«Велосипед с мотором»

Есть у Виктора Драгунского такой детский рассказ. Из цикла про Дениску Кораблева. Там Дениска, с подачи своего друга Мишки, битый день разъезжает по московскому двору на неведомом драндулете, не зная, как его остановить. Начинается рассказ с того, что герой видит мотовелосипед и никак не может понять, что это, собственно, такое – мотороллер? мопед?

Когда в редакцию пришло письмо карельского изобретателя Сергея Калинина, я тоже никак не мог понять, что же он, собственно, изобрел. Сергей Викторович – он, увы, не физик и не лирик. Он математик. Вот и прислал в редакцию формулы. Много формул. Он расчеты прислал. Математические. Нового двигателя. Такие – что все правильно, но ничего не понятно.

Оказалось, формулы были присланы не зря. Сергей Калинин, даром что всю жизнь работал инженером-электриком, в душе – математик. То есть существуют люди, которые в душе поэты, а он – математик. Впрочем, и поэт тоже. Потому что, не обладая художественным воображением, невозможно даже пытаться создать то, что он создал.



Как изобретают колесо?

А началось все просто. Еще в школе Сергей задумался над простым, казалось бы, вопросом: а почему бы двигатель, который используется в мотоцикле (ДВС), не перенести на колесо? Так, чтобы ось переднего колеса использовалась в качестве мотора? С выходом на рулевое управление? Так родилась идея совершенно нового двигателя. Назвал он его – «Перекат».

Впрочем, точно так же, как истинный литератор начинает править свой уже сделанный текст, Калинин начал «править» свое – уже созданное – изобретение. И в итоге создал двигатель принципиально нового образца, который, в отличие от существующих повсеместно ДВС, обладает намного более высоким КПД, не требует затрат на охлаждение и практически бесшумен. И подал заявку на патент. И – правда, уже гораздо позже – этот патент получил. И написал об этом – см. статью «Эта мельница перемелет недоверие» в журнале «Изобретатель и рационализатор» № 4 за 2005 год. Впрочем, к моменту публикации статьи изобретение претерпело существенные изменения.



Так что это за двигатель?

В его основе – два ротора. Оба ротора – левый и правый – симметричны. На каждом роторе – по 4 поршня. Все это заключено в цилиндр. Во время движения узлы двигателя вращаются друг относительно друга и расстояние между поршнями изменяется. Кроме того, вращается и весь механизм. Так что, кроме изменения объема общего пространства, изменяется и положение подпространств – камер, состоящих из поршней. Модулируя такое движение, можно создать любой механизм двигателя внутреннего сгорания.

Идея двухроторно-поршневого двигателя отнюдь не нова. Есть как минимум десяток такого рода двигателей. Они появились в 1990‑х годах. Но это относится только к конструкции. Что же касается самого принципа движения – здесь совершенно другое. Двигатель Сергея Калинина – он назвал его «Мельница» (наверное, из‑за мельницы Сампо из карело-финского эпоса «Калевала») – отличается механизмом привода.

– Свой первый двигатель, – говорит Сергей Калинин, – я назвал «Перекат». К сожалению, в нем было слишком много спорных деталей. В ходе проектирования, консультаций и споров на свет появилась новая идея механизма. Эта идея очень проста: восемь шестерен, два коленчатых вала, два узла с четырьмя поршнями на каждом, да корпус с отверстиями входа и выхода. Механизм и все его движения абсолютно симметричны, вследствие этого механические потери уменьшаются в несколько раз. Рабочее пространство используется в четыре раза эффективней, чем в кривошипно-шатунном двигателе. В газораспределительном механизме этого двигателя нет ничего движущегося. ГРМ – это восемь отверстий, к которым подъезжают камеры в нужный момент.

Первый двигатель уникален тем, что его можно, образно говоря, «вывернуть наизнанку». Я создавал двигатель-колесо. Так, чтобы он вращался вместе с колесом. Я очень долго возился именно с этой идеей. Но этот двигатель не состоялся по ряду причин.

В новом, модифицированном двигателе, в отличие от «колеса», поршни находятся снаружи, а весь механизм вращения – внутри. В то время как в «колесе» – наоборот.

Самый большой недостаток двухпоршневых двигателей – это плохая камера сгорания.

Потери двигателя распределяются каким образом? Берем сто процентов энергии топлива в ДВС. Из них около тридцати используется на нагрев самого агрегата, который охлаждается затем через систему охлаждения. Еще около 30 процентов идет на тепло уходящего наружу горячего воздуха. Порядка 10 процентов – уходит на несгоревшее топливо. Соответственно, на полезную работу расходуется менее 30 процентов энергии ископаемого топлива. В обычных ДВС это порядка 25‑30%, в дизелях – чуть больше 30%.

А в моем двигателе, в виде колеса, за счет неправильной формы камеры сгорания процент несгоревшего топлива должен оказаться больше, поэтому достоинства двигателя уменьшаются. Впоследствии я начал думать, можно ли такой двигатель применить как‑то по‑другому. Так в конструкции появилась воздуходувка – нагнетатель воздуха. И все бы хорошо – но уж слишком горячим оказывался воздух на поверхности двигателя – на выходе, после сжатия. Возникла проблема остужения воздуха.

И тут появилась идея компенсировать затраты на сжатие воздуха затратами на расширение за счет особенного расположения камер сжатия и расширения в механизме. То есть – создать двигатель с принципиально другим принципом получения энергии.



Работа сжатого воздуха

Мы сжимаем воздух до определенного давления – чем больше, тем лучше, и нагреваем его. А дальше получаем полезную энергию за счет расширения этого воздуха. То есть, грубо говоря, из агрегата выходит тот же объем воздуха, но меньшей массы, а «излишки» сжатого воздуха в виде тепловой струи направляются на совершение полезной работы. При этом используется сравнительно небольшое давление – порядка 12 атмосфер. КПД установки при этом – я это высчитал математически – будет равен приблизительно 50%. То есть почти в два раза больше, чем у обычных ДВС. Используемое давление очень невелико – в обычных двигателях внутреннего сгорания при сгорании газа используется давление более 100 атмосфер. Если мы будем увеличивать сжатие, то КПД повысится.

Правда, начиная с определенной температуры, здесь пойдет обратный процесс – тот самый, что происходит в двигателе внутреннего сгорания: излучение тепла на корпус от воздуха.

Почему греется в ДВС корпус и почему его надо охлаждать? Потому, что температура передается от сжатого воздуха и происходит уже не просто нагрев – но идет излучение: воздух «светится» и излучает тепловую энергию. И поэтому очень сильно греется сам двигатель. Даже несмотря на то, что процессы теплообмена между воздухом и металлом крайне низки – одни из самых низких в природе.

Так вот, чтобы двигатель не тратил лишнюю энергию, нужно, чтобы температура была невысокой. Наш двигатель нагревается до той температуры, при которой газ начинает излучать тепло. То есть корпус будет нагреваться незначительно – и при этом его можно не охлаждать. В двигатель направляется обычный атмосферный воздух. После сжатия он попадает в камеру нагрева – причем чем горячей камера нагрева, тем лучше. Далее нагретый воздух снова попадает в ту же рабочую камеру и выходит в атмосферу.

Отсутствие охлаждения – то есть отсутствие воды в агрегате – еще одно достоинство двигателя, помимо высокого КПД. Это преимущество особенно важно при использовании нового двигателя на атомных и тепловых станциях. (А стоит отметить, что Сергей Калинин искал, в первую очередь, способ более эффективного использования топлива, а вовсе не альтернативу ДВС, как могло бы показаться). Передача энергии в двигателе будет осуществляться струей сжатого газа.

Где еще новый двигатель может применяться?

Это могут быть небольшие стационарные двигатели – для получения энергии от любого источника тепла и любого вида топлива, вплоть до дров. Такой двигатель, работающий от внешнего источника тепла, можно делать и маленьким и большим, даже миниатюрным – размером с наручные часы.

Чем больше мы сжимаем воздух, тем больше КПД и меньше энергии на нагрев атмосферы.

Если сжимать воздух до 22 атмосфер, расчетный КПД будет более 60%.

Если сжимать воздух до 50 атмосфер, расчетный КПД будет более 70%.

И наконец еще одно очень важное преимущество нового двигателя – его работа будет практически бесшумна.

Тибул КАМЧАТСКИЙ

В цифрах:

V1=0,83 м3/кг; t1=0 ОС
1) Сжатие воздуха по адиабате до 12 атм.
V2 = 0,134 м3/кг; t2=277,5 ОС
Объем уменьшился. Температура увеличилась. Затратили работу
А сжатия = +288 кДж/кг
2) Изобарный нагрев на 300 градусов (при том же давлении 12 атм.).
t3= 577,5 ОС; V3 = 0,208 м3/кг.
С увеличением температуры объем увеличился примерно в полтора раза.
3) Расширение по адиабате от 12 атм. до атмосферного давления V4 = 1,236 м3/кг t4= 148,8 ОС.
В атмосферу выходит нагретый воздух примерно в полтора раза больший, чем забрали первоначально.
Полученная работа. А расширения = – 445 кДж/кг
4) Полная работа, без учета сил трения.
(Такты сжатия и расширения происходят в соседних камерах механизма «Мельница». Работа на сжатие сразу компенсируется работой расширения.)
А = А сжатия + А расширения = -157 кДж/кг
Полезная работа равна 157 кДж/кг

Источник: http://www.eprussia.ru