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
- Стырикович М.А. , Шпильрайн Э.Э. Энергетика. Проблемы и перспективы.
— М.: Энергия, 1981. — 192 с., ил.
- Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики:
Учеб. Пособие. — 2-е мзд. Перераб. И доп. М.: Высш. Школа, 1981.
- Егоров Ю. Егоров Ю. Теплица самообслуживания// Изобретатель и рационализатор, 1983, № 11.
- Крутиков Б. Поршневой компрессор для эффективных энергоустановок // Двигатель,№ 3, 2004.
- 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.
