Способы повышения экономичности двигателей внутреннего сгора
Добавлено: 04 сен 2006, 14:54- С момента изобретения более ста лет назад двигателя внутреннего сгорания (ДВС) предпринимались многочисленные попытки повышения его экономичности с использованием процесса парообразования из воды. Особенно активно двигатели с впрыском воды применялись всеми воюющими сторонами во время Второй Мировой войны, когда цены на нефть были чрезвычайно высокими. Но затем, такие двигатели вышли из употребления по причине своей технологической сложности и ненадёжности, тем более, об экологии тогда никто ещё серьёзно не заботился. Любой двигатель внутреннего сгорания не просто впустую выбрасывает большую часть получаемой им тепловой энергии (70 - 80 %), но, более того, он даже разрушается, если потеряет возможность, через систему охлаждения, отдавать воде своё тепло. Получающая это тепло вода, превращаясь во время кипения или испарения в пар, при обычном атмосферном давлении увеличивается в своём объёме в 1700 раз. Давление образовавшегося пара может помочь рабочему газу приводить в движение поршни или турбины тепловых двигателей и тем давать существенное приращение мощности, максимального крутящего момента и коэффициента полезного действия (КПД) этих моторов. Существует три основных варианта использования впрыска воды на ДВС:
1. От контакта воды с горячими выхлопными газами происходит процесс парообразования, после чего пар вращает небольшую турбину, которая помогает основному двигателю. О разработке подобной силовой установки для своих автомобилей в ноябре 2005 заявила компания BMW: http://auto.mail.ru/news?id=16848 http://www.membrana.ru/lenta/?5454 C:АВТО@MAIL_RU Автообзоры BMW поедет на паре!.htm.
2. На многих спортивных автомобилях, использующих турбо наддув, вода распыляется в сжатом компрессором воздухе для охлаждения этого воздуха, вместе с которым она затем попадает цилиндры, где и становится паром. Здесь нужно заметить, что любой газ (это относится и к воздуху и к пару) при понижении своей температуры на один градус, при атмосферном давлении, уменьшается примерно на 1/270 своего объёма и, наоборот, при сжатии, особенно резком, температура газа возрастает. В этом легко убедиться, накачивая камеру колеса велосипеда ручным насосом, который при этом заметно нагревается или если очень резким ударом протолкнуть плотную пробку в пробирку, то помещённая внутри вата загорается от нагрева, вызванного сильным сжатием воздуха. Чтобы в цилиндры двигателя с меньшими затратами энергии поместилось больше сжатого воздуха, этот воздух охлаждается распылением в нём (не подогретой) воды, которая имеет очень высокую теплоёмкость. Это распыление осуществляется либо до прохождения сжатого воздуха через интеркулер (дополнительный охлаждающий радиатор), либо после него, но, в любом случае, даже мельчайшие нагревающиеся капельки воды должны превращаться в пар только внутри цилиндра, иначе польза от этого пара становится ничтожной. Более того, нарушение стехиометрического (оптимального) соотношения количества топлива и воздуха, включающего в себя водяные пары, может привести к остановке двигателя.
3. Специально подогретая вода впрыскивается (распыляется) непосредственно в цилиндры инжекторного двигателя. От контакта с горящим топливом, раскалённым поршнем и цилиндром, вода вскипает, и расширяющийся пар помогает рабочим газам приводить поршни в движение. Здесь впрыск воды фактически заменяет собой турбо наддув. В этом случае уже не будет нарушаться стехиометрическое соотношение количества топлива и чрезвычайно сжатого компрессором воздуха, чьё очень высокое давление затрудняет процесс искрообразования. Расширяющийся в цилиндре пар для экологии значительно безопаснее, чем сжатый воздух, содержащий в себе до 80% азота, из которого, при высокой температуре (и давлении) образуются губительные для природы его химические соединения с избыточным кислородом. Кроме того, лишний кислород в сильно сжатом воздухе приводит к нежелательному обгоранию цилиндров, поршней, поршневых колец, клапанов и окислению электрических контактов свечей. Некоторые автомобилисты уверяют, что даже после многих лет эксплуатации ДВС с впрыском воды, внутренности его цилиндров выглядят как новые. Более эффективное непосредственное охлаждение (и смазывание) водой раскалённых и интенсивно трущихся поверхностей цилиндра продлевает жизнь всего мотора. Помимо прибавки мощности и экономии топлива ~ на 15 – 20 %, существенно улучшается и охлаждение мотора, так как здесь цилиндры охлаждаются водой не столько снаружи, сколько изнутри. К сожалению, по причине очень сложной настройки, недостаточной её надёжности и сравнительной дороговизны, моторы с впрыском (инъекцией) воды распространение получили только в авиации, автоспорте и любительских авто- самоделках (в последнем случае не всегда оправдывают себя). Но достижения современной науки и техники, особенно электроники, позволяют надеяться на большую эффективность моторов с впрыском воды. Именно электроника должна регулировать точное дозирование инжектируемой в цилиндры воды, и её предварительный подогрев от внешних стенок цилиндра (в водяной рубашке) и от выхлопного патрубка с глушителем, каталитическим нейтрализатором и сажевым фильтром, чтобы в момент впрыска температура воды максимально приближалась к своей точке кипения, которая в сжатой газовой среде неизбежно повышается.
Давление, p (атм.) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 … x<
Температура кипения воды, t(С) - 100 119 132 141 150 157 163 168 173 178 182 … 430
Разумеется, при давлении в цилиндрах порой более 500 атмосфер, температура кипения воды будет значительно выше, но уже при температуре выше ~ 430 С* весь объём воды принимает газообразное состояние независимо от дальнейшего повышения давления. Предварительный подогрев воды необходим для улучшения процесса парообразования, - чем больше воды вскипит в цилиндрах работающих ДВС, тем больше сэкономится топлива и сохранится природа на нашей планете. При избыточном нагреве цилиндра микропроцессор может увеличить подачу в него воды, при этом, снизить подачу топлива ровно настолько, чтобы от этой замены при существующей нагрузке ощутимо не изменилась скорость вращения маховика двигателя, установленная водителем на данный момент. В идеале (при хорошей регулировке), мотору с впрыском воды уже не нужен громоздкий радиатор, ухудшающий аэродинамическое сопротивление быстро движущегося автомобиля, а также вентилятор, дополнительно обдувающий двигатель снаружи. В этом случае водяной насос, помимо своей надёжности должен, независимо от режима работы ДВС, быстро и точно изменять свою производительность и давление подаваемой им воды. Давление воды в охлаждающей водяной рубашке электроникой регулировать желательно в каждом такте работы двигателя, так как сильно нагретые цилиндры (особенно из сплавов лёгких металлов) становятся мягкими и под большим давлением деформируются, образуя либо нежелательные зазоры между поршнями и цилиндрами, либо недопустимые выпуклости, препятствующие движению поршней. Вода должна быть хорошо очищена, иначе накипь быстро закупорит тонкие форсунки. Чтобы за очень короткое время одного такта двигателя (1/250 долю секунды) вода успела полностью вскипеть ещё в цилиндре, её распылять в нём необходимо очень мелкими капельками через множество очень маленьких отверстий (диаметром около 0,1 мм), под большим давлением. Впрочем, допустимо, чтобы какая-то часть воды переходила в пар уже после выхода её из цилиндра с горячими отработавшими газами в выпускной трубе. Тогда удастся снизить температуру и шум выбрасываемых автомобилями газов, а увеличенный от образовавшегося или перегретого пара их объём позволит эффективно вращать электрическую турбину, установленную внутри этой же трубы. Таким же, как и воду, способом, следует максимально подогревать и топливо, поступающее в цилиндры двигателя. Тогда, нагревшись, оно станет менее вязким, легче походить будет через очень узкие проходы форсунок, тоньше распыляться, лучше смешиваться с воздухом, воспламеняться и полнее сгорать, что, кроме экономии топлива, позволит снизить электрическое напряжение на свечах зажигания и этим продлить срок их жизни. Известно, что при сильных холодах, порядка минус 90 градусов по Цельсию (на станции Восток в Антарктиде), даже авиационный бензин не горит и практически не испаряется. Что касается воздуха, участвующего в горении, то его предварительно не подогревать а, наоборот, желательно охлаждать, так как он – газ, а значит, в отличие от жидкостей и твёрдых тел, при нагревании очень сильно увеличивает (здесь преждевременно) свой объём. Впрыскиваемая вода и образующийся из неё пар может создавать нужную температуру, давление, скорость и даже форму распространения пламени в цилиндре, и этим предотвращать взрывные явления (детонацию), что позволит без вреда для двигателя, создавать ещё большее давление горящей топливовоздушной смеси или (и) использовать более дешёвый низко октановый бензин. При высокой влажности воздуха (в дождливую погоду) ДВС работают мягче, спокойней, по крайней мере, по внешним ощущениям. Зимой воду нужно подогревать и хранить в термосе или в бачке из теплоизолирующих полимеров или керамики, или разбавлять её спиртом. Чтобы избежать ржавчины в неработающем моторе, электроника отключает впрыск воды за несколько мгновений перед остановкой двигателя. Применяемые на инжекторных двигателях датчики кислорода (лямбда – зонды) могут с высокой точностью следить за содержанием кислорода в воздухе с учётом зимних температур, колебаний атмосферного давления, чередований высокой влажности воздуха с засушливой погодой и загазованностью. Параметры водо-воздушного аэрозоля можно регулировать также добавкой небольшого количества спирта (этанола) или ацетона, уровень детонации и скорость горения которых несколько ниже, чем у бензина, что позволяет сгладить резкий пик выделившейся энергии. Но важнейший для работы мотора процесс горения топлива нельзя заглушать полностью. Наоборот, его необходимо всячески активизировать. Для этого важно каким-то образом http://www.inauka.ru/news/article46832.html повысить процентное содержание кислорода в поступающем в цилиндр воздухе, или соответственно уменьшить присутствие в нём азота, который не только не поддерживает горение, но подобно используемым в тушении пожаров воде, песку или углекислому газу, сильно препятствует этому горению. К примеру, едва тлеющая лучина, вносимая в пробирку с чистым кислородом, мгновенно вспыхивает ярким пламенем. Баллонами с чистым кислородом снабжаются даже ракеты, несмотря на существенное утяжеление их конструкций. Автомобили пока не оснащаются ёмкостями с чистым кислородом или устройствами для выделения из воздуха чистого кислорода. Для этой цели современная промышленность, с немалыми затратами энергии, использует громоздкие каскады холодильников и испарителей, которыми невозможно оборудовать обычный автомобиль. Мембранные молекулярные фильтры и нанотехнологии не обладают пока достаточной продуктивностью и надёжностью. Влага, пыль и химически активные аэрозоли сильно затрудняют их работу. Лучше содержание кислорода в воздушной массе увеличивать с помощью быстро вращающейся центрифуги, где сравнительно более тяжелые молекулы кислорода (молекулярный вес - 32) будут собою вытеснять более лёгкие частицы азота (м.в. - 28). Конечно, чистый кислород таким способом не получить. Но если в поступающем в цилиндр воздухе сократить количество азота хотя бы в два раза - с 79% до 40%, то количество кислорода в нём увеличится уже почти в три раза - с 21% до 60%, а выделяющаяся в горении энергия возрастёт ещё больше - в 5-7 раз! При столь интенсивном горении горючее сгорать будет уже полностью, и обязательные (но недешёвые) автомобильные нейтрализаторы и сажевые фильтры, отнимающие у двигателя часть его мощности (и топлива) для дожигания впустую ядовитых остатков несгоревшего топлива, сажи (углерода), угарного газа и, при некачественном горючем, сероводорода, станут уже не нужными. Сокращение азота в поступающем в цилиндры воздухе, приведёт к снижению массы выбрасываемых автомобилями окислов азота, вызывающих кислотные дожди, губительные для всего живого на земле, повреждающие архитектурные памятники, различные сооружения, в том числе лакокрасочные покрытия кузовов самих же автомобилей. Молекулы азота и кислорода можно разделять и по степени их намагниченности, предварительно их ионизировав. Намагничивать при низких температурах и ионизировать при высоких можно топливо, воздух, инжектируемую воду, и затем продукты сгорания. Расположенными вокруг цилиндра катушками индуктивности, защищёнными термостойкой керамикой, можно попытаться придать нужную форму горючей смеси (компактно сгруппировать её в центре, равномерно распределить её же по всему объёму цилиндра, или же сместить ее, например, поближе к искре свечи) и скорость её сжигания, повысив которую - увеличить мощность двигателя, либо понизив – избежать детонации. Эту детонацию хорошо бы использовать, так как скорость распространения пламени при взрыве, по сравнению с регулируемым (ограниченным) горением, в 5 – 20 и более раз выше, в зависимости от степени сжатия и других условий. Разумеется, прочность двигателя должна соответствовать предложенным нагрузкам, и всесторонне продуман алгоритм управления этим «взрывомотором». С целью уменьшения нежелательных последствий от резких ударов рабочего газа, верхнюю часть поршня или его сочленения с шатуном (палец) лучше слегка подпружинить, а топливо вводить в цилиндр несколькими маленькими порциями, на протяжении всего такта воспламенения. Подверженные сильнейшему излучению от пламени, поршни и цилиндры могли бы изготавливаться не только из сплавов железа или более лёгких по весу алюминия и магния, но и керамики, а ещё лучше – из монокристаллического (полупроводникового) кремния или германия, которые в солнечных батареях вырабатывают электроэнергию. Она, через электродвигатель, помогала бы поршням вращать коленвал мотора. Самые смелые предложения в этом направлении появились ещё лет 20 назад. Они касаются того, чтобы заменить кремний, обладающий в фотоэлектрических батареях односторонней электропроводимостью, таким же (четырёхвалентным) одно-кристаллическим углеродом, т. е. твердейшим и жаростойким искусственным алмазом, из которого попытаться делать «вечные» поршни, цилиндры, сопла турбин реактивных самолётов или хотя бы их поверхности?.. Получать на автомобилях электричество можно и термоэлектрическими элементами Пельтье. Обсуждая варианты экологичных двигателей, нельзя не упомянуть водородные и гибридные автомобильные силовые установки, которые так же нуждаются во всестороннем усовершенствовании. Последние электроэнергию могли бы вырабатывать и накапливать не только отбирая часть мощности от ДВС или благодаря силе инерции движущегося автомобиля (во время торможения электрогенератором), но и за счёт хода амортизаторов всех колёс на неровностях дороги. Может использоваться даже вибрация работающего мотора, которому уже не потребуется устанавливать на коленчатом валу утяжеляющие мотор балансиры, уравновешивающие паразитную инерцию поршней и шатунов. Развитие любой техники идёт путём неуклонного её усложнения, и, несмотря на возросшую себестоимость, оно всегда, прямо или косвенно, окупает себя. С целью уменьшения потерь на преодоление трения и инерции холостого хода поршней, некоторые фирмы, с помощью турбонаддува, все четыре такта инжекторного ДВС производят всего за один оборот коленвала http://moto.zr.ru/txt/archiv/01-03/38-41.htm http://www.membrana.ru/articles/technic ... 05400.html Здесь, в начале обратного хода поршня через выпускной клапан удаляются отработавшие газы, а турбонаддув производит вентиляцию охлаждение изнутри цилиндра простым воздухом. В середине обратного хода поршня выпускной клапан закрывается, затем прекращается турбонаддув и происходит впрыск топлива и его поджигание. Иногда, на подводных лодках и в далёком космосе, в шахтах и тоннелях, на мощных электростанциях и в комнатных условиях, уже используются очень экологичные двигатели Стирлинга, изобретённые аж в 1817 (!) году. У них, в абсолютно замкнутом пространстве под большим давлением (200-500 атмосфер) инертный газ (гелий) нагревается от печки с внешним подводом тепла (расширяется), а с другой стороны цилиндра, уже в особом холодильнике, он же охлаждается, т. е. уменьшает свой объём. Возникающая разница давления, над поршнем, и под ним, толкает этот поршень - затем в работу вступают другие цилиндры или запасённая энергия вращающегося маховика. Вместо поршней могут работать и турбины. «Стирлинг» может работать на любом топливе: твёрдом, жидком, газообразном, от энергии Солнца, атомного реактора и, вообще, от любых источников тепла, даже не связанных с горением. Благодаря высочайшему максимальному крутящему моменту на низких оборотах «Стирлинг» способен преодолевать значительные перегрузки, и при этом, в отличие от обычных моторов, он не глохнет, и позволяет обойтись даже без коробки передач или вариатора. Сравнительная мощность, КПД, экономичность, нетребовательность к топливу и смазке, неприхотливость и простота обслуживания, универсальность применения, бесшумность, лёгкий запуск в холодное время года, долговечность, малый удельный вес и компактность, низкая себестоимость, надёжность и многие другие параметры выгодно отличают моторы Стирлинга от традиционных двигателей внутреннего сгорания. Производители серийных автомобилей почти не интересуются обладающими поистине фантастическими характеристиками «Стирлингами» по причине сравнительно медленной их разгонной динамики. Но в той же гибридной силовой установке в паре с электродвигателем (через бесступенчатый вариатор) «Стирлинг» вполне бы мог прижиться на любом автомобиле. Ввиду прогрессирующего роста цен на нефть и неизбежного глобального энергетического и экологического кризиса, есть смысл чаще возвращаться к самым различным способам экономии топлива, пусть несколько подзабытым, но, с привлечением и современных технологий, открывающим многообещающие перспективы.
Безукладников Василий Александрович. До востребования 347913, г. Таганрог, Ростовской обл. E-mail: ecomotors@mail.ru
vasilijbezukladnikov@yandex.ru
The methods of increase of economy of engines of internal combustion.
- From the moment of the invention more hundred of years ago of engine of internal combustion were undertaken numerous attempts of perfection his with use of production process of steam from water. Especially actively all belligerent parties applied the engines with injection of water during the Second World War when the prices for oil were extremely high. But next, such engines have gone out of use owing to the technological complexity and unreliability, as especially, then nobody still seriously did not care of ecology. Any engine of internal combustion not only in vain throws out the most part (70 - 80 %) of thermal energy received in work, moreover he even collapses, if will lose an opportunity, through system of cooling to give water his heat. Receiving it warmly the water, converted up to the steam in process of the boiling or volatilization, at usual atmospheric pressure increases itself in the volume in 1700 times. Thus obtained the steam can help one’s pressure of working gas to actuate pistons or turbines of thermal engines and to give an essential increment of a power, the maximal twisting moment and efficiency of these motors. There are three basic variants of use of injection of water on engine of internal combustion:
1. From contact of water with hot exhaust gases, there is an occurrence of the steam, which rotates the small turbine, which then helps the basic engine. About the development of a similar power-plant for the cars in November 2005 has declared its the company BMW: http://www.gizmag.co.uk/go/4936 http://www.autoblog.com/2005/12/09/bmw- ... t-and-goes.
2. On many a sports cars, using a turbo pumping, for cooling an air compressed by compressor, the special device sprays the water in this air, with which together the water enters in cylinders, where the water becomes a steam. Here it is necessary to notice, that any gas (it concerns both air and steam) from downturn of the temperature on one-degree give decreases approximately on 1/270 a part from the volume at atmospheric pressure. And, on the contrary, at compression, especially quick, the temperature of gas itself increases. It is easy to be convinced of it, if pumping the gas chamber of a wheel of a bicycle from manual pump which thus noticeably heats up, or if very strongly strike to shove a dense stopper into a test tube with cotton, which flashes up from the heating, caused by strong compression of air. For reduction of expenses of energy for introduction in cylinders of a lot of compressed air, this air is cooled by dispersion in his else by cold water, which has very big thermal capacity. This dispersion is carried out or before passage of compressed air through intercooler (an additional cooling radiator), or after his, but, in any case, even the smallest droplets of hot water should turn into steam only inside of the cylinder, differently the profit from the steam becomes insignificant. Moreover, infringement of stoichiometric (optimal) parities of quantity of fuel and air at including water vapors, can lead to a stop of the engine.
3. The water, previously up heated, is sprayed directly in cylinders of injection engines. From contact with the burning fuel heated by the piston and the cylinder, the water up boils. Then extending itself the steam helps working gases to set pistons in motion. Here injection of water actually replaces with itself a turbo forced aspiration. In this case will not be broken a stoichiometric parity of quantity of fuel and air extremely compressed by the compressor, which by very much high pressure of air complicates process of formation of electric spark. For ecology the steam, extending itself in the cylinder, is much more safe, than the compressed air comprising up to 80 % of nitrogen from which at a heat and a pressure, arise pernicious for the nature the chemical compound with superfluous oxygen. Also excess oxygen in strongly compressed air leads to undesirable burnout of cylinders, buckets, piston rings, valves and to oxidation of electric contacts of candles. Some motorists assure, what even after many years of operation by engines of internal combustion with injection of water, an interior of its cylinders look as new. More effective direct cooling (and greasing) by water of the hot and intensively rubbing surfaces of the cylinder prolongs a life of all the motor. Besides an increase of power and fuel economy on 15 - 20 %, the injection of water also essentially improves cooling itself of the motor as cylinders are cooled by water not so much from outside, how many from within. Unfortunately, owing to very complex adjustment, insufficient reliability and high cost, motors with injection of water have received prevalence only on aircrafts, on sport cars and on amateur auto-homemade products (in the latter case not always they justify itself). But achievements of a modern science and technique, especially of the electronics, allow hoping for much efficiency of motors with injection of water. Just electronics can determine the exact doses of injection into cylinders of water and also of her a preliminary heating up from external walls of cylinder in a water jacket and from an exhaust nozzle with the muffler, by catalyst converter and the soot filter, so as to in the moment of injection, the temperature of water, was as much as possible approached to its boiling point which in the compressed gas environment inevitably increases.
Pressure, p (Atm.) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 … x<
Boiling temperature of water, t (grade/C*) - 100 119 132 141 150 157 163 168 173 178 182 … 430
Certainly, when into cylinders the pressure reaches more than 500 atmospheres, the boiling temperature of water will be considerably above, but already at temperature above ~ 430 C* all volume of water becomes gaseous irrespective of further the raises up of pressure. Preliminary heating up of water is necessary for intensification of process of steam exhalation. Than more the waters will boil in cylinders of acting engine of internal combustion, so much be more saved the fuel and the nature on our Planet. At superfluous heating the cylinder the microprocessor can increase submission in his the waters, but lessen the delivery of fuel in his exactly so that from this replacement, at existing loading, the speed of rotation of the engine has remained same what was established by the driver. In an ideal (at good regulation), engine with injection of water can already do without the bulky radiator worsening aerodynamic resistance of quickly moving car, and also without the ventilator, which provide the refrigerating of engine by air outside. In this case the water pump, besides reliability should, irrespective from a mode of behavior of engine of internal combustion, quickly and precisely to change the productivity and pressure of water, sent from he. It is desirable a pressure of water in a cooling water jacket adapt by electronics to each timing period of work of the engine as the cylinders (especially from alloys of light metals) from heat become soft and under greater pressure are deformed to forming the undesirable spacings between pistons and cylinders, or to the inadmissible convex camber-s interfering in movement of pistons. Water should be well cleared, otherwise the scum will quickly cork thin spray jets. So as in very short a time of one cycle of the engine (1/250 share of second) water has had time to boil completely else in the cylinder, her spray must be entering by very small droplets through set of very fine bores (diameter about 0,1 mm), under greater pressure. However acceptably, so as any part of water turned into steam already after output of water from the cylinder with the hot exhausted gases in an outlet pipe. Then it will be possible to lower temperature and noise of the gases thrown out by cars, and increased (from the boiling or of the super-heating of steam) their volume will allow effectively rotating the electric turbine established inside of the same tube. Also as and of the water, it is necessary to heat up and the fuel, before as his inject into cylinders of the engine. Then the warmed up fuel becomes less viscous, passes through very narrow passes of spray jets is easier, is more thin is sprayed, mixes up with air is better, is ignited and is fuller, burns down, so, except for fuel economy, allows to depress an electric voltage on spark plugs and to prolong term of their work. It’s known, that at strong colds, the minus of 90 degrees on Celsius (at station the East in Antarctica), even the aviation gasoline does not burn and practically does not evaporate. The air, participating in burning, previously must not warm up but, on the contrary, it is desirable to cool, as it - gas, and unlike liquids and solids, at heating very strongly increases (here prematurely) own volume. Injected water and the steam, formed from it, can create the necessary temperature, pressure, speed and even of a form of distribution of a flame in the cylinder, what will allow to prevent the explosive phenomena (detonation), so as without harm for the engine, to create even greater pressure of the mixture of fuel with the air or (and) to use cheaper low-octane gasoline. For example, at high moisture of air (while is rainy weather) engine of internal combustion more softly work, more easily, at least, on external feeling. In winter the water needs to be warmed up by engine and stored in a thermos or in a tank from heat-insulating polymers or ceramics, or to dilute it by alcohol. To avoid rust in the idle motor, electronics disconnects injection of water for some instants before a stop of the engine. Applied already on the injections engines the gauges of oxygen (lambda - sondes) can with high accuracy regulate the content of oxygen in air in view of winter temperatures, of fluctuations of atmospheric pressure, of alternations of high air moisture with droughty weather and content of casual gases in air. The parameters of water-air aerosol can be improved also by the additive of a small amount of alcohol (of ethanol) or of acetone, they level a detonation as the speed of their burning are little below, than of gasoline and that allows to smooth sharp peak of the emitted energy. But, above all, for work of the motor not must be blanked off process of burning of fuel completely. On the contrary, as much as possible the burning necessary to do intensive. For this purpose it is important to raise somehow percentage of content of oxygen in air entering in the cylinder, or accordingly to reduce presence in he of nitrogen which not only does not support burning, but similarly to water, to sand or carbonic gas, used in the extinguishing of conflagration, strongly impedes this burning. For example, hardly smouldering ligneous splinter, entered in a test tube with pure oxygen, instantly flares up by bright flame. The containers with pure oxygen fasten even to rockets, despite of essential weighting of their weight. Cars yet are not equipped with capacities with pure oxygen or devices for detachment from air of pure oxygen. For this purpose the modern industry, with considerable expenses of energy, uses bulky cascades of refrigerators and evaporators with which it is impossible to equip the usual car. Membranous molecular filters and nanotechnologies else do not possess sufficient efficiency and reliability. The moisture, the dust and chemically active aerosols strongly complicate their work. It is better to increase the content of oxygen in air mass by means of quickly rotating centrifuge, where the heavier molecules of oxygen (molecular weight - 32) will replace with itself of easier particles of nitrogen (M.W. - 28). Certainly, impossibly in such a way to receive pure oxygen. But if in air acting in the cylinder lessen quantity of nitrogen even twice - from 79 % up to 40 % the quantity of oxygen then will increase itself already almost in three times - from 21 % up to 60 %, and energy emitted in burning will increase even more - in 5-7 times! At such intensive burning, the fuel will already burn down completely. Then not cheap but obligatory today on automobile the neutralizer (catalyst converter) and the filter of carbon-black which are depriving engine of part of its power and fuel for in vain the completely reburning of poisonous rests of soiling particulates fuel, of soot (carbon), carbonic oxide (at the poor-quality fuel, and from the hydrogen sulphide), will not be already necessary. Cutting-down of nitrogen in air acting in cylinders, will lead to drop of weight thrown out by cars of oxides of the nitrogen causing acid rains, pernicious for all alive on the Earth, damaging architectural monuments, various buildings, and even paint of bodies of these cars. Molecules of nitrogen and oxygen can be divided and over the degree of their magnetization, after preliminary ionizing them. Possibly to magnetize at low and to ionize at high temperatures the injected into the cylinders the fuel, air, water, and then even combustion materials. One can try by coils of inductance, protected by heat-resistant ceramics, mounted around of the cylinder, to give the necessary form of a gas mixture (compactly to group it in the center, evenly put it on all volume of the cylinder or to displace it, for example, more close to a spark of a candle) and the speed of its burning, having raised which, to increase an engine power, or depress, to avoid the detonation. This detonation well to use, as speed of dissemination of a flame at explosion, in comparison with the regulable (limited) burning, in 5 - 20 and more times above, depending on a compression ratio and other conditions. Certainly, hardness of the engine should correspond to the offered loadings to it, and the algorithm of steering by the explosive motor must be developed more comprehensively over. With the purpose of reduction of undesirable consequences from sharp impacts of working gas, the upper part of the piston or its joint with a connecting rod (wrist) better to make slightly with spring-elasticity, and inject fuel into the cylinder by several small portions, on duration of all cycle of ignition. Subjected by the strong radiation of flame, pistons and cylinders could be made not only of alloys of iron or easier over weight of aluminum and magnesium, but also of ceramics, or what is even better - from mono-crystal (semiconductor) silicon or germanium which in solar batteries produce the electric power, which through electric motor, would help pistons to rotate the counter-weighted crankshaft of engine. The most daring offers on this tendency have appeared else about 20 years ago. They about that, so as in photo-electric batteries to replace the silicon having unilateral electro-conductivity, also by tetravalent one-crystal carbon - by the hardest and heatproof artificial diamond, and to do of his the "eternal" pistons, cylinders, turbines nozzles of jet planes or at least their surfaces?.. To receive a electricity on cars is possible also by thermoelectric Peltier modules. Discussing variants of harmless engines, it is necessary to mention hydrogen and hybrid automobile power-plants which also require all-round improvement. The latest could produce and accumulate the electric power not only by selecting a part of power from engine of internal combustion or owing to force of inertia of the moving car braking by the electro-generator, but also due to a motion of absorber-s of all wheels from roughness of road. Can be used even vibration of the working motor to which any more will not need to establish on cranked shaft the balancers, making the motor by heavier for counterbalancing parasitic inertia of pistons and connecting rods. Development of any technique goes by its steady complication, and, despite of the increased cost price, it always, directly or indirectly, pays back itself. Some the firms with the purpose of reduction of losses on overcoming of friction and inertia of idle running of pistons, by means of a turbo-supercharging, all four timing periods of injected engine of combustion make all for one turn of counter-weighted crankshaft. http://www.wartsila.com/en,shippower,0, ... ,,1100.htm Here, in the beginning of reverse motion of the piston through an outlet valve, the fulfilled gases move off, and the turbo-supercharging in the cylinder make ventilation by simple air with cooling her. In the midpoint of reverse motion of the piston there closes themselves an outlet valve, next the forced aspiration stops himself and acts the injection of fuel and its the firing. Sometimes on submarines and in far cosmos, in mines and tunnels, on powerful power stations and in roomed conditions, are already used very ecological engines of Robert Stirling, of the inventing else of 1816 (!) year. Here, in absolutely closed chamber under greater pressure (200-500 atmospheres) inert gas (the helium) heats up from an oven with an external supply of heat from which it widen, and on the other hand of cylinder, already in a special refrigerator, his cools so as to already reduce his volume. The arising difference of pressure of the helium, above the piston, and under it, pushes this bucket. After that, works the other cylinders or the reserved energy of a rotating flywheel. Instead of pistons can work the turbines. The "Stirling" can work from any fuel: solid, liquid, gaseous, from energy of the Sun, a nuclear reactor and, in general, from any sources of heat even not connected with burning. Owing to the high maximal twisting moment on low speeds "Stirling" is capable to overcome significant overloads, and unlike usual motors, at them not turns off itself entirely and allows renouncing from a gearbox or a variator. Comparative the power, efficiency, the economical, the indiscriminateness by fuel and to lubricant, the unpretentiousness and the simplicity of service, universality of adaptation, the noiselessness, easy start in a cold season, longevity, small relative weight and compactness, the low cost, reliability and many other parameters favorably distinguish motors of Stirling from traditional engines of internal combustion. The manufacturers of serial cars almost are not interested by Stirling`s with his fantastic characteristics, owing to comparatively slow accelerating his dynamics. But in the same hybrid power-plant in pair with the electric motor (through stepless variator) "Sterling" quite be could work in any car. In view of a progressing rise in prices on oil and of inevitable global energy crisis (and of ecological), there is a sense more often to come back to the various modes of economy of fuel, them have a little forgotten, but with recruitment of the current technologies, they opens promising prospects.
Bezukladnikov Vasilij Alexandrovich. Poste restante 347913, The City of Taganrog, Rostov region, Russia.
E-mail: ecomotors@mail.ru
vasilijbezukladnikov@yandex.ru
1. От контакта воды с горячими выхлопными газами происходит процесс парообразования, после чего пар вращает небольшую турбину, которая помогает основному двигателю. О разработке подобной силовой установки для своих автомобилей в ноябре 2005 заявила компания BMW: http://auto.mail.ru/news?id=16848 http://www.membrana.ru/lenta/?5454 C:АВТО@MAIL_RU Автообзоры BMW поедет на паре!.htm.
2. На многих спортивных автомобилях, использующих турбо наддув, вода распыляется в сжатом компрессором воздухе для охлаждения этого воздуха, вместе с которым она затем попадает цилиндры, где и становится паром. Здесь нужно заметить, что любой газ (это относится и к воздуху и к пару) при понижении своей температуры на один градус, при атмосферном давлении, уменьшается примерно на 1/270 своего объёма и, наоборот, при сжатии, особенно резком, температура газа возрастает. В этом легко убедиться, накачивая камеру колеса велосипеда ручным насосом, который при этом заметно нагревается или если очень резким ударом протолкнуть плотную пробку в пробирку, то помещённая внутри вата загорается от нагрева, вызванного сильным сжатием воздуха. Чтобы в цилиндры двигателя с меньшими затратами энергии поместилось больше сжатого воздуха, этот воздух охлаждается распылением в нём (не подогретой) воды, которая имеет очень высокую теплоёмкость. Это распыление осуществляется либо до прохождения сжатого воздуха через интеркулер (дополнительный охлаждающий радиатор), либо после него, но, в любом случае, даже мельчайшие нагревающиеся капельки воды должны превращаться в пар только внутри цилиндра, иначе польза от этого пара становится ничтожной. Более того, нарушение стехиометрического (оптимального) соотношения количества топлива и воздуха, включающего в себя водяные пары, может привести к остановке двигателя.
3. Специально подогретая вода впрыскивается (распыляется) непосредственно в цилиндры инжекторного двигателя. От контакта с горящим топливом, раскалённым поршнем и цилиндром, вода вскипает, и расширяющийся пар помогает рабочим газам приводить поршни в движение. Здесь впрыск воды фактически заменяет собой турбо наддув. В этом случае уже не будет нарушаться стехиометрическое соотношение количества топлива и чрезвычайно сжатого компрессором воздуха, чьё очень высокое давление затрудняет процесс искрообразования. Расширяющийся в цилиндре пар для экологии значительно безопаснее, чем сжатый воздух, содержащий в себе до 80% азота, из которого, при высокой температуре (и давлении) образуются губительные для природы его химические соединения с избыточным кислородом. Кроме того, лишний кислород в сильно сжатом воздухе приводит к нежелательному обгоранию цилиндров, поршней, поршневых колец, клапанов и окислению электрических контактов свечей. Некоторые автомобилисты уверяют, что даже после многих лет эксплуатации ДВС с впрыском воды, внутренности его цилиндров выглядят как новые. Более эффективное непосредственное охлаждение (и смазывание) водой раскалённых и интенсивно трущихся поверхностей цилиндра продлевает жизнь всего мотора. Помимо прибавки мощности и экономии топлива ~ на 15 – 20 %, существенно улучшается и охлаждение мотора, так как здесь цилиндры охлаждаются водой не столько снаружи, сколько изнутри. К сожалению, по причине очень сложной настройки, недостаточной её надёжности и сравнительной дороговизны, моторы с впрыском (инъекцией) воды распространение получили только в авиации, автоспорте и любительских авто- самоделках (в последнем случае не всегда оправдывают себя). Но достижения современной науки и техники, особенно электроники, позволяют надеяться на большую эффективность моторов с впрыском воды. Именно электроника должна регулировать точное дозирование инжектируемой в цилиндры воды, и её предварительный подогрев от внешних стенок цилиндра (в водяной рубашке) и от выхлопного патрубка с глушителем, каталитическим нейтрализатором и сажевым фильтром, чтобы в момент впрыска температура воды максимально приближалась к своей точке кипения, которая в сжатой газовой среде неизбежно повышается.
Давление, p (атм.) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 … x<
Температура кипения воды, t(С) - 100 119 132 141 150 157 163 168 173 178 182 … 430
Разумеется, при давлении в цилиндрах порой более 500 атмосфер, температура кипения воды будет значительно выше, но уже при температуре выше ~ 430 С* весь объём воды принимает газообразное состояние независимо от дальнейшего повышения давления. Предварительный подогрев воды необходим для улучшения процесса парообразования, - чем больше воды вскипит в цилиндрах работающих ДВС, тем больше сэкономится топлива и сохранится природа на нашей планете. При избыточном нагреве цилиндра микропроцессор может увеличить подачу в него воды, при этом, снизить подачу топлива ровно настолько, чтобы от этой замены при существующей нагрузке ощутимо не изменилась скорость вращения маховика двигателя, установленная водителем на данный момент. В идеале (при хорошей регулировке), мотору с впрыском воды уже не нужен громоздкий радиатор, ухудшающий аэродинамическое сопротивление быстро движущегося автомобиля, а также вентилятор, дополнительно обдувающий двигатель снаружи. В этом случае водяной насос, помимо своей надёжности должен, независимо от режима работы ДВС, быстро и точно изменять свою производительность и давление подаваемой им воды. Давление воды в охлаждающей водяной рубашке электроникой регулировать желательно в каждом такте работы двигателя, так как сильно нагретые цилиндры (особенно из сплавов лёгких металлов) становятся мягкими и под большим давлением деформируются, образуя либо нежелательные зазоры между поршнями и цилиндрами, либо недопустимые выпуклости, препятствующие движению поршней. Вода должна быть хорошо очищена, иначе накипь быстро закупорит тонкие форсунки. Чтобы за очень короткое время одного такта двигателя (1/250 долю секунды) вода успела полностью вскипеть ещё в цилиндре, её распылять в нём необходимо очень мелкими капельками через множество очень маленьких отверстий (диаметром около 0,1 мм), под большим давлением. Впрочем, допустимо, чтобы какая-то часть воды переходила в пар уже после выхода её из цилиндра с горячими отработавшими газами в выпускной трубе. Тогда удастся снизить температуру и шум выбрасываемых автомобилями газов, а увеличенный от образовавшегося или перегретого пара их объём позволит эффективно вращать электрическую турбину, установленную внутри этой же трубы. Таким же, как и воду, способом, следует максимально подогревать и топливо, поступающее в цилиндры двигателя. Тогда, нагревшись, оно станет менее вязким, легче походить будет через очень узкие проходы форсунок, тоньше распыляться, лучше смешиваться с воздухом, воспламеняться и полнее сгорать, что, кроме экономии топлива, позволит снизить электрическое напряжение на свечах зажигания и этим продлить срок их жизни. Известно, что при сильных холодах, порядка минус 90 градусов по Цельсию (на станции Восток в Антарктиде), даже авиационный бензин не горит и практически не испаряется. Что касается воздуха, участвующего в горении, то его предварительно не подогревать а, наоборот, желательно охлаждать, так как он – газ, а значит, в отличие от жидкостей и твёрдых тел, при нагревании очень сильно увеличивает (здесь преждевременно) свой объём. Впрыскиваемая вода и образующийся из неё пар может создавать нужную температуру, давление, скорость и даже форму распространения пламени в цилиндре, и этим предотвращать взрывные явления (детонацию), что позволит без вреда для двигателя, создавать ещё большее давление горящей топливовоздушной смеси или (и) использовать более дешёвый низко октановый бензин. При высокой влажности воздуха (в дождливую погоду) ДВС работают мягче, спокойней, по крайней мере, по внешним ощущениям. Зимой воду нужно подогревать и хранить в термосе или в бачке из теплоизолирующих полимеров или керамики, или разбавлять её спиртом. Чтобы избежать ржавчины в неработающем моторе, электроника отключает впрыск воды за несколько мгновений перед остановкой двигателя. Применяемые на инжекторных двигателях датчики кислорода (лямбда – зонды) могут с высокой точностью следить за содержанием кислорода в воздухе с учётом зимних температур, колебаний атмосферного давления, чередований высокой влажности воздуха с засушливой погодой и загазованностью. Параметры водо-воздушного аэрозоля можно регулировать также добавкой небольшого количества спирта (этанола) или ацетона, уровень детонации и скорость горения которых несколько ниже, чем у бензина, что позволяет сгладить резкий пик выделившейся энергии. Но важнейший для работы мотора процесс горения топлива нельзя заглушать полностью. Наоборот, его необходимо всячески активизировать. Для этого важно каким-то образом http://www.inauka.ru/news/article46832.html повысить процентное содержание кислорода в поступающем в цилиндр воздухе, или соответственно уменьшить присутствие в нём азота, который не только не поддерживает горение, но подобно используемым в тушении пожаров воде, песку или углекислому газу, сильно препятствует этому горению. К примеру, едва тлеющая лучина, вносимая в пробирку с чистым кислородом, мгновенно вспыхивает ярким пламенем. Баллонами с чистым кислородом снабжаются даже ракеты, несмотря на существенное утяжеление их конструкций. Автомобили пока не оснащаются ёмкостями с чистым кислородом или устройствами для выделения из воздуха чистого кислорода. Для этой цели современная промышленность, с немалыми затратами энергии, использует громоздкие каскады холодильников и испарителей, которыми невозможно оборудовать обычный автомобиль. Мембранные молекулярные фильтры и нанотехнологии не обладают пока достаточной продуктивностью и надёжностью. Влага, пыль и химически активные аэрозоли сильно затрудняют их работу. Лучше содержание кислорода в воздушной массе увеличивать с помощью быстро вращающейся центрифуги, где сравнительно более тяжелые молекулы кислорода (молекулярный вес - 32) будут собою вытеснять более лёгкие частицы азота (м.в. - 28). Конечно, чистый кислород таким способом не получить. Но если в поступающем в цилиндр воздухе сократить количество азота хотя бы в два раза - с 79% до 40%, то количество кислорода в нём увеличится уже почти в три раза - с 21% до 60%, а выделяющаяся в горении энергия возрастёт ещё больше - в 5-7 раз! При столь интенсивном горении горючее сгорать будет уже полностью, и обязательные (но недешёвые) автомобильные нейтрализаторы и сажевые фильтры, отнимающие у двигателя часть его мощности (и топлива) для дожигания впустую ядовитых остатков несгоревшего топлива, сажи (углерода), угарного газа и, при некачественном горючем, сероводорода, станут уже не нужными. Сокращение азота в поступающем в цилиндры воздухе, приведёт к снижению массы выбрасываемых автомобилями окислов азота, вызывающих кислотные дожди, губительные для всего живого на земле, повреждающие архитектурные памятники, различные сооружения, в том числе лакокрасочные покрытия кузовов самих же автомобилей. Молекулы азота и кислорода можно разделять и по степени их намагниченности, предварительно их ионизировав. Намагничивать при низких температурах и ионизировать при высоких можно топливо, воздух, инжектируемую воду, и затем продукты сгорания. Расположенными вокруг цилиндра катушками индуктивности, защищёнными термостойкой керамикой, можно попытаться придать нужную форму горючей смеси (компактно сгруппировать её в центре, равномерно распределить её же по всему объёму цилиндра, или же сместить ее, например, поближе к искре свечи) и скорость её сжигания, повысив которую - увеличить мощность двигателя, либо понизив – избежать детонации. Эту детонацию хорошо бы использовать, так как скорость распространения пламени при взрыве, по сравнению с регулируемым (ограниченным) горением, в 5 – 20 и более раз выше, в зависимости от степени сжатия и других условий. Разумеется, прочность двигателя должна соответствовать предложенным нагрузкам, и всесторонне продуман алгоритм управления этим «взрывомотором». С целью уменьшения нежелательных последствий от резких ударов рабочего газа, верхнюю часть поршня или его сочленения с шатуном (палец) лучше слегка подпружинить, а топливо вводить в цилиндр несколькими маленькими порциями, на протяжении всего такта воспламенения. Подверженные сильнейшему излучению от пламени, поршни и цилиндры могли бы изготавливаться не только из сплавов железа или более лёгких по весу алюминия и магния, но и керамики, а ещё лучше – из монокристаллического (полупроводникового) кремния или германия, которые в солнечных батареях вырабатывают электроэнергию. Она, через электродвигатель, помогала бы поршням вращать коленвал мотора. Самые смелые предложения в этом направлении появились ещё лет 20 назад. Они касаются того, чтобы заменить кремний, обладающий в фотоэлектрических батареях односторонней электропроводимостью, таким же (четырёхвалентным) одно-кристаллическим углеродом, т. е. твердейшим и жаростойким искусственным алмазом, из которого попытаться делать «вечные» поршни, цилиндры, сопла турбин реактивных самолётов или хотя бы их поверхности?.. Получать на автомобилях электричество можно и термоэлектрическими элементами Пельтье. Обсуждая варианты экологичных двигателей, нельзя не упомянуть водородные и гибридные автомобильные силовые установки, которые так же нуждаются во всестороннем усовершенствовании. Последние электроэнергию могли бы вырабатывать и накапливать не только отбирая часть мощности от ДВС или благодаря силе инерции движущегося автомобиля (во время торможения электрогенератором), но и за счёт хода амортизаторов всех колёс на неровностях дороги. Может использоваться даже вибрация работающего мотора, которому уже не потребуется устанавливать на коленчатом валу утяжеляющие мотор балансиры, уравновешивающие паразитную инерцию поршней и шатунов. Развитие любой техники идёт путём неуклонного её усложнения, и, несмотря на возросшую себестоимость, оно всегда, прямо или косвенно, окупает себя. С целью уменьшения потерь на преодоление трения и инерции холостого хода поршней, некоторые фирмы, с помощью турбонаддува, все четыре такта инжекторного ДВС производят всего за один оборот коленвала http://moto.zr.ru/txt/archiv/01-03/38-41.htm http://www.membrana.ru/articles/technic ... 05400.html Здесь, в начале обратного хода поршня через выпускной клапан удаляются отработавшие газы, а турбонаддув производит вентиляцию охлаждение изнутри цилиндра простым воздухом. В середине обратного хода поршня выпускной клапан закрывается, затем прекращается турбонаддув и происходит впрыск топлива и его поджигание. Иногда, на подводных лодках и в далёком космосе, в шахтах и тоннелях, на мощных электростанциях и в комнатных условиях, уже используются очень экологичные двигатели Стирлинга, изобретённые аж в 1817 (!) году. У них, в абсолютно замкнутом пространстве под большим давлением (200-500 атмосфер) инертный газ (гелий) нагревается от печки с внешним подводом тепла (расширяется), а с другой стороны цилиндра, уже в особом холодильнике, он же охлаждается, т. е. уменьшает свой объём. Возникающая разница давления, над поршнем, и под ним, толкает этот поршень - затем в работу вступают другие цилиндры или запасённая энергия вращающегося маховика. Вместо поршней могут работать и турбины. «Стирлинг» может работать на любом топливе: твёрдом, жидком, газообразном, от энергии Солнца, атомного реактора и, вообще, от любых источников тепла, даже не связанных с горением. Благодаря высочайшему максимальному крутящему моменту на низких оборотах «Стирлинг» способен преодолевать значительные перегрузки, и при этом, в отличие от обычных моторов, он не глохнет, и позволяет обойтись даже без коробки передач или вариатора. Сравнительная мощность, КПД, экономичность, нетребовательность к топливу и смазке, неприхотливость и простота обслуживания, универсальность применения, бесшумность, лёгкий запуск в холодное время года, долговечность, малый удельный вес и компактность, низкая себестоимость, надёжность и многие другие параметры выгодно отличают моторы Стирлинга от традиционных двигателей внутреннего сгорания. Производители серийных автомобилей почти не интересуются обладающими поистине фантастическими характеристиками «Стирлингами» по причине сравнительно медленной их разгонной динамики. Но в той же гибридной силовой установке в паре с электродвигателем (через бесступенчатый вариатор) «Стирлинг» вполне бы мог прижиться на любом автомобиле. Ввиду прогрессирующего роста цен на нефть и неизбежного глобального энергетического и экологического кризиса, есть смысл чаще возвращаться к самым различным способам экономии топлива, пусть несколько подзабытым, но, с привлечением и современных технологий, открывающим многообещающие перспективы.
Безукладников Василий Александрович. До востребования 347913, г. Таганрог, Ростовской обл. E-mail: ecomotors@mail.ru
vasilijbezukladnikov@yandex.ru
The methods of increase of economy of engines of internal combustion.
- From the moment of the invention more hundred of years ago of engine of internal combustion were undertaken numerous attempts of perfection his with use of production process of steam from water. Especially actively all belligerent parties applied the engines with injection of water during the Second World War when the prices for oil were extremely high. But next, such engines have gone out of use owing to the technological complexity and unreliability, as especially, then nobody still seriously did not care of ecology. Any engine of internal combustion not only in vain throws out the most part (70 - 80 %) of thermal energy received in work, moreover he even collapses, if will lose an opportunity, through system of cooling to give water his heat. Receiving it warmly the water, converted up to the steam in process of the boiling or volatilization, at usual atmospheric pressure increases itself in the volume in 1700 times. Thus obtained the steam can help one’s pressure of working gas to actuate pistons or turbines of thermal engines and to give an essential increment of a power, the maximal twisting moment and efficiency of these motors. There are three basic variants of use of injection of water on engine of internal combustion:
1. From contact of water with hot exhaust gases, there is an occurrence of the steam, which rotates the small turbine, which then helps the basic engine. About the development of a similar power-plant for the cars in November 2005 has declared its the company BMW: http://www.gizmag.co.uk/go/4936 http://www.autoblog.com/2005/12/09/bmw- ... t-and-goes.
2. On many a sports cars, using a turbo pumping, for cooling an air compressed by compressor, the special device sprays the water in this air, with which together the water enters in cylinders, where the water becomes a steam. Here it is necessary to notice, that any gas (it concerns both air and steam) from downturn of the temperature on one-degree give decreases approximately on 1/270 a part from the volume at atmospheric pressure. And, on the contrary, at compression, especially quick, the temperature of gas itself increases. It is easy to be convinced of it, if pumping the gas chamber of a wheel of a bicycle from manual pump which thus noticeably heats up, or if very strongly strike to shove a dense stopper into a test tube with cotton, which flashes up from the heating, caused by strong compression of air. For reduction of expenses of energy for introduction in cylinders of a lot of compressed air, this air is cooled by dispersion in his else by cold water, which has very big thermal capacity. This dispersion is carried out or before passage of compressed air through intercooler (an additional cooling radiator), or after his, but, in any case, even the smallest droplets of hot water should turn into steam only inside of the cylinder, differently the profit from the steam becomes insignificant. Moreover, infringement of stoichiometric (optimal) parities of quantity of fuel and air at including water vapors, can lead to a stop of the engine.
3. The water, previously up heated, is sprayed directly in cylinders of injection engines. From contact with the burning fuel heated by the piston and the cylinder, the water up boils. Then extending itself the steam helps working gases to set pistons in motion. Here injection of water actually replaces with itself a turbo forced aspiration. In this case will not be broken a stoichiometric parity of quantity of fuel and air extremely compressed by the compressor, which by very much high pressure of air complicates process of formation of electric spark. For ecology the steam, extending itself in the cylinder, is much more safe, than the compressed air comprising up to 80 % of nitrogen from which at a heat and a pressure, arise pernicious for the nature the chemical compound with superfluous oxygen. Also excess oxygen in strongly compressed air leads to undesirable burnout of cylinders, buckets, piston rings, valves and to oxidation of electric contacts of candles. Some motorists assure, what even after many years of operation by engines of internal combustion with injection of water, an interior of its cylinders look as new. More effective direct cooling (and greasing) by water of the hot and intensively rubbing surfaces of the cylinder prolongs a life of all the motor. Besides an increase of power and fuel economy on 15 - 20 %, the injection of water also essentially improves cooling itself of the motor as cylinders are cooled by water not so much from outside, how many from within. Unfortunately, owing to very complex adjustment, insufficient reliability and high cost, motors with injection of water have received prevalence only on aircrafts, on sport cars and on amateur auto-homemade products (in the latter case not always they justify itself). But achievements of a modern science and technique, especially of the electronics, allow hoping for much efficiency of motors with injection of water. Just electronics can determine the exact doses of injection into cylinders of water and also of her a preliminary heating up from external walls of cylinder in a water jacket and from an exhaust nozzle with the muffler, by catalyst converter and the soot filter, so as to in the moment of injection, the temperature of water, was as much as possible approached to its boiling point which in the compressed gas environment inevitably increases.
Pressure, p (Atm.) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 … x<
Boiling temperature of water, t (grade/C*) - 100 119 132 141 150 157 163 168 173 178 182 … 430
Certainly, when into cylinders the pressure reaches more than 500 atmospheres, the boiling temperature of water will be considerably above, but already at temperature above ~ 430 C* all volume of water becomes gaseous irrespective of further the raises up of pressure. Preliminary heating up of water is necessary for intensification of process of steam exhalation. Than more the waters will boil in cylinders of acting engine of internal combustion, so much be more saved the fuel and the nature on our Planet. At superfluous heating the cylinder the microprocessor can increase submission in his the waters, but lessen the delivery of fuel in his exactly so that from this replacement, at existing loading, the speed of rotation of the engine has remained same what was established by the driver. In an ideal (at good regulation), engine with injection of water can already do without the bulky radiator worsening aerodynamic resistance of quickly moving car, and also without the ventilator, which provide the refrigerating of engine by air outside. In this case the water pump, besides reliability should, irrespective from a mode of behavior of engine of internal combustion, quickly and precisely to change the productivity and pressure of water, sent from he. It is desirable a pressure of water in a cooling water jacket adapt by electronics to each timing period of work of the engine as the cylinders (especially from alloys of light metals) from heat become soft and under greater pressure are deformed to forming the undesirable spacings between pistons and cylinders, or to the inadmissible convex camber-s interfering in movement of pistons. Water should be well cleared, otherwise the scum will quickly cork thin spray jets. So as in very short a time of one cycle of the engine (1/250 share of second) water has had time to boil completely else in the cylinder, her spray must be entering by very small droplets through set of very fine bores (diameter about 0,1 mm), under greater pressure. However acceptably, so as any part of water turned into steam already after output of water from the cylinder with the hot exhausted gases in an outlet pipe. Then it will be possible to lower temperature and noise of the gases thrown out by cars, and increased (from the boiling or of the super-heating of steam) their volume will allow effectively rotating the electric turbine established inside of the same tube. Also as and of the water, it is necessary to heat up and the fuel, before as his inject into cylinders of the engine. Then the warmed up fuel becomes less viscous, passes through very narrow passes of spray jets is easier, is more thin is sprayed, mixes up with air is better, is ignited and is fuller, burns down, so, except for fuel economy, allows to depress an electric voltage on spark plugs and to prolong term of their work. It’s known, that at strong colds, the minus of 90 degrees on Celsius (at station the East in Antarctica), even the aviation gasoline does not burn and practically does not evaporate. The air, participating in burning, previously must not warm up but, on the contrary, it is desirable to cool, as it - gas, and unlike liquids and solids, at heating very strongly increases (here prematurely) own volume. Injected water and the steam, formed from it, can create the necessary temperature, pressure, speed and even of a form of distribution of a flame in the cylinder, what will allow to prevent the explosive phenomena (detonation), so as without harm for the engine, to create even greater pressure of the mixture of fuel with the air or (and) to use cheaper low-octane gasoline. For example, at high moisture of air (while is rainy weather) engine of internal combustion more softly work, more easily, at least, on external feeling. In winter the water needs to be warmed up by engine and stored in a thermos or in a tank from heat-insulating polymers or ceramics, or to dilute it by alcohol. To avoid rust in the idle motor, electronics disconnects injection of water for some instants before a stop of the engine. Applied already on the injections engines the gauges of oxygen (lambda - sondes) can with high accuracy regulate the content of oxygen in air in view of winter temperatures, of fluctuations of atmospheric pressure, of alternations of high air moisture with droughty weather and content of casual gases in air. The parameters of water-air aerosol can be improved also by the additive of a small amount of alcohol (of ethanol) or of acetone, they level a detonation as the speed of their burning are little below, than of gasoline and that allows to smooth sharp peak of the emitted energy. But, above all, for work of the motor not must be blanked off process of burning of fuel completely. On the contrary, as much as possible the burning necessary to do intensive. For this purpose it is important to raise somehow percentage of content of oxygen in air entering in the cylinder, or accordingly to reduce presence in he of nitrogen which not only does not support burning, but similarly to water, to sand or carbonic gas, used in the extinguishing of conflagration, strongly impedes this burning. For example, hardly smouldering ligneous splinter, entered in a test tube with pure oxygen, instantly flares up by bright flame. The containers with pure oxygen fasten even to rockets, despite of essential weighting of their weight. Cars yet are not equipped with capacities with pure oxygen or devices for detachment from air of pure oxygen. For this purpose the modern industry, with considerable expenses of energy, uses bulky cascades of refrigerators and evaporators with which it is impossible to equip the usual car. Membranous molecular filters and nanotechnologies else do not possess sufficient efficiency and reliability. The moisture, the dust and chemically active aerosols strongly complicate their work. It is better to increase the content of oxygen in air mass by means of quickly rotating centrifuge, where the heavier molecules of oxygen (molecular weight - 32) will replace with itself of easier particles of nitrogen (M.W. - 28). Certainly, impossibly in such a way to receive pure oxygen. But if in air acting in the cylinder lessen quantity of nitrogen even twice - from 79 % up to 40 % the quantity of oxygen then will increase itself already almost in three times - from 21 % up to 60 %, and energy emitted in burning will increase even more - in 5-7 times! At such intensive burning, the fuel will already burn down completely. Then not cheap but obligatory today on automobile the neutralizer (catalyst converter) and the filter of carbon-black which are depriving engine of part of its power and fuel for in vain the completely reburning of poisonous rests of soiling particulates fuel, of soot (carbon), carbonic oxide (at the poor-quality fuel, and from the hydrogen sulphide), will not be already necessary. Cutting-down of nitrogen in air acting in cylinders, will lead to drop of weight thrown out by cars of oxides of the nitrogen causing acid rains, pernicious for all alive on the Earth, damaging architectural monuments, various buildings, and even paint of bodies of these cars. Molecules of nitrogen and oxygen can be divided and over the degree of their magnetization, after preliminary ionizing them. Possibly to magnetize at low and to ionize at high temperatures the injected into the cylinders the fuel, air, water, and then even combustion materials. One can try by coils of inductance, protected by heat-resistant ceramics, mounted around of the cylinder, to give the necessary form of a gas mixture (compactly to group it in the center, evenly put it on all volume of the cylinder or to displace it, for example, more close to a spark of a candle) and the speed of its burning, having raised which, to increase an engine power, or depress, to avoid the detonation. This detonation well to use, as speed of dissemination of a flame at explosion, in comparison with the regulable (limited) burning, in 5 - 20 and more times above, depending on a compression ratio and other conditions. Certainly, hardness of the engine should correspond to the offered loadings to it, and the algorithm of steering by the explosive motor must be developed more comprehensively over. With the purpose of reduction of undesirable consequences from sharp impacts of working gas, the upper part of the piston or its joint with a connecting rod (wrist) better to make slightly with spring-elasticity, and inject fuel into the cylinder by several small portions, on duration of all cycle of ignition. Subjected by the strong radiation of flame, pistons and cylinders could be made not only of alloys of iron or easier over weight of aluminum and magnesium, but also of ceramics, or what is even better - from mono-crystal (semiconductor) silicon or germanium which in solar batteries produce the electric power, which through electric motor, would help pistons to rotate the counter-weighted crankshaft of engine. The most daring offers on this tendency have appeared else about 20 years ago. They about that, so as in photo-electric batteries to replace the silicon having unilateral electro-conductivity, also by tetravalent one-crystal carbon - by the hardest and heatproof artificial diamond, and to do of his the "eternal" pistons, cylinders, turbines nozzles of jet planes or at least their surfaces?.. To receive a electricity on cars is possible also by thermoelectric Peltier modules. Discussing variants of harmless engines, it is necessary to mention hydrogen and hybrid automobile power-plants which also require all-round improvement. The latest could produce and accumulate the electric power not only by selecting a part of power from engine of internal combustion or owing to force of inertia of the moving car braking by the electro-generator, but also due to a motion of absorber-s of all wheels from roughness of road. Can be used even vibration of the working motor to which any more will not need to establish on cranked shaft the balancers, making the motor by heavier for counterbalancing parasitic inertia of pistons and connecting rods. Development of any technique goes by its steady complication, and, despite of the increased cost price, it always, directly or indirectly, pays back itself. Some the firms with the purpose of reduction of losses on overcoming of friction and inertia of idle running of pistons, by means of a turbo-supercharging, all four timing periods of injected engine of combustion make all for one turn of counter-weighted crankshaft. http://www.wartsila.com/en,shippower,0, ... ,,1100.htm Here, in the beginning of reverse motion of the piston through an outlet valve, the fulfilled gases move off, and the turbo-supercharging in the cylinder make ventilation by simple air with cooling her. In the midpoint of reverse motion of the piston there closes themselves an outlet valve, next the forced aspiration stops himself and acts the injection of fuel and its the firing. Sometimes on submarines and in far cosmos, in mines and tunnels, on powerful power stations and in roomed conditions, are already used very ecological engines of Robert Stirling, of the inventing else of 1816 (!) year. Here, in absolutely closed chamber under greater pressure (200-500 atmospheres) inert gas (the helium) heats up from an oven with an external supply of heat from which it widen, and on the other hand of cylinder, already in a special refrigerator, his cools so as to already reduce his volume. The arising difference of pressure of the helium, above the piston, and under it, pushes this bucket. After that, works the other cylinders or the reserved energy of a rotating flywheel. Instead of pistons can work the turbines. The "Stirling" can work from any fuel: solid, liquid, gaseous, from energy of the Sun, a nuclear reactor and, in general, from any sources of heat even not connected with burning. Owing to the high maximal twisting moment on low speeds "Stirling" is capable to overcome significant overloads, and unlike usual motors, at them not turns off itself entirely and allows renouncing from a gearbox or a variator. Comparative the power, efficiency, the economical, the indiscriminateness by fuel and to lubricant, the unpretentiousness and the simplicity of service, universality of adaptation, the noiselessness, easy start in a cold season, longevity, small relative weight and compactness, the low cost, reliability and many other parameters favorably distinguish motors of Stirling from traditional engines of internal combustion. The manufacturers of serial cars almost are not interested by Stirling`s with his fantastic characteristics, owing to comparatively slow accelerating his dynamics. But in the same hybrid power-plant in pair with the electric motor (through stepless variator) "Sterling" quite be could work in any car. In view of a progressing rise in prices on oil and of inevitable global energy crisis (and of ecological), there is a sense more often to come back to the various modes of economy of fuel, them have a little forgotten, but with recruitment of the current technologies, they opens promising prospects.
Bezukladnikov Vasilij Alexandrovich. Poste restante 347913, The City of Taganrog, Rostov region, Russia.
E-mail: ecomotors@mail.ru
vasilijbezukladnikov@yandex.ru