Пояснительная записка Прус Ю 152гр (1229430), страница 3
Текст из файла (страница 3)
1.3 Гибридные двигатели
Гибридный двигатель (пример на рисунке 1.9) представляет собой систему двух связанных между собой двигателей: бензинового и электрического.
Существует три варианта гибридного двигателя: Последовательный, параллельный, последовательно-параллельный или смешанный.
Рисунок 1.9 – Гибридный двигатель
Принцип работы первого варианта состоит в том, что бензиновый или дизельный двигатель соединен с электрогенератором. Этот генератор подает энергию электромоторам, которые приводят в движение ведущие колеса. Таким образом, при этом варианте бензиновый двигатель выступает всего лишь своеобразным помощником электрических моторов. Данная схема имеет массу недостатков и очень слабо распространена на современных автомобилях.
Параллельный вариант гибридного мотора работает по другому принципу. В этом случае энергия на колеса подается через специальный дифференциал. Она может идти как от двигателя внутреннего сгорания, так и от электромотора в зависимости от ситуации. Когда это требуется, энергия поступает сразу из двух этих источников. Особенностью данного варианта является еще и то, что он подразумевает использование механической коробки передач либо бесступенчатого вариатора. Наиболее распространен второй случай.
При смешанном варианте работы гибридного привода бензиновый или дизельный двигатель связан с электрическим мотором и электрогенератором, так называемым планетарным редуктором. Эта схема работы очень сложна в изготовлении и обслуживании, а автомобили с такой схемой стоят намного дороже более простых аналогов. Наибольшее распространение этот вариант получил на автомобилях марки Лексус.
Гибридные двигатели применяются в автомобилестроении. На железнодорожном транспорте не применяются.
Самый главный плюс гибридных автомобилей в том, что они очень экономичны. Следующий по важности пункт, это экологичность. Гибриды наносят меньше урона нашей экосистеме, чем обычные машины. В отличие от батарей электромобиля, в гибридах, батареи могут подзаряжаться от бензинового мотора.
Не бывает ничего идеального, и здесь тоже есть свои минусы. И главный из них в том, что ремонт гибридных автомобилей обходится на порядок дороже, чем ремонт машины с традиционной комплектацией. Сложно найти профессионалов, которые смогут заняться починкой двигателя. Аккумуляторы, которыми укомплектованы гибриды, могут саморазряжаться. Кроме того, они не выдерживают больших перепадов температур, и срок их службы довольно ограничен. Также, пока неизвестно, как использованные аккумуляторы влияют на окружающую среду. Поэтому, и их утилизация является проблемой.
Подводя итог вышесказанному, на сегодняшний день самыми широко распространенными двигателями является дизельный и гибридный двигатель. Но также нельзя и забывать о двигателях внешнего сгорания, так как сейчас одной из глобальных проблем является истощение природных ресурсов, загрязнение окружающей среды. Основным требованием является сокращение выбросов СО2, ресурсосбережение и энергосбережение, перевод автотранспорта на экологически чистые моторные топлива и т.д. Одним из перспективных путей решения этих задач является разработка и широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе двигателей (машин) Стирлинга.
2 ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО ПРОЕКТА ЛАБОРАТОРНОЙ
МОДЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ СТИРЛИНГА
Двигатель Стирлинга — это машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема. Этот принцип положен в основу преобразования теплоты в работу или, наоборот, работы в теплоту. Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга как Альфа - Стирлинг, Бета – Стирлинг, Гамма – Стирлинг. В своей работе я представлю термоакустический двигатель Стирлинга (пример на рисунке 2.1).
Рисунок 2.1 – Термоакустический двигатель Стирлинга
2.1 Принцип работы двигателя внешнего сгорания Стирлинга
При описании работы двигателя [8], как правило, ссылаются на термоаккустический эффект, который можно наблюдать на так называемой "трубке Рийке".
Трубка Рийке представляет собой цилиндр, главная ось которого ориентирована вертикально, с сеткой внутри. Сетку располагают на расстоянии приблизительно четверти высоты цилиндра, считая от основания. Если сетку нагреть достаточно сильно, то возникает сильный звук на частоте, соответствующей второй гармонике. Звук был настолько сильным, что при диаметре трубки около 70 мм начинали дрожать оконные стекла. При некотором навыке удается извлечь звук практически из любой трубки. Теоретически для возникновения акустических колебаний требуется скорость движения воздуха не менее 0,6-0,7 м/с и удлинение трубки не менее 14 калибров. Причина возникновения звука в "трубке Рийке" заключается в следующем: раскаленная сетка обеспечивает нагрев воздуха и он, обладая меньшей плотностью, устремляется вверх, при этом в области сетки устанавливается некоторая скорость движения воздуха. Воздушная "пробка" более легкого воздуха достигает среза трубки, в результате вниз по потоку начинает двигаться звуковая волна (возмущение). Достигнув сетки, волна (область повышенного давления) вызывает местное увеличение плотности и, как следствие, снижение скорости потока. Снижение скорости потока приводит к увеличению времени пребывания воздуха возле сетки и появлению нового "теплого пузыря" воздуха, который снова движется вверх. Если сетка оказывается в пучности стоячей звуковой волны, то возникают самоподдерживающиеся автоколебания.
Если трубка расположена горизонтально, то для возникновения звуковых колебаний нужно прокачивать через трубку воздух с указанной ранее скоростью. При этом реализуется механизм, обусловленный наличием "термического сопротивления". В области подвода тепла происходит местное снижение плотности воздуха и местное же увеличение скорости. Это приводит к росту давления перед нагревателем, так как расход воздуха остается неизменным. В свою очередь, рост давления вызывает увеличение скорости движения воздуха в области нагревателя. Температура нагревателя уменьшается, при этом термическое сопротивление также падает. Скорость движения воздуха начинает уменьшаться, а температура нагревателя - расти, вследствие чего цикл повторяется.
Предложим следующее описание принципа работы термоакустического двигателя. Для приведения в действие ему нужен первичный толчок, т.е. резкое перемещение поршня, например, в сторону закрытого конца. При этом часть воздуха приходит в движение, и впереди поршня движется волна давления, скорость которой равна скорости звука. В движение вовлекаются новые части воздуха и, наконец, поток достигает границы наполнителя. Воздух в наполнителе и возле него горячий, так как постоянно подогревается спиртовкой. Теперь учтем некоторые особенности конструкции термоакустического двигателя:
- наполнитель имеет низкую теплопроводность и теплоемкость;
- мощность нагревателя недостаточна для быстрого нагрева наполнителя.
Вследствие этого горячий воздух будет "выдавливаться" из прогреваемого наполнителя в его холодную часть и начнет остывать. Разумеется, температура холодной части наполнителя несколько повысится. Следовательно, движение поршня в сторону закрытого конца первоначально не вызовет увеличения давления, а даже приведет к падению последнего. Но скорость движения воздуха будет снижаться, и та его порция, которая попала в горячую часть наполнителя, станет прогреваться. Давление газа будет увеличиваться. Поршень двинется в обратном направлении. По мере выталкивания поршня в сторону открытого конца холодный воздух начнет попадать в горячую часть, что первоначально приведет к росту давления. Однако из-за малой теплоемкости наполнителя нагретая часть остынет, а мощности нагревателя не хватит для поддержания постоянной температуры. Начнется обратный процесс - падение давления и новый цикл.
2.2 Механическая и стационарная часть двигателя внешнего сгорания Стирлинга
Конструктивно данный тип двигателя состоит из механической и стационарной частей, смонтированных на станине. Смоделированный мной по существующим проектам двигатель Стирлинга в программном комплексе Solid Works представлен на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 – Смоделированный двигатель Стирлинга
Он состоит из подставки, на которой крепится сама конструкция (представлена на рисунке 2.3).
Рисунок 2.3 – Подставка под двигатель
Изготовленная деталь представлена на рисунке 2.4
Рисунок 2.4 – Фото изготовленной подставки
На подставке расположена стойка (пример на рисунке 2.5), которая служит опорой для колб.
Рисунок 2.5 – Стойка под колбы
Изготовленная деталь представлена на рисунке 2.6.
Рисунок 2.6 – Фото изготовленной стойки
Стойка крепится с двух сторон крепежными уголками. Крепежные уголки представлены на рисунке 2.7.
Рисунок 2.7 – Крепежные уголки
Изготовленная деталь представлена на рисунке 2.8.
Рисунок 2.8 – Фото изготовленных крепежных уголков
Крепежные уголки крепятся к стойке и подставке болтами и гайками (пример на рисунке 2.9).
Рисунок 2.9 – Гайка и шуруп
На колбу крепится манжета, которая служит уплотнением. Манжета представлена на рисунке 2.10.
Рисунок 2.10 – Манжета
Изготовленная манжета представлена на рисунке 2.11.
Рисунок 2.11 – Фото изготовленной манжеты
Колба фиксируется к стойке с помощью крепежной крышки (рисунок 2.12).
Рисунок 2.12 – Крепежная крышка
Крепежная крышка была изготовлена на 3D принтере. Фото детали представлено на рисунке 2.13.
Рисунок 2.13 – Фото изготовленной крепежной крышки
К стойке крепится подобная манжета (представлена на рисунке 2.14) как и на колбе, для того чтобы при фиксации колба не треснула, а также для дополнительного уплотнения.
Рисунок 2.14 – Манжета на стойку
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
