Вначале повергну критике принцип работы кривошипно-шатунного двигателя внутреннего сгорания. Но не принцип работы механизма, а идею внутреннего сгорания.
В ДВС энергия сгоревшего топлива распределена примерно следующим образом.
1) Полезная работа менее 30%
2) Q газа (тепло с выхлопными газами) около 30%
3) Q охл. (охлаждение двигателя через систему охлаждения) около30% (Для карбюраторного двигателя с полностью открытой дроссельной заслонкой На малых оборотах 1000 об/мин 36% на больших 3600 об/мин 28%).
4) Q н. е. (несгоревшее топливо) около10%
Отмечу Q охл. очень высокие потери на нагрев двигателя, хотя процессы теплообмена от газа к металлу довольно медленные. Во время сгорания, сжатый газ нагревается до такой степени, что интенсивно излучает тепло. А приемником теплового излучения является металлический корпус, поршни и пр. В результате газ после сгорания, еще не успев произвести полезную работу расширения, значительную часть энергии тратит на нагрев двигателя, сам при этом сильно остывает.
Можно ли избежать таких потерь?
Теперь хочу поделиться идеей "Ветряной Мельницы" или "Воздушной". Мы берем обычный атмосферный воздух и сжимаем его и нагнетаем его в емкость, затрачиваем работу. Эту емкость мы нагреваем от источника тепла, пускай от бензиновой горелки (Возможно горелку имеет смысл разместить внутри емкости). Нагреваясь при том же давлении, газ расширяется, назад мы забираем туже массу воздуха, под тем же высоким давлением, но больший объем, и расширяем до атмосферного давления, получаем полезную работу.
Посчитаем в цифрах:
1) Сжатие воздуха по адиабате от 100 кПа (Атмосферное давление) до 1200 кПа (в12 раз) P11k=P22k - уравнение процесса
1=0,83 м3/кг; T1=0 ОС =273 К; k=1,4
2 = 1 * = 0.134 м3/кг.
= - уравнение состояния ; T2=T1 = 550.5 K =277.5 ОС
Удельная работа при адиабатном сжатии воздуха.
= 288 кДж/кг
2) Изобарный нагрев на 300 градусов. T3= 855.5 K =577.5 ОС
= ; = 0.208 м3/кг
3) Расширение по адиабате от 1200 кПа до 100 кПа.
P33k=P44k - уравнение процесса
4 = 1,236 м3/кг
T4=T3 = 440,5 K = 148,8 ОС.
Удельная работа при адиабатном расширении нагретого воздуха.
= -445 кДж/кг
4) Полная удельная работа, затраченная приводом без учета сил трения.
(Такты сжатия и расширения происходят в соседних камерах механизма "Мельница". Работа на сжатие сразу компенсируется работой расширения.)
А= = - 157 кДж/кг
Полезная работа равна 157 кДж/кг
5) Сколько мы потратим энергии на то чтобы нагреть сжатый воздух на 300 градусов.
Если сжимать воздух до 22 атмосфер расчетное КПД будет более 60%
Если сжимать воздух до 50 атмосфер расчетное КПД будет более 70%
Где можно применять такой двигатель.
1) Тепловые, атомные, солнечные электростанции.
2) Небольшие стационарные генераторы.
3) Генератор солнечного тепла.
4) Автомобили
и т.д.
Почему именно "Мельница"
1) В "Мельнице" рабочее пространство используется в 4 раза эффективней чем в кривошипно-шатунном.
2) В "Мельнице" (Такты сжатия и расширения происходят в соседних камерах механизма "Мельница" Работа на сжатие сразу компенсируется работой расширения.) В кривошипно-шатунном двигателе кинетическая мощность поршней передается друг - другу через каленвал. Здесь мы имеем потери 2-3 % на вкладышах. В случае работы с воздухом максимальная кинетическая мощность будет значительно превышать полезную мощность двигателя. Потери только от того чтобы передать инерцию от одних поршней другим составит 15 - 20 %
3) Газораспределительный механизм. Если мы хотим работать с воздухом, тогда в кривошипно-шатунном механизме ГРМ придется значительно усложнить. Отверстий для входа и выхода будет не 2 а 4, они должны быть много больше, чтобы избежать потерь. Затраты на ГРМ непозволительно высоки.
Для кривошипно-шатунного механизма общие механические потери будут сравнимы с полезной работой.
Чем привлекает такой двигатель.
1) Можно применять любое топливо вплоть до дров.
2) Не нужна система охлаждения. (Очень актуально для Тепловых и Атомных электростанций) Камера нагрева стационарна без подвижных деталей, там может быть любая температура, не превышающая температуры плавления материала, из которого сделана камера.
3) Не нужна система зажигания, мы регулируем только подачу смеси в горелку.
4) Мы уходим от проблемы не полного сгорания топлива.
5) Нет ГРМ.
6) При каждом открытии входных, выходных отверстий давление в камерах будут такие же, как и вне. Следовательно, мы уходим от лишних потерь, и от основного источника шума.
7) В основном механизме можно применять такие материалы как фторопласт.
8) Давления в камерах не такие высокие как в ДВС.
9) Есть прекрасная возможность создать механизм, аккумулирующий энергию, вместо торможения при снижении скорости.
10) К механизмам привода от двигателя передачу энергии можно делать с помощью сжатого воздуха.
11) Более высокий КПД.
Устройство.
1) Осевой Вал. Через него происходит привод движения механизма и выход энергии.
Он находится в зацеплении своими шестернями с шестернями двух или более каленвалов- сателлитов. Осевой вал, вращаясь, крутит валы - сателлиты.
2) Каленвалы - сателлиты находятся в зацеплении еще с неподвижными шестернями корпуса. Вращаясь вокруг своей оси, они вращаются внутри корпуса. Так как соотношение шестерен 1 к 4, за 1 оборот вокруг своей оси они провернутся на 1/4 оборота вокруг общей оси. В результате они вращают весь поршневой механизм.
3) 4) Валы - сателлиты своими шейками входят в направляющие, вращаясь вокруг своих осей, двигают их туда - сюда. Совершая движение вокруг общей оси, они также вращают и направляющие.
5) 6) Каждая из направляющих жестко связана с одним из двух поршневых узлов Левым и Правым. На каждом узле находится по 4 поршня (можно и больше). В результате каждый узел совершает движение вокруг общей оси.
7) Поршни делят все пространство на восемь отдельных подпространств, камер. Камеры отделены друг от друга поршнями. Почти в каждый момент в четырех камерах одновременно происходит увеличение объема, в других четырех уменьшение, за счет движения каленвалов - сателлитов вокруг своей оси.
Камеры и поршни, сменяют друг - друга, за счет общего движения всего механизма.
Используя эти изменения объема внутри камер и общее вращение механизма внутри корпуса, мы можем создать ДВС, насос, кондиционер и пр.
Блок схема
1 Камера нагрева. В ней происходит нагрев сжатого воздуха.
2 Двигатель подкачки. Он сжимает атмосферный воздух до нужного нам давления, закачивает его в камеру нагрева, обратно берет нагретый сжатый газ, расширяет его до атмосферного давления и выводит в атмосферу. На каждом такте на вход в камеру нагрева он подает примерно такой же объем сжатого, который забирает с выхода, но меньшей массы. В результате он не должен ни потреблять, ни производить механической энергии.
3 Рабочий двигатель. Он должен забирать излишки сжатого воздуха из камеры нагрева и расширяя его производить полезную работу. Подачей сжатого воздуха в Рабочий двигатель управляет датчик давления
Двигатель подкачки
I ) Четыре камеры "2", "4" максимально сжаты. Другие четыре имеют максимальный объем. В Камерах "1" свежий воздух, Отверстия для входа атмосферного воздуха перекрываются. В камерах "3" находится теплый воздух под атмосферным давлением, прошедший цикл "Сжатие", "Нагрев", "Расширение". В этот момент открываются отверстия выхода в атмосферу.
II ) В двух камерах "1" происходит сжатие Воздуха. В расширяющиеся камеры "2" происходит вход Атмосферного воздуха. В камерах "3" выход в атмосферу теплого воздуха. В камерах "4" вход под давлением горячего нагретого воздуха из камеры нагрева.
III ) В камерах "1" происходит сжатие Воздуха. В камерах "2" вход Атмосферного воздуха. В камерах "3" выход в атмосферу теплого воздуха. В камерах "4" расширение. Входы и выходы из камеры нагрева закрыты.
IV ) ) В камерах "1" происходит сжатие Воздуха. В камерах "2" вход Атмосферного воздуха. В камерах "3" выход в атмосферу теплого воздуха. В камерах "4" расширение. Входы и выходы из камеры нагрева закрыты.
V ) В камерах "1" происходит выталкивание сжатого воздуха в камеру нагрева. В камерах "2" вход Атмосферного воздуха. В камерах "3" выход в атмосферу теплого воздуха. В камерах "4" расширение.
VI ) Приходим к первому циклу только за счет общего движения внутри корпуса одни поршни и камеры пришли на смену другим.