Статьи автора про двигатели

06 января 12 года
СТАТЬЯ
РАЗМЫШЛЕНИЯ ПО ПОВОДУ: АВТОМОБИЛЬ КОТОРЫЙ НЕ НАДО СТАВИТЬ НА УЧЕТ В ГАИ И НА НЁМ МОЖНО ЕЗДИТЬ БЕЗ ПРАВ…
Размышлял на праздниках об особенностях своего мотора, и окончательно пришел к выводу, что мой двигатель, по формальным призникам- это не ДВС, а двигатель внешнего сгорания. Ведь камеры сгорания у него отделены от сегментов расширения. Как в паровой машине- котел отделен от машины расширения. Мысль пошла дальше- и вот, что получилось…
Российское законодательство таит для пытливого ума много нераскрытых возможностей. Если человек с некоторой юридической, плюс технической подготовкой, внимательно читает законы, то может увидеть там интересные возможности разноообразить свою жизнь. Так, оказывается, российские законы позволяет иметь колесное транспортное средство (ТС) которое не нужно регистрировать в ГАИ, платить за него транспортный налог, не надо иметь номерные знаки, не надо иметь техосмотр, оформлять страховку, более того на нем можно ездить без водительского удостоверения. В итоге если вы на таком паротягловом колесном самоходе станете ездить малость выпившим (хотя это и не желательно), при этом постоянно пересекать сплошную линию между полосами разного направления движения (что тоже не желательно) на глазах инспекторов ГАИ – то вам грозит максимально штраф в 300 -500 руб. и то – в самом тяжелом случае развития события (конечно — если нет ДТП).
Фантастика- скажите вы, такое не возможно… Нет такое возможно- если на вашем колесном самоходе стоит двигатель внешнего сгорания.

Итак- коротко ИЗЛАГАЕМ ПРАВОВУЮ БАЗУ такой возможности. Основополагающий документ, который описывает категории транспортных средств (ТС), которые должны проходить регистрацию в ГАИ, т.е. документ, который определяет — на какие ТС надо получать номерные гос знаки, и к управлению которыми должны допускаться лица, только имеющие водительские удостоверения, называется: ПОСТАНОВЛЕНИЕ ПРАВИТЕЛЬСТВА РФ от 12 августа 1994 г. N 938 «О ГОС. РЕГИСТРАЦИИ АВТОМОТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ И ДРУГИХ ВИДОВ САМОХОДНОЙ ТЕХНИКИ НА ТЕРРИТОРИИ РФ».
Оно начинается так: «В целях обеспечения полноты учета авто-мототранспортных средств и других видов самоходной техники на территории РФ Правительство РФ постановляет:
1. Принять предложение Министерства внутренних дел Российской Федерации и Министерства сельского хозяйства Российской Федерации, согласованное с заинтересованными федеральными органами исполнительной власти, о государственной регистрации на территории Российской Федерации автомототранспортных средств, тракторов, самоходных дорожно-строительных и иных машин с рабочим объемом двигателя внутреннего сгорания более 50 куб. см или максимальной мощностью электродвигателя более 4 кВт, а также прицепов к ним (далее именуются — транспортные средства), принадлежащих юридическим и физическим лицам.»
Т.е. регистрации в ГАИ – автотранспорт, или в органах Гостехнадхора – трактора, комбайны и пр., подлежат все самоходные автотраспортные средства, на которых стоят двигатели внутреннего сгорания с рабочим объемом двигателя более 50 куб.см. и электродвигатели мощностью более 4 кВт.
Но у меня возникает вопрос — а что надо будет делать, если на ТС будет установлен двигатель внешнего сгорания? Например — ПАРОВАЯ МАШИНА…. Постановление Правительства требует регистрации в уполномоченных на то органах госвласти ТС только с двигателями внутреннего сгорания и с электромоторами. А про двигатели внешнего сгорания, там нет никаких упоминаний…
Ответ, исходя из духа правоприменения нашего Законодательства — «что не запрещено- то разрешено» и «что не требуется — то и не нужно», таков – а ничего не делать. Раз нет требования регистрировать автомототранспорт с двигателями внешнего сгорания (в т.ч. с паровыми машинами), то и регистрировать их не нужно. А раз они в принципе не подвергаются процедуре регистрации, то на них никто не должен выдавать номерные знаки и ни кто не в праве принуждать получать гос номера, не надо платить страховку и транспортный налог, не нужно проходить техосмотр, и главный казус -для управления ими не надо иметь водительское удостоверение… Соответственно – при нарушении ПДД у вас не могут их изъять- ведь вам права не нужны… Да и оштрафовать вас серьезно тоже не могут, максимум – на 300 руб. а если вы малость пьяны — на 500 руб… Как например, другого участника дорожного движения – возницу гужевого транспорта…

Соответственно — мои двигатели в последних патентных заявках я именую как «тепловой двигатель», без всякого упоминания ДВС, а в последних патентных заявках я так прямо и указываю: изобретение- двигатель внешнего сгорания. Т.е. он в офизиозных бумагах абсолютно объективно определяется как двигатель внешнего сгорания. И это на самом деле так- по всем формальным признакам, мои двигатели- это двигатели ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ , ибо разделение стандартного такта «горение- расширение» 4-х тактных поршневых ДВС на два обособленных такта — 3-й такт «горение» и 4-й такт «расширение», привело к тому, что мои двигатели по признакам больше подходят к двигателям внешнего сгорания, чем к ДВС-ам… Действительно — обособленная и запираемая на время спец клапанами камера сгорания, очень походит на котел паровой машины, где создается рабочее тело высокого давления. А рабочие роторы в моем двигателе — это просто машина расширения, как и машины расширения в паровых двигателях. Итак — у меня получился некий симбиоз существующих прежде идей двигателей, вышел некий «глобальный тюнинг» самой идеи двигателя, который по формальным признакам подходит под схему двигателя внешнего сгорания. Тем более, что последние мои модели будут иметь неотьемлемую схему работы с паровой фазой и давать на выхлоп потерявший давление пар в смеси с выхлопными газами. Чем не паровая машина??? С точки зрения формальных признаков- чистый двигатель внешнего сгорания с паровой тягой… Натурально — паробеглый самоход!

Итак, что же нужно делать, чтобы стать обладателем уникального авто, на котором можно вполне законно ездить без гос номеров и без водительского удостоверения?
Надеюсь, скоро мой двигатель заработает, и я налажу мелкосерийное производство этой продукции. Первое -вы приобретаете указанный выше 5-ти тактный роторный двигатель внешнего сгорания. Второе – приобретаете любой другой автомобиль, хоть старый, хоть новый, лучше всего без двигателя. Все равно вам прежний двигатель будет не нужен.
Далее – ставите приобретенный двигатель на авто без двигателя. Мой двигатель должен получиться очень компактными и маленькими по размеру, но обладать большой мощностью. Например, роторный двигатель Ванкеля на Mazda RX-8 при объеме 1,3 литра имеет мощность от 200 до 260 лош. сил. И занимает под капотом в два раза меньше места, чем поршневик. Вот мои 5-та тактные двигатели внешнего сгорания будут еще более миниатюрными. Следовательно, такой супер компактный двигатель можно будет легко установить в моторное отделение любого автомобиля. Кстати- с марта 2011 года введено новое правило, когда двигатель можно менять без проблем: при постановке на учет обычных авто и при прохождении техосмотров номер двигателя уже не сличают и никуда его номер уже не заносят…
Следующий шаг – вы направляетесь в специализированную аккредитованную испытательную лабораторию (их список находится насайте: www.gost.ru), предъявляете документ на двигатель от производителя, в котором указано, что этот двигатель внешнего сгорания, и просите произвести следующую официальную процедуру: «идентификация типа» транспортного средства на предмет его отнесения к ТС с двигателем внешнего сгорания. При этом прилагаете документ о покупке двигателя, где и в товарном чеке и в паспорте двигателя будет указано, что это «двигатель внешнего сгорания». При этом будет ссылка на патент на изобретение, где тоже будет указано, что это «роторный двигатель внешнего сгорания». Следовательно — у специалистов лаборатории не будет ни формально-юридического, ни технически-классификационного основания наставивать на том, что на вашем авто стоит двигатель внутреннего сгорания, или электродвигатель, или гравитационный мотор, либо двигатель использующий энергию ветра либо падающей воды, или чего-то совсем невероятного, например -тепла земных недр… Особенно когда вы машину заведете- и из выхлопной трубы начнёт отработавший пар бить. Паротягловый самоход в чистом виде.

В принципе — и все: у вас есть бумага, в которой черным по белому уполномоченным на то экспертным органом указано, что у вас транспортное средство с двигателем внешнего сгорания.
Для подстраховки можно пройти еще одну процедуру — но она не обязательна. После получения заключения об идентификации типа ТС вы можете получить одобрение типа транспортного средства. Т.е. получить заключение о соответствии вашего ТС требованиям Тех Регламента «О безопасности колесных ТС». Такое «одобрение типа ТС» проходят и производители массовой техники – они в итоге получают сертификат, и самодельщики – они получают документ о соответствии единичного транспортного средства требованиям Тех Регламента. А так как вы на своих Жигулях с двигателем внешнего сгорания ни тормозной системы, ни сигнальных огней, ни приборов освещения не переделывали, то и претензий к вам не будет.

Здесь нужно сказать следующее — в новом Тех Регламенте на автомобили разрешено регистрировать автомобили единичного изготовления (т.е. самодельные) – лишь бы они отвечали требованиям безопасности этого Регламента. Раньше такой возможности не было. Но у вас то автомобиль не самодельный — он остается вполне заводского изготовления.
Но — надо сказть — такая процедура с марта 2011 г. стала не обязательной, ибо с этого срока двигатель перестал считаться номерным агрегатом, а оказался обычной зап частью. Его теперь не указывают ни в каких документах- тех паспорте и пр., его номер не будут устанавливать и проверять ни при постановке на учет, ни при тех осмотре. Т.е. теперь хозяин ТС по своему усмотрению может как и любую деталь на своем ТС поменять двигатель произвольно и без всяких согласований и пр.

Но в нашем случае получается невероятный пародокс — хозяин (например, Жигулей ВАЗ-2106) теперь может по своему усмотрению поменять двигатель машины на любой другой. Но если он поменяет свой стандартный ДВС на двигатель внешнего сгорания, то машина автоматически переходит в категорию «иного типа ТС». Она фабричная- сделана по всем требованим Тех Регламента «О безопасности колесных ТС», и хозяин вполне может по закону поменять одну из запчастей — двигатель. При этом ТС становится ТС иного типа, которое не требует теперь регистрации в ГАИ, но при этом все требования Тех Регламента остаются не нарушенными- вы же ни осветительные приборы, ни торомзную систему не трогали… Поэтому и «одобрение типа ТС» для вашего авто, как для самоделки — не нужны. У вас же авто остается фабричного произвдства по всем требованиям сертификации и регламентации. Вы только там вполне законно поменяли одну зап часть — двигатель…
В итоге вы получаете два документа: документ об идентификации типа ТС — что на вашем авто стоит двигатель внешнего сгорания (паровой двигатель) — ЭТО ГЛАВНЫЙ ДОКУМЕНТ, и второстепенная бумага (не обязательна) о соответствии требованиям Тех Регламента (что ваше средство безопасно на дороге).
На основании первого документа вы освобождаетесь от дальнейшей регистрации ТС в органах ГАИ и необходимости ездить с номерными знаками, и при этом иметь при себе водительское удостоверение. Еще бы неплохо — написать заявление в местное ГАИ, чтобы они дали разъяснение по этому делу и высказали свою точку зрения на такую ситуацию. В ответ на ваше обращение- они это обязаны сделать. Теперь вы будете возить такую бумажечку с собой, чтобы предъявлять инспекторам ГАИ, когда они будут вас останавливать на дороге и требовать предъявить документы на авто и водительское удостоверение. А вы им в ответ- бумагу(копию) об идентификации вашего ТС как работающего на паровой тяге, краткое изложение требований Законодательства в этом деле и комментарии местного начальства ГАИ на эту тему. Вот и все…
Самое интресное, что я уже писал в Главн Упр ГАИ с просьбой разъяснить ситуацию по поводу — вот я собираюсь ставить на свое авто паровую машину, а его по Закону регистрировать не надо. Что скажете? Они долго думали и прислали мне большое и маловразумительное письмо, суть которого сводится к следующему: вы сначала пройдите процедуру «идентификации типа ТС» в спец лаборатории, а там — уже по результатам того, что они напишут, мы и будем решать — что дальше делать…

Есть еще, конечно одно требование многочисленных Приказов и Положений на тему ТС, которые не надо регистрировать – это требование, чтобы оно ездило не быстрее 50 км.час. Но тут ситуация аналогичная с мопедами и малокубатурными мотороллерами- все они ездят на скорости до 80 км. час, но никто их не собирается регистрировать. Просто не надо превышать разумные скорости. Тем более, что в современных городах, запруженных машинами, езда на скорости в 60 км.час- большое счастье.
А селянам в глухой периферии нашей огромной страны, где по бездорожью и по плохим дорогам к нашим городкам и селам — вообще не разогнатьтся, скорости выше 60 км.час вообще больше и не нужно.

А вообще, я надеюсь, что такие авто с двигателями внешнего сгорания, не требующие ни номеров, ни прав, больше всего пригодятся и принесут пользу не городским лихачам, а селянам из дальних сел и городков в небогатой глубинке России.

15 октября 11 года
СТАТЬЯ
ПЕРСПЕКТИВЫ И ВОЗМОЖНОСТИ ПАРОВОГО ХОДА В ДВС.
Взгляд на «устройство» паровой фазы в рабочем цикле поршневых и роторных ДВС
На форуме моего сайта http://rotormotor.listbb.ru/viewtopic.php?f=3&t=20
началось обсуждение плюсов и минусов использования впрыска воды в цилиндр поршневого двигателя, с описанием уже накопленного в этом деле опыта. Так же возникает вопрос- а в роторном двигателе той конструкции, которую я сейчас разрабатываю — возможно ли это?
Отвечаю сразу- возможно и обязательно будет применяться. И будет работать гораздо лучше, чем в поршневых двигателях. Чуть позже я разовью эту тему и постараюсь описать свой взгляд на этот вопрос.
Но вначале — несколько теоретических посылов к такой проблеме. Я столкнулся с тем, что большинство автолюбителей считает, что впрыск воды в цилиндр делается для того, чтобы: «Уменшить детонацию и тем самым повысить степень сжатия. А увеличение степени сжатия — это значительное увеличение КПД…» В этом опять проявляется старое заблуждение, что эффективность двигателя можно прежде всего повысить, усиливая степень сжатия в нем…
Во первых, при достижении степени сжатия определенных степеней, интенсивность повышения КПД двигателя падает. Т.е. после достижения определенных уровней степени сжатия, повышать ее уже не имеет смысла, так как конструктивные и технологические затраты на повышение степени сжатия «съедят» мизерные «прибыли» от небольшого повышения КПД.
Во — вторых, воду в цилиндр впрыскивают не для этого. Уменьшение детонации — это второстепенный результат. Главное (хотя и небольшое) повышение КПД при впрыске воды идет не из-за этого.
Давайте рассмотрим, отчего и зачем нужно впрыскивать воду в рабочее пространство — в камеру сгорания. Но вначале — немного теории.
Итак- сгорающие пары топлива в смеси с воздухом превращают энергию химических связей распадающихся от окисления углеводородов в два типа энергии:
— высокое давление газов горения (газы вырабатываются в большом количестве — и их давление может совершать работу расширения);
— высокая температура этих газов горения и выделение лучистой энергии;
Повышенное давление газов горения совершает основную работу в механической системе двигателя и приводит в действие главный вал, с которого и снимается мощность. Это потенциальная энергия, в которую переводится часть энергии горения топлива.
Высокая температура от горения газов почти никак не работает в двигателе и в основном теряется, да еще и норовит навредить деталям и механизмам мотора, поэтому его и приходится охлаждать. Это внутренняя энергия, в которую переходит другая часть энергии горения топлива.
Надо заметить интересную особенность — что в поршневых двигателях ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, в полезную работу переводится потенциальная часть энергии топлива — энергия повышенного давления. Эти газы высокого давления и давят на поршни поршневых ДВС. В газовых турбинах работает иной вид энергии — кинетическая энергия потока горячих газов, которая и вращает колеса газовых турбин.
А вот внутренняя энергия повышенной температуры от горения топлива, в ДВС практически слабо используется, при этом ее стараются как можно быстрее рассеять, и выделить в окружающее пространство через систему охлаждения.
В двигателях ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ (паровых машинах)- наоборот, работает только повышенная температура от сгорания топлива, которая нагревает и создает давление в рабочем теле — паре. А вот повышенное давление газов горения не превращается в работу (правдо при медленном горении топлива при атмосферном давлении оно невелико), и это давление сбрасывается через дымовую трубу. В отличие от ДВС паровые машины не имеют системы охлаждения. Наоборот — их стараются сильнее теплоизолировать, чтобы предотвратить потери тепла в окружающее пространство.
Чувствуете — как проявляется совершенно противоположная идеология и радикально разные схемы работы с теплом от горения топлива в двух разных типах двигателя.

Так вот — впрыск воды в цилиндр автомобильных ДВС — это попытка хоть как — то утилизировать тепло сгорания топлива, превратив эту температуру в дополнительные «порции давления» и тем самым повысить КПД. Другое дело, что в поршневом двигателе это очень непросто сделать, за счет больших недостатков самой идеи его конструкции.
А вот в совершенном роторном двигателе это сделать будет гораздо легче и добиться при этом существенного роста общего КПД такого двигателя.
Еще отвлечемся немного на теорию:
Итак- тепловой КПД современных ДВС – это 30-35 %. Остальные 65-70% тепла от сгорания топлива греют окружающую среду.
Для резкого повышения КПД и улучшения условий работы двигателя надо решить две проблемы:
— найти способ переводить высокую температуру рабочих газов и деталей мотора в повышенное давление рабочего тела;
— найти способ охлаждать излишне нагреваемые движущиеся детали двигателя, для того чтобы обеспечить приемлемые условия их длительной работы;
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ решение этой проблемы было найдено еще более 100 лет назад – на заре эры двигателей внутреннего сгорания. Это решение — впрыск в рабочую область двигателя (заполненную горячими газами рабочего тела) воды. При переходе в пар вода увеличивает свой объем в 1600 раз. Т.е. 1 грамм (1 миллилитр) воды даёт 1,6 литра пара при атмосферном давлении. А 1 грамм (1 миллилитр) воды- это от 6 до 8 относительно крупных капель. Таким образом — вода испаряясь, должна превращаться в пар высокого давления, который в состоянии выполнять дополнительную работу и одновременно должно происходить резкое охлаждение как самих газов рабочего тела, так и внутренних поверхностей двигателя. Казалось бы – найдено идеальное решение трудной проблемы… Но при реализации на практике этого принципа оказалось – что существующие поршневые двигатели внутреннего сгорания практически не позволяют реализовать в своей конструкции схему такого способа работы.
Попытки были сделаны в нескольких направлениях, давайте их рассмотрим.
1) – подача воды с газообразной Рабочей Смесью в цилиндры двигателя на такте «Впуск» через впускной коллектор
2) – подача воды в цилиндр через отдельную форсунку на периоде такта «Горение — Расширение»;
3) — подача воды через специальный клапан в отдельно устроенном для этого такте;
Сразу скажу, что все беды поршневых двигателей в части попыток ввести в них паровую фазу происходят из-за несовершенной организации их технологического цикла, когда процессы «Горение» и «Расширение» совмещены в одном рабочем такте.
Итак – подход №1 – «Подача воды с газообразной Рабочей Смесью в цилиндры двигателя на такте «Впуск» через впускной коллектор». При такой организации дела мельчайшие капли воды всасываются вместе с парами Рабочей Смеси через впускной коллектор в цилиндры на такте «Впуск». Для этого во впускном тракте ставят простейший инжектор, а умельцы — самодельщики вообще- ставили иголку от шприца , и она работала по принципу пульверизатора….
Т.е водяная пыль присутствовала в свежем заряде Рабочей Смеси, которую надо было поджечь. При ее поджиге и первой фазе выделения тепла часть воды мгновенно переходила в пар, давление в цилиндре поднималось а температура падала… Естественно – такое уменьшение температуры, да еще заполнение цилиндра паром и испряющейся водой мешало дальнейшему нормальному процессу горения оставшейся части рабочей смеси… Особенно на последней стадии горения- на линии скоростного расширения объема камеры сгорания. В итоге- несколько увеличивая термический КПД процесса, получаем значительную часть несгоревших паров топлива, т.е. малую топливную эффективность и грязный выхлоп, со значительным содержанием паров топлива.
Далее – подход №2 – «Подача воды в цилиндр через отдельную форсунку в начальном периоде такта «Горение — Расширение». В этом случае процесс организации паровой фазы осуществляется так, чтобы он как можно меньше мешал процессу горения. Т.е. на головке цилиндра — рядом с обычными клапанами впуска и выпуска, ставилась дополнительная форсунка для подачи воды. В этом случае впрыск воды должен осуществляться уже после завершения процесса горения Рабочей Смеси, чтобы не мешать ему. Величина продолжительности сгорания паров топлива в поршневом ДВС равна 40-60 град. поворота коленчатого вала.
Если принять, что поджиг и горение начинается при определенном «раннем зажигании» за 10 градусов до ВМТ, то основной процесс горения заканчивается в среднем на значении в 40 градусов от ВМТ. Тут –то и надо подавать воду.
Но при этом возникают серьезные сложности.
— во первых, в это время давление в цилиндре составляет от 90 до 60 атмосфер, и чтобы впрыснуть туда через форсунку несколько капель воды надо ставить большой и сложный насос высокого давления, на подобнее дизельного ТНВД… И для его привода тратить немало энергии от коленвала двигателя. Кроме того, для образования пара нужно некоторое время, пусть малое- но все же время. За этот время поршень активно уходит вниз и путь для срабатывания добавочного давления остается совсем малым. Т.е. дополнительное давление просто не имеет возможности проявить себя для преобразования в полезную работу. Особенно это характерно для попыток схитрить и постараться подать воду после прохождения коленвалом расстояния в 45 градусов от ВМТ – чтобы миновать необходимость впрыска воды в среду с самым высоким давлением. Но в этом случае места и времени для расширения пара от поданной воды совсем не остается….
Тут еще надо добавить, что степень расширения в традиционном поршневом ДВС равна степени сжатия, поэтому даже сами выхлопные газы от классического цикла ДВС не успевают преобразовать свое давление в полезную работу и идут на выхлоп с давлением в 6-8 атмосфер. Поэтому добавочное давление от паровой фазы совсем не будет иметь «места- объема» чтобы проявить себя — для этого нужна значительная продожительность рабочего хода, а его в поршневом ДВС в нужной мере нет.

Для такого дела нужно создавать двигатель, где степень расширения была на 50-70% больше степени сжатия (как минимум), а это при использовании классической схемы поршневого мотора практически невозможно.
В итоге при таком режиме работы пар высокого давления будет идти преимущественно на выхлоп, и КПД такого процесса будет близок к КПД паровоза, легендарного своей минимальностью. Будет много клубов пара, много шума, а эффект — почти ноль…

И последнее — подход №3 – «Подача воды через специальный клапан в отдельно устроенном для этого такте». Для этого рабочий цикл удлиняют на целых 2 такта. Т.е. он становится не 4-х тактным, а 6-ти тактным. В этом случае он выглядит так: — «впуск Рабоч Смеси» — «Сжатие Рабоч Смеси» — «Горение- Расширение» — «Выпуск отработавших газов» — «Впрыск воды- расширение пара» — «Выпуск пара». При этом рабочий цикл совершается уже за 3-и полных обоорота коленвала, а не за 2-а как в стандартном 4-х тактном цикле. Т.е после выпуска из цилиндра отработавших горячих газов, происходит впрыск в цилиндр воды. От соприкосновения с горячими стенками камеры сгорания, вода переходит в пар и этот пар теперь давит на поршень и совершает дополнительный рабочий ход. Затем происходит выпуск пара. У рационального на первый взгляд способа организации рабочих процессов тут есть один серьезный недостаток. На 4-м такте «Выпуск отработавших газов» происходит выхлоп «за борт» основной части раскаленных газов рабочего тела. И паровая фаза это тепло никак не использует, а превращает в работу давления пара только температуру нагрева поверхностей двигателя. Т.е. этот способ сразу намерен пытаться превратить в работу не более 50% потерь тепла поршневого ДВС.
Конечно – делаются ухищрения, выпускать в выпускной коллектор не все отработавшие газы, а закрыть клапан выпуска чуть ранее – чтобы сэкономить горячие газы для паровой фазы. Но при этом приходилось совершать дополнительную работу на сжатие порции отработавших газов. И даже при таком способе удавалось заставить работать лишь небольшую часть горячих газов выхлопа – основная их часть все — равно уходила в выхлопную трубу. При этом в таком варианте работы приходилось делать очень сложным механизм газораспределения с двумя дополнительными кланами на каждый цилиндр, дополнительными распредвалами и пр. Но даже все такие ухищрения не снимали главной сложности встраивания паровой фазы в поршневой двигатель – хода расширения катастрофически не хватало, чтобы получившийся пар смог проявить себя и дополнительное давление полноценно смогло преобразоваться в работу через поршень на коленвал.
Таким образом — сама конструкция поршневого ДВС остается абсолютно враждебной к попыткам вмонтировать в его рабочий цикл паровую фазу.
Продолжение следует.
28 сентября 11 года

СТАТЬЯ
ДЕТОНАЦИЯ В ДВИГАТЕЛЕ – ЗЛО ИЛИ БЛАГО?
Возможен ли детонационный двигатель?

Процесс детонации в двигателях автомобилей и двигателях иной техники мы привыкли упоминать лишь в негативном смысле. Дребезжащий металлический стук в двигателе, особенно при использовании низкокачественного бензина, который чреват неминуемой скорой поломкой двигателя – всё это и связывается с очень неприятным словом «детонация». Особенно склонны к детонации мощные спортивные двигатели, или подвергнутые тюнингу с целью повышения мощности серийные двигатели, для которых во избежание последней приходится применять специальные и очень дорогие типы бензинов с высоким октановым числом – до 120 единиц.
Но существует возможность, при которой использование процесса детонации бензино-воздушной смеси, может привести к созданию невероятно эффективного двигателя внутреннего сгорания. Причем таких показателей невозможно будет добиться никаким супер — тюнингом или форсированием стандартного «поршневика». И детонация из врага двигателя превратиться в крепкого помощника и надежного союзника.
* * *
Но вначале коротко рассмотрим, что же такое процесс детонации.
Итак, сжатая рабочая бензино — воздушная смесь может сгорать в двух режимах, которые отличаются интенсивностью горения и скоростью этого процесса:
А) нормальное горение — фронт горения имеет скорость 20-30 м/сек.;
Б) взрывное (детонационное) сгорание — скорость около 2000 м/сек.;
При этом температура газов горения резко повышается — до 3500 — 4000 градусов Цельсия, против 2500 при обычной медленной форме горения.
Детонационное сгорание называется так потому, что его характер резко отличается от процесса нормального, медленного и постепенного горения рабочей смеси. В нормальном процессе горения фронт пламени от искры свечи – распространяется по увеличивающемуся кругу последовательно и поступательно от этого центра поджига.

В процессе же детонации первоначальное горение от искры свечи, быстро переходит в объемный взрыв по всей толще сжатой рабочей смеси. При сгорании первой порции рабочей смеси – слоя вокруг искры свечи — сразу резко поднимается давление и температура в областях камеры сгорания еще не подверженных горению. Если углеводороды несгоревшей части топлива обладают недостаточной стойкостью к окислению присутствующим в рабочей смеси кислородом воздуха, начинается интенсивное разложение очень сильно сжатых паров бензина на так называемые перекиси (накапливание перекисных соединений), а затем их взрывной распад.
При высокой концентрации перекисных соединений происходит объемный взрыв, за счет их мгновенного самовоспламенения по всей толще этого объема. Самовоспламенение части рабочей смеси перед фронтом пламени приводит к взрывному горению оставшейся части топлива по всей его толще, к так называемому детонационному сгоранию.

Экспериментальным путем установлено, что при степени сжатия в 8,5 крат, когда давление сжатой Рабочей Смеси достигает 18-20 атмосфер, при использовании 92 бензина, детонационно сгоранет от 3 до 5% паров топлива. Что считается предельно приемлемым показателем. При достижении давлений сжатия в 34 атмосфер (степерь сжатия 22-23), то Рабочая Смесь с парами 92 бензина будет на 100% сгорать в режиме детонации — объемного взрыва.Во время детонации в сильно сжатой и перегретой рабочей смеси происходят сложные процессы, во время которых происходят различные химические превращения углеводородов топлива в более простые элементы с выделением молекул свободного кислорода и образуются разные виды чередующегося пламени. (Соколик А.С., Сгорание в транспортных поршневых двигателях. Изд. АН СССР, 1951, стр. 37.) Именно наблюдение таких процессов в случае детонации рождают мнения специалистов, которые указывают, что КПД перевода потенциальной энергии химических связей во внутреннюю энергию температуры горячих газов и потенциальную энергию высокого давления при детонационном горении (взрыве) – гораздо выше, чем при нормальном (медленном) горении. Т.е. взрывное (детонационное) горение дает ЗАМЕТНО БОЛЬШЕ ЭНЕРГИИ тепла и давления горячих газов, чем медленное горение.
В стандартных поршневых двигателях ударные волны повышенного давления детонации «сбивают» пленку масла со стенок цилиндра (поршень начинает «драть» по цилиндру), повышают температуру двигателя и приводят к его перегреву, приводят к повышенной нагрузке на шарнирные сочленения кривошипно – шатунного механизма (КШМ) двигателя и пр. В некоторых случаях давление взрывным образом нарастает еще до минования поршнем ВМТ, а это приводит к резкой потере мощности и огромным перегрузкам на весь КШМ, так как первый импульс давления рабочих газов начинает крутить коленвал «в обратную сторону». Поэтому поршневые двигатели быстро выходят из строя и разрушаются от титанических сил детонационных процессов. Особенно это видно на примере «пережатых» моторов, которые были подвергнуты тюнингу под спортивные задачи, например — в стандартном двигателе при тюнинге была критически повышена степень сжатия для достижения высоких мощностных показателей в соревнованиях по стрит-рейсингу.
Так же повышенная температура — до 4000 градусов- приводит к быстрому прогоранию поршней и потере упругих свойств поршневых колец, а так же быстрому обугливанию масла на стенках цилиндра.

Если бы удалось использовать могучую энергию и высокий КПД детонационного режима сгорания топлива, то появился бы двигатель внутреннего сгорания, который бы значительно превысил нынешний уровень КПД современных поршневых двигателей, а удельная мощность (отношение веса двигателя к его мощности) в два раза бы превзошла современных лидеров этого показателя – газовые турбины с их 6 кВт на 1 кг веса. Если немного удариться в технологические фантазии, то можно было бы представить автомобильный или подвесной лодочный двигатель, который бы при весе в 12-15 килограммов имел мощность в 150 кВт (почти 200 л.с.) и расходовал 1,5 – 2 литра низкооктанового бензина на 100 км. Т.е расход топлива такого двигателя составлял бы 60-80 граммов топлива в час на одну лошадиную силу. При том, что сейчас в лучших по экономичности дизелях расход состаялет 160-170 граммов.
Однако детонационное сгорание на нынешнем уровне развития техники в области двигателестроения не применяется ввиду несовершенства конструкции всех нынешних типов ДВС. Ни наиболее распространенные поршневые двигатели, даже в варианте их тюнинга или в спортивных версиях, ни циклоидные двигатели Ванкеля (роторные с планетарным вращением ротора), ни газовые турбины не могут использовать этот сверхмощный и сверхэффективный процесс.

Единственный тип техники, который применяет и с пользой эксплуатирует такой принцип — это строительные машины типа «копр» (машина для забивания свай: «дизель-молот»). В копрах энергия мощного взрыва рабочей смеси (из-за огромного сжатия от сильнейшего удара двухтонным молотом) подбрасывает на десяток метров обратно вверх этот тяжелый рабочий молот весом в две тонны. И еще энергия взрыва вполне эффективно применяется во всех типах стрелкового и артиллерийского вооружения. Вполне склонен к мгновенным взрывам на принципе детонации дымный порох, что и используется в военном деле последние 600 лет.

Но вот все существующие сегодня разновидности двигателей внутреннего сгорания не приспособлены для применения детонационного типа сгорания и использования огромных энергий этого процесса. И это не удивительно, ведь поршневая расширительная машина перешла в ДВС-ы «по наследству» от паровых двигателей, где взрывные процессы в рабочем пространстве пары «поршень – цилиндр» были невозможны в принципе и не рассматривались как возможный рабочий процесс вообще.

Вот поэтому в современных поршневых двигателях с их кривошипно-шатунными механизмами, да и в газовых турбинах, с их открытыми практически свободно в атмосферу камерами сгорания, использовать энергию детонационного взрыва невозможно.

УСЛОВИЯ СОЗДАНИЯ ДЕТОНАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Для того чтобы получить эффективно действующий двигатель внутреннего (или внешнего) сгорания, использующий детонационное сгорание топлива, и который превосходит самые форсированные и подвергнутые тюнингу традиционные поршневые двигатели, в таком двигателе должно быть соблюдено несколько условий.
— А) камера сгорания должна не иметь движущихся частей, которые еще и нуждаются в смазке, и камера сгорания желательно не должна иметь потребности в охлаждении;
— Б) камера сгорания должна на некоторое время запираться, чтобы создавать замкнутый объем, в котором в условиях резко нарастающего давления и повышающейся температуры (изохорный процесс), могли полностью на все 100% сгорать пары топлива, даже при Рабочей Смеси очень бедного состава (мало паров бензина – много воздуха);
— В) главный рабочий орган двигателя должен двигаться очень быстро и легко – без необходимости осуществления чередующихся циклов «разгона- торможения» с преодолением сил инерции, чтобы успевать полноценно «утилизировать» и без разрушительных перегрузок (т.е. без старта с неподвижного положения) воспринимать энергию газов горения очень высокого давления;
При детонационных процессах во время объемного взрыва, да еще проходящих в запертом объеме, вся энергия химических связей углеводородов топлива при высоком коэффициенте избытка воздуха, (т.е. кислорода будет хватать на полное сжигание всех паров топлива) будет переходить в тепло и энергию высокого давления конечных газов горения. В итоге все пары топлива в двигателе будут полностью сгорать. Этот процесс будет приводить к двум эффектам:
— к практическому отсутствию продуктов неполного сгорания топлива в выхлопных газах, т.е. к их высокой экологической чистоте;
— к значительно более высоким параметрам Рабочего Тела — т.е. газов горения в камере сгорания двигателя, усиленному давлению там и повышенной температуре;
Если же камера сгорания будет не охлаждаемой, но на время «взрыва» запираемой, то там можно будет весьма эффективно и полноценно сжигать очень бедную рабочую смесь при значительном и гарантированном коэффициенте избытка воздуха. Т.е. если камеру сгорания сделать керамической и довести ее до «белого каления» — температура 1300-1500 градусов, то в ней в условиях запертого объема гарантированно и полноценно будет сгорать очень бедная Рабочая Смесь при средней степени её сжатия. Коэффициент избытка воздуха ожидается заметно выше чем у дизеля. Если в обычном поршневом двигателе массовое соотношение паров топлива и воздуха имеет вид 1 к 15, то в детонационном двигателе оно может достигать (по предварительным прикидкам) 1 к 50, с соответствующим ростом экономичности работы мотора. Т.е. экономичность должна заметно превзойти дизельный двигатель -сегодняшний рекордсмен по экономичности.

Далее – если такой адиабатный (без охлаждения) и детонационный (взрывного типа сгорания рабочей смеси) двигатель будет получать из камеры сгорания большое количество рабочего тела (продуктов горения – горячих газов высокого давления), то подобному двигателю нужно будет иметь значительный объем камеры расширения, где будет совершать длинный рабочий ход главный рабочий орган двигателя. И заведомо, в таком двигателе объём камеры расширения должен заметно превышать объем камеры сжатия.
Следовательно – чтобы превратить в полезную работу главного рабочего органа этот усиленное давление большого количества газов, нужно такому двигателю иметь большой рабочий ход двигателя. Но в поршневом двигателе это практически невозможно, так как в поршневой машине ход сжатия равен ходу расширения. Известная попытка решить эту проблему в цикле Аткинсона – Миллера имеет весьма затратную схему организации процесса, а поэтому – малоэффективна и сложно применима.
ЕЩЕ ОДНА ТРУДНОСТЬ — это резкое — ПОЧТИ В 2 РАЗА — увеличение температуры рабочих газов в цилиндре. С обычных 2500 градусов до почти 4000. Это увеличение температуры ника не может прямым образом превратиться в дополнительную мощность двигателя. В Японии в конце 80-х годов было сделано много вариантов «неохлаждаемых»- адиабатных двигателей, с корпусами из керамики и без системы охлаждения. Идея была такой: если не охлаждать дввигатель, то значит — из-за увеличения температуры рабочего тела повысится давление рабочих газов на поршень, и увеличится мощность и КПД мотора. Но в итоге — только значительно повысилась температура выхлопных газов — до 1500-1700 градусов. А КПД поднялся только на 2-3%, что никак не компенсировало резкого удорожания мотора. Т.е. в детонационном двигателе нужно иметь механизм превращения в работу резко увеличившегося количества выделяемого тепла. Как видим- в поршневых моторах даже японцам это не удалось сделать.
ИТАК, для того чтобы эффективно использовать могучую силу детонационного процесса сгорания (взрыва) паров топлива нужно сконструировать двигатель внутреннего(или внешнего) сгорания, в котором обязательно будут применены конструкции, которые обеспечивают следующие процессы:
— — неохлаждаемая (высокотемпературная) камера сгорания высокой прочности неизменного объема, в которой бы без ущерба для движущихся частей двигателя, могли происходить «взрывы» паров топлива;
— — такая конструкция рабочих органов двигателя, которая бы обеспечивала возможность увеличенного технологического объема расширения рабочего тела, по отношению к технологическому объему сжатия;
— — такая организация рабочих (технологических) процессов двигателя, которая бы обеспечивала возможность переводить сверхвысокую температуру раскаленных газов рабочего тела, в работу на главном валу;
Можно заметить, что первое условие при своей реализации дает нечто похожее на вынесенный отдельно от расширительной машины паровой котел двигателя внешнего сгорания.
В поршневой конструкции привычного нам 4-х тактного двигателя все перечисленные условия обеспечить невозможно. Именно поэтому традиционные поршневые двигатели боятся детонации (за исключением дизелей) и все без исключения требуют интенсивного внешнего охлаждения.
Но сама красота идеи адиабатного детонационного двигателя внутреннего сгорания, который эффективно работает на крайне обедненной смеси, имеет очень высокий КПД и значительную чистоту выхлопных газов, настолько привлекательна, что попытка сформулировать концепцию такой тепловой машины давно овладела автором этой статьи. В настоящее время я создал концепцию подобного двигателя и на данный момент идет изготовление опытного образца такого двигателя. Перед этим было уже несколько моделей, которые уже помогли сформулировать более совершенную конструкцию.
Основной и первой особенностью этого двигателя будет выделение процесса (такта)»Горение — образование Рабочего Тела высокой температуры и высокого давления» в отдельный – 5-й такт. Этот такт будет происходить в отдельном технологическом объеме – вынесенной за пределы сектора расширения и в периодически плотно запираемой камере сгорания неизменного объема. Эта камера планируется делаться из керамики, будет очень сильно разогреваться и не требовать охлаждения. Традиционное сегодня совмещение в одном рабочем такте разных процессов: «горения» и «расширения» обуславливают главные недостатки традиционных поршневых двигателей – смотри об этом мою отдельную статью. Именно от этого недостатка я как раз и старался избавиться в новой конструкции.
В такой камере за счет использовании низкооктановых дешевых бензинов можно устраивать детонацию паров крайне обедненной Рабочей Смеси в раскаленной камере сгорания при вполне средних степенях сжатия Рабочей Смеси — около 5 или 6 крат.

Вторая особенность этой конструкции — применение роторного механизма расширительной машины – «типа Тверской», с различными по объему секторами сжатия и секторами расширения. Это позволит при достаточно средней степени сжатия (в 5-6 крат), при использовании дешевых низкооктановых бензинов, получать детонационное горение весьма бедной рабочей смеси в запираемой камере сгорания, и затем выброс рабочего тела (газов горения высокой температуры) в сектора расширения значительного объема, в которых осуществляется движение рабочего хода значительной длины.

Третяя особенность этой конструкции —
«встраивание» в такт «расширение Рабочего Тела» специальной «паровой фазы», которая за счет подачи воды будет переводить сверхвысокую температуру (до 4000 градусов) рабочих газов из камеры сгорания в повышенной давление Рабочего Тела увеличенной массы. За счет парообразования подаваемой воды температура Рабочего Тела будет резко понижаться, а давление и масса Рабочего Тела — резко увеличиваться. Что и будет приводить к возможности совершать дополнительную работу в секторе расширения. При этом двигатель будет «охлаждаться изнутри» и температура выхлопных газов будет не высокой — около 200-250 градусов.

При этом за один оборот главного вала двигателя будет осуществляться от 4 до 16 рабочих ходов с соответствующим этому показателю высоким крутящим моментом. Для справки: 4-х цилидровый 4-х тактный двигатель дает за один оборот главного вала ОДИН полный рабочий ход. Плечо приложения силы (плечо крутящего момента) чисто по геометрическим параметрам, в роторном двигателе такой конструкции в полтора – два раза больше, чем в поршневых машинах.
Следовательно – крутящий момент такого двигателя за счет значительного увеличения плеча крутящего момента и количества рабочих тактов на один оборот главного вала, будет многократно больше, чем в традиционных поршневых двигателях. А, следовательно, и мощность – будет многократно превосходить такие традиционные двигатели.
Если удастся приручить детонационное (взрывное) горение воздушно-бензиновой смеси, и заставить предсказуемо и продуктивно работать такой процесс в камерах сгорания, то возможно получить новый тип двигателя, небывалых до этого технических параметров. И такой двигатель обещает быть многократно прогрессивнее — мощнее и экономичнее, чем существующие сегодня поршневые двигатели, работающие на медленных процессах горения воздушно-бензиновой смеси.
Автор — Игорь Исаев

08 октября 11 года
СТАТЬЯ
5-ти ТАКТНЫЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Почти 140 лет прошло с тех пор, как немецкий инженер Н.Отто создал 4-х тактный поршневой двигатель. В принципе он ничего революционного не создал: просто усовершенствовал 2-х тактный поршневой двигатель внутреннего сгорания Э. Ленуара, который к тому времени уже активно использовался почти 20 лет.
С тех пор, за столь долгий срок – более 130 лет, особых революций в конструкции и принципах действия небольших тепловых двигателей не было, и все мы привыкли, что все двигатели вокруг нас – это поршневые ДВС преимущественно 4-х тактного цикла. Есть, конечно, еще 2-х тактные двигатели, но они, обладая чуть большей мощностью, отличаются резко меньшим моторесурсом и повышенным расходом топлива с грязным выхлопом.
Но вот, автор этой статьи решил изменить более чем столетнюю традицию, и создать двигатель с новым типом технологического цикла – 5-ти такный.
Но, прежде чем, описывать эту диковину – 5-ти тактный двигатель, стоит немного критически рассмотреть достоинства и недостатки традиционных 4-х тактных двигателей. 2-х тактные двигатели не берем во внимание, т.к. они еще более не совершенные, чем 4-х тактные.
По 4-х тактному циклу работают и карбюраторные двигатели и дизеля, и даже экзотический циклоидный роторный двигатель Ванкеля, тоже работает по 4-х тактному циклу.
Рассмотрим такты традиционного 4-х тактного поршневого мотора.
Первый такт — впуск (всасывание);
Второй такт – сжатие;
Третий такт – горение – расширение;
Четвертый такт – выпуск (выталкивание);
Работая по такому циклу карбюраторные двигатели (с принудительным искровым воспламенением) заметно отличаются по эффективности и образу организации внутренних процессов от дизелей (с воспламенением от сжатия).
Двигатель с принудительным воспламенением (искровым зажиганием) имеет количественное регулирование заряда рабочей смеси и достаточное время на смесеобразование топлива с воздухом. Так как он в первом такте «впуск» всасывает из карбюратора уже готовую рабочую смесь – пары бензина с воздухом.
Двигатели с воспламенением от сжатия (типа «дизель») имеют качественное регулирование заряда и почти вовсе не имеют времени на смесеобразование. Дизель в первом такте «впуск» всасывает только воздух, и в нем порция топлива впрыскивается в рабочее пространство в тот момент, когда поршень подошел почти к ВМТ, свободное пространство в цилиндре минимально. От этого давление в нем достигло величины, при которой воздух разогрелся до значительно большей, чем необходимо для воспламенения топлива, температуры, ведь это — гарантия надежности работы двигателя.
А теперь подробно рассматриваем процесс, происходящий во время самого «интересного» такта – третьего. В двигателе с искровым зажиганием в этом третьем такте совмещены два процесса – процесс «горение – получение рабочего тела» и процесс «расширение рабочего тела».
А в дизеле – во время третьего такта совмещены даже 4 процесса – завершение процесса впрыска топлива, процесс смесеобразования (испарения топлива в сжатом горячем воздухе), горения получившейся рабочей смеси и процесс расширения получившихся газов горения – «рабочего тела». Из-за сложности одновременного осуществления таких множественных процессов в слишком малое время и в одном объеме, проистекают все основные недостатки дизелей.
Именно из-за этих трудностей дизельному двигателю сложнее развивать высокие обороты — смесь просто не успевает догореть в цилиндрах. Это приводит к снижению удельной мощности двигателя на 1 л объёма, а значит, и к снижению удельной мощности на 1 кг массы двигателя. Этот факт послужил причиной малого распространения дизелей в авиации первой половины 20-го века, когда вся авиация летала на поршневых моторах с винтами.
Но и в поршневом двигателе с искровым зажиганием так же не всё обстоит хорошо. Совмещение в нем двух процессов в одном объеме и в одном пространстве так же имеет большие отрицательные последствия. Действительно – в 3-м такте сжатая и подожженная рабочая смесь горит и вырабатывает «рабочее тело» — газы горения высокого давления, и одновременно это же «рабочее тело» расширяется, совершая работу – толкая поршень в сторону НМТ.
Как и в дизеле – часть рабочей смеси, до которой фронт горения добирается в последнюю очередь, не успевает сгореть, так как к этому моменту поршень уже отошел от ВМТ на значительное расстояние и давление в цилиндре резко упало. Горение не успевшей сгореть к этому моменту части рабочей смеси прекращается и она в последствие идет на выхлоп, отравляя собой выхлопные газы и значительно уменьшая топливную эффективность двигателя. Особенно этот процесс заметен – когда двигатель пытается работать на обедненной смеси при большом избытке воздуха.
В принципе – работа двигателя на обедненной смеси при большом коэффициенте избытка воздуха – это самый экономичный тип работы мотора. Но при этом режиме смесь в цилиндрах горит значительно медленнее, отсюда- она не успевает сгореть на линии скоростного расширения объема цилиндра, и идет не сгоревшей на выхлоп. Экономичной работы на бедной смеси не получается и не сгоревшие и токсичные продукты неполного сгорания идут на выхлоп.
Чтобы избавиться от этого недостатка и в дизелях и в двигателях с искровым зажиганием применяют «ранее зажигание». Т.е. это поджиг раб смеси в искровых моторах или впрыск топлива в дизелях еще до того момента, когда процесс «сжатия» завершен полностью, и поршень еще не достиг ВМТ. Этим удлиняется процесс горения паров топлива в малом объеме, и меньшая часть времени горения остается на линию активного расширения пространства поршня, тем самым обеспечивается большая экономичность работы мотора. Но в этой технологической уловке есть несколько больших «НО».
Дело в том, что когда горение паров топлива начинается до приближения поршня к ВМТ, то в этот момент начинается активное нарастание давления газов горения. Давление нарастает, но поршень еще движется вверх, а горящие газы давят вниз… Т.е. при раннем зажигании в моторе начинается противоборство двух сил – силы инерции КШМ движут поршень вверх и продолжают сжимать рабочую смесь, а какая-то часть сгоревшей рабочей смеси своими газами высокого давления уже давит в противоположную сторону…
Именно этим страшна детонация в поршневых моторах, когда удары – взрывы от детонационного режима горения бьют по поршню- шатуну- коленвалу – когда они еще движется вверх. От таких нагрузок эти детали быстро рассыпаются. Особенно это характерно для форсированных, пережатых моторов с насильно увеличенной степенью сжатия.
При этом надо понять, что мотор затрачивает значительную часть своей мощности на то, чтобы за счет сил инерции КШМ и работы других поршней, совершающих рабочий ход, все — таки преодолеть силы обратного давления уже горящей рабочей смеси при раннем зажигании.
В принципе 3-й такт в современных 4-х тактных двигателях есть попытка соединить в одно время и в одном месте два очень трудно совместимых процесса. Действительно — процесс горения лучше всего должен происходить достаточно длительное время, в идеале в замкнутом объеме, где будет нарастать температура и давление, которые бы содействовали быстрому и полному сгоранию паров топлива.
А процесс расширения лучше всего происходил бы при умеренных температурах в условиях хорошей смазки активно трущихся поверхностей.
Но соединение этих двух процессов в одно время и в одном технологическом объеме приводит к тому, что горение происходит на линии скоростного увеличения объема и активного падения давления, а расширение происходит в условиях высоких температур, что грозит сильным разрушающим термическим воздействием на конструкционные материалы двигателя и выгоранием смазывающего масла. В итоге — горение паров топлива совершается не полностью, а расширение осуществляется в тяжелых услловиях.
Итак, можно четко сделать однозначный вывод: совмещение в одном рабочем такте (в 3-м такте) одновременно двух технологических процессов – процесса «горение рабочей смеси – создание рабочего тела» и процесса «расширение рабочего тела высокого давления» (а в дизеле – еще большего количества) ведет к большим потерям КПД, и малой топливной эффективности поршневых 4-х тактных двигателей.
ВЫВОДЫ:
Я достаточно много времени уделил изучению этого положения дел в современной технике, и вижу возможность резкого исправления ситуации в возможности и необходимости разделить соединенный в поршневых 4-х тактниках процесс «горение – расширение» на два отдельных процесса.
Т.е. вместо одного совмещенного 3-го такта появятся два обособленных технологических процесса:
— «горение рабочее смеси – создание рабочего тела (газов горения)»;
— «расширение рабочего тела»;
Т.е. вместо 4-х тактного двигателя мы получим 5-ти тактный двигатель. При этом новые 3-й и 4- й такты должны проходить в различных технологических объемах двигателя и желательно быть совмещенными по времени.
Такая постановка вопроса кажется крайне необычной. Но в действительности тут ничего невероятного нет. Ибо всем известные нам паровые машины работали по близкому в своей идеологии принципу. В паровых двигателя два такта – «расширение рабочего тела» и «выпуск отработавшего рабочего тела» совершался в расширительной поршневой машине, а вот технологические процессы горения топлива и подготовки «рабочего тела высокого давления» совершались в это же время в обособленной части двигателя – в топке и в паровом котле.
Автор пришел к пониманию необходимости применить примерно такую же идеологию и к двигателю внутреннего сгорания. Тем более что в паровых машинах она работала очень хорошо. Вспомните, какой поршневая машина паровоза имела огромный крутящий момент. Так паровоз без всякой коробки передач трогал с места состав из десятков груженых вагонов. Такой мощный крутящий момент с самых низких оборотов парового двигателя позволяла иметь именно система организации раздельных технологических процессов (тактов) – «горение топлива», «создание рабочего тела высокого давления» и «расширение рабочего тела». Если удастся «встроить» похожую идеологию в конструкцию ДВС, то возможно будет получить маленький двигатель небывалых возможностей – с очень высоким КПД, мощным крутящим моментом и малых размеров.
Но вот беда – в поршневой двигатель, эту идеологию почти невозможно встроить. Тем более, что сам по себе кривошипно – шатунный механизм, превращающий возвратно-поступательное движение поршня во вращение главного вала, имеет очень большие и многочисленные недостатки.
В современных поршневых ДВС имеет место соединение двух «родовых проклятий»:
— совмещение в одном 3-м такте двух разных по задачам процессов: «горения» и «расширения»;
— недостатки возвратно поступательного движения поршня и работы связанного с ним КШМ;
Это сращивание отрицательных черт приводит к тому, что прогресс современного двигателестроения в области моторов малой и средней мощности топчется практически на месте уже без малого 60 лет.
Автор настоящей статьи, в результате определенной проделанной теоретической и практической работы, сейчас создает 5-ти тактный роторный двигатель новой компоновки, который будет лишен всех указанных недостатков 4-х тактных поршневых двигателей.Главными отличительными чертами этого двигателя будет следующие:
— в области кинематической схемы, все движущиеся части двигателя будут совершать простые и равномерные вращательные движения. В двигателе не будет ни одной части совершающей возвратно-поступательные, колебательные или качательно -пульсирующие движения;
— в области организации технологических процессов – все технологические процессы будут осуществляться в раздельных (обособленных) технических камерах, при этом одномоментно во времени;
Такой способ организации процессов позволит сделать уникальный двигатель со сферическими, запираемыми на заметное время керамическими камерами сгорания практически оптимальной сферической формы, которые не будут иметь движущихся частей. Предварительно сжатая в другой технологической камере рабочая смесь будет сгорать здесь полностью в условиях неизменного объема, нарастающего давления и увеличивающейся температуры (изохорный процесс). В итоге я рассчитываю получить адиабатный (без охлаждения), детонационный (режим сгорания паров топлива –взрывной), роторный двигатель с простым и непрерывным вращением главного рабочего элемента. В настоящее время такой двигатель уже изготавливается.