Газовый двигатель внутреннего сгорания

Подавляющее большинство автомобилей на планете все еще используют двигатель внутреннего сгорания (ДВС), изобретенный в XIX веке. Естественно, говорить об экономичности ДВС не приходится, особенно если учесть, что современные автомобили сжигают по 10-20 литров горючего на 100 км пути. Не удивительно, что ученые пытаются создать доступные альтернативные двигатели — электрические и водородные. Однако и концепция двигателя внутреннего сгорания не исчерпала потенциал модернизации. Благодаря последним достижениям в области электроники и материалов, появилась возможность создать по-настоящему эффективный ДВС. Инженеры компании EcoMotors International творчески переработали конструкцию традиционного ДВС. Он сохранил поршни, шатуны, коленвал и маховик, однако новый двигатель на 15-20% эффективнее, кроме того намного легче и дешевле в производстве. При этом двигатель может работать на нескольких видах топлива, включая бензин, дизтопливо и этанол.

В целом двигатель EcoMotors имеет элегантную простую конструкцию, в которой на 50% меньше деталей, чем в обычном моторе. Добиться этого удалось с помощью использования оппозитной конструкции двигателя, в которой камеру сгорания образуют два поршня, двигающихся навстречу друг другу. При этом двигатель двухтактный и состоит из двух модулей по 4 поршня в каждом, соединенных специальной муфтой с электронным управлением. Двигателем полностью управляет электроника, благодаря чему удалось добиться высокого КПД и минимального расхода топлива.

Также мотор оснащен управляемым электроникой турбокомпрессором, который утилизирует энергию выхлопных газов и вырабатывает электроэнергию. У двигателя нет блока головки цилиндров, он сделан из обычных материалов и издает меньше шума и вибраций. При этом двигатель получился очень легким: на 1 кг веса он выдает мощность больше 1 л.с (на практике он приблизительно в 2 раза легче традиционного двигателя такой же мощности).

Присматриваясь к условиям, при которых производится работа в двигателе внутреннего сгорания, мы видим сходство с условиями, при которых производится работа в паровом двигателе, с примения которых и начиналось автомобилестроение.

Эксперты подсчитали, что если увеличить КПД всех двигателей внутреннего сгорания (ДВС) хотя бы на один процент, мировая экономика выиграет более триллиона долларов. Но законы классической термодинамики, сформулированные еще два века назад, определили потолок для коэффициента полезного действия тепловых машин. Во всем «виноват» французский военный инженер Сади Карно, который вывел эталон определения КПД для тепловых двигателей. Только часть хаотической энергии тепла можно перевести в работу. И, как теплотехники ни старались, но выйти за пределы железной формулы никому не удавалось.

Одним из выходов из подобной ситуации является применение пневмодвигателей. Т.е., не поджигать смесь горючего, а создать избыточное давление, которое будет толкать поршень, используя сжатый воздух? Это вполне возможно. Абсолютно никакой разницы, что будет толкать поршень, главное чтобы колеса закрутились.

При этом нет принципиальных ограничений для преобразования двигателя внутреннего сгорания в его пневматический аналог. Более того, на протяжении истории автомобилестроения подобные попытки неоднократно предпринимались. Транспортными средствами на сжатом воздухе для движения используются пневмодвигатели, в которых в качестве топлива применяется запасенный в баллонах воздух. Подобный привод называют пневматический. В нем вместо сжигания смеси воздуха с топливом и последующей передаче энергии поршнями, поршни вырабатывают энергию, используя сжатый воздух.

Главной выгодой применения сжатого воздуха как топлива можно назвать экологичность. Для заправки автомобиля используется обычный атмосферный воздух. Существенно упрощается, в сравнении с бензиновым, конструкция подобного двигателя. Отпадает необходимость хранения горючих жидкостей, нет необходимости тянуть проводку, разрабатывать сложные системы зажигания. Силовая установка для подобных автомобилей – это бак со сжатым воздухом, промежуточные механизмы, подающие нужные порции воздуха, а также рабочая зона, в которой размещается турбина. Практические нечему ломаться, у такой системы феноменальная надежность. А для заправки обычно применяют электрический компрессор, которых сжимает воздух из атмосферы и производит его закачку в бак.

Ну и, естественно, феноменально низкая стоимость и неисчерпаемый запас «топлива» для пневматических автомобилей тоже далеко не на последнем месте.

На этом достоинства подобных автомобилей заканчиваются, настало время поговорить о недостатках.

Принципиальной проблемой можно назвать то, что воздух, сжатый до 300 бар, а именно это является стандартом для современных автомобильных заправок, несет в себе лишь 1% от той энергии, которая заключается в высокооктановом бензине. А при низких температурах эта энергия еще меньше.

Отсюда вырисовываются проблемы.

1. Низкая скорость. Рекорд, который зафиксирован в книге рекордов Гиннесса для пневматических автомобилей, равен 129.2 километра в час.
2. Низкая мощность. У современных пневмоприводов максимальная мощность равна всего 75 л.с.
3. На сегодняшний день самый «дальнобойный» пневмобиль может проехать на одной заправке около 200 километров.
4. Необходимость создания в мире сети заправочных станций.

При работе двигателя (обычно это ДВС) рабочие газы толкают поршни, которые вращают коленвал и т.д.. Недостатки: нерациональное использование давления газов от сгорания топлива, в результате чего оставшееся давление просто уничтожается глушителями двигателя; очень сложны и дороги системы подачи топлива и воздуха при перепаде нагрузки на двигатель; двигатель нуждается в сверхпрочных материалах; низки крутящие моменты. С учетом всего этого сегодня нельзя не пытаться отыскать некоторое принципиально новое решение проблемы, которое обеспечит рынок более дешевыми и простыми в производстве и более эффективными автомобильными двигателями на традиционных видах топлива. Поэтому вполне естественной и логичной является мысль об объединении преимуществ парового двигателя и ДВС в едином техническом решении и создания такого двигателя, который сочетал бы в себе положительные качества как ДВС, так паровой машины и пневмодвигателя.

Ниже рассматривается один из вариантов нового силового агрегата для автомобилей, судов и т.д.

Основные элементы предлагаемого технического решения – камера сгорания и ресивер (см.рис.2), в которых и создается рабочее тело – сжатый газ. Рассмотрим работу предлагаемого устройства. Воздушный компрессор создает избыточное давление воздуха в камере сгорания, в которую затем осуществляется впрыск топлива (бензина или газа) и его последующее (с помощью свечи (свеч) воспламенение. Из камеры сгорания рабочие газы, полученные от сгорания топлива, практически без потерь через управляемый впускной клапан направляются непосредственно в ресивер (своего рода баллон со сжатым воздухом), а из него через клапан подачи рабочего давления – на силовой агрегат, в качестве которого могут быть использованы элементы пневмодвигателя, ДВС. В сущности нет никакой разницы, будем ли мы толкать поршни, например, пневмодвигателя сжатым воздухом из баллона или давлением рабочего газа, полученного от сгорания топлива. Когда давление газа в камере сгорания и в ресивере уравнивается, впускной клапан ресивера закрывается. Затем открывается продувной клапан и воздушный компрессор продувает камеру сгорания, удаляя продукты горения топлива, после чего этот клапан закрывается. Затем весь цикл повторяется.

Огромным достоинством данной силовой установки является ее экологичность. Все тяжелые фракции оседают на дно ресивера и периодически выводятся через клапан в специальный резервуар.

Основные элементы предлагаемого технического решения – камера сгорания и ресивер

1– впрыск топлива, 2 – Воздушный компрессор, 3 – турбина соединяется с осью воздушного компрессора, 4 – клапан подачи рабочего давления на современную машину, 5 – клапан отвода тяжелых фракций в отдельную ёмкость, 6 – выпускной и продувочный клапан.

Еще одной особенностью предлагаемого технического решения является не охлаждение, а обязательный прогрев ресивера и поддержания температуры его внутреннего объема порядка 900-1000 градусов Цельсия (в идеале температуры впускаемых газов из камеры сгорания), что на практике достигается за несколько циклов подачи в ресивер газов из камеры сгорания при наличии хорошей теплоизоляции самого ресивера. Для обеспечения независимости характеристик двигательной установки от температуры окружающей среды целесообразно осуществлять принудительный подогрев ресивера.

По оценкам при объеме ресивера 50 л и камеры сгорания 0.5 л потеря продуктов горения по оценкам составит не более 1%, которые сбрасываются через выпускной клапан на турбину. В результате КПД силовой установки может достигать 80-90%. Предлагаемое техническое решение позволит создавать новые силовые установки, которые несравненно эффективнее, выгоднее и проще в производстве. Они будут иметь во много раз большие крутящие моменты, чем ДВС, более экономичны и экологичны.

Предлагаемое техническое решение полностью устраняет недостаток паровой машины, где порядка 90% энергии улетало в трубу. Для предлагаемого силового агрегата не требуется коробка скоростей, что также увеличивает КПД и снижает его шумность, себестоимость производства.

В силовом агрегате, согласно предлагаемому техническому решению, не создается сверхвысокого давления. В активном ресивере не возникает перемены нагрузок, что позволяет сверхточно дозировать количество топлива и закачиваемого воздуха в камеру сгорания для полного сгорания. При большом крутящем моменте нет необходимости установки коробки скоростей. Нет также необходимости производства сверхпрочных блоков цилиндров и головок, т.к. давление в предлагаемом агрегате в разы меньше, чем в современных ДВС. Производство предлагаемых двигательных агрегатов будет несравненно проще и, соответственно, дешевле, чем ДВС: не требуется сверхдорогих материалов и установки сложных выхлопных систем большой производительности, подавляющих звук.

Я убежден, что предлагаемое техническое решение позволит создать двигатели нового поколения. Широка и сфера их применения – это автомобилестроение, производство компрессорных станций, производство судовых двигателей и т.п. И еще один немаловажный фактор, который позволяет с оптимизмом оценивать практическую возможность создания предлагаемой силовой установки: интересы «бензиновых королей» будут не слишком затронуты.

Разместил статью: leomatrosso
Дата публикации:  10-01-2014, 08:17

html-cсылка на публикацию		⇩ Разместил статью ⇩ Леонид  Его публикации  Нужна регистрация Отправить сообщение
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!