РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
МАЛОМОЩНОГО ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА
2.1. Регулируемый объект
Полноценных даже маломощных ДС в странах СНГ нет, а имеющиеся в дальнем зарубежье опытные экземпляры, нам недоступны. Но для предварительных исследований САР маломощного ДС, в которую входят системы регулирования температуры нагревателя и частоты вращения коленчатого вала двигателя, в качестве регулируемого объекта можно использовать небольшие упрощенные действующие модели ДС.
Использование маломощного ДС для таких исследований становится возможным если в системах регулирования двигателя применить электронные микропроцессорные регуляторы, которые во время экспериментов могут питаться от автономного источника электрического тока, т.е. энергия, вырабатываемая ДС, для целей регулирования не расходуется.
На многих специализированных кафедрах ВУЗов в странах СНГ имеется маломощный ДС модели УДС-1, описанный в работах [39, 41].
Этот двигатель и принят в качестве регулируемого объекта в настоящем исследовании.
Однако УДС-1 предназначен только для демонстрации работы ДС. Он имеет упрощенную систему управления: теплота к нагревателю подводится от открытой горелки, холодная полость двигателя охлаждается воздухом, нагрузочного (тормозного) устройства двигатель не имеет, мощность и частоту вращения коленчатого вала двигателя можно регулировать только изменением температуры нагревателя (расхода топлива через горелку), полноценного регенератора нет.
Чтобы использовать этот двигатель в качестве регулируемого объекта в него внесены следующие усовершенствования:
1. Подвод теплоты осуществляется от закрытой газовой горелки с регулируемым подводом горючего газа.
2. Для регулирования мощности двигателя применен специальный цилиндр с изменяемым "мертвым" объемом, присоединенный к рабочему цилиндру двигателя.
3. Создано водяное охлаждение холодной полости дополнительного цилиндра.
4. К двигателю присоединен электрический генератор, в результате чего получен Стирлинг - электрический агрегат, генератор которого можно использовать в качестве электрического тормоза.
Усовершенствованный двигатель УДС-1 с присоединенным электрическим генератором показан на рис.2.1.
Двигатель УДС-1 представляет собой V- образный Стирлинг ? - модификации вытеснительного типа с двумя цилиндрами, расположенными под углом 900 [42, 43, 44, 45]. Один из них рабочий 7, а второй дополнительный 14. В рабочем цилиндре 7 перемещается поршень 8, а в дополнительном цилиндре 14 - вытеснитель 18. Поршень и вытеснитель соединены с кривошипом коленчатого вала 23 шатунами 13 и 22. Направляющей для вытеснителя служит шток 19. Вытеснитель разделяет дополнительный цилиндр на две полости: горячую 15 и холодную 20. Обе полости сообщены между собой по зазору между вытеснителем и стенками дополнительного цилиндра. Холодная полость сообщена с рабочим цилиндром трубкой 12.
Дополнительный цилиндр выполняет роль нагревателя и охладителя рабочего тела, которым в УДС-1 служит воздух. Теплота подводится к рабочему телу снаружи через стенки цилиндра от продуктов сгорания топлива, которые образуются в камере сгорания 16 с горелкой 17. В качестве топлива используется сжиженный нефтяной пропан- бутановый газ. Температура продуктов сгорания регулируется изменением количества сжигаемого газа, которое определяется положением крана 24.
Рис.2.1. Принципиальная схема усовершенствованного двигателя УДС-1
Из холодной полости 20 теплота отводится в систему жидкостного охлаждения 21. Для интенсификации процесса отвода теплоты из холодной полости на дополнительном цилиндре выполнены кольцевые ребра. Теплоносителем в системе охлаждения служит вода.
В двигателе УДС-1 нет характерного для ДС регенератора теплоты, его роль частично выполняет вытеснитель 18. Когда воздух проходит через зазор из горячей полости в холодную, вытеснитель поглощает часть теплоты, а при обратном движении воздуха из холодной полости в горячую теплота передается от вытеснителя воздуху.
Внутренний контур двигателя УДС-1 негерметичен. При неработающем двигателе давление воздуха в нем равно атмосферному давлению. К рабочему цилиндру присоединен цилиндр 10 с поршнем 11, который можно перемещать с помощью винтовой передачи с приводом от реверсивного электродвигателя 9. Этот цилиндр выполняет роль дополнительного регулируемого "мертвого" объема.
Диаметры цилиндров: рабочего - 40 мм, дополнительного - 65 мм. Ход поршня и вытеснителя - 30 мм. Диаметр вытеснителя 63,4 мм.
Общий объем всех заполненных воздухом полостей двигателя (без учета объема цилиндра 10 при положении поршня 8 в НМТ) составляет 195,2 см3, рабочий объем рабочего цилиндра (объем между ВМТ и НМТ) равен 37,7 см3, "мертвый" объем при положении поршня в ВМТ - 157,5 см3. Степень сжатия 1,24, отношение "мертвого" объема к рабочему объему - 4,18. Максимальный объем цилиндра 10 - 60 см3. Степень сжатия с учетом полного объема цилиндра 10 равна 1,17, а отношение "мертвого" объема к рабочему объему 5,77.
Электрогенератор 6 постоянного тока соединен с двигателем УДС-1 ременной передачей. Обмотка возбуждения генератора питается током из бытовой электрической сети через автотрансформатор 1 и выпрямитель 2. Вырабатываемый генератором ток регулируется реостатом 4 переменного сопротивления. Напряжение тока измеряется вольтметром 5, а сила тока - амперметром 3.
Наибольшая эффективная мощность двигателя УДС-1 - 8 Вт при частоте вращения коленчатого вала 400...450 мин-1 и температуре наружной стенки горячей части дополнительного цилиндра 930...950 К.
Работает двигатель следующим образом.
При движении поршня 8 к ВМТ происходит сжатие воздуха во всех полостях двигателя и давление рабочего тела повышается. Одновременно с этим вытеснитель 18 перемещается в направлении холодной полости, основная масса воздуха вытесняется через зазор в горячую полость 15 и нагревается в ней. В результа