МБОУ "Верхопенская СОШ им. М.Р. Абросимова"

Современные двигатели неполного объёмного расширения
Поршневые ДВС неполного объёмного расширения (степень сжатия = степени расширения) характеризуются высокими начальными параметрами рабочих газов (давление, температура), но не обеспечивают их полного срабатывания из-за низкой степени расширения, обусловленной несовершенством кривошипно-шатунного кинематического механизма (КШМ), используемого для преобразования потенциальной энергии в механическую энергию вращения вала. Степени сжатия и расширения равны, но после воспламенения сжатой топливовоздушной смеси давление продуктов сгорания повышается ещё в несколько (4-5) раз, при этом, не обеспечивается их расширение до атмосферного давления и они, имея высокое давление и температуру, выпускаются в атмосферу и при этом наносят вред окружающей среде.

К поршневым ДВС с кривошипно-шатунным механизмом относятся поршневые двигатели Отто и Дизеля, роторно-поршневой Ванкеля, и поршневой Стирлинга. Активная площадь S, воспринимающая давление газов, постоянна. Произведение силы F = РхS, создающей вращающий момент на не постоянный и изменяющий свою величину от 0 до максимума и за тем до 0, приведённый радиус R, имеет в итоге не большую величину, что указывает на не эффективное преобразование давления рабочего тела в механическую энергию вращения вала.

Поршневые ДВС с кольцевыми цилиндрами и механизмами относительного движения поршней.
Роторно-лопастной двигатель внешнего сгорания с более сложным, чем кривошипно-шатунный, рычажно-кулачковым механизмом взаимного движения поршней и передачи усилия давления газов с поршней на вал, габариты которого в 2 раза больше, чем габариты цилиндропоршневой части. К недостаткам можно отнести низкую степень расширения и высокую тепловую напряженность ротора, особенно его лопастей, высокую токсичность выхлопных газов, высокий расход топлива.

Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания. Особенность двигателя – применение вращающегося сложносоставного ротора размещённого внутри кольцевого цилиндра и состоящего из четырех лопастей. На паре соосных валов установлены по две лопасти, разделяющие цилиндр на четыре рабочие камеры. Каждая камера за один оборот совершает четыре рабочих такта. В данной конструкции возможно реализовать только четырехтактный цикл. К недостаткам можно отнести низкую степень расширения и высокую тепловую напряженность ротора, особенно его лопастей.

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля.
Главное его отличие от поршневых
двигателей состоит в замене возвратно-поступательного движения поршней вращательным одного ротора треугольной формы. На рисунке слева приведена конструкция роторно-поршневого двигателя. Его основными частями являются корпус, эксцентриковый вал (эквивалент кривошипа) и ротор. В корпусе вращается эксцентриковый вал отбора мощности, на котором установлен ротор. К недостаткам можно отнести низкую степень расширения, и, соответственно, высокий удельный расход горючего, высокую токсичность выхлопных газов, невысокий ресурс работы, а так же высокую теплонапряженность ротора.

Газотурбинные двигатели полного необъёмного расширения.
Газотурбинные двигатели (ГТД) полного необъёмного расширения, используемые для преобразования кинетической энергии газов в механическую энергию вращения вала, имеют невысокие начальные параметры, но обеспечивают полное расширение газов до атмосферного давления. Эффективность преобразования кинетической энергии осевого потока газов в перпендикулярный осевому М кр. не более 20% от располагаемой, соответственно, удельный расход горючего высокий. Температура выхлопных газов так же достаточно высокая. Имеют самую большую удельную мощность среди ДВС.

Что возможно и невозможно в тепловых двигателях.
Невозможно всё давление рабочего тела использовать для совершения механической работы. Часть давления должна быть отдана окружающей среде.
Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях не обеспечивая более полного использования потенциальной энергии давления рабочего тела.
Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях преобразующих давление в механическую энергию вращения не обеспечивая постепенное увеличение площади, воспринимающей давление, и одновременное удаление её от центра вращения.
Невозможно достичь максимального КПД в тепловых двигателях используя в качестве рабочего тела только газообразное.
Достижение максимального КПД возможно только при использовании в цикле расширения дополнительного рабочего тела обладающего иными физическими свойствами чем газ.

Достижение максимального КПД возможно только при максимальном использовании двух видов энергии которой обладает рабочее тело перед расширением.
Невозможно обеспечить максимального КПД термодинамическими и рабочими циклами не обеспечивающими полного использования энергии которой обладает рабочее тело перед расширением.
Возможно для достижения максимально КПД использование не только потенциальной энергии давления газообразного рабочего тела но, и его внутренней энергии, используя её для генерации потенциальной энергии давления рабочего тела с иными свойствами чем у газообразного, а именно, парообразующей жидкости.
Возможно генерация дополнительного рабочего тела непосредственно в процессе расширения газообразного.

Турбина объёмного расширения (ТОР).
В современных осевых газовых и паровых турбинах необъёмного расширения один поток рабочего тела движется в направлении оси вала турбины, при этом, крутящий момент создаёт окружная сила, возникающая на лопатках ротора турбины и действующая перпендикулярно осевому потоку. Известна однопоточная радиальная турбина необъёмного расширения, предложенная в 1912 г. в Швеции братьями Юнгстрем. Рабочее тело в ней движется при расширении от центра к периферии в плоскости, перпендикулярной оси турбины. В ней нет неподвижных сопловых лопаток, два ротора вращаются в противоположных направлениях и мощность, развиваемая турбиной, передаётся двум валам. Как и осевые турбины она использует кинетическую энергию одного потока и является чисто реактивной