Можливості застосування двигунів Стірлінга в автомобільному транспорті

Двигун Стірлінга - теплова машина, що працює по замкнутому термодинамічному циклі, у якому ізотермічні процеси стиску і розширення відбуваються при різних рівнях температур, а керування переносом робочого тіла в робочих порожнинах, здійснюється шляхом зміни його об'му. Цикл Стірлінга значно більшою мірою, ніж цикли ДВЗ, ГТУ наближений до ідеального циклу теплової машини - циклу Карно. Важливою їхньою особливістю є глибока регенерація теплоти, що дозволила створити реальні двигуни різного призначення.

Основним достоїнством двигунів є високий ККД, що для експериментальних двигунів Стірлінга досягає ККД кращих дизелів. Як робоче тіло в циклі використовують гази, що володіють високими значеннями теплоємності і теплопровідності (водень, гелій і ін.). Найбільш ефективним є водень, однак його застосування стримується дифузією водню в металах при високих температурах і тисках, тому частіше використовується гелій. Можливе застосування повітря як найбільш дешевого робочого тіла, хоча і з трохи меншими значеннями ККД.

Інтерес до двигунів безупинно зростає у зв'язку з низьким забрудненням навколишнього середовища цими двигунами. Двигун Стірлінга працює практично на будь-яких видах палива і від будь-яких джерел теплоти. При спалюванні органічних палив процес згоряння у двигуні вдається організувати з набагато більшою повнотою, ніж у ДВЗ і ГТУ. Тому навіть при використанні традиційних для транспорту нафтопродуктів шкідливих викидів в атмосферу набагато менше, ніж у ДВЗ. Іншою важливою перевагою двигунів Стірлінга варто вважати низький рівень шуму при роботі внаслідок повної урівноваженості механізму й відсутності вихлопу газів під тиском. До достоїнств можна віднести зростання крутного моменту, зі зменшенням частоти обертання, простоту пуску, що дуже важливо для автомобілів. Число сучасних конструкцій двигунів велико, однак найбільш поширені багатоціліндрові (4-9 циліндрів) двигуни з ромбічним механізмом привода, а також машини подвійної дії. Випробувалися також двигуни з похилої (косою) шайбою і деякі інші.

У США дослідницька експлуатація двигунів Стірлінга здійснювалася на легкових автомобілях, автобусах, катерах, потужність цих двигунів складала 30-125кВт. Двигуни зарекомендували себе як дуже економічні, зручні в експлуатації. Випробувалися також системи з тепловими акумуляторами. До недоліків двигунів Стірлінга, що стримують їхнє поширення, відносять більш високу вартість у порівнянні з ДВЗ, однак у міру удосконалювання конструкцій і технології виробництва варто очікувати зниження вартості. Боротьба за чистоту навколишнього середовища, особливо у великих містах, безсумнівно, підсилить тенденцію до більшого поширення цих двигунів на транспорті, у першу чергу автомобільному.

Малюнок 33.1 – Автомобільний чьотирьохціліндровий двигун Стірлінга з ромбічним механізмом привода.

Ефективна потужність 165 кВт при 3000 об/хв. Робоче тіло – гелій при середньому тиску 22МПа.

ТЕМА 34 ЕЛЕКТРИЧНІ ДВИГУНИ. ПЕРСПЕКТИВНІ ТИПИ АВТОМОБІЛЬНИХ ДВИГУНІВ

Як відомо, експлуатація традиційного автомобільного транспорту на пальному зіштовхується з такими серйозними проблемами, як забруднення навколишнього середовища, що росте вартість видобутку нафти й обмежених її запасів (за прогнозами цих запасів залишилося менш ніж на 70 років), економічна залежність України від країн - експортерів нафти. Тому є нагальна потреба розробки екологічно чистого транспорту, що використовує альтернативні види енергії.

В міру збільшення чисельності міського автомобільного транспорту усе більш актуальної стає задача створення для нього двигунів, що працюють із низьким рівнем шуму і не виділяють в атмосферу токсичних речовин. Цим вимогам відповідають електричні і деякі інші види двигунів.

 

Електричні двигуни

В електромобілях в якості електрохімічних перетворювачів використовуються різного типу акумуляторні батареї, широке застосування можуть одержати паливні елементи.

У виконаних конструкціях електромобілів установлюються свинцеві кислотні і кадмієво-нікелеві чи залізоникілеві лужні акумуляторні батареї. Кислотні й лужні батареї мають приблизно однакову питому енергію (75-180 кДж/кг). Термін служби, обумовлений кількістю циклів "заряд-розряд", лужних батарей більше (1000-3000 циклів), ніж у кислотних (200-500 циклів). При зазначених значеннях питомої енергії батарей і з врахуванням займаного ними об'єму електромобілі розвивають швидкість руху до 80 км/год, а ємність батарей забезпечує запас ходу без підзарядки до 80 км. Ці показники електромобілів, застосовуваних як міський транспорт, є задовільними з врахуванням того, що швидкість руху в місті обмежене (60 км/ч), а середній добовий пробіг складає 100 км.

Більш високою питомою енергією володіють срібно-цинкові батареї (360-430 кДж/кг), однак через високу вартість вони не одержали широкого поширення.

Для використання електромобілів з акумуляторними батареями вимагаються подзарядні станції.

Значне збільшення запасу ходу автомобіля може бути досягнуте при застосуванні паливних елементів, для яких не вимагаються підзарядні станції. У паливному елементі між двома електродами знаходиться твердий чи рідкий електроліт. З боку одного з електродів подається паливо, а з боку іншого - окислювач. При цьому паливо й окислювач контактують із своїми електродами. Як паливо використовується водень і будь-яке природне паливо, що містить водень, як окислювач - кисень і кисневмісні речовини, у тому числі повітря. Процес утворення електричної енергії продовжується доти, поки до електродів буде надходити паливо й окислювач. ККД воднево-кисневих паливних елементів складає 0.7-0.8. Однак у даний час такі елементи досить дорогі.