Способ повышения эффективности (кпд) двигателя внутреннего сгорания.

Принцип работы двигателей внутреннего сгорания аналогичен принципу работы первых паровых двигателей XVII века – по разные стороны рабочего органа (поршня) создаётся разность давлений, что и приводит к возникновению «движущей силы», как её называл Сади Карно. Чем больше разница давлений и чем больше площадь поршней, тем мощнее двигатель. В двигателе Ньюкомена рабочий ход осуществлялся за счёт внешнего атмосферного давления, когда внутрь цилиндра впрыскивалась холодная вода, пар конденсировался и там образовывался вакуум (абсолютное давление внутри цилиндра падало до 0).

Известно, что строительство первого действующего «теплового» поршневого двигателя было начато на одной из шахт в Великобритании Томасом Ньюкоменом в 1705 году. Через полвека счёт работающих по всей Европе паровых двигателей, мощность которых обычно была в пределах 15-20 лошадиных сил, и которые с трудом помещались в трёхэтажные здания, шёл уже не десятки.

И в это время, а именно в 1769 году, никому не известный изготовитель измерительных приборов Джеймс Уатт запатентовал первое свое изобретение, касающееся модернизации паровой машины Ньюкомена. Чтобы не охлаждать каждый раз стенки цилиндра паровой машины, он изобрёл «конденсор». В начале рабочего хода открывался клапан, соединяющий цилиндр с конденсором, в котором поддерживалось низкое давление (близкое к 0) и в котором происходила конденсация «отработавшего» пара.

 

То, что я предлагаю применить для повышения кпд существующих автомобильных и прочих двигателей внутреннего сгорания, можно назвать реверсивной турбоэлектрогенераторной системой выпуска выхлопных газов (см. рис. 1).

 

 

Рис. 1. Реверсивная турбоэлектрогенераторная система выпуска выхлопных газов (с) П. Дубровский, 2011, All rights reserved.

  1. Двигатель внутреннего сгорания.
  2. «Штаны» (точнее – выпускной коллектор).
  3. Ресивер, чаще используемый как Антиресивер, декомпрессор (аналог Уаттовского «конденсора»).
  4. А. Электромотор-генератор.

     В. Турбина – вакуумный насос.

     С. Соединительный вал.

5. Оконечный глушитель (при необходимости).

6. Трубы выпускной системы.

 

Система выпуска выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (также иногда называемая выхлопной системой, англ. «exhaust system»), должна обеспечивать своевременное удаление продуктов горения топливной смеси из цилиндров и, кроме того, снижать уровень шума, создаваемый выпускными газами, до допустимых уровней. Практически во всём мире существуют законодательно установленные ограничения уровня шумов, создаваемых двигателями внутреннего сгорания.

Обычно автомобильная система выпуска выхлопных газов состоит из:

- выпускного коллектора;

- резонатора (который обычно еще выполняет функции пламегасителя);

- катализатора;

- глушителя;

- трубопроводов, соединяющих все перечисленные выше элементы.

Иногда в выпускную систему встраивается турбина системы турбонаддува (англ. Turbocharger, изобретение Альфреда Бюхи, номер патента 1006907 October 1911 Buchi в патентном ведомстве США), которая позволяет с некоторой пользой (увеличение мощности двигателя при том же рабочем объёме, правда, при этом увеличивается и расход топлива) частично утилизировать избыточную энергию выхлопных газов.

Отметим, что, система турбонаддува обычно уменьшает шум выхлопа из цилиндров и поэтому для турбированных двигателей обычно применяют менее габаритные глушители.

Вся история автомобилестроения показывает, что уменьшение шума до положенных по нормам децибел весьма плачевно сказывается на кпд двигателя и снимаемой с двигателя мощности.

В этом нет ничего удивительного. Чтобы превратить громкие хлопки-выстрелы каждого отдельного цилиндра в тихое урчание мотора, выхлопная система создаёт дополнительное сопротивление движению выхлопных газов, что существенно сказывается на величине разницы давлений в рабочих полостях цилиндров. Ведь, согласитесь, есть разница, выталкивать отработанные газы в атмосферу с давлением 1 атм. или в резонатор, где давление в 1,5-2 раза больше.

Поэтому многие автофанаты занимаются тюнингом выхлопных систем своих любимых автомобилей. Используются и «сшитые на заказ штаны» с причудливо изогнутыми штанинами, и отсутствие в резонаторах и собственно глушителях разворота потока отработанных газов (т.н. прямоточные глушители). И это обычно оправдывает себя. Насколько можно судить, даже несложный тюнинг выхлопной системы бюджетного автомобиля позволяет увеличить отдаваемую ДВС мощность на 5-7%.

Что предлагаю я.

Для «утилизации» чрезмерного шума выхлопа применить турбогенератор. На холостом ходу (а также при малых оборотах) отработанные газы, выбрасываемые из цилиндра, из «штанов» (кстати, каждый цилиндр может иметь свою отдельную выхлопную трубу, соединяющую его с ресивером, правильная конфигурация трубы, обуславливающая «правильное» направление потока выхлопных газов тоже имеет немаловажное значение), попадают в ресивер, создавая там неравномерное во времени избыточное давление. Это избыточное давление заставляет вращаться турбину, соединённую с электрогенератором, обслуживающим всё электрооборудование автомобиля. Таким образом, экономим на том, что утилизируем неравномерное избыточное давление выхлопных газов с максимальной пользой.

Полагаю, при правильном выборе размеров ресивера, соединительных труб и параметров турбины, оконечный каскад глушителя может и не потребоваться. Ресивер предпочтительней расположить в моторном отсеке.

При резком нажатии на педаль газа управляющая электроника должна тут же переключить режим работы выхлопной системы. Электрогенератор переключается в режим электромотора (с питанием от автомобильного аккумулятора), быстро набирая обороты. В этом случае турбина начнет работать как вакуум-насос, «откачивая» остатки отработанных газов из ресивера. Давление внутри ресивера-антиресивера станет меньше атмосферного, совсем как в случае с конденсором Уатта, облегчая условия работы «трудящегося» в данный момент поршня, повышая этим отдаваемую двигателем мощность. При этом вся система выпуска продолжает выравнивать давление выхлопных газов на срезе последней выхлопной трубы, то есть продолжает работать как глушитель.

 

К сожалению, нет средств для полноценной реализации этой идеи на практике. Если у кого есть такие возможности – обращайтесь, может, скооперируемся с выгодой для обоих.