ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ

Принцип работы двигателя Стирлинга легче понять, если его сравнить с принципом работы двигателя внутреннего сгорания.

В двигателях внутреннего сгорания определенное количество свежего заряда (воздух в дизелях, смесь топливо — воздух в карбюраторных двигателях) сжимается поршнем в цилиндре. В дизелях в конце процесса сжатия в цилиндр впрыскивается топливо, и смесь топлива с воздухом самовоспламеняется; в карбюраторных двигателях в конце процесса сжатия смесь топ­лива с воздухом принудительно воспламеняется от электрической

ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ

Ф~—

В)

подпись: 
в)
ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯР

ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯИскры. Во время сгорания темпе­ратура и давление в цилиндре резко возрастают. Процесс рас­ширения, следующий за сгоранием, происходит при более высоких дав­лении и температуре, чем процесс сжатия. Избыточная работа цик­ла равна разности работ: получен-

T

L ______ ной в процессе расширения и за-

— траченной в процессе сжатия.

———————— Этот же принцип сжатия опре­деленного количества рабочего те­ла При Низкой температуре и рас­ширения его при более высокой температуре лежит в основе рабо­чего процесса двигателя Стирлин­га. Однако в двигателе Стирлинга теплота подводится к рабо­чему телу извне, в простейшем случае через стенку цилиндра.

Для объяснения принципа работы двигателя Стирлинга воспользуемся рис. 3. Примем, что в цикле участвует 1 кг рабочего тела и утечки отсутствуют. Процесс сжатия (рис. 3, А) Начинается в момент, когда объем цилиндра VА= Ушах, Давление в нем равно атмосферному (ра = ро), а температура Та~Т2.

Выделяющаяся в процессе сжатия теплота (}2 рассеивается в окружающей среде, вследствие этого температура стенки, а следовательно, и температура рабочего тела поддерживается постоянной и равной Та. Таким образом, в конце процесса сжа­тия (точка С) температура Гс = Га, объем Ус<СУа> давление Рс>Ра и работа, затраченная в процессе изотермического сжа­
тия, пропорциональна площади, ограниченной кривой Ас, соот­ветствующими ординатами и осью абсцисс.

В процессе нагревания (рис. 3, Б) теплота через стенку

Цилиндра передается рабочему телу. При мгновенном подводе

В

Теплоты Q1 к рабочему телу давление и температура в цилиндре возрастают. Объем цилиндра при этом принимается постоян­ным: Vc = const. Таким образом, в конце процесса подвода теп­лоты в точке Z температура Tz = Tly давление Pz>Pc и объем

Vz = Ve.

В процессе расширения рабочего тела (рис. 3, В) его темпе­ратура поддерживается постоянной (Г2 = const) за счет иепре-

Ff

Рывного подвода к нему теплоты Qj. Объем, занимаемый рабо­чим телом, в процессе расширения увеличивается, а давление в цилиндре уменьшается, при этом совершается полезная ра­бота. Таким образом, в конце процесса расширения в точке Ь Температура ТЬ = ТХ, объем Уъ>Уг, давление Рь<.рг. Работа, произведенная в процессе изотермического расширения, про­порциональна площади, ограниченной кривой ГЪ, соответствую­щими ординатами и осью абсцисс.

В процессе охлаждения (рис. 3, Г) теплота Q2 мгновенно отводится от рабочего тела через стенку цилиндра. При этом давление в цилиндре падает. Теоретически температура изме­няется при охлаждении скачком от Tb = Tz до Та, а объем остается постоянным: Уъ = Va = const. Тогда в конце процесса охлаждения в точке А температура ТА, давление Ра<рь н объем Va= Vb= Vmax. Таким образом, рабочее тело вернулось в исход­ное состояние.

Полезная работа, произведенная в цикле, пропорциональна площади Aczba. При таком способе реализации цикла Стир­линга она мала и к. п. д. двигателя низкий, так как повторное нагревание и охлаждение рабочего тела сопровождаются зна­чительными потерями теплоты.

Полезная работа за цикл может быть увеличена путем повы­шения начального давления цикла Ра. При этом, чтобы избежать большого одностороннего силового воздействия на поршень и уменьшить работу, затрачиваемую на сжатие рабочего тела, необходимо также увеличить давление под поршнем. Это давление может быть поддержано примерно постоянным и равным начальному давлению заполнения в системе путем вве­дения закрытого буферного пространства.

К п. д. двигателя можно увеличить, если видоизменить кон­струкцию так, чтобы температура стенки цилиндра не изменя­лась с изменением температуры рабочего тела.

Роберт Стирлинг решил эту проблему, введя в цилиндр еще один поршень, называемый вытеснительным, и разделив между поршнями функции перемещения рабочего тела, его сжатия и расширения (рис. 4). В этом случае назначение вытеснительного

Поршня — перемещать рабочее тело из одного конца цилиндра в другой через внешние каналы, причем на это затра­чивается очень небольшая работа, так как давление с обеих сторон вытесни­тельного поршня практически одинако­вое. Кроме того, в реальном двигателе вытеснительный поршень выполняет еще и функцию теплового барьера между

ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯГорячей и холодной полостями цилиндра. Вследствие этого головка цилиндра на-

ХОДИТСЯ ПОД ВОЗДейСТВИем ПОСТОЯННО ВЫ- гателя Стирлинга СОКОИ температуры, а ПРОТИВОПОЛОЖНЫЙ

Конец цилиндра — под воздействием ПО­СТОЯННО низкой температуры. Таким образом, полный цикл тео­

Ретически можно осуществить без потерь теплоты на нагрева­ние и охлаждение стенок цилиндра, обладающих определенной теплоемкостью.

В этой модифицированной конструкции холодное рабочее тело сжимается рабочим поршнем 2, движущимся влево (рис. 4, А) у а вытеснительный поршень 1 в это время остается неподвижным. Затем вытеснительный поршень при неподвиж­ном рабочем поршне начинает двигаться вправо, переталкивая Газ в Горячую полость над вытеснительным поршнем через

Нагреватель Н (рис. 4,5). При расширении нагретого газа рабо­чий и вытеснительный поршни движутся вместе вправо (рис. 4, в), причем Работу совершает только рабочий поршень, так как Давление газа С обеих сторон вытеснительного поршня приблизительно одинаково. Когда вытеснительный поршень при неподвижном Рабочем Поршне возвращается влево, перемещая газ в холодную Полость Под вытеснительным поршнем через охладитель о, происходит отдача теплоты холодному источнику (рис. 4, Г). Однако и в этой модифицированной конструкции происходит излишняя потеря теплоты при перетекании рабочего тела из горячей полости в холодную.

К. п. д. двигателя можно существенно увеличить, если ликви­дировать указанную потерю теплоты. Это достигается примене­нием в двигателе Стирлинга регенератора р, который встраи­вают между нагревателем и охладителем. Регенератор накапли­вает теплоту, отнимая ее от нагретого рабочего тела при течении последнего в холодную полость и возвращая ее при обратном его течении.

Двигатель может иметь буферную полость 3 и уплотнение 4, Отделяющее буферную полость от внешней среды,

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *