Всем специалистам в области двигателей внутреннего сгорания приходилось сталкиваться с ключевой проблемой этих двигателей, - низким коэффициентом полезного действия; Также хорошо известны причины такого явления, - несовершенство механизма преобразования возвратно – поступательного движения во вращательное

Казалось бы, что раз причины потерь мощности находятся в механических системах преобразования движения, то и замена такого механизма на более эффективный должна разрешить это техническое противоречие

Только за последний год заявлено несколько тысяч технических решений в этом направлении, однако инвесторы не спешат ими воспользоваться

В чём же причины?

Предлагаем рассмотреть одну из этих причин

Цикл сгорания топливной смеси в цилиндрах современного двигателя внутреннего сгорания (цикл Отто) доведён до полного совершенства, его реальная эффективность на серийных двигателях внутреннего сгорания доведена до 98%, что означает, что во время реализации цикла горения, извлекается 98% энергии, содержащейся в топливе

Такой результат достигается в большей мере за счёт отработанной до почти полного совершенства конструкции топливной системы и сопряжённой с ней системы камер сгорания в цилиндрах двигателя, сгорание в которых сегодня происходит за счёт горения при постоянном давлении

Как показала практика любые известные на сегодня изменения конструкции цилиндро-поршневой группы двигателя приводят к искажению условий цикла Отто, что в результате приводит к снижению механических потерь, и к снижению эффективности извлечения энергии, получаемой из процесса горения

Казалось бы, что инновационное развитие этой категории техники из-за этого может затормозиться, но этого к счастью не происходит

Где же инновационный выход из положения, и, вообще, есть ли он?

Как оказалось такой выход есть;

Известно, что когда горение происходит в постоянном объёме факела пламени, энергоотдача возрастает на 20%

То есть без изменений конструкции инжекторов и объёма и конфигурации камеры сгорания, только за счёт контроля и регулирования объёма камеры сгорания и объёма факела пламени в ней можно добиться необходимого результата

Рассмотрим модель условий для получения горения при постоянном объёме факела для газообразного топлива

ВИХРЕВОЕ СМЕШИВАНИЕ ГОРЮЧЕГО ГАЗА В ВИХРЕВОМ ГЕНЕРАТОРЕ;

(VORTEX DYNAMIC MIXING OF GASEOUS MEDIUMS IN VORTEX DYNAMIC MIXING AND ACTIVATION DEVICE; ADDITIONAL EXPLANATIONS)

Линейная скорость потоков (LINEAR VELOCITY OF STREAMS)

Поток природного газа движется в центральном отверстии вихревых генераторов под определённым давлением и с определённой линейной скоростью

Поток сжатого воздуха вводится в поток природного газа из тангенциальных каналов вихревого генератора со скоростью как минимум в три раза превышающей линейную скорость движения потока природного газа

При этом шаг спирали в формируемой вихревой трубе равен линейной скорости потока природного газа

При этом линейная скорость в внешнем пограничном слое вихревой трубы больше чем линейная скорость в внутреннем пограничном слое вихревой трубы

Так как все потоки, образующие вихревую трубу двигаются перпендикулярно потокам природного газа, они многократно сталкиваются и, так как линейная скорость потоков сжатого воздуха превосходит линейную скорость движения потоков природного газа

Указанные столкновения, при высокой кинетической энергии потоков, формируют развитое турбулентное состояние, переходящее в броуновское движение ( Brownian movement of the mix components)

Поскольку для обеспечения идеальных условий горения природного газа необходимы весовые пропорции смешивания 17.2 к 1, что означает на одну молекулу природного газа 17.2 молекулы воздуха, то есть в смесь попадает в 17.2 больше молекул газа с более высоким уровнем кинетической энергии

Благодаря этому обстоятельству молекулы природного газа, более лёгкие, окружаются молекулами воздуха, более тяжёлыми, которые имея более высокий уровень кинетической энергии являются более подвижными в системе Brownian movement of the mix components и окружают со всех сторон трёхмерной модели смеси молекулы природного газа

Давление в потоках (PRESSURE IN THE STREAMS)

Поток природного газа движется в центральном отверстии вихревых генераторов с определённым давлением

Уровень этого давления определяет давление среды в центральном отверстии вихревых генераторов

Сжатый воздух подаётся на вихревые генераторы под давлением в пределахт от 2 до 20 бар

При движении по тангенциальным каналам с малым сечением и параллельными стенками скорость движения потоков сжатого воздуха резко возрастает и соответственно давление в потоке падает

На выходе из таких каналов давление в потоках воздуха совпадает с давлением в потоке природного газа

При движении по тангенциальным каналам с переменным сечением, при входе в центральное отверстие вихревых генераторов, происходит расширение и давление в интегральном потоке приобретает уровень давления в потоке природного газа

Геометрия тангенциальных каналов (TANGENTIAL CHANNELS GEOMETRY)

В вихревых генераторах применяются тангенциальные каналы двух типов

Тангенциальные каналы с переменным сечением применяются в случае когда необходимо получить максимально возможный эффект, - эффект Джоуля – Томпсона ( JOULE – THOMSON)

Тангенциальные каналы с равным сечением по всей длине применяются когда эффективность эффектов JOULE – THOMSON, RANQUE – HILSCH не имеют принципиального значения и необходимо получить высокий локальный ( BERNOULLI) эффект Бернулли

Формирование локального эффекта Бернулли (LOCAL BERNOULLI EFFECT CREATION)

Уровень локального эффекта BERNOULLI определяется отношением площади сечения трубопровода для подачи сжатого воздуха к площади сечения тангенциального канала

Например при соотношении площади сечения каналов как 1 к 15, линейная скорость движения потока в тангенциальном канале увеличивается в 15 раз, при снижении уровня давления также в 15 раз

При этом за счёт увеличения линейной скорости движения уровень кинетической энергии возрастает пропорционально увеличению линейной скорости

Характер Броуновского движения в потоках газовой смеси (BROWNIAN MOVEMENT CHARACTER IN GASEOUS MIX STREAM)

С момента ввода скоростных потоков сжатого воздуха в, движущийся в центральном отверстии вихревых генераторов, поток природного газа происходит явление формирования BROWNIAN MOVEMENT CHARACTER в среде двух смешиваемых газовых сред

Потоки сжатого воздуха разгоняются в тангенциальных каналах вихревых генераторов до линейной скорости, как минимум в три раза превышающей линейную скорость в потоке природного газа

Поток из каждого из тангенциальных каналов направлен перпендикулярно к направлению движения потока природного газа по касательной к наружному диаметру центрального отверстия вихревых генераторов и имеет кинетическую энергию как минимум в три раза превышающую кинетическую энергию потока природного газа

Обладающие более высокой кинетической энергией молекулы воздуха расталкивают молекулы природного газа и входят в поток, вызывая цепную реакцию столкновений между молекулами воздуха и природного газа

Более подвижные молекулы воздуха окружают молекулы природного газа и при дальнейшем продвижении по спирали в вихревой трубе, создают сложное движение, в котором молекулы природного газа и воздуха имеют общий линейный характер движения по вихревой трубе и одновременно в рамках указанного движения осуществляют перемещения в других направлениях до столкновения с, стоящими на их пути другими молекулами

При этом результирующее движение смеси в вихревой трубе подчинено законам физики и условиям, сформированным геометрией соотношений элементов вихревых генераторов

Как результат последовательного смешивания газовых сред, после повторения процесса на каждом из вихревых генераторов системы, получают однородный поток смеси природного газа с аэродинамически активным воздухом, при точном соблюдении пропорций между природным газом и воздухом, необходимых для идеального процесса горения

Уровень кинетической энергии смеси увеличен пропорционально количеству вихревых генераторов по следующей логической модели, - на входе кинетическая энергия потока природного газа дополняется кинетической энергией потоков воздуха и формируется интегральный уровень кинетической энергии который для следующего вихревого генератора является стартовым и так далее

Чистый и охлаждённый выхлопной газ ( CLEAN AND COOLD EXHAUST GAS)

При полном и оптимальном горении выхлопные газы не имеют в своём составе продуктов неполного горения

Предложенный состав и активная аэродинамическая структура смеси позволяют одновременно с оптимальным горением получить снижение температуры выхлопных газов, что помогает исключить образование токсичных веществ и соединений в выхлопных газах

Эффективное и экономичное горение (EFFECTIVE AND SAVENESS BURNING)

В камеру сгорания из устройства для динамического вихревого смешивания направляется однородная смесь природного газа с воздухом, имеющая точные пропорции между компонентами и в которой благодаря высокой кинетической энергии и постоянных перемещений молекул воздуха вокруг более тяжёлых молекул природного газа, поддерживается и обновляется структура объёма смеси в которой молекулы природного газа окружены молекулами воздуха

Кроме того среди молекул воздуха также равномерно распределены микроскопические капли воды или молекулы водяного пара

Процесс горения указанной заранее подготовленной смеси проходит в оптимальных условиях, при полном сгорании углеродных и водородных частей природного газа, при высокой скорости горения, при высокой скорости распространения фронта пламени, при высоком уровне стабильности пламени и всего процесса горения

Указанная смесь при горении позволяет исключить потери природного газа на не эффективное горение в зонах неоднородного перемешивания, так как этих зон в указанной смеси не существует

Объяснения и иллюстрации (ILLUSTRATIONS)

Объяснение иллюстрируется тем фактом , что аэродинамическая схема вихревого генератора является мультифункциональной , и в ней кроме смешивания, преследуется цель охлаждения потоков смешиваемых газов и понижение температуры смеси;

В вихревом генераторе применена и использована схема последовательного локального формирования эффектов BERNOULLI, JOULE – THOMSON, RANQUE – HILSCH для применения при динамическом смешивании и последовательном ступенчатом охлаждении в потоках смешиваемых компонентов газовых сред и полученной смеси газовых сред;

Аэродинамическая схема последовательного локального формирования эффектов BERNOULLI, JOULE – THOMSON, RANQUE – HILSCH, позволяет получить усиленное формирование эффекта BERNOULLI для увеличения линейной скорости потока сжатого воздуха, которая обеспечивает равномерное однородное смешивание компонентов смеси, при сохранении после смешивания the Brownian movement of the mix components

В схеме формирования спирали в пределах вихревой трубы, которая образуется в устройстве вихревого динамического смешивания применяются следующие конструктивно – технологические элементы:

1 – центральное отверстие в вихревых генераторах, в котором движется поток природного газа и в котором формируется вихревая труба

2 – отверстие для подачи сжатого воздуха

3 – отверстие для выхода потока сжатого воздуха в центральное отверстие 1

4 – стенка тангенциального канала, которая касательна к отверстию 1

5 – тангенциальный канал

6 – вторая стенка тангенциального канала, с помощью которой можно менять характер тангенциального канала

7 – угол между стенками тангенциального канала

8 – угол между пограничными слоями потока 9, который формирует вихревую трубу

9 – поток, который выходит из тангенциального канала 5 и формирует вихревую трубу

10 – пограничный слой потока, скользящий по цилиндрической поверхности отверстия 1 и который формирует наружный диаметр вихревой трубы, в котором линейная скорость потока сжатого воздуха является максимальной

11 – пограничный слой потока, формирующий внутреннюю структуру вихревой трубы с развитой системой the Brownian movement of the mix components

12 – ширина тангенциального канала, которая обеспечивает максимальную линейную скорость потока сжатого воздуха в тангенциальном канале и соответственно максимальный уровень кинетической энергии от эффекта BERNOULLI

13 - внутренний пограничный слой первого после выхода из тангенциального канала 5 витка спирали вихревой трубы

14 – второй виток спирали вихревой трубы

15 – начало третьего витка спирали вихревой трубы

16 – третий виток спирали вихревой трубы

Приведём ещё один характерный пример формирования условий для осуществления процесса горения в постоянном объёме , что представляет собой:

• Увеличение удельной мощности двигателя внутреннего сгорания по отношению к количеству затраченного топлива, при использовании топливного тумана – топливного композита, полученного при динамическом смешивании углеводородного жидкого топлива с сжатым газообразным окислителем ...

а) В случае, если в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания, используется бензин:

Однородная смесь бензина с сжатым воздухом, в которой сжатый воздух (давлением не менее 5 атмосфер), в виде пузырей диаметром не более 50 микрон, равномерно распределён в объёме бензина, таким образом, что, благодаря силам поверхностного натяжения, бензин формирует оболочку вокруг воздушных пузырей

Объём сжатого воздуха в полученной смеси более чем в 200 раз превышает объём бензина и его количество достаточно для оптимального горения

Смесь обладает свойствами сжимаемости

При впрыске в цилиндр двигателя, пропорции и соотношения в объёме смеси не меняются, благодаря тому, что диаметр пузырей с оболочками не превышает 20 -40 микрон, благодаря минимальным размерам и сжимаемости, смесь при впрыске не меняет свои свойства и геометрические пропорции;

После впрыска в цилиндр, давление в котором в момент впрыска, практически равно атмосферному, внутри пузырей происходит адиабатическое расширение воздуха, пропорциональное разнице в давлении внутри пузырей и в цилиндре

Расширяющийся воздух разрывает оболочки на пузырях на мелкие фрагменты размерами не более 3-5 микрон и равномерно обволакивает эти фрагменты, сохраняя при этом объёмные пропорции между бензином и воздухом, достаточные для оптимального горения

Весь процесс преобразования смеси – топливного композита в топливный туман, в котором частицы бензина размерами в 3 – 5 микрон однородно перемешаны с объёмом воздуха, достаточным для оптимального горения, занимает не более 0.001 секунды

Таким образом зажигание может вестись сразу по завершению впрыска и благодаря тому, что времени на смешивание бензина с воздухом не требуется, впрыск и последующее зажигание топливного тумана, осуществляются во время, когда система преобразования движения в двигателе не находится в одной из мёртвых точек, в которых теряется не менее 60% мощности двигателя

При консервативной оценке, использование топливного тумана со свойствами, описанными выше, позволяет снизить потери мощности на 45 – 50%, и соответственно увеличить удельную мощность, получаемую на 1 галлон бензина

б) В случае, если в качестве топлива для дизельного двигателя , используется дизельное топливо:

Однородная смесь дизельного топлива с сжатым воздухом, в которой сжатый воздух (давлением не менее 5 атмосфер), в виде пузырей диаметром не более 50 микрон, равномерно распределён в объёме дизельного топлива , таким образом, что, благодаря силам поверхностного натяжения, и высокой вязкости, дизельное топливо, формирует оболочку вокруг воздушных пузырей

Объём сжатого воздуха в полученной смеси более чем в 200 раз превышает объём дизельного топлива и его количество достаточно для оптимального горения

Смесь обладает свойствами сжимаемости

Смесь – топливный композит подаётся в насос высокого давления, откуда в ещё более сжатом виде, впрыскивается в цилиндр дизельного двигателя

При впрыске в цилиндр дизельного двигателя, пропорции и соотношения в объёме смеси не меняются, благодаря тому, что диаметр пузырей с оболочками при формировании не превышает 20 -40 микрон, а в насосе высокого давления при сильном сжатии размеры пузырей с оболочками ещё уменьшаются до 15 – 20 микрон;

Благодаря минимальным размерам и сжимаемости, смесь при впрыске не меняет свои свойства и геометрические пропорции;

После впрыска в цилиндр дизельного двигателя, давление в котором в момент впрыска, существенно меньше, чем в пузырях, внутри пузырей происходит адиабатическое расширение воздуха, пропорциональное разнице в давлении внутри пузырей и в цилиндре дизельного двигателя

Расширяющийся воздух разрывает оболочки на пузырях на мелкие фрагменты размерами не более 2-4 микрон и равномерно обволакивает эти фрагменты, сохраняя при этом объёмные пропорции между дизельным топливом и воздухом, достаточные для оптимального горения

Весь процесс преобразования смеси – топливного композита в топливный туман, в котором частицы дизельного топлива размерами в 2 – 4 микрон однородно перемешаны с объёмом воздуха, достаточным для оптимального горения, занимает не более 0.001 секунды

Таким образом сжатие в цилиндре и воспламенение может вестись сразу по завершению впрыска и благодаря тому, что времени на смешивание дизельного топлива с воздухом не требуется, впрыск и последующее сжатие и воспламенение топливного тумана, осуществляются во время, когда система преобразования движения в дизельном двигателе не находится в одной из мёртвых точек, в которых теряется не менее 50% мощности дизельного двигателя

При консервативной оценке, использование топливного тумана со свойствами, описанными выше, позволяет снизить потери мощности на 40 – 45%, и соответственно увеличить удельную мощность, получаемую на 1 галлон дизельного топлива

в) В случае, если в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания, используется природный газ:

Перед впрыском в цилиндр двигателя, природный газ с сжатым воздухом в устройстве для вихревого динамического смешивания, формируют вихревую трубу;

В этой вихревой трубе поток природного газа однородно смешивается с охлаждённым сжатым воздухом в объёмной пропорции 9.7 к 1, и после смешивания смесь – топливный газообразный композит, полностью готова к горению и не требует дополнительного воздуха

Смесь, после выхода из герметично закрытого пространства, сохраняет состояние и пропорции, полученные при её формировании в вихревой трубе более чем 3 секунды

Так как смесь полностью готова к зажиганию в момент впрыска, то впрыск и зажигание производят в момент, когда механизм преобразования движения двигателя не находится в одной из мёртвых точек, и таким образом исключают или снижают потери мощности двигателя на преодоление мёртвых точек, которые в обычном двигателе могут достигать 60% и более

Этот факт позволяет снизить потери мощности на преодоление мёртвых точек на 45 – 55% и в такой же пропорции повысить удельную мощность, развиваемую двигателем в расчёте на 1 кубический фут природного газа

Но известны и конструкторские решения в которых авторы предполагают, что горение в цилиндрах будет происходить в соответствии с циклом Отто

Беглый анализ механики такого решения, не оставляет сомнений в том, что построить такой двигатель очень не просто или вообще вряд-ли возможно

Чуствуется, что у автора этих изобретений нет такого глубокого опыта в создании бескривошипных двигателей, каким располагает Кандидат Технических наук, ведущий инженер СПАКО Центральной ЕС , - Владимир Владимирович Федосеев

Зная, что он является постоянным автором сайта Ярослава Ващука, ниже приводим информацию о этих изобретениях и надеемся на их обсуждение с Владимиром Владимировичем

United States Patent Application 20070062469
Kind Code A1
Yakhnis; Leonid March 22, 2007
________________________________________

Rotary radial internal combustion piston engine

Abstract

The engine comprises a housing, a rotor having a driven shaft fastened thereon, which is mounted on the bearings spaced coaxially apart in the opposite sides of the housing and rotates about its axis of rotation and has a pair radially opposite cylinders spaced in the body of the rotor eccentrically and equidistantly relative to its axis of rotation. One radially outer end of each cylinder is closed by the wall and the other end is closed by piston which slides within the cylinder. Gas intake and gas exhaust may take place through the ducts in the body of the rotor extending from the cylinders to the inner pipe port of the driven shaft. There is a rotary ring mounted on the bearings spaced coaxially apart in the opposite sides of the housing. It rotates about its axis of rotation spaced apart from the rotor axis by an eccentricity and being impelled to rotate in the same direction and with the same velocity relative to the rotor by pins of the rotor. The pistons are connected to the rotary ring through the connecting rods.

________________________________________
Inventors: Yakhnis; Leonid; (Haifa, IL)
Correspondence Address: Leonid Yakhnis

St. Yad Lebanim

182/17

Haifa

32698

IL
Serial No.: 227553
Series Code: 11
Filed: September 16, 2005

United States Patent Application 20100186707
Kind Code A1
Yakhnis; Leonid July 29, 2010
________________________________________

High-torque rotary radial internal combustion piston engine

Abstract

The engine under U.S. Pat. No. 7,421,986 comprises a pair radially opposite cylinders spaced in the plain of the working cylinders of the above engine coaxially apart in the opposite sides of the rotor along the axis being perpendicular to the above said cylinders axes and to the rotor axis and extends cross a rotor axis. There are a pistons spaced in each of said cylinders for displacement along the cylinder axis. Each of the said piston is connected respectively to the rotary ring by crankshaft. The pressure in all above cylinders afford resultant torques which act on the rotor and on the rotary ring and the balance of all resultant torques on the driven shaft ensure high affectivity of the novel engine.

________________________________________
Inventors: Yakhnis; Leonid; (Haifa, IL)
Correspondence Address: Leonid Yakhnis

St. Yad Lebanim, 182/17

Haifa

32698

IL
Serial No.: 321987
Series Code: 12
Filed: January 29, 2009

United States Patent 7,421,986
Yakhnis September 9, 2008
________________________________________

Rotary radial internal combustion piston engine

Abstract

The engine comprises a housing, a rotor, which is mounted in the housing for rotation about its axis. The rotor has a pair radially opposite cylinders spaced radially and apart from its axis of rotation. A piston spaced in each of the cylinders. Gas intake and gas exhaust may take place through the ducts in the body of the rotor. There is a rotary ring mounted in the housing which rotates about its axis of rotation being parallel and spaced apart from the rotor axis. The rotary ring has been connected to the pistons for rotation therewith and being impelled to rotate in the same direction and with the same velocity relative to the rotor by pins of the rotor. The pressure in the cylinders acts on the rotor being eccentric relative to the axis of rotation of the rotary ring and so affords power.

________________________________________
Inventors: Yakhnis; Leonid (Haifa, IL)
Appl. No.: 11/227,553
Filed: September 16, 2005