показан ниже.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга.

Высокотемпературный двигатель Стирлинга.
(Кстати, на фото видно горящую лампочку накаливания, работающую от ганератора присоединённого к данному двигателю)

Двигатель "замедленного нагрева" (Lamina Flow Engine)

Двигатель со свободным поршнем.

Вакуумный двигатель (пламясос).

Рассмотрим-ка каждый из типов подробнее.

Начнем с низкотемпературного двигателя Стирлинга. Такой двигатель может работать от перепада температур буквально в несколько градусов. Но и мощности, снимаемые с него будут невелики - доли и единицы Ватта.
Лучше работу таких движков наблюдать на видео, в частности, на сайтах типа YouTube представлено огромное количество работающих экземпляров. Например:

Низкотемпературный двигатель Стирлинга

В такой конструкции двигателя, верхняя и нижняя пластина должны иметь различную температуру, т.к. одна из них является источником тепла, в вторая - охладителем.

Второй тип двигателей Стирлинга уже можно использовать для получения мощности в единицы и даже десятки Ватт, что вполне позволяет запитывать большинство электронных устройств в походных условиях. Пример таких двигателей приведены ниже.

Двигатель Стирлинга

На сайте YouTube представлено множество таких движков, причём, некоторые сделаны из такого хлама... , но работают.

Подкупает своей простотой. Его схема представлена на рисунке ниже.

Двигатель "замедленного нагрева"

Как уже говорилось, наличие кривошипа здесь также не является обязательным, он нужен всего лишь, чтобы преобразовать во вращение колебания поршня. Если же съём механической энергии и дальнейшее её преобразование производить с помощью уже описанных и схем, то конструкция такого генератора может оказаться очень и очень простой.

Двигатель Стирлинга со свободным поршнем.
В данном движке вытесняющий поршень соединен с силовым через упругую связь. При этом на резонансной частоте системы возникает отставание его движения от колебаний силового поршня, составляющая около 90 градусов, что и требуется для нрмального возбуждения такого двигателя. Фактически получается генератор механических колебаний.

Вакуумный двигатель, в отличие от других, использует в своей работе эффект сжатия газа при его остывании. Работает он следующим образом: вначале поршень засасывает пламя горелки внутрь камеры, затем подвижный клапан перекрывает всасывающее отверстие и газ, остывая и сжимаясь, заставляет поршень двигаться в обратном направлении.
Работу двигателя прекрасно иллюстрирует следующее видео:

Схема работы вакуумного двигателя

А ниже просто пример изготовленного двигателя.

Вакуумный двигатель

В заключение , заметим, что хотя КПД подобных двигателей-самоделок, в лучшем случае, единицы процентов, но даже в этом случае, подобные мобильные генераторы могут вырабатывать количество энергии, достаточно для питания мобильных устройств. Реальной альтернативой им могут служить термоэлектрические генераторы, но их КПД также составляет 2...6% при соизмеримых массогабаритных параметрах.

В конце концов, тепловая мощность даже простеньких спиртовок составляет десятки Ватт (а у костра - килоВатты) и преобразование хотя бы нескольких процентов от этого теплового потока в механическую, а затем и электрическую энергию, уже позволяет получить вполне приемлемые мощности, пригодные для зарядки реальных устройств.

Вспомним, что, например, мощность солнечной батареи, рекомендуемой для зарядки КПК или коммуникатора составляет около 5...7Вт, но даже эти Ватты солнечная батарея будет отдавать только при идеальных условиях освещения, реально меньше. Поэтому, даже при выработке нескольких Ватт, но независимых от погоды, эти двигатели уже будут вполне конкурентоспособными, даже с теми же солнечными батареями и термогенераторами.

Немного ссылок.

Большое число чертежей для изготовления моделей двигателей Стирлинга можно найти на этом сайте.

На страничке www.keveney.com представлены анимированные модели различных двигателей, в том числе и Стирлингов.

На страничку http://ecovillage.narod.ru/ также рекомендовал бы заглянуть, тем более, что там выложена книга "Уокер Г.Машины,работающие по циклу Стирлинга.1978". Её можно скачать одним файлом в формате djvu (около 2Мб).

В цилиндре двигателя с некоторой периодичностью осуществляются термодинамические циклы, которые сопровождаются непрерывным изменением термодинамических параметров рабочего тела - давления, объема, температуры. Энергия сгорания топлива при изменении объема превращается в механическую работу. Условием превращения теплоты в механическую работу является последовательность тактов. К этим тактам в двигателе внутреннего сгорания относятся впуск (наполнение) цилиндров горючей смесью или воздухом, сжатие, сгорание, расширение и выпуск. Изменяющимся объемом является объем цилиндра, который увеличивается (уменьшается) при поступательном движении поршня. Увеличение объема происходит вследствие расширения продуктов при сгорании горючей смеси, уменьшение - при сжатии нового заряда горючей смеси или воздуха. Силы давления газов на стенки цилиндра и на поршень при такте расширения превращаются в механическую работу.

Аккумулированная в топливе энергия превращается в тепловую энергию при совершении термодинамических циклов, передается стенкам цилиндров путем теплового и светового излучения, радиацией и от стенок цилиндров - охлаждающей жидкости и массе двигателя путем теплопроводности и в окружающее пространство от поверхностей двигателя свободной и вынужденной

конвекцией. В двигателе присутствуют все виды передачи теплоты, что свидетельствует о сложности происходящих процессов.

Использование теплоты в двигателе характеризуется КПД, чем меньше теплоты сгорания топлива отдается в систему охлаждения и в массу двигателя, тем больше совершается работы и выше КПД.

Рабочий цикл двигателя осуществляется за два или четыре такта. Основными процессами каждого рабочего цикла являются такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Введение в рабочий процесс двигателей такта сжатия позволило максимально уменьшить охлаждающую поверхность и одиовремепио повысить давление сгорания топлива. Продукты горения расширяются соответственно сжатию горючей смеси. Такой процесс позволяет сократить тепловые потери в стенки цилиндров и с выпускными газами, увеличить давление газов на поршень, что значительно повышает мощностные и экономические показатели двигателя.

Реальные тепловые процессы в двигателе существенно отличаются от теоретических, основанных па законах термодинамики. Теоретический термодинамический цикл является замкнутым, обязательное условие его осуществления - передача теплоты холодному телу. В соответствии со вторым законом термодинамики и в теоретической тепловой машине полностью превратить тепловую энергию в механическую невозможно . В дизелях, цилиндры которых заполняются свежим зарядом воздуха и имеют высокие степени сжатия, температура горючей смеси в конце такта впуска составляет 310...350 К, что объясняется относительно небольшим количеством остаточных газов, в бензиновых двигателях температура впуска в конце такта составляет 340...400 К . Тепловой баланс горючей смеси при такте впуска можно представить в виде

где?) р т - количество теплоты рабочего тела в начале такта впуска; Ос.ц - количество теплоты, поступившее в рабочее тело при контакте с нагретыми поверхностями впускного тракта и цилиндра; Qo г - количество теплоты в остаточных газах.

Из уравнения теплового баланса можно определить температуру в конце такта впуска. Примем массовое значение количества свежего заряда т с з, остаточных газов - т о г При известной теплоемкости свежего заряда с Р, остаточных газов с" р и рабочей смеси с р уравнение (2.34) представляется в виде

где Т с з - температура свежего заряда перед впуском; АТ сз - подогрев свежего заряда при впуске его в цилиндр; Т г - температура остаточных газов в конце выпуска. Возможно с достаточной точностью считать, что с" р = с р и с" р - с,с р, где с; - поправочный коэффициент, зависящий от Т сз и состава смеси. При а = 1,8 и дизельном топливе

При решении уравнения (2.35) касательно Т а обозначим отношение

Формула для определения температуры в цилиндре при впуске имеет вид

Эта формула справедлива как для четырехтактных, так и для двухтактных двигателей, для двигателей с турбонаддувом температура в конце впуска рассчитывается по формуле (2.36) при условии, что q = 1. Принятое условие не вносит больших погрешностей в расчет. Значения параметров в конце такта впуска , определенные экспериментально на номинальном режиме, представлены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

При такте впуска впускной клапан в дизеле открывается на 20...30° до прихода поршня в ВМТ и закрывается после прохождения НМТ на 40...60°. Продолжительность открытия впускного клапана составляет 240...290°. Температура в цилиндре в конце предыдущего такта - выпуска равна Т г = 600...900 К. Заряд воздуха, имеющий температуру значительно ниже, смешивается с находящимися в цилиндре остаточными газами, что снижает температуру в цилиндре в конце впуска до Т а = 310...350 К. Перепад температур в цилиндре между тактами выпуска и впуска равен АТ а. г = Т а - Т г. Поскольку Т а АТ а. т = 290...550°.

Скорость изменения температуры в цилиндре в единицу времени за такт равна:

Для дизеля скорость изменения температуры при такте впуска при п е = 2400 мин -1 и ф а = 260° составляет со д = (2,9...3,9) 10 4 град/с. Таким образом, температура в конце такта впуска в цилиндре определяется массой и температурой остаточных газов после такта выпуска и нагревом свежего заряда от деталей двигателя. Графики функции co rt =/(Д е) такта впуска для дизелей и бензиновых двигателей, представленные па рис. 2.13 и 2.14, свидетельствуют о значительно большей скорости изменения температуры в цилиндре бензинового двигателя в сравнении с дизелем и, следовательно, большей интенсивности теплового потока от рабочего тела и ее росте с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Среднестатистическое расчетное значение скорости изменения температуры при такте впуска дизеля в пределах частоты вращения коленчатого вала 1500...2500 мин -1 равно = 2,3 10 4 ± 0,18 град/с, а у бензинового

двигателя в пределах частоты вращения 2000...6000 мин -1 - со я = = 4,38 10 4 ± 0,16 град/с. При такте впуска температура рабочего тела примерно равна рабочей температуре охлаждающей жидкости,

Рис. 2.13.

Рис. 2.14.

теплота стенок цилиндра расходуется на нагрев рабочего тела и не оказывает существенного влияния на температуру охлаждающей жидкости системы охлаждения.

При такте сжатия происходят достаточно сложные процессы теплообмена внутри цилиндра. В начале такта сжатия температура заряда горючей смеси меньше температуры поверхностей стенок цилиндра и заряд нагревается, продолжая отнимать теплоту от стенок цилиндра. Механическая работа сжатия сопровождается поглощением теплоты из внешней среды. В определенный (бесконечно малый) промежуток времени температуры поверхности цилиндра и заряда смеси выравниваются, вследствие чего теплообмен между ними прекращается. При дальнейшем сжатии температура заряда горючей смеси превышает температуру поверхностей стенок цилиндра и тепловой поток изменяет направление, т.е. теплота поступает к стенкам цилиндра. Общая отдача теплоты от заряда горючей смеси незначительна, она составляет около 1,0... 1,5 % от количества теплоты, поступающей с топливом.

Температура рабочего тела в конце впуска и его же температура в конце сжатия связаны между собой уравнением политропы сжатия:

где 8 - степень сжатия; п л - показатель политропы.

Температура в конце такта сжатия по общему правилу рассчитывается по среднему постоянному для всего процесса значению показателя политропы щ. В частном случае показатель политропы рассчитывается по балансу теплоты в процессе сжатия в виде

где и с и и" - внутренняя энергия 1 кмоля свежего заряда; и а и и" - внутренняя энергия 1 кмоля остаточных газов.

Совместное решение уравнений (2.37) и (2.39) при известном значении температуры Т а позволяет определить показатель политропы щ. На показатель политропы влияет интенсивность охлаждения цилиндра. При низких температурах охлаждающей жидкости температура поверхности цилиндра ниже, следовательно, и п л будет меньше.

Значения параметров конца такта сжатия приведены в табл. 2.3.

Таблица 23

При такте сжатия впускной и выпускной клапаны закрыты, поршень перемещается к ВМТ. Время совершения такта сжатия у дизелей при частоте вращения 1500...2400 мин -1 составляет 1,49 1СГ 2 ...9,31 КГ 3 с, что соответствует повороту коленчатого вала на угол ф (. = 134°, у бензиновых двигателей при частоте вращения 2400...5600 мин -1 и ср г = 116° - (3,45...8,06) 1(Г 4 с. Перепад температур рабочего тела в цилиндре между тактами сжатия и впуска АТ с _ а = Т с - Т а у дизелей находится в пределах 390...550 °С, у бензиновых двигателей - 280...370 °С.

Скорость изменения температуры в цилиндре за такт сжатия равна:

и для дизелей при частоте вращения 1500...2500 мин -1 скорость изменения температуры составляет (3,3...5,5) 10 4 град/с, бензиновых двигателей при частоте вращения 2000...6000 мин -1 - (3,2...9,5) х х 10 4 град/с. Тепловой поток при такте сжатия направлен от рабочего тела в цилиндре к стенкам и в охлаждающую жидкость. Графики функции со = f(n e) для дизелей и бензиновых двигателей представлены на рис. 2.13 и 2.14. Из них следует, что скорость изменения температуры рабочего тела у дизелей по сравнению с бензиновыми двигателями при одной частоте вращения выше.

Процессы теплообмена при такте сжатия обусловливаются перепадом температур между поверхностью цилиндра и зарядом горючей смеси, относительно небольшой поверхностью цилиндра в конце такта, массой горючей смеси и ограниченно коротким промежутком времени, при котором происходит теплопередача от горючей смеси к поверхности цилиндра. Предполагается, что такт сжатия не оказывает существенного влияния на температурный режим системы охлаждения.

Такт расширения является единственным тактом рабочего цикла двигателя, при котором совершается полезная механическая работа. Этому такту предшествует процесс сгорания горючей смеси. Результатом сгорания является повышение внутренней энергии рабочего тела, преобразуемой в работу расширения.

Процесс сгорания является комплексом физических и химических явлений окисления топлива с интенсивным выделением

теплоты. Для жидких углеводородных топлив (бензин, дизельное топливо) процесс сгорания представляет собой химические реакции соединения углерода и водорода с кислородом воздуха. Теплота сгорания заряда горючей смеси расходуется на нагревание рабочего тела, совершение механической работы. Часть теплоты от рабочего тела через стенки цилиндров и головку нагревает блок- картер и другие детали двигателя, а также охлаждающую жидкость. Термодинамический процесс реального рабочего процесса с учетом потерь теплоты сгорания топлива, учитывающих неполноту сгорания, теплоотдачу в стенки цилиндров и прочее, крайне сложен. В дизелях и бензиновых двигателях процесс сгорания различается и имеет свои особенности. В дизелях сгорание происходит с разной интенсивностью в зависимости от хода поршня: вначале интенсивно, а затем замедленно. В бензиновых двигателях сгорание происходит мгновенно, принято считать, что оно совершается при постоянном объеме.

Для учета теплоты по составляющим потерь, в том числе теплоотдачи в стенки цилиндров, вводится коэффициент использования теплоты сгорания Коэффициент использования теплоты определяется экспериментально, для дизелей = 0,70...0,85 и бензиновых двигателей?, = 0,85...0,90 из уравнения состояния газов в начале и конце расширения:

где - степень предварительного расширения.

Для дизелей

тогда

Для бензиновых двигателей тогда

Значения параметров в процессе сгорания и в конце такта расширения для двигателей }