Характеристики двигателя

Главное преимущество двигателя Кушуля в том, что топливо в цилиндрах сгорает на 99%. Из-за этого выхлоп двигателя бездымный, а содержание в нем загрязняющих атмосферу газов минимально. Кроме того, в таком двигателе принципиально невозможно детонация топлива, а звук его работы в разы тише, чем у обычного ДВС. Испытания показали, что такой двигатель на 30-35% экономичней классических образцов.

Однако конструкция двигателя Кушуля весьма громоздка и обладает немалым весом. Для нормальной работы двигатель нуждается в установке балансировочного механизма – это делает процесс его изготовления более трудоемким и дорогим. Из-за этого устанавливать такие двигатели в современные авто экономически невыгодно.

 

Двигатель Ванкеля

Двигатель внутреннего сгорания, в котором вместо поршней действуют роторы. Конструкция была разработана в 1950-х гг. немецким инженером Феликсом Ванкелем (1902-88). Каждый трехгранный ротор вращается в точно подогнанном цилиндре особой формы. Зазоры между ротором и цилиндром образуют три серповидных камеры сгорания. В каждой камере происходят обычные процессы внутреннего сгорания, как и в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания с поршнями. При движении ротора через впускное отверстие засасывается воздушно-бензиновая смесь, которая сжимается в камере. Запальная искра поджигает смесь, происходит расширение газов, которые толкают ротор. Затем выхлопные газы выходят через выпускное отверстие, и процесс повторяется.

В роторно-поршневом двигателе Ванкеля (А) воздушно-бензиновая смесь сжимается и поджигается, как в обычном двигателе внутреннего сгорания, но для этого служит не поршень, а трехгранный ротор (1). Взрывное расширение воздушно-топливной смеси поворачивает коленчатый вал (2), проходящий по центру цилиндра (3). При вращении ротора воздух засасывается через впускное отверстие; поскольку ротор продолжает вращаться, он герметически закрывает впускное отверстие, так что нет необходимости в клапане, и сжимает смесь. Свечи зажигания (4) воспламеняют смесь, которая расширяется, толкает ротор и поворачивает коленчатый вал. Выгоревшая смесь при повороте удаляется через выпускное отверстие (5), одновременно ротор впускает новую порцию воздуха для повторения процесса (6). Герметизаторы (7) на выступах ротора необходимы для создания вакуума, втягивающего воздушно-топливную смесь, а также для ее сжатия.

Практическая работа №3 Двигатели внешнего сгорания

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация этого цикла малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Д иаграмма "давление-объём" идеализированного цикла Стирлинга

Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу. Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится рекуператором. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое рекуператором, одинаково. Полезная работа производится только за счёт изотерм, т.е. зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно. Рабочий цикл двигателя Стирлинга beta-типа:

1

2

3

4

где: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь (область нагревания); e — охлаждающие ребра (область охлаждения).

1. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам).

2. Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.

3. Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.

4. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0 машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не вырабатывает её.

• Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

• Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

• Гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Также существуют разновидности двигателя Стирлинга, не попадающие под вышеуказанные три классических типа:

• Роторный двигатель Стирлинга — решены проблемы герметичности (патент Мухина на герметичный ввод вращения (ГВВ), серебряная медаль на международной выставке в Брюсселе «Эврика-96») и громоздкости (нет кривошипно-шатунного механизма, т.к. двигатель роторный).