Вопрос экономичности двигателей внутреннего сгорания является сегодня одним из ключей к развитию экономики и путей к решению важнейших социальных задач, относящихся к целому спектру комплексных проблем от темпов развития промышленности до уровня загрязнения окружающей среды.

И специалисты и не специалисты знают, что не смотря на громадные затраты на модернизацию и на модификацию двигателей внутреннего сгорания, их коэффициент полезного действия так и не превышает 40%.

Практически, на первый взгляд получается, что недостающие 60% эффективности можно получить, если избавиться от кривошипно – шатунного механизма и это, кажется, решит все проблемы.

Но к сожалению, многочисленные опыты в этом направлении по состоянию на сегодня не принесли каких – либо положительных результатов.

Современный двигатель внутреннего сгорания является настолько глубоко интегрированным техническим решением, с такой сложной системой взаимосвязей, что вывод напрашивается сам собой, - линейного и простого решения не существует, по крайней мере сегодня.

Эффективность сгорания топлива или топливной смеси в современном двигателе внутреннего сгорания достигает 98%, это практический потолок, выше которого подняться, в рамках приемлемых затрат, даже теоретически невозможно.

Всё повышающиеся требования к экологическим характеристикам выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания заставляют даже при 98% эффективности сгорания искать дополнительные методы усовершенствования процесса сгорания, для того, что бы эффективность сгорания была не только энергетической но и экологической и могла соответствовать всё более ужесточающимся требованиям стандартов.

Для этого пришлось значительно больше внимания уделить локальным процессам в камерах сгорания и найти и постоянно искать методы их усовершенствования.

Для правильного выбора возможных версий указанных модификаций, интересно рассмотреть полученные результаты предыдущих версий модификаций и модернизаций двигателей внутреннего сгорания и их основных базовых процессов и компонентов.

Использование эмульсии из топлива и воды в сочетании с повышением давления впрыска

Одним из вариантов повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания является применение в качестве топлива эмульсии. приготовленной из жидкого углеводородного топлива и воды при помощи устройства для смешивания и гомогенизации топливных композитов.

На фото показана капля воды в дизельном топливе; Диаметр капли составляет около 2 микрон; Вокруг капли имеется оболочка из дизельного топлива толщиной в приблизительно 120 нанометров.

Внутри капли на фото видны нано – частицы воды, которые разделены тончайшими прослойками из дизельного топлива; При этом размеры частиц воды находятся в пределах от 25 до 180 нанометров.

В эмульсии, как видно на фото капли и частицы воды капсулированы в дизельном топливе и такая эмульсия может быть отнесена к категории гомогенных нано-эмульсий.

До момента получения такой нано-эмульсии, применялась микро-эмульсия и, например снижение концентрации сажи в выхлопных газах дизельного двигателя составляло в самых лучших случаях величину эквивалентную содержанию в эмульсии воды; То есть при содержании в эмульсии 15% воды концентрация сажи снижалась на 15%.

При использовании нано-эмульсии с капсулированными в дизельном топливе нано-частицами воды, концентрация сажи снизилась на 97% при таком же (15%) содержании воды в дизельном топливе.

Также необходимо отметить, что при использовании нано-эмульсии мощность двигателя не снижалась, как это происходит при использовании микро-эмульсии.

Не смотря на исключительно обнадёживающие результаты окончательное решение о применении эмульсификатора в системе подготовки топливной смеси ещё не принято и это имеет под собой вполне обоснованные причины и опасения.

Вот некоторые важные особенности и условия применения нано-эмульсии:

• нано-эмульсия применялась на самом современном дизельном двигателе, у которого давление впрыска составляет 2000 бар; как показали испытания нано-эмульсия при прохождении через насос высокого давления и специальные инжекторы не деструктирует и сохраняет на достаточно длительный период времени однородность и внутреннюю локальную структуру;
• сгорание происходило за существенно меньший период времени и отбор тепла при этом происходил на 30% быстрее, чем в стандартном двигателе; этот факт позволяет существенно снизить потери мощности двигателя при прохождении через мёртвые точки и существенно снижает негативное влияние на эффективность двигателя от кривошипно-шатунного механизма;
• при этом имеются и неясности в результатах применения эмульсии, в частности в вопросах коррозионной стойкости элементов конструкции двигателя и в поведении эмульсии при зимних низких температурах;

Достаточно болезненным является и вопрос о ёмкости для воды и ещё множество технических вопросов возникающих при первых попытках интеграции системы в реальный современный двигатель внутреннего сгорания.

Все перечисленные факторы и ещё много других, которые здесь не освещены и которые ещё не достаточно изучены определяют ту осторожность с которой производители двигателей встретили информацию об успешном испытании нано-эмульсии.

Интегральный комбинированный впрыск

В качестве средства обеспечения в короткий период времени достаточного объёма впрыска топливной смеси в камеру сгорания применяется интегральный комбинированный впрыск, который характерен следующим.

Впрыск осуществляется посредством серии инжекционных пульсов, например семи – двенадцати – пятнадцати, при которых самый значительный по объёму, - это первый пульс.

После завершения первого пульса, происходит зажигание и все последующие пульсы осуществляются в процессе горения предыдущих инжекций.

Такой процесс значительно улучшает качество горения в локальном аспекте, но к сожалению не решает всех проблем модификации двигателя внутреннего сгорания.

Повышение давления впрыска

На всех типах двигателей определено, что повышение давления впрыска существенно снижает размеры капель жидкого топлива и улучшает условия горения, особенно в локальном плане.

Именно благодаря этому были достигнуты максимальные показатели коэффициента эффективности сгорания топливной смеси в современных двигателях внутреннего сгорания, доходящие до 98%.

Но при таких отличных показателях эффективности сгорания, проблемы с токсичностью выхлопных газов остаются нерешёнными.

Рециркуляция выхлопных газов

В современных двигателях внутреннего сгорания и особенно в дизельных двигателях для снижения концентрации окислов азота, часть выхлопных газов возвращают в камеру сгорания на следующий цикл горения.

Это снижает температуру пламени и соответственно снижает концентрацию токсичных окислов азота в выхлопных газах.

К сожалению, снижение температуры пламени приводит к снижению мощности двигателя и не изменяет или даже повышает концентрацию сажи в выхлопных газах.

Таким образом рециркуляция выхлопных газов решает проблему токсичных веществ в выхлопных газах частично, при относительно высокой технической и эксплуатационной сложности и высоких материальных издержках.

Конденсация воды из выхлопных газов и эмульсификация топлива с использованием этой воды

При использовании в топливной смеси или в качестве топливной смеси различных модификаций эмульсий в любом случае основной вопрос, - это какую воду использовать для приготовления эмульсии и откуда эту воду брать.

Так как выхлопные газы содержат значительное количество водяных паров, то одним из ответов на вопрос о источнике воды может стать, - конденсация воды из выхлопных газов.

Теперь обратимся к информации о свойствах конденсата, полученного из выхлопных газов.

Самым опасным фактором у конденсата является его химическая агрессивность, то есть его наличие в эмульсии может стать источником возникновения коррозионного поражения поверхностей компонентов цилиндра двигателя внутреннего сгорания.

Кроме того для того, что бы получить в режиме реального времени достаточное количество конденсата необходимо охладить поверхность теплообмена в конденсоре по крайней мере до температуре точки росы, а это ориентировочно не выше чем 3 градуса Цельсия.

Что бы получить такую стабильную температуру необходимо затратить большое количество энергии, что сведёт на нет предполагаемые преимущества, полученные при применении этого варианта модификации.

Непосредственный впрыск этанола в цилиндры

В последнее время появляется информация о том, что на экспериментальных двигателях внутреннего сгорания непосредственно на цилиндр устанавливают дополнительный инжектор для впрыска этанола непосредственно в камеру сгорания.

Ввиду того, что этанол испаряется намного быстрее чем бензин или дизельное топливо, локальные условия горения несколько улучшаются, но существенного влияния на совокупный эффект от работы двигателя этот фактор не оказывает.

Использование при эмульсификации смеси из воды и этанола

Как известно смесь спирта (допустим это этанол) с водой при пропорциях смешивания, - 40% спирта и 60% воды (просто говоря водка) не замерзает при низких температурах.

Это решает проблемы применения эмульсий в зимнее время и добавляет горючие вещества в эмульсию, что по идее должно обеспечить больший выход энергии при сгорании такой эмульсии.

В то же время этанол увеличивает уровень детонации топливной смеси при сгорании, а это снижает октановое или (в случае с дизельным топливом) сетановое число такого композитного топлива.

В качестве положительного аспекта, можно привести аргумент в пользу влияния воды в такой эмульсии, которое смягчает детонационные свойства этанола при горении, так как воспламенение происходит с некоторой задержкой и этанол и вода испаряются с одинаковой термодинамической интенсивностью.

Применение и приготовление такой смеси имеет множество проблем и трудностей и на решение этих уже выявленных и предполагаемых проблем необходимо время и средства, которые при сегодняшнем состоянии экономики найти крайне сложно.

Модификация процесса горения при помощи пульсирующей детонации

Модификация процесса горения при помощи метода сгорания топливной смеси в постоянном объёме камеры сгорания и при постоянном объёме пламени (Constant Volume Combustion)

В информационных массивах можно найти множество сообщений о экспериментальных испытаниях и исследованиях метода сгорания в постоянном объёме, в отличие и в сравнении с методом сгорания при постоянном давлении (более глубоко и детально исследованном).

Теоретически такой вид сгорания топливной смеси, который (опять же теоретически) может быть отнесён к сгоранию в термодинамическом цикле Хемфри (HEMPFREY CYCLE) и должен обеспечить по сравнению с применяемым сегодня классическим циклом Брайтона (BRAYTON CYCLE) почти 20% прирост термодинамической эффективности, должен обеспечить определённый энергетический выигрыш от сгорания топливной смеси не зависящий от потерь на преодоление мёртвых точек в системе современного двигателя.

Указанный метод и цикл сгорания к сожалению ещё не достаточно изучены и инженерное и инновационное сообщество ещё не располагают более или менее достоверной информацией о каких либо обнадёживающих результатах испытаний

Опять к двигателям без кривошипно-шатунного механизма

В настоящее время в информационных массивах представлены более 1000 изобретений и несколько тысяч патентных аппликаций на тему бескривошипных двигателей внутреннего сгорания.

К сожалению трудно найти информацию о построенных успешно работающих двигателях этого типа и о каких либо достоверных и систематически оформленных результатах или протоколов испытаний.

Изобретатели в поиске и надо надеяться на успех.

Роторные двигатели

Существуют многочисленные вариации проектов двигателей внутреннего сгорания в которых авторы проектов стараются исключить потери энергии сгорания топливной смеси при преобразовании возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре двигателя в вращательное движение коленчатого вала.

Приведен один из вариантов проекта такого двигателя.

Цель проекта, - создать новую оригинальную конструкцию роторного двигателя внутреннего сгорания, который оставаясь типичным двигателем внутреннего сгорания, сохранил бы и соединил в себе преимущества, конвенционального кривошипно-шатунного двигателя внутреннего сгорания, и роторного двигателя, например двигателя Ванкеля, и не имел бы присущих им недостатков.

Сущность проекта состоит в следующем:

Конструкция существующего конвенционального кривошипно-шатунного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух базовых компонентов. Первый компонент – это цилиндр с движущимся в нем поршнем. В камере, образующейся между цилиндром и поршнем, происходит сгорание топлива, получение тепла и преобразование его в механическое возвратно-поступательное движение поршня.

Этот компонент конструкции, удачно созданный Н.Отто в 1876 г. высоко эффективен. Второй базовый компонент конвенционального двигателя – это кривошипно-шатунный механизм. Он предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Эффективность этого узла очень низка, составляет менее 45 % и определяет низкую эффективность конвенционального двигателя в целом. Во всех без исключения предыдущих попытках создать роторный двигатель внутреннего сгорания без
кривошипно-шатунного механизма и, тем самым, повысить его эффективность, изменялись оба базовых компонента конвенционального двигателя и эти попытки были неудачны.

Вышесказанное определяет базовую идею настоящего проекта и она на первый взгляд проста. В новой термодинамической системе взаимосвязей между элементами конструкции роторного двигателя сохраняется цилиндр с движущимся в нем поршнем и отсутствует кривошипно-шатунный механизм. Эта идея успешно реализована в новой конструкции.

Новый двигатель содержит цилиндр с движущимся в нем поршнем как и конвенциональный двигатель и реализует такую же технологию сгорания топлива, получения тепла и преобразования его в механическое движение поршня относительно цилиндра, только характер этого движения иной.

Это движение не имеет ничего общего с возвратно-поступательным движением.

Под давлением газа и поршень и цилиндр вращаются с одинаковой угловой скоростью и в одном направлении относительно двух эксцентричных осей соответственно. В процессе этого вращения меняется положение поршня относительно цилиндра полностью иммитируя возвратно-поступательное движением поршня в цилиндре конвенционального кривошипно-шатунного двигателя внутреннего сгорания.

Крутящий момент нового двигателя, как предполагается без потерь, создается непосредственно на выходном валу за счет эксцентричного расположения цилиндров относительно оси ротора без использования кривошипно-шатунного механизма. По сравнению с конвенциональным двигателем конструкция изобретенного двигателя так же проста, но более технологична в изготовлении. По сравнению с двигателем Ванкеля она несравненно более технологична в
изготовлении, имеет несравненно более высокую надежность и долговечность.

Изобретенный двигатель по сравнению с обоими аналогами имеет более высокую мощность на единицу веса, низкий шум и отсутствие вибрации. Но основное достоинство изобретенного двигателя – это супер низкий расход топлива и возможность использовать низкосортное топливо при лучшей экологии. Конструкция этого двигателя, по определению, исключает возможность детонации топлива и поэтому позволяет использовать все виды топлива, ключая газ и биологическое топливо без использования токсических антидетонационных присадок и без необходимости переналадки двигателя при изменении вида топлива. Изобретенный двигатель имеет такую же или большую надежность и долговечность как и конвенциональный двигатель. Вспомогательные системы для обеспечения работы двигателя конструктивно на 90 % такие же, как и в конвенциональном двигателе.

Вывод из вышесказанного – это не еще один роторный двигатель, а принципиально новая конструкция двигателя, способного с большим эффектом заменить существующий конвенциональный кривошипно-шатунный двигатель во всех сферах его применения.

Двигатели с горизонтально расположенными цилиндрами

Это направление сравнительно новое и без информации о систематическом квалификационном тестировании трудно что либо утверждать и даже делать предварительные выводы и сравнительный анализ вариантов.

Гибридные двигатели

Гибридные двигатели также находятся в постоянном процессе усовершенствования и сейчас трудно выделить или сравнить между собой отдельные направления; Время покажет за каким из направлений модификации будущее.

Гибридно – комбинированные двигатели

В связи с тем, что потенциал гибридных двигателей до конца не исчерпан, хотелось бы прогнозировать обобщённый вариант комбинированного гибридного двигателя, в котором могут найти место гипотетические варианты модификации этих двигателей.

ФОРМУЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРА КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ К ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕШЕНИЮ МОДИФИЦИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

С учётом проведенного структурного анализа проблем модификации и модернизации двигателей внутреннего сгорания, с учётом всех возможных реально реализуемых вариантов модификации и модернизации, этот двигатель представляется следующим:

РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ИМЕЮЩИЙ ГРУППОВУЮ КИНЕМАТИКУ С ПОРШНЕВОЙ СИСТЕМОЙ В КОТОРОЙ ПОРШЕНЬ И ЦИЛИНДР ОТНОСЯТСЯ К РАЗЛИЧНЫМ КИНЕМАТИЧЕСКИМ ГРУППАМ И ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ КОМБИНИРОВАННОЕ ТОПЛИВО НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКОГО БАЗОВОГО КОМПОНЕНТА СМЕШАННОГО С НЕОРГАНИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ

Тогда сам двигатель и особенности его конструктивных взаимосвязей могут выглядеть так:

Двигатель внутреннего сгорания и способ приготовления горючей смеси для его функционирования, состоящий из:

• установленных на автономных опорах качения, с возможностью независимого вращения одной относительно другой, кинематических групп;
• опорной несущей конструкции с вмонтированными в ней, указанными автономными опорами качения;
• принадлежащих к одной из кинематических групп цилиндров с устройствами подачи горючей смеси;
• принадлежащих к другой из кинематических групп поршней, установленных с возможностью скольжения в цилиндрах, указанной ранее одной из кинематических групп;
• смонтированной в кинематической группе, несущей цилиндры с устройствами подачи горючей смеси, системы смешивания и эмульгирования компонентов указанной горючей смеси;
• автономной системы трубопроводов для подачи компонентов горючей смеси;
• опционально имеющий автономный модуль для синтезирования, по крайней мере, одного из компонентов указанной горючей смеси из газовой среды, окружающей указанный двигатель внутреннего сгорания.

Из принципиального решения двигателя вытекает дополнительное решение на Усилитель моментов и способ производства электроэнергии на его основе, состоящий из:

• установленных на автономных опорах качения, с возможностью независимого вращения одной относительно другой, кинематических групп;
• опорной несущей конструкции с вмонтированными в ней, указанными автономными опорами качения;
• принадлежащих к одной из кинематических групп, установленных на шарнирных опорах, корпусов броневых магнитов с планарными катушками, введёнными в магнитопровод указанных броневых магнитов посредством шлицевого соединения;
• принадлежащих к другой из кинематических групп, сердечников указанных броневых магнитов, установленных в указанных кинематических группах на шарнирных опорах, причём указанные сердечники,имеющие форму шлицевого вала, введены в шлицевое отверстие корпусов указанных броневых магнитов;
• электронной координирующей системы, связующей все магниты указанного усилителя моментов.

Теперь, как производное техническое решение, может быть представлен и Способ производства электроэнергии, включающий:

• создание крутящего момента двигателем внутреннего сгорания;
• передачу полученного крутящего момента на вал генератора и производство эквивалентного крутящему моменту количества электроэнергии;
• передачу полученной электроэнергии на импульсный преобразователь;
• подачу полученных импульсов на электромагнитный преобразователь электрических импульсов в вращательное движение;
• усиление крутящего момента от указанного вращательного движения;
• передачу полученного крутящего момента на вал планарного низкооборотного генератора.