Новый поршневой двигатель внутреннего сгорания. Саади Карно

Автор "идеального цикла" прекрасно понимал трудности реализации двигателя работающего по такому циклу и в своих практических рекомендациях предлагал:
"... сжимать воздух насосом, затем пропустить его через вполне замкнутую топку, вводя туда маленькими порциями топливо при помощи приспособления, легко осуществимого; затем заставить воздух выполнить работу в цилиндре с поршнем, или в любом другом расширяющемся сосуде и, наконец, выбросить его в атмосферу..."

Саади Карно

Эта цитата из трудов основоположника термодинамики наилучшим образом соответствует описанию работы двигателя изложенного на этих страницах.

От автора этих страниц.

Целью публикации данных страниц в сети является привлечение к сотрудничеству заинтересованных лиц, организаций и спонсоров для дальнейшей разработки двигателя. Я рассматриваю своё увлечение тепловыми двигателями как хобби и не претендую на «абсолютную истину» в приведённых здесь суждениях. В этой связи для меня было бы очень важным узнать мнение специалистов, а также тех, кто разделят мой интерес к этой области техники - это является второй, не менее важной, целью публикации.

Вы можете свободно копировать, распространять и использовать для исследовательских или иных не коммерческих целей все сведения и идеи из этой публикации со ссылкой на автора. Тем, кто попытается создать рабочую модель двигателя, я буду рад помочь по мере возможности и буду очень признателен, если они поделятся своим опытом. Однако следует иметь ввиду, что в целях защиты интеллектуальной собственности здесь представлен демонстрационный вариант двигателя, непригодный для длительного использования. (Подробнее см. Защита промышленной собственности)

В моих ближайших планах, создание рабочего прототипа двигателя, поэтому я приглашаю к участию в этом всех у кого есть возможность проведения такого рода работ. В дальнейшем, при наличии рабочего прототипа двигателя, возможно создание венчурного проекта с привлечением акционерного капитала. Всем, кто заинтересуется этим проектом или его коммерциализацией, я предлагаю связаться со мною по указанному ниже адресу электронной почты.

Здесь Вы можете ознакомиться с патентом РФ, где закреплен приоритет на основные отличия двигателя (дизельный вариант).

Общаться со мною можно через e-mail: Мой e-mail


Просьба: при отправке письма, в окне «Тема:» пожалуйста напишите слово "Engine", чтобы я мог отличить Ваше послание от спама.

С уважением, Картазаев Владимир.

Краткий обзор ситуации в автотранспортной энергетике

Определяющими факторами диктующими требования для автотранспортной энергетики на ближайшую перспективу являются:

Эти факторы в свою очередь выдвигают следующие требования к автотранспортным энергетическим установкам:

Исходя из этих требований рассмотрим несколько типов автотранспортных энергетических установок. С точки зрения экономичности при этом следует рассматривать не только КПД установки, но и её мощность на единицу собственного веса (удельную мощность), так как каждый килограмм веса установки (двигателя) вынуждает увеличивать вес кузова и трансмиссии приблизительно на 0,75 кг. В результате может оказаться что транспортное средство снабженное лёгкой энергетической установкой с относительно низким КПД будет экономичнее чем транспортное средство снабженное тяжелой установкой с высоким КПД использующие энергию в значительной степени на перемещение собственного веса. Далее приведены очень краткие характеристики наиболее перспективных (с точки зрения автора) автотранспортных энергетических установок.

Водородные топливные элементы.

Экологически чистые, обладают высоким КПД, но имеют низкую удельную мощность и довольно дороги так как содержат драгоценные металлы. Имеются проблемы с хранением водорода на борту транспортного средства. К оборудованию и инфраструктуре водородной энергетики предьявляются высокие требования с точки зрения надёжности, безопасности и квалификации обслуживающего персонала, так как хранение водорода осуществляется при сверхвысоких давлениях или сверхнизких температурах. Водород в смеси с воздухом чрезвычайно взрывоопасен! Сжатие или сжижение водорода требует дорогостоящего прецизионнго оборудования и существенных затрат энергии. Производство водорода также требует больших затрат энергии и не безупречно с точки зрения экологии. Успехи в освоении водородных топливных элементов позволяют надеятся на их более или менее массовое применение в качестве автотранспортных энергетических установок особенно для городского транспорта.

Двигатель Стирлинга.

Современные двигатели Стирлинга имеют низкую удельную мощность, термический КПД приблизительно такой же как у двигателей по циклу Дизеля (до 40%), но в отличие от последних, у "стирлингов" лучше экологические параметры. Если улучшить эффективность теплообмена (повысить удельную мощность), то этот двигатель имеет неплохие перспективы использования в качестве силовой установки (двигатель + генератор) в так называемых "гибридных" автомобилях. В качестве источника энергии (тепла) для "стирлинга" кроме обычной топки можно использовать химический реактор или тепловой аккумулятор, который по энергоёмкости сопоставим с керосином. Возможность использования разнообразных источников (тепловой) энергии, от электросети (ветрогенератора), солнечного концентратора (гелио-установки) до древесного мусора позволит применять "стирлинги" повсюду, вне зависимости от инфраструктуры.

Роторные ДВС

Существующие роторные ДВС обладают хорошим соотношением мощность/вес и хорошо сбалансированы, но потребляют слишком много топлива на единицу работы (низкий тепловой КПД). Это вероятно обусловлено неблагоприятной, с точки зрения тепловых потерь, формой камеры сгорания. Экологические показатели невысокие ввиду сильного "угара" масла. Используемое топливо такое же как и для обычных поршневых двигателей. Ранее имевшиеся пробемы с уплотнением ротора, судя по заявлениям разработчиков, уже решены.

Газотурбинный двигатель.

Лидером по удельной мощности является газотурбинный двигатель (ГТД), но он дорог в изготовлении и имеет относительно невысокий тепловой КПД. К настоящему времени эти недостатки в некоторой степени снижены и ГТД, кроме авиации, где он доминирует, во всё большей мере используют для иных транспортных средств. В качестве топлива может использоваться керосин или (сжиженный) газ. Если удастся преодолеть технологические трудности создания малоразмерных ГТД, то у этого двигателя есть неплохие шансы для использования в качестве автотранспортной энергетической установки.

Резюме.

Ввиду сушествования ряда нерешенных проблем с перспективными автотранспортными энергетическими установками в настоящее время в качестве массовой автотранспортной энергетической установки продолжается использование и совершенствование обычных поршневых четырех и двухтактных ДВС, удельная мощность которых достаточно высока, а стоимость изготовления сравнительно низкая. Существенными проблемами для увеличения удельной мощности и снижения токсичности выхлопа поршневых двигателей является ограниченный период времени на воспламенение и сгорание топливной смеси в цикле двигателя (от 20 до 50 град. оборота коленчатого вала), в результате при увеличении "оборотов", а, следовательно, и удельной мощности, топливная смесь просто не успевает сгорать. Чтобы ускорить сгорание топливной смеси конструкторы идут на всевозможные ухищрения. Например, потоку смеси придавали турбулентность, за счёт специальных конструкций камер сгорания. Способ увеличения удельной мощности, используя двухтактный цикл, можно признать лишь частично удачным, поскольку при этом период сгорания топливной смеси в цикле значительно меньше, чем четырёхтактных ДВС, за счёт времени на "продувку". В результате мощность повышается не в два, а не более чем в полтора раза.

Предварительные сведения о разработке.

Предлагаемая схема двигателя позволяет увеличить период воспламенения и сгорания топливной смеси не менее чем до 180 град. оборота коленчатого вала и осуществить полный четырёхтактный цикл за один оборот коленчатого вала. В отличие от двухтактного двигателя, где полный цикл также происходит за один оборот коленчатого вала, рабочий ход составляет 180 град., что в 1,5 - 2 раза больше чем в двухтактном двигателе. Эти и другие особенности предлагаемого двигателя позволят увеличить удельную мощность в несколько раз, значительно снизить токсичность и шумность выхлопа, повысить тепловой КПД, использовать возобновляемое топливо (различные спирты) и существенно упростить (удешевить) конструкцию.

Основными техническими результатами изобретения являются:

- осуществление четырёхтактного цикла газообмена за один оборот коленчатого вала путём совмещения тактов расширения и сжатия, а также выталкивания и всасывания.

- осуществление процесса сгорания горючей смеси за период полуоборота коленчатого вала в изолированной от цилиндра камере сгорания при постоянном объёме.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания двойного действия - ДВСДД (далее - двигатель) относится к ДВС с подпоршневым компрессором, объём которого отделён от кривошипной камеры и изменяется нижней частью поршня двигателя, причём шток поршня проходит сквозь цилиндр компрессора и снабжен уплотнением. По международной классификации изобретений (МКИ) такой тип двигателей относится к разделу F 02 B 33/12.

Преимущества ДВСДД и их краткое обоснование.

  1. Поскольку полный четырёхтактный цикл двигателя происходит за один оборот коленчатого вала, а не за два оборота, как в обычном четырёхтактном двигателе, его удельная мощность возрастёт приблизительно в 2 раза. Кроме того, в представленном двигателе воспламенение и сгорание происходит за период времени не менее чем 1/2 оборота коленчатого вала, а в обычном двигателе эти процессы происходят приблизительно за 1/8 оборота. Так как основным ограничителем "оборотов" двигателя, а, следовательно, и его удельной мощности, является период времени на воспламенение и сгорание топливной смеси, то мощность ДВСДД (количество оборотов в минуту) можно увеличить в 4 раза. В итоге его удельная мощность может быть увеличена в 8 раз.

  2. Высокий тепловой КПД двигателя обусловлен следующими факторами: - сгорание топливной смеси происходит полностью при постоянном объёме в значительной мере теплоизолированной, компактной камере сгорания. Как известно из термодинамики это существенно повышает термический КПД.
         - степень расширения газов больше степени сжатия, так как объём компрессорной камеры меньше объёма двигательной камера на величину объёма штока поршня. В результате утилизируется несколько больше энергии расширения газов.
         - конструкция двигателя позволяет охлаждать компрессорную камеру в большей степени, тем самым, снижая затраты энергии в этом процессе, а двигательную камеру охлаждать в меньшей степени, чтобы избежать тепловых потерь.

  3. Поскольку степень расширения больше чем степень сжатия, давление газов на выхлопе снижается, поэтому снижается и шум истекающей струи отработанных газов.

  4. Увеличенный в 4 раза период воспламенения и сгорания топливной смеси, а также наличие каталитического воспламенителя в течение всего периода сгорания в условиях компактной закрытой камеры сгорания создают хорошие условия для сгорания обеднённых топливных смесей, способствуют полному сгоранию горючей смеси и уменьшению вредных веществ в отработанных газах. Эти же факторы создают идеальные условия для использования в качестве топлива этилового или метилового спирта.

  5. В двигателе нет сложного клапанного механизма содержащего множество деталей. Вместо этого имеется всего одна деталь простой формы - золотниковый ротор. Относительно большие размеры и вес, а также расположение золотникового ротора позволяет легко осуществить его смазку и охлаждение, а также использовать в качестве маховика.

  6. Так как камера сгорания выполнена отдельно от камеры сжатия, можно отказаться от сложного и ненадёжного искрового зажигания, так как воспламенитель появляется в камере сгорания только в нужный момент, когда камера заполнена сжатой горючей смесью. Это позволяет применить в двигателе более простое каталитическое или калильное зажигание, представляющее собой, например, простейшую пластину с низковольтным электрическим подогревателем. Всё это существенно упростит и облегчит конструкцию, повысит надёжность, уменьшит стоимость изготовления и облегчит эксплуатацию двигателя. Кроме того, появится возможность создавать двигатели очень малых размеров.

  7. Сравнительно большая площадь поверхности калильно-каталитического воспламенителя, а также то обстоятельство, что весь заряд топливно-воздушной смеси как бы "пролетает" над воспламенителем, способствует образованию множества очагов горения смеси, что в свою очередь предполагает быстрое и "мягкое" (без детонации) сгорание даже очень "бедных" смесей и применение низкооктанового бензина при высокой степени сжатия.

  8. Повышенная площадь поверхности камеры сжатия (ввиду наличия штока поршня), её дополнительное охлаждение (масляное или водяное), поглощение тепла за счёт впрыска топлива непосредственно в камеру (при испарении топлива), а также отсутствие сильно нагретых поверхностей (свечи зажигания, тарелки выпускного клапана) позволит применить высокую степень сжатия при использовании низкооктанового топлива.

  9. Имеется возможность повысить эффективность цикла расширения с помощью впрыска воды (или иного раствора) в камеру расширения непосредственно перед впуском раскалённых газов. Для этого требуется относительно низкое давление впрыска (поскольку в этот момент давление в камере расширения почти равно атмосферному), что позволит использовать простое и дешевое устройство. В отличие от впрыска воды в обычном двигателе, здесь вода не влияет на условия воспламенения и сгорания топливной смеси, поэтому можно впрыскивать существенно большее количество воды.

Область применения ДВСДД.

Область применения двигателя охватывает те же традиционные сферы и ниши, которые занимают обычные двух - и четырёхтактные ДВС. Особенно перспективным его применение может оказаться там, где требуется небольшие размеры, надёжность и простота обслуживания. Это могут быть мотоциклы, скутеры, лодочные моторы, малая и беспилотная авиация, малогабаритная сельскохозяйственная и приусадебная техника, мотор - генераторы, двигатели для спортивного моделирования.

Очень уместным мне представляется использование такого двигателя в так называемых "гибридных" автомобилях. Компактный высокооборотный одно- или двухцилиндровый мотор-генератор может без ухудшения динамических характеристик существенно снизить вес и габариты таких автомобилей, повысить их топливную экономичность.

Кроме того, появляется возможность создать двигатель очень малых размеров, например, величиной с зажигалку, (а создать такой двигатель на базе обычного, с искровым зажиганием, очень трудно, поскольку например, высоковольтную свечу зажигания нельзя уменьшать по причине опасности электрического пробоя). У такого малоразмерного двигателя, малошумного, со сравнительно чистым выхлопом при использовании спирта или сжиженного газа в качестве топлива, могут появиться самые неожиданные области применения. Это могут быть лёгкие и мощные мотор - генераторы для автономного электропитания мобильной аппаратуры, роботов и компьютеров, моторные дрели или другой автономный ручной инструмент и даже оружие.

Защита промышленной собственности.

Кроме формальной защиты промышленной собственности, которым является патентование , существует понятие "ноу-хау" (know how - знаю как) изобретения, делающее невозможным его промышленное применение без участия изобретателя.

Сущность проблемы решением которой является данное "ноу-хау" становится понятной из переведённой мною статьи "ДВС с золотниковыми клапанами." оригинал которой на "Rotary-Valve Internal Combustion Engines.", а также статьи "Сравнительные преимущества различных систем клапанов в автомобильных двигателях" в журнале "Двигатель" ( №4 за 2005г.)

Кратко суть проблемы состоит в следующем: Золотниковый клапан поглощает очень много энергии на своё вращение в момент взрыва топливной смеси, так как образующееся в этот момент сильное давление (удар) прижимает его к седлу, что вызывает значительное трение. Такое трение (и износ), как явствует из указанных выше статей, не представляется возможным снизить до премлимой степени: ни использованием специальных материалов золотника и седла, ни их обильной смазкой, ни сложными механизмами прерывистого вращения.

У автора есть радикальное конструктивное решение этой проблемы, которое в целом даже упрощает двигатель и технологию его изготовления. Передача данного "ноу-хау" возможна после заключения соответствующего (лицензионного) договора.

Hosted by uCoz