Модель Двигателя Стирлинга 4-125 D.A.
Cooling fan – вентилятор;
Exhaust – выхлопная труба;
Air filter – воздушный фильтр;
Air measuring valve – измерительный воздушный клапан;
Fuel supply – подача топлива;
Water pump – водяной насос;
Power steering pump – насос рулевого привода с усилителем;
Accessory drive – дополнительный двигатель;
Combustion air blower – камера сгорания;
Preheater drive motor – предварительный нагреватель.
Рисунок 1. Двигатель типа 4-125 D.A. Компоненты двигателя.
Конструкция и режимы работы.
Четырех цилиндровый двигатель двойного действия 4-125D.A. был выбрал потому что его вес и требования топливной экономичности лучше чем у других двигателей Стирлинга с такой же конструкцией. Число, ход и диаметр цилиндра были выбраны так, что охваченный объем выдавал мощность равную 127кВт с диапазоном скорости, который должен быть между 600 и 4500 об\мин (чтобы избежать модификации следующей передачи). На основе полученного опыта и теоретических рассмотрений был выбран угол наклонной шайбы – 17 градусов. От полученного опыта с ранее исследованными Стирлингскими двигателями считалось, что дополнительная мощность , требуемая для компонентов (исключая кондиционирования воздуха) и за компенсацию потерь на механическое трение, составит 50 Квт.
С этой оценкой необходимая обозначенная мощность равна
Pi=127+50=177кВт
Есть приблизительно 20 независимых переменных , все из которых затрагивают мощность и эффективность двигателя. Пользуясь теоретическими рассмотрениями и результатами многих машинных тестов, philips развил ряд компьютерных программ, с которыми возможно определить оптимальные размеры Стирлингских машинных компонентов для отобранных режимов работы. Такие вычисления оптимизации имеют отношения к данной машинной конфигурации, например, тип наклонной шайбы, форма головки нагревателя и т.д.
Фактическая оптимизация привела к обозначенной эффективности, требование являющееся обозначенной мощностью.
Характеристики двигателя
Число цилиндров – 4
Диаметр цилиндра – 72мм
Ход поршня – 52мм
Число охладителей\регенераторов – 8
Рабочее тело - водород
Максимальная мощность – 127 кВт
Максимальный крутящий момент – 428 Нм
Максимальное значение давление жидкости – 20 Н\мм^2
Температура головки нагревателя – 750С
Температура охладителя – 64С
Рисунок 1. Головка нагревателя.
Опыт полученный за эти годы в постройке секций нагревателя , показал, что один из критических параметров , определяющий долговечность труб нагревателя является относительная жесткость конструкции. Твердая секция лучше сопротивляется усталости материала во время смена режима работы.
Рассматриваемая секция нагревателя выполнена со свободной деформацией. Трубки выбраны принципиально из-за прошлого опыта с этим материалом и из-за совместимости с пайкой твердым припоем, использующаяся во время изготовления нагревательной головки.
Состав материала для цилиндров и регенератора приводит к удовлетворению след. Требований
- непроницаемость и неприкосновенность к водородному газу под давлением
- структурная стабильность при температуре до 750С
- совместимость с процессом пайки (твердой), используемой во время сборки нагревательной головки
- хорошее сопротивление к окислению
Чтобы удовлетворить эти требования CRM-6D, основанной на железной и карбидостойкой стали, развитой Крайслером, была выбрана CRM. CRM была образована чтобы не было прблем во время пайки.
Холодильник
Трубки холодильника сделаны диаметром 1.8 мм из нержавеющей стали и толщиной стенок 0.45 мм. Трубки впаены в конец пластины 3-х мм толщины.(рис 3).Дизайн регенераторов для Стирлинга очень важен. В двигателе 4-125 используется 8 регенераторов сделанных из плотно упакованных сеток. Проводной диаметр теплопроводности, высокие температуры, снижение давления и плотность должны быть тщательно выбраны, чтобы обеспечить оптимальную функциональность.
Рисунок 2. Холодильник и регенератор.
Воздушный нагреватель
Сделан керамического типа . Керамический диск толщиной 40мм приводит в действие электромотор и вращает со скоростью 8 об\мин. Исследование напряжения в пределах ядра (сердцевины) были сделаны с помощью компьютерных программ разработанным Фордом, чтобы гарантировать, что ядро будет показывать приемлемую работу без разрыва.
Рисунок 3. Воздухонагреватель.
Горелка
Тесты потока внешней системы показали, что приемлемый образец потока может быть достигнут с конической горелкой. Воздушное входное отверстие и скорости выхода в конической горелки изменяется от 9 до 125 м\сек. Охлаждение горелки может быть необходимым в виду максимальной температуры материала. Это охлаждение может быть достигнуто с помощью увеличения скорости воздуха вокруг горелки, которая будет результатом в усовершенствовании конвективной теплопередачи, также в увеличение снижения давления и это не допустимо в этом дизайне. Другая возможность улучшить конвективную теплопередачу с помощью разрезов в стенке горелки. Через эти отверстия поступает часть воздуха для сгорания и охлаждения горелки.
Рисунок 4. Коническая горелка.
Рисунок 5. Образец потока в конической горелке.
Система рециркуляции выхлопного газа
Используется в Стирлингском механизме чтобы сократить выхлопную эмиссию. Как и в конвективных механизмах РВГ снижает температуру пламя, т.к. механизм представляет массу инертного газа, которая должна быть нагрета в горелке. Это приводит к самому низкому показателю эмиссии.NOx. РВГ еще ведет к увеличению массы потока через горелку с соответственно высочайшей скоростью и вихрем в камере сгорания, таким образом улучшая процесс смешивания топлива и воздуха. Хорошие результаты смешивания в более быстром и более полном сгорании с низкими вредными эмиссиями. В ВРГ норма потока сделана, чтобы меняться в зависимости от нагрузки, как показана на рис 7. с помощью взаимодействия между распределительным клапаном вентиляционной струи и отверстием в выхлопной рециркулирующей трубе.
Рисунок 6. Система рециркуляции выхлопного газа и массовый поток свежего воздуха.
Механическая система приводов
Состоит из
- поршневая группа
- шток поршня и крейцкопф
- ползуны
- Наклонная шайба в сборе
Поршни изготовлены в двух частях, основа сделана из хромоникелевой стали и содержащей механизм соединения поршня с поршневым штоком и к сердцевине детали ползуна в котором находится подпятник.
Отделить циклы – функция поршня в Стирлингском двигателе двойного действия. В принципе это может быть достигнуто с помощью одного поршневого кольца на поршень. Но потому что у колебании давления в двух местах ,разделенным поршнем, есть изменения фазы на 90(в случае двигателя с четырьмя цилиндрами) , это означает, что поршневое кольцо сначала обопрется на край другого. Опыт показал что это приводит к нежелательным эффектам, которые можно избежать при помощи двух поршневых колец за поршень и вызывая давление в месте между поршневыми кольцами быть в минимальном давлении цикла. Маленькая трубочка между этим местом и внутренней части поршня держит внутреннее давление в поршне в минимальном давлении цикла.
Следовательно поршневые кольца всегда опираются на один край углубления поршневого кольца.
Рисунок 7. Механическая система приводов.
Материал поршневого кольца должен обладать следующими свойствами
- соответвующая прочность и низкое трение
- тепловая стабильность в температуре сжатия 100С(212F)
Основанный на этих рассмотрениях, Rulon(стеклянный тефлон) был выбран для кольцевого материала.
Поршневой шток сделан из азотируемой стали(DS 970) нечуствительным к 66Rc дистанционным управлениям для износостойкости поверхности и высокой усталости.
Материал головки имеет пресс-литьё стали H11, которая предлагает высокую степень стабильности во время различных термообработок. Крейцкопф укреплен к 55Rc. Требования, которые будут обеспечивать конструкцию ползунов и подпятников:
- размерная стабильность (выдерживание зазоров и траектории движения)
- износостойкость
Ввиду этих требований ползунки сделаны из стандартных шарикоподшипников. Плоский фронт ползунка – свинцовый индий, покрытый металлом для адекватных сухо бегущих свойств во время старта и остановки. Ползуны и подпятники сделаны из инструментальной стали D3. Наклонная шайба выполняет двойную функцию. Это служит прежде всего ,чтобы преобразовать движение взаимного обмена в ратационный, но это также используется для уравновешивания двигателя.
Наклонная шайба должна быть достаточно сильна, чтобы поднять силы штока, приводящие к минимальной пластине. Требование баланса также приводит к минимуму , который оказывает доминирующее рассмотрение.
Наклонная шайба сделана из узлового чугуна. На опорной поверхности подстаканников делается специальный профиль который обеспечивает доступ к маслу.
В двигателях 4-125 наклонная шайба сделана немного конической. Это обеспечивает интерфейс для того, чтобы он основал гидродинамическую нефтяную пленку против плоской стороны ползунков, которое является существенно лучшим.
Наклонная шайба ввернута в вал, чтобы обеспечить осевое регулирование.
Вращающий момент передан посредством муфты. Вал на роликовых подшипниках ,SAE 1139, поддержан отношениями ролика во всех концах.
Картер, используемый в двигателях 4-125, сделан из определяемого A390 алюминиево-кремниевого сплава. У этого сплава есть особенности изнашивания, которые избавляют от необходимости железо или стальные лайнеры. Механическая обработка и свойства литейных качеств материала хороши.
Working fluid – рабочая жидкость;
Oil – масло;
Oil pumping ring – маслосъемное кольцо;
Rod – шток;
Rolling diaphragm – диафрагма;
Regulating valve – регулирующий клапан.
Рисунок 8. Вид уплотнения штока.
Системы управления
Температура и система управления воздуха/топлива
Эта система разработана, чтобы управлять входом высокой температуры двигателя таким способом, которым температура рабочего газа в трубах нагревателя сохранена за желательную постоянную ценность всюду по всему диапазону рабочего условия. По этой причине количеством системы сгорания должна управлять температурная система управления. В то же самое время радио массовых расходов воздуха сгорания и топлива должно также остаться постоянным, в приблизительно 20:1.
В принципе возможно проектировать систему управления, в которой два электрических сигнала продукции гарантируют параллельный контроль воздуха сгорания и топлива. Практически трудно поддержать правильное отношение воздуха к топливу таким образом. Но главная причина для отказа такой системы состоит в том, чтобы быть найдена в условиях разминки. Во время разминки, когда главная нагревателем температура значительно ниже нормального операционного диапазона, топливо может поставляться по максимальной норме. Однако, чем требуемое в предельной нагрузке, потому что доступное количество воздуха намного меньше чем требуемое в предельной нагрузке, потому что норма вентиляционной струи ограничена способностью вентилятора двигателя и способностью батареи.
Чтобы приспособить эту ситуацию, схема была принята, в котором система для того, чтобы управлять температурой головы нагревателя определяет количество воздуха сгорания. Система разделения управления воздуха/топлива управляет расходом топлива, чтобы привести к отношению воздуха/топлива приблизительно 20:1. Система управления показана на рисунке:
Рисунок 10. Схема системы контроля температуры и отношения воздуха к топливу.
Температура рабочего газа в трубах нагревателя измерена посредством четырех термопар, которые расположены в четырех трубах головы нагревателя. Температурные произведенные сигналы являются усилителем, который расположен в пульте управления. Самый высокий из четырех температурных сигналов отобран и по сравнению с требуемым значением, после которого температурный отличительный сигнал передают текущему диспетчеру. Этот диспетчер также получает электрический сигнал вентиляционной струи от воздушного клапана измерения. Этот воздушный клапан измерения удовлетворяет отношение:
в котором постоянный фактор Cair и образец n выбраны в соответствии с требованиями системы сгорания и системы ЭРГА. Проистекающий поток контроля питается к вращающемуся магниту, который служит клапаном управления воздушным движением (клапан Дросселя).
Рисунок 11. Схема системы топливного контроля.
Valve – клапан;
Signal amplifier – усилитель сигнала;
Pump – насос;
Fuel overflow back to tank – топливо поступает назад в резервуар;
Fixed flow resistance – неподвижное сопротивление потока;
To fuel atomizer – к топливному пульверизатору;
Fuel flow control valve – клапан контроля топливного потока;
Overflow valve – клапан переполнения.
Рисунок 11. Схема системы топливного контроля.
В усилителе сигнала (рис. 11) () сигнал преобразован в сигнал топливного давления, (),
в котором () фактор выгоды, и () топливное давление позади насоса. Давление контроля () питается к () - диспетчер (12), В КОТОРОМ снижение ДАВЛЕНИЯ через переменное сопротивление удовлетворяет отношение
Комбинация вышеупомянутых уравнений
Уравнение приводит к следующим заключением
- воздух к топливу=const
- воздух к топливу = не зависит от насоса
- воздух к топливу = не зависит от обратного давления системы горелки и пульверизатора
Система управления мощностью.
Engine torque – крутящий момент;
Idle – работать в холостую;
Road load curve – нагрузочная кривая;
Torque converter – трансформатор.
Рисунок 12. Рабочий диапазон системы контроля воздуха.
Следующие требования
- рабочий диапозон как показан рис 12
- при не рабочем состоянии, скорость может меняться -+50
- вращающий момент двигателя (рис 13,14)
- время достичь 90%(широко открытый дроссель) вращающий момент карданного вала <0,6сек.
- время от нажатия педали акселератора до двигателя достигает бездейственного вращения момента <0,2 сек(феномен падения вращающего момента может быть замечен во всех дизельных и бензиновых двигателях)
- замедление времени <0,2 сек
- объем газаH2 во всем двигателе включает систему контроля должен быть на столько маленьким на сколько это возможно. Для двигателя 4-125 система была выбрана в которой сила контролировалась с помощью изменения значения цикла давления. Эта система была выбрана по следующим причинам
- обширный опыт
- широкий промежуток контроля
Transient – переходный момент;
Drive-shaft – ведущий вал;
Engine reaches idle torque again in 0.2 s – двигатель достигает крутящего момента работая в холостую через 0.2 секунды.
Рисунок 13. Крутящий момент и время задержки.
Рисунок 14. Время замедления ответа.
Чтобы познакомиться с целями вращающего момента система была модифицирована как показана на рис 15., главное отличие от оригинальной системы в том, что в линию подачи поступает водород.
Рисунок 15. Диаграмма системы контроля измененного давления с кислородным дистрибьютором.
Другое отличие от оригинальной системы в том, что компрессор используется как для пополнения так и для осушения. Выбор включения дистрибьютора такой что цикл пополняют в момент когда цикл давления достигает своего максимума(рис 16)
Replenishing of cycle – пополнение цикла;
Pressure variation in cycle – изменение давления цикла.
Рисунок 16. Выбор времени подачи водорода.
На рис. 17 в переключении образца клапанов показана для 3 рабочих процессов
1 способ – наполнение
2 способ – короткое осушение
3 способ – остановка двигателя
Рабочие модели:
1 – пополнение
2- короткое замыкание + высушивание
3 – остановка двигателя
Функции контрольных клапанов:
Клапан1 – пополнение
Клапан2 – сливание
Клапан3 – короткое замыкание
Клапан4 – пополнение
Клапан5 – сливание
Рисунок 17. Образец переключения контрольных клапанов.
В системе как описана здесь можно поднять и понизить давления цикла. Чтобы достичь вращающего момента \скоростные характеристики как и во внутренней камере сгорания использованы и сделаны из двух сигналов обратной связи
- скорость механизмов
- максимальное давление цикла механизмов
На рис 19 показана диаграмма скорости и давления.
Speed transducer + amplifier – скоростной преобразователь и делитель;
Pressure transducer + amplifier – преобразователь давления и делитель;
Рисунок 18. Диаграмма скорости и контроля давления.
Вход
Регистрация
FAQ
Поиск
