Сверхэффективный двигатель внутреннего сгорания

Бизнесплан в двух словах для устного пересказа.

Срок изготовление опытного образца – год, доводка блоков, испытания – еще 1 год, создание нескольких двигателей разной мощности для серийного производства – еще год. Финансирование на три года 85 млн руб по сегодняшним ценам.

Затраты на производство двигателя мощностью 200 кВт, массе 70 кг и сроком службы более 20 тыс. часов составят примерно 400 тыс руб. Продажная цена мин – 1,2 млн руб. 200 шт за год можно собрать практически в «гараже». Прибыль составит 160 млн. руб. С учетом всех первоначальных затрат 75 млн. На пятый год от начала работ: продажи 600 шт, чистая прибыль за год - 480 млн руб. Вот такая экономика.

+79857784022 Александр Николаевич. Полный текст здесь https://yadi.sk/i/1XSrcDgL3DLh7A

Сегодня уже мало кого устраивает, что 60-70 % теплоты вырабатываемой двигателями внутреннего сгорания просто выбрасывается в атмосферу. Когда же энергетика с ее ограниченными сырьевыми ресурсами не сможет мириться и с 20-30 % потерями тепла в рамках все той же классической термодинамики, то без сомнения будут востребованы только те технические решения, которые смогут преодолеть основные недостатки существующих тепловых машин, позаимствовав от них только плюсы. Данный проект можно назвать революционным. Предлагаемый двигатель является синергией поршневого и газотурбинного двигателя. Также как в газовой турбине, используется режим постоянного горения топлива, но при большем давлении и температуре, и также как в поршневом двигателе, расширение газа происходит в замкнутом объеме. Так от газовой турбины будет взята неограниченная мощность, малые габариты и вес; от поршневого двигателя - высокая экономичность. В нем удастся полностью или частично отказаться от: охлаждения и смазки, убрать глушитель шума, маховик, и это при количестве деталей не большем, чем в двухтактном двигателе.

Двигатель внутреннего сгорания, как тепловая машина, потребляющая ценное углеводородное топливо, до сих пор не может преодолеть рубеж по его расходу—200 г/кВт. Лишь в отдельных случаях, ценой сложных конструктивных ухищрений удается лишь ненамного улучшить этот показатель. Как правило, цена произведенных затрат несоизмерима с получаемым экономическим эффектом. На настоящий момент максимальный эффективный КПД крупных дизельных двигателей, работающих по циклу Тринклера, достигает 46+51%. Установки, работающие по другим тепловым циклам: Отто, Стирлинга, Рснкина, Брайтона и др.. имеют Эффективный КПД гораздо ниже; бинарные же циклы, как минимум, вдвое усложняют любую тепловую машину.

Силовые механизмы тепловых машин, реализующие тот или иной термодинамический цикл, подразделяются в свою очередь на машины периодического или непрерывного действия.

К машинам периодического действия относятся поршневые и роторные двигатели объемного типа. Полезная работа в них совершается только в период рабочего такта. Остальные такты— вспомогательные, они способствуют очистке и наполнению объемов двигателя рабочим телом. Интенсивное охлаждение камеры сгорания позволяет значительно поднять температуру и давление, а значит, и эффективность рабочего процесса тепловой машины. Однако, приходиться мириться с тем, что большая часть теплоты, выделенной в период рабочего такта, не реализуется, а отводится в систему охлаждения двигателя (15+35%) и уносится с отработанными газами (25+40%), имеющими еще достаточно высокую температуру и давление. Использование низкопотенциального тепла путем, например, продолженного расширения рабочего тела требует увеличения объема расширительной части тепловой машины втрое, что приведет к резкому усложнению и нецелесообразному увеличению весогабаритных показателей двигателей с одновременным уменьшением его суммарного механического КПД.

Другой тип машин составляют двигатели непрерывного действия – газо-турбинные двигатели или установки (ГТУ), состоящие из газовой турбины, камеры сгорания и компрессора, расположенных на одном валу. Воздух в компрессор засасывается непрерывно, сжимается до 400+600 кПа и направляется в камеру сгорания. На пути движения воздуха посредством топливных форсунок в него непрерывно впрыскивается топливо. Образованная топливо-воздушная смесь поджигается. Сгоревшие газы, расширяясь, приводят во вращение турбину, и она, часть получаемой на валу мощности возвращает компрессору.

Описанная установка компактна, имеет малую массу, не содержит деталей, совершающих возвратно-поступательное движение. В ГТУ можно сжигать любое жидкое или газообразное топливо. Несмотря на указанные преимущества, расчетный эффективный КПД установки при температуре газа перед турбиной в 750°С равен 21%.

Столь низкий уровень эффективного КПД двигателя и не­возможность создания силовой установки малой мощности (из-за больших протечек рабочего тела) позволяет сделать вывод о том, что на базе этого класса машин нельзя создать универсальный двигатель, в котором сочетались бы высокая удельная мощность, низкая стоимость и высокая экономичность. Для ГТУ очень остро стоит и проблема снижения собственного шума, который значительно превышает все допустимые нормы. Решение основных проблем затрудняется вследствие высокой, чувствительности газовой турбины к дросселированию газов на впуске и выпуске, при том что она потребляет на единицу мощности в несколько раз больше воздуха, чем поршневой двигатель внутреннего сгорания.

Представленный краткий анализ не раскрывает всего существа проблемы, но уже сегодня можно утверждать, что оба различных направления в двигателестроении имеют свои наработанные базовые концепции. Методики, по которым разрабатываются все последующие модификации двигателей, содержат лишь незначительные улучшения того или иного показателя продукции, выпускаемой серийно.

Конечно и газовые турбины и поршневые машины непрерывно совершенствуются. Так изготовление лопаток газовых турбин из керамических материалов позволило поднять температуру газов перед турбиной до 1450° и тем существенно увеличить ее эффективный КПД. Но в малоразмерных ГТУ это практически недостижимо.

Составим таблицу, в которой отражены основные достижения и особенности лопаточных и поршневых машин, а также предлагаемого роторно-волнового двигателя (РВД), который должен удовлетворять все возрастающим требованиям ближайшего будущего.

Таблица1

2. ИЗДЕЛИЕ ПРОЕКТА «РВД»

Техническим результатом проекта «РВД» является создание базовых моделей роторно-волнового двигателя мощностью 100 и 200 кВт, предназначенных для легких вертолетов, самолетов и дирижаблей. Наземное применение может быть представлено быстроходными катерами, экранопланами, мощными вездеходами, передвижными электростанциями, приводным оборудованием для нефтегазового комплекса, некоторыми видами военной боевой и инженерной техники.

Роторно-волновой двигатель - это объемная машина, воспроизводящая последовательность работы газотурбинного двигателя. В нем совершенно устранено возвратно-поступательное движение рабочих органов, ротор полностью уравновешен и вращается с постоянной угловой скоростью. Рабочее тело, как и в турбине, движется вдоль оси двигателя, траектория движения - винтовая линия. В конструкции отсутствует вредное пространство, ограничивающее рост степени сжатия рабочего тела. Из-за отсутствия уплотнительных элементов и, соответственно трения в проточной части, снимаются ограничения по ресурсу и числам оборотов двигателя.

В основе кинематики РВД лежит сферический механизм, где оси его основных деталей пересекаются в одном месте - центре воображаемой сферы.

Установленный с минимальным зазором конический винтовой ротор совмещает вращение с противоположным ему планетарным обкатыванием по внутренним огибающим корпуса. Накладывая два эти вида движения на любые сечения ротора (кроме центра - точки его перегиба), можно увидеть, что они совершают в определенной последовательности равные угловые колебания в пазах корпуса, образуя волны, которые последовательно перекатываются по ходу винтовых поверхностей корпуса. Аналогичный процесс можно видеть на море, наблюдая в ветреную погоду за перемещением волн в «стоячей воде».

В компрессорном отсеке формирование и движение волн начинается от периферии по направлению к центру, а в расширительном отсеке - наоборот - от центра к периферии.

Рис. 1
1- Ротор; 2- Корпус; 3- Вал отбора мощности; 4- Шарнир равных угловых скоростей; 5- Эксцентрик; 6- Блок шестерен. А- впускное окно, Б- выпускное окно, В- компрессорный отсек, Г- камера сгорания, Д- расширительный отсек, φ- угол наклона ротора.

Ротор (1) и вал отбора мощности (3) соединяются между собой в центре двигателя шарниром Гука (4), который можно назвать шарниром равных угловых скоростей (ШРУСом). Необходимое же ротору «дополнительное» обкатывание по внутренним огибающим корпуса задается вспомогательным устройством - так называемым «генератором волн». Его основной элемент - вращающийся на основном валу эксцентрик (5), с приводом через блок шестерен (6) все от того же вала. Эксцентрик наклоняя ротор от 3 до 6 градусов обеспечивает угловое качание сечениям ротора в пределах от 12 до 24 градусов. В такой комплектации расчетный механический КПД двигателя составит невиданную цифру - 97 %.

С началом вращения, винтовые поверхности ротора начинают открывать внутренние полости винтовых каналов компрессорного отсека, засасывая и них воздух двумя потоками, смещенными относительно друг друга на 180 градусов. За один оборот ротора в оба канала компрессорного отсека засасываются и отсекаются от впускного тракта по две порции воздуха. При дальнейшем повороте, каждая порция воздуха начнет самостоятельно перемещаться к центру двигателя, непрерывно сокращаясь в объеме за счет уменьшения шага и амплитуды самого витка. Процесс сжатия будет продолжаться до тех пор, пока все уменьшающийся объем со сжатым воздухом не подойдет к камере сгорания. В этот момент процесс внутреннего сжатия воздуха в компрессорном отсеке закончится, наступает следующий этап - выталкивание сжатого воздуха в камеру сгорания тыльной стороной витка, ближе других находящегося к центру ротора. Этот процесс сопровождается непрерывным распыливанием топлива в воздушном потоке с последующим его сгоранием в общей камере, куда и выталкиваются все порции воздуха. Для первоначального поджигания топливовоздушной смеси в камере устанавливается запальная свеча. После запуска дальнейшее поджигание смеси должно поддерживаться газами, оставшимися от предыдущих циклов в общей камере сгорания.

Нет сомнений в том, что реализация проекта «РВД» поднимет интерес российских и зарубежных участников рынка к созданному изделию, т.к. в мире двигатели, обладающие совокупностью характеристик РВД, еще не выпускаются. Расчетные характеристики приведены в таблице 2.

По данным ЦАГИ средняя цена 1л.с. авиационного поршневого двигателя мощностного ряда 300-700л.с. составляет 170$/л.с., а ГТД – 700$/л.с.

Учитывая простоту конструкции, малое количество деталей, возможность применения штампов при изготовлении основных деталей, стоимость серийного двигателя оценивается в половину стоимости автомобильного. По предварительным оценкам удельная стоимость производства РВД составит 70$ на кВт мощности. Т.е., себестоимость двигателямощностью 200 кВт составит 14000 $. Сейчас по такой цене продается двигатель ЯМЗ мощностью 140 кВт. Кроме того РВД в разы легче и имеет значительно больший срок службы. Таким образом РВД, как преобразователь тепловой энергии топлива в механическую работу находится вне конкуренции и при доведении образца до расчетных характеристик будет иметь неограниченные спрос.