Энергоинформ – развитие энергетики и информационных технологий

Энергоинформ — альтернативная энергетика, энергосбережение, информационно-компьютерные технологии

Энергоинформ / Точка зрения / Концепция массового производства эффективного двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

Концепция массового производства эффективного двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

Основным параметром эффективности любого ДВС, включая авиадвигатель, является удельный расход топлива Се, значение которого в современных конструкциях достигает величины 0,2 кг/ ч/квт, и в ближайшие 20 лет может быть снижено примерно на 30%.

В современной термодинамике академиками РАН доказано, что механическая работа  L, получаемая в тепловой машине в замкнутом круговом цикле равна разности теплоты Qп, подведенной к рабочему телу, и теплоты Qот, отведенной в окружающую среду [1], т.е.
L= Qп — Qот. (1).

Эта фундаментальная ошибка академиков противоречит хорошо и давно известному принципу С.Карно, который гласит: «Возникновение движущей силы обязано не действительной трате теплорода, а его переходу от горячего тела к холодному» [2].

Рассмотрим простейший тепловой двигатель, например металлический стержень, который при нагревании теплотой Qп способен совершить механическую работу Lп, а при своем охлаждении (отводе теплоты Qот) также может совершить механическую работу Lот.

Тогда очевидно, что полученная механическая работа L= Lп + Lот, величина которой противоречит значению L в формуле (1) , особенно при Qот =Qп , т.к. металлический стержень полностью остывает.

Эффективным подтверждением принципа Карно является результат действия теплового двигателя Федосеева Г.С. [3].

На основании этих и других рассуждений был сформулирован постулат, который гласит: «Всякий поток движущейся материи с первичной энергией Е способен генерировать механическую и (или) тепловую энергию Ег в неограниченной количестве от нуля до бесконечности», т.е.
Ег = кЕ, (2)
где значение коэффициента к больше или равно нулю и меньше бесконечности.

Самым массовым тепловым двигателем является поршневой ДВС, суммарная мощность которых на Земле в несколько раз превышает мощность всех электрических и тепловых станций.

Конструкция этого двигателя была использована при разработке эффективного турбопоршневого двигателя (ТПД) массового производства.

Покажем простые способы снижения параметра Се до величины 0,02 кг/ч/квт, т. е. эффективность ДВС увеличится в 10 раз.

1. Основным способом повышения эффективности любого ДВС, является процесс генерирования энергии по формуле (2), при этом величина параметра Се стремится к нулю.

Теоретическая идея при ее практической реализации может дать множество эффективных конструктивно-технологических способов.

Предлагаемая схема ТПД включает известные элементы конструкции: поршневой компрессор (ПК), камеру сгорания (КС) топливовоздушной смеси (ТВС), форсунку, газовый эжектор, многоконтурную турбину (МКТ) с положительной обратной связью газового потока, а также силовой вал турбины.

Все эти узлы и агрегаты работают в импульсном и пульсирующем режиме, что является основой для разработки способов повышения эффективности ТПД.

2. Простейшим способом повышения эффективности ПК является его изготовление из серийного ДВС, например ВАЗ-2109.

Тогда секундный расход сжатого воздуха повышается в 4 раза, как за счет работы на сжатие двух цилиндров ПК одновременно, так и за счет удвоенной частоты вращения коленчатого вала до 12000 1/мин.

При этом почти в 2 раза снизится масса ПК по сравнению с массой серийного ДВС, понизится потребляемая мощность ПК, и расход масла на выгорание.

Эффективность ТПД можно также повысить за счет применения безмасленного и конструктивно простого поршневого компрессора [4].

Импульсный принцип работы ПК способствует эффективной работе и остальных элементов конструкции ТПД.

3. Перенос процесса горения ТВС в прямоточную КС позволяет:

– использовать любой вид топлива от угольной пыли (и опилок) до водорода;

– в ряде случаев осуществить эффективную детонацию ТВС с резким повышением давления и температуры продуктов горения;

– исключить вредное влияние помпажного режима на конструкцию и процесс сжатия воздуха в ПК;

– использовать тепловую энергию продуктов горения для подогрева ТВС.

Способ использования форсунки в прямоточной КС был опробован на водогрейном котле с горением мазута, а затем дизельного топлива [5], где процесс мягкой детонации туманообразного ТВС проходил в режиме самовоспламенения с коэффициентом эжектирования атмосферного воздуха более 100.

4. Способ получения дополнительной энергии в газовом эжекторе хорошо известен, при этом одновременно можно повысить давление газов перед турбиной и понизить его за турбиной, что естественно увеличит мощность турбины.

5. И наконец, мощный способ получения энергии в многоконтурной турбине, секундный расход газа в которой Gт более чем в 20 раз превышает расход сжатого воздуха из ПК. Этот эффект достигается за счет использования положительной обратной связи газового потока.

Экспериментальная проверка этого способа была проведена на ДВС мотоблока «Крот» в 1995 году, где изготовленная одноступенчатая турбина и установленная на валу ДВС, работала на кинетической энергии выхлопных газов ДВС при снятом глушителе.

Испытания показали:

  • – существенное снижение уровня шума;
  • – сохранение тактности выхлопных газов на выходе из корпуса турбины;
  • – снижение температуры выхлопных газов почти на 600 градусов (без нагрева корпуса турбины);
  • – повышение крутящего момента на валу ДВС.

Такой способ положительной обратной связи эффективно повышает кинетическую энергию потока воздуха в 4 ... 6 раз, например в аэродинамической трубе [6].

Невысокий уровень температуры газов перед турбиной (около 900 К) и низкая максимальная окружная скорость диска турбины (около 160 м/с) позволяют изготовить ее из листовой стали 20Х с последующей сборкой и сваркой элементов конструкции, что возможно сделать на любом машиностроительном заводе.

Отметим, что серийный ДВС ВАЗ −2109 при мощности на валу 50 КВт за 10 тысяч часов эксплуатации потреблял топлива на сумму 3 млн руб., что в 8 раз превышала стоимость самого автомобиля.

Это хороший финансовый интерес для инвестора, разработчика, изготовителя и рекламно-сервисной службы.

Естественно, снижение удельного расхода топлива в несколько раз делает рентабельным процесс производства и продажи даже штучного ТПД с ценой двигателя 1 млн руб.

Такой двигатель найдёт применение на транспорте и в энергетике.

Литература

  1. Стырикович М.А. , Шпильрайн Э.Э. Энергетика. Проблемы и перспективы.
    — М.: Энергия, 1981. — 192 с., ил.
  2. Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики:
    Учеб. Пособие. — 2-е мзд. Перераб. И доп. М.: Высш. Школа, 1981.
  3. Егоров Ю. Егоров Ю. Теплица самообслуживания// Изобретатель и рационализатор, 1983, № 11.
  4. Крутиков Б. Поршневой компрессор для эффективных энергоустановок // Двигатель,№ 3, 2004.
  5. Крутиков Б.Н. Пульсирующий воздушно — реактивный двигатель (ПуВРД)// Двигатель, № 2, 2008. артынов А.К. Экспериментальная аэродинамика. М., Оборонпром., 1958.

Источник: Б.Н. Крутиков, к.т.н.

© 2005–2020 Энергоинформ — альтернативная энергетика, энергосбережение, информационно-компьютерные технологии