9.2. Адиабатные двигатели

У адиабатного двигателя цилиндр и его головка не охлаждаются, поэтому потери теплоты за счет охлаждения отсутствуют. Сжатие и расширение в цилиндре происходят без теплообмена со стенками, т. е. адиабатически, аналогично циклу Карно. Практическая реализация та-кого двигателя связана со следующими трудностями.

Для того чтобы тепловые потоки между газами и стенками цилиндра отсутствовали, необходимо равенство в каждый момент времени температуры стенок температуре газов. Такое быстрое изменение температуры стенок в течение цикла практически невозможно. Можно было бы реализовать близкий к адиабатному цикл, если обеспечить температуру стенок на протяжении цикла в пределах 700-1200 °С. Материал стенок при этом должен сохранять работоспособность в условиях такой температуры, и, кроме того, необходима теплоизоляция стенок для устранения отвода от них тепла.

Обеспечить такую среднюю температуру стенок цилиндра можно лишь в его верхней части, которая не находится в соприкосновении с головкой поршня и его кольцами и, следовательно, не требует смазки. При этом, однако, невозможно обеспечить, чтобы горячие газы не омывали смазываемую часть стенок цилиндра при движении поршня к НМТ. В то же время можно предположить создание цилиндра и поршня, не нуждающихся в смазке.

Дальнейшие трудности связаны с клапанами. Впускной клапан частично охлаждается поступающим при впуске воздухом. Это охлаждение происходит за счет повышения температуры воздуха и, в конечном итоге, приводит к потере части эффективной мощности и КПД двигателя. Теплопередача к клапану при сгорании может быть значительно уменьшена теплоизоляцией тарелки клапана.

У выпускного клапана температурные условия работы значительно тяжелее. Горячие газы, выходящие из цилиндра, имеют в месте перехода тарелки клапана в стержень высокую скорость и сильно нагревают клапан. Поэтому для получения эффекта адиабатности требуется теплоизоляция не только тарелки клапана, но и его стержня, отвод теплоты от которых осуществляется охлаждением его седла и направляющей. Кроме того, весь выпускной канал в головке цилиндров должен быть теплоизолирован с тем, чтобы через его стенки головке не передавалась теплота отработавших газов, выходящих из цилиндра.

Как уже упоминалось, при ходе сжатия сначала от горячих стенок цилиндра нагревается относительно холодный воздух. Далее в процессе сжатия температура воздуха повышается, направление теплового потока меняется на противоположное, и теплота от нагретых газов передается стенкам цилиндра. В конце адиабатного сжатия достигается большее в сравнении со сжатием в обычном двигателе значение температуры газа, но на это расходуется больше энергии.

Меньше энергии затрачивается, когда воздух при сжатии охлаждается, поскольку для сжатия меньшего вследствие охлаждения объема воздуха необходимо меньшее количество работы. Таким образом, охлаждение цилиндра при сжатии улучшает механический КПД двигателя. При ходе расширения, напротив, целесообразно теплоизолировать цилиндр или подводить теплоту к заряду в начале этого такта. Два указанных условия являются взаимоисключающими и реализовать их одновременно невозможно.

Охлаждение воздуха при сжатии можно осуществить в двигателях внутреннего сгорания с наддувом, подавая воздух после его сжатия в компрессоре в радиатор промежуточного охлаждения.

Подвод теплоты к воздуху от стенок цилиндра в начале расширения возможен в ограниченной степени. Температуры стенок камеры сгорания адиабатного двигателя весьма высоки, что вызывает нагрев воздуха, поступающего в цилиндр. Коэффициент наполнения, и, следовательно, мощность такого двигателя будут ниже, чем у двигателя с принудительным охлаждением. Этот недостаток устраним с помощью турбонаддува, использующего энергию отработавших газов; часть этой энергии можно передавать непосредственно на коленчатый вал двигателя через силовую турбину (турбокомпаундный двигатель).

Горячие стенки камеры сгорания адиабатного двигателя обеспечивают воспламенение на них топлива, что предопределяет использование в таком двигателе дизельного рабочего процесса.

При совершенной теплоизоляции камеры сгорания и цилиндра температура стенок увеличивалась бы до достижения на глубине около 1,5 мм от поверхности средней температуры цикла, т. е. составила бы 800-1200 °С. Такие температурные условия обусловливают высокие требования к материалам цилиндра и деталей, образующих камеру сгорания, которые должны быть жаропрочными и обладать теплоизоляционными свойствами.

Цилиндр двигателя, как уже отмечалось, должен смазываться. Обычные масла употребимы до температуры 220 °С, при превышении которой возникает опасность пригорания и потери упругости поршневых колец. Если головка цилиндра изготовлена из алюминиевого сплава, то прочность такой головки быстро уменьшается уже при достижении температуры 250-300 °С. Допустимая температура разогрева выпускного клапана составляет 900-1000 °С. Этими значениями максимально допустимых температур необходимо руководствоваться при создании адиабатного двигателе.

Наибольшие успехи в развитии адиабатных двигателей достигнуты фирмой "Камминс" (США) [12]. Схема адиабатного двигателя, разработанного этой фирмой, изображена на рис. 75, где показаны теплоизолированные цилиндр, поршень и выпускной канал головки цилиндра. Температура отработавших газов в теплоизолированной выпускной трубе составляет 816 °С. Присоединенная к выпускной трубе турбина соединена с коленчатым валом через двухступенчатый редуктор, снабженный гасителем крутильных колебаний.

Опытный образец адиабатного двигателя был создан на базе шестицилиндрового дизеля типа NH. Схематический поперечный разрез этого двигателя показан на рис. 76, а его параметры приведены ниже:

^* (Для двигателя с приведенными параметрами среднее эффективное давление составляет около 1,9 МПа. - Примеч. ред.)

Рис. 76. Поперечный разрез адиабатного дизеля 'Камминс': 1 - блок цилиндров; 2 - составной поршень; 3 - гильза цилиндра; 4 - теплоизолирующая прокладка блока цилиндров; 5 - вставка между головкой и блоком цилиндров; 6 - теплоизолирующая прокладка головки цилиндров; 7 - теплоизолирующая шайба камеры сгорания; 8 - нижнее уплотнение теплоизолирующей шайбы; 9 - седло выпускного клапана; 10 - керамическая изоляция выпускной трубы; 11 - выпускной клапан; 12 - насос-форсунка; 13 - теплоизолирующий стакан насос-форсунки; 14 - седло впускного клапана

В конструкции двигателя широко использованы стеклокерамические материалы, обладающие высокой жаропрочностью. Однако до настоящего времени обеспечить высокое качество и длительный срок службы деталей из этих материалов не удалось.

Большое внимание было уделено созданию составного поршня [13], показанного на рис. 77. Керамическая головка поршня 1 соединена с его основанием 2 специальным болтом 3 с шайбой 4. Максимальная температура в середине головки достигает 930 °С. От основания головка теплоизолирована пакетом тонких стальных прокладок 6 с сильно неровной и шероховатой поверхностью. Каждый слой пакета из-за малой поверхности контакта обладает большим тепловым сопротивлением. Тепловое расширение болта компенсируется с помощью тарельчатых пружин 5.

Рис. 77. Составной поршень адиабатного дизеля: 1 - керамическое днище; 2 - основание поршня; 3 - болт; 4 - шайба; 5 - тарельчатая пружина; 6 - теплоизолирующий пакет прокладок