19. Суперэкономичный двигатель внутреннего сгорания с КПД 80%.

19. Суперэкономичный двигатель внутреннего сгорания с КПД 80%.

***

Аннотация

          В статье рассмотрен термоцикл повышенной экономичности. Приведены схемы технических устройств практически реализующих данный термоцикл.

 

***

В мире одними из важнейших энергетических устройств являются тепловые машины, решающее место среди которых занимают всевозможные тепловые машины циклического действия. Конструкции наиболее распространенных современных циклических тепловых машин представлены цилиндрами, поршнями, шатунами и коленвалом. В свою очередь, тепловые машины представлены двумя главными группами – это холодильные машины и тепловые двигатели, последние из которых представлены двумя главными группами: карбюраторные и дизельные. Тепловые двигатели изобретены более 100 лет назад. За это время сменилось много поколений двигателей, но такой их важнейший показатель, как энергетическая экономичность, не улучшается на протяжении многих десятилетий (КПД карбюраторных двигателей составляет примерно 25%, а дизельных – 35%), а при создании тепловых машин наиважнейшим их параметром является именно КПД.

Согласно теореме Карно, максимальный КПД тепловых машин определяется как разность между максимальным и минимальным значениями температуры рабочего вещества, используемого в термоцикле, разделенная на максимальную температуру рабочего вещества.

Определим предельный КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Верхний предел рабочей смеси в цилиндрах ДВС составляет, примерно, 2800 °К. Нижний предел температуры выхлопных газов ДВС не может быть ниже температуры среды, в которой работает ДВС, т.е. атмосферы.  Поскольку изменение температуры ниже температуры среды, в принципе, невозможно осуществить без дополнительных затрат внешней энергии, поэтому примем за нижний предел температуры выхлопных газов ДВС температуру атмосферы, численно равную, примерно,  300°К.

Из принятых исходных данных следует: теоретический предел КПД ДВС примерно равен 90%, что более чем в 2 раза превышает КПД лучших ДВС. Из сказанного следует, росту КПД тепловых машин мешает какая-то скрытая фундаментальная причина принципиального характера. Авторский анализ данного вопроса показал, фундаментальной причиной, накладывающей жесткие ограничения на рост КПД тепловых машин, являются используемые в тепловых машинах термоциклы. Практически во всех машинах циклического действия используется следующий обобщенный термический цикл: адиабатно – изохорно – изобарно – адиабатный без рекуперации тепловой энергии выхлопных газов. Именно относительно низкая энергетическая экономичность этих циклов и является базовой, фундаментальной причиной, накладывающей жесткие ограничения на рост КПД ДВС вне зависимости от конкретной конструкции тепловой машины.

Для решения сформулированной проблемы разработан авторский термоцикл способа преобразования тепловой энергии, который представлен на рис.1. Линия БД соответствует изотерме при температуре среды. Линии БВ и ДЕ соответствуют изохорам, линии ВГ и ЖЕ соответствуют изобарам, и линия ГЖ соответствует адиабате. Штриховая линия Q указывает на теплообмен между изохорно-изобарными участками термоцикла

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Авторский термический цикл

 

ДБ – изотерма при температуре среды Тo;

БВ, ДЕ – изохоры;

ВГ, ЕЖ – изобары;

ГЖ – адиабата;

Q   – связь по тепловому потоку

Покажем более высокую энергетическую экономичность авторского способа, по сравнению с циклом Карно, при условии:

–  ограничения кратности изменения объема рабочего вещества, используемого в термоцикле;

–  максимума преобразования энергии за один цикл.

На рис.2 представлено сравнение авторского термоцикла и цикла Карно. С целью обеспечения наглядности на рис. 2 изображена следующая часть авторского термоцикла: АБВГ (рис.1). Точка К является точкой пересечения продолжений изохоры БВ и адиабаты АГ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Сравнение авторского термоцикла с циклом Карно (заштрихованная область АЛСФ)

 

Для удовлетворения сформулированным ограничениям  точка С должна находиться, примерно, посередине изохоры БК. Конструктивными решениями при практической реализации авторского способа на практике несложно получить изохору ВГ, лежащую выше точки С. Следовательно, максимальная температура рабочего вещества в авторском термоцикле окажется выше максимальной температуры рабочего вещества в термоцикле Карно, и, согласно теореме Карно, в условиях сформулированных ограничений КПД авторского термоцикла выше КПД термоцикла Карно.

Приведем расчет КПД авторского термоцикла на примере тепловой машины, используемой в качестве теплового двигателя, которая работает в атмосфере. Если взять в качестве рабочего вещества воздух, то в этом случае начало и конец термоцикла рабочего вещества можно брать равными параметрам атмосферного воздуха, что представляет и конкретный практический интерес. Для упрощения расчета принято: участки изобарного изменения состояния рабочего вещества настолько малы, что ими можно пренебречь. Термический цикл, используемый в расчетном примере, приведен на рис.3.

ДБ – изотермическое сжатие;

БК – изохорный нагрев;

КЕ – адиабатное расширение;

ЕП – изохорное охлаждение;

ПИ – адиабатное сжатие и последующий выброс в атмосферу отработанного рабочего вещества;

Q –  передача тепла от участка ЕПИ к участку БН.

Поскольку тепловая машина предназначена для работы в атмосферной среде, поэтому исходными тепловыми параметрами будут следующие:

– рабочее вещество, это атмосферный воздух;

– Т₀ и Р₀  –  соответственно, температура и давление среды;

– исходная температура рабочего вещества равна Т₀  (например, 300°К);

– исходное давление рабочего вещества равно атмосферному давлению Р₀  (например, 0,1 МПа);

– V₀ – начальный объем рабочего вещества.

КПД рассчитаем, исходя из следующих исходных положений:

Десятикратное первичное изотермическое сжатие рабочего вещества (участок ДБ).

На участке БН предварительный изохорный нагрев рабочего вещества за счет охлаждения отработанного рабочего вещества на участке ЕПИ.

Изохорный результирующий десятикратный нагрев рабочего вещества на участке БК (10Т₀)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3 – вариант авторского термоцикла для случая теплового двигателя,

работающего в атмосфере:

Д – начальная точка цикла;

Тo  – температура среды;

ДБ – изотерма при температуре среды Тo;

БК – изохора;

КЕ – адиабата;

ЕП – изохора;

ПИ – адиабата;

Vo, Рo  – объем и давление исходного состояния рабочего вещества;

V1, V3 – диапазон изменения объема рабочего вещества;

Q  – тепловой поток 

Адиабатное  двадцатипятикратное расширение объема рабочего вещества на участке КЕ до давления Р₀.

Изохорное охлаждение рабочего вещества на участке ЕП до температуры среды (Т₀).

Адиабатное сжатие рабочего вещества на участке ПИ до давления среды Р₀ с охлаждением до температуры среды Т₀  и выброс отработанного вещества в атмосферу.

КПД определим, как отношение работы, полученной на участке КЕ, к суммарной затраченной энергии на участках ДБ и НК с регенерацией тепловой энергии Q от участка ЕПИ к участку БН.

Выполним расчет КПД:

Определим температуру рабочего вещества в точке Е:

 

Примем, что конструктивными решениями удастся регенерировать 70% тепловой энергии, содержащейся в рабочем веществе на участке ЕПИ. Получим:

Tн =0,7*2,8 T₀ = 2 T₀

Определим затраты энергии при изотермическом сжатии рабочего вещества (участок ДБ):

A₁ = (m/M)* R* T₀ ln(Vo / V₁) = 2,3 (m/M)*R*T₀

Определим энергию изменения состояния рабочего вещества на участке НК через изменение внутренней энергии рабочего вещества:

A₂ =(m/M)*CvΔT = (m/M)*Cv (10 T₀ – 2 T₀) = 8 (m/M)*Cv T₀

Определим энергию изменения состояния рабочего вещества на участке КЕ:

Рассчитаем КПД авторского термоцикла:

Покажем возможность практической реализации авторского способа преобразования тепловой энергии. Для этого необходимы устройства, обеспечивающие следующие термические преобразования рабочего вещества цикла: изотермическое, изобарное, изохорное, адиабатное.

Устройства изохорные и изобарные представлены парой цилиндров, у которых поршни движутся в противофазе, соединенных через последовательно включенное теплопроводящее устройство, обеспечивающее теплообмен рабочего вещества с внешней средой, и дистанционно-управляемый клапан.  Цилиндры отличаются соотношением рабочих объемов.

Изотермическое устройство представлено цепочкой из последовательно соединенных цилиндра, теплопроводящего устройства и дистанционно-управляемого клапана, а в последовательной цепочке, из набора цилиндра, теплопроводящего устройства и дистанционно управляемого клапана объемы первого и соседних цилиндров кратны наперед заданному числу и монотонно изменяются вдоль цепочки. Поршни в соседних цилиндрах движутся в противофазе.

Адиабатный процесс обеспечивается цилиндром с быстро изменяющимся рабочим объемом.

Авторский способ преобразования тепловой энергии позволяет создать универсальную тепловую машину. На рис.5 изображен частный пример устройства, практически реализующего авторский способ преобразования тепловой энергии, а на рис.4 приведен его термический цикл (без изобарных процессов).

Тепловая машина (рис.5) состоит из изотермического устройства, ресивера, трех изохорных устройств, теплопроводящих устройств, устройств изоляции внешней тепловой энергии и теплообменного теплоизолированного устройства. Перечисленные устройства закольцованы по термическому преобразованию рабочего вещества в следующей последовательности: изотермическое устройство, ресивер, первое изохорное устройство, форкамера, второе изохорное устройство, третье изохорное устройство, изотермическое устройство. Все поршневые устройства объединены через механическую передачу, от которой выведен вал механической энергии. Вход первого цилиндра изотермического устройства через дистанционно управляемый клапан подсоединяется к атмосфере.

Теплообменные устройства первого и третьего изохорного устройства и теплообменное устройство, установленное между третьим изохорным устройством и изотермическим устройством, объединены в единое теплообменное теплоизолированное устройство, в котором осуществляется теплообмен рабочего вещества. Форкамера и теплопроводящее устройство второго изохорного устройства оснащены убираемыми устройствами теплоизоляции внешней тепловой энергии.

В целом, устройство работает следующим образом. Передача рабочего вещества по кольцу осуществляется за счет поршневых устройств с соответствующим включением дистанционно управляемых клапанов относительно положения поршней в цилиндрах, причем, поршни в соседних цилиндрах движутся в противофазе. Таким образом, в целом, устройство работает по двухтактному механическому циклу. В зависимости от фазы включения клапанов, рабочее вещество может перемещаться либо в одном направлении, либо в противоположном. Изотермическое устройство подает рабочее вещество в ресивер (рис.4, термоцикл МВКЕ, участок ДВ). Изотермическое устройство работает следующим образом. В первом и последующих соседних цилиндрах степень изменения объема рабочего вещества берется настолько малой, чтобы энергетические потери при адиабатном изменении объема рабочего вещества были меньше наперёд заданного значения. Например, при двукратном изменении объема рабочего вещества энергетические потери составят, примерно, половину энергии чисто изотермического изменения объема рабочего вещества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.  Пример варианта авторского термоцикла

ДБ – изотерма при температуре среды Тo;

ДБКЕД – цикл при температуре выше Тo;

ДБВМД – цикл при температуре ниже Тo.

 

Измененное по температуре рабочее вещество подается в форкамеру. Здесь возможны три случая:

· на рабочее вещество не оказывается никакого внешнего теплового воздействия, т.е. форкамера теплоизолирована (рис.4, термоцикл ДБВМД);

· рабочее вещество нагревается либо внутренним сгоранием топлива, которое подается в форкамеру, либо внешним подводом тепла (Q1) к форкамере (рис.4, термоцикл ДБКЕД).

Далее рабочее вещество подается во второе изохорное устройство, причем через его предварительное адиабатное расширение. В результате чего рабочее вещество охлаждается и одновременно происходит преобразование сжатого газа в механическую энергию.

Если в форкамере рабочее вещество нагревалось, то во втором изохорном устройстве оно не подвергается температурному изменению, т.е. теплопроводящее устройство второго изохорного устройства теплоизолировано.

Если в форкамере рабочее вещество не подвергается температурным изменениям от внешнего теплоносителя, то после адиабатного расширения во втором изохорном устройстве оно нагревается (рис.4, термоцикл ДБВМД), забирая тепло из внешней среды (Q2, рис.5).

В третьем изохорном устройстве и на его выходе рабочее вещество обменивается тепловой энергией с рабочим веществом, находящимся в первом изохорном устройстве, и далее термический цикл повторяется.

При движении рабочего вещества в направлении от ресивера к изотермическому устройству, перед форкамерой (со стороны второго изохорного устройства) происходит адиабатное сжатие рабочего вещества, сопровождаемое его нагревом (рис.4, термоцикл ДЕКБД). В этом случае, если теплообмен рабочего вещества с внешней средой осуществляется через форкамеру, происходит преобразование механической энергии в тепловую (Q1, рис.5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Пример устройства, практически реализующего вариант авторского термоцикла,

приведенный на рис. 4

К – дистанционно управляемые клапаны;

Q1, Q2– потоки тепловой энергии;

С – свеча;

ТИ1, ТИ2 – устройство изоляции внешней тепловой энергии;

МП – механическая передача с дистанционным расцеплением устройств.

Если теплообмен рабочего вещества с внешней средой осуществляется на втором изохорном устройстве (рис.4, термоцикл ДМВБД), то здесь должна осуществляться передача тепловой энергии внешнему холодильнику (Q2), и в этом случае тепловая  машина способна работать в качестве теплового двигателя.

Возможности предлагаемого способа таковы, что он позволяет создавать комбинированные тепловые машины, совмещающие в себе как функции тепловых двигателей внутреннего или внешнего сгорания, так и функции холодильных машин.

Приведенные в работе устройства  могут найти следующие применения:

·   в качестве двигателя внутреннего сгорания, заменяющего современные ДВС;

· в качестве двигателя внешнего сгорания, который может найти применение в гелиоустановках, атомных электростанциях, геотермальных установках и т.д., т.е. там, где необходимо прямое преобразование внешней тепловой энергии в механическую;

· в тепловых аккумуляторах.

Самостоятельно изотермическое устройство без изменений  применимо в любых компрессорных устройствах ввиду чрезвычайно высокой его энергетической экономичности.

Теория тепловой машины автора позволяет создать двигатель внутреннего сгорания с очень высокой экономией топлива. В простейшем виде схема такого двигателя приведена на рис.6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Простейшая схема теплового двигателя автора

V – объем форкамеры;

nV – степень сжатия атмосферного воздуха;

mnV – степень расширения рабочего вещества.

В первоначальном сжатии атмосферного воздуха

рабочий цилиндр участия не принимает.

У – теплообменное устройство

Мы рассмотрели применение авторского цикла в приложении к тепловым машинам циклического действия. Возникает вопрос, возможно ли применение авторской идеи в приложении к тепловым машинам непрерывного действия, например, ракетным двигателям. Анализ данного вопроса показал, авторская идея вполне применима и к тепловым машинам непрерывного действия. Покажем применимость авторской идеи на примере жидкостного ракетного двигателя (ЖРД).

Сущность работы ракетного двигателя (РД) заключается в придании максимального механического импульса газам, вытекающим из сопла РД, что, в первую очередь, обеспечивается максимумом давления газа в рабочем теле в камере сгорания РД. Температура вытекающего из сопла РД газа при этом никакой роли не играет. Если возможно создание давления холодного рабочего газа в камере сгорания РД, такого же, которое обеспечивается при сгорании ракетного топлива, то в первом приближении тяговое усилие такого РД было бы таким же, как и при сгорании топлива, т.к. решающим фактором тяговой силы РД является не температура, а давление в камере сгорания РД. Из сказанного следует: тепло, уходящее из ракетного двигателя вместе с рабочим телом, определяет прямые энергетические потери РД.

Сущностью авторской идеи  является возврат этой безвозвратно теряемой РД энергии.

Схема ЖРД приведена на рис.7. В потоке реактивной струи рабочего тела устанавливается регенерирующее теплообменное устройство, представленное продольными, относительно потока рабочего тела, каналами. Регенерирующее устройство свободно пропускает рабочее тело ЖРД, но забирает из него тепловую энергию. Компоненты топлива попадают в камеру сгорания ЖРД, предварительно проходя через регенерирующее устройство, из которого они забирают тепло и при этом нагреваются, и в предварительно нагретом виде попадают в камеру сгорания ЖРД.

Регенерирующее устройство оснащено дистанционно управляемым приводом, который отклоняет устройство (его каналы) на определенный угол. При этом регенерирующее устройство отклоняет и направление движения рабочего тела, чем обеспечивается изменение направления действия силы ЖРД, т.е. здесь  регенерирующее устройство выполняет роль рулевого устройства ЖРД.

Работа РД по приведенной схеме приводит к более высокой температуре газов в реактивной струе. Для защиты сопла от перегрева топливо пропускается через двойные стенки сопла, охлаждая его, а нагретое топливо попадает в камеру сгорания через регенерирующее устройство.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7. Реактивный двигатель с регенерирующим устройством:

1. Насос горючего.

2. Пусковые клапаны.

3. Регулятор тяги двигателя.

4. Газогенератор.

5. Насос окислителя.

6. Газовая турбина.

7. Газовод.

8. Камера сгорания.

9. Регенерирующее устройство.

10. Двойная стенка сопла двигателя.

Gо  – окислитель.

Gг – горючее.

 

  

Автор                  Гребенников В.И.                       8-928-16-00-581                                                      
                             

       http://gvaleriy.blogspot.ru/2016/03/blog-post.html