Академик РАН Илону Маску по поводу его двигателя: «А на сколько процесс горения устойчив?»

Детали двигателя внутреннего сгорания в процессе работы подвергаются воздействию очень высоких температур, и без отвода излишнего тепла его функционирование невозможно. Основным назначением системы охлаждения двигателя является охлаждение деталей работающего двигателя. Следующей по важности функцией системы охлаждения является нагрев воздуха в салоне. В двигателях с турбонаддувом система охлаждения снижает температуру нагнетаемого в цилиндры воздуха, в автомобилях с АКПП охлаждает рабочую жидкость в коробке передач. В некоторых моделях автомобилей для дополнительного охлаждения масла в системе смазки двигателя устанавливается масляный радиатор.

Системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания подразделяются на два основных типа:

1. жидкостную;
2. воздушную.

Каждая из этих систем имеет свои достоинства и недостатки.

Воздушная система охлаждения имеет следующие преимущества: простота конструкции и обслуживания, меньший вес двигателя, пониженные требования к температурным колебаниям окружающей среды. Недостатками двигателей с воздушным охлаждением являются большая потеря мощности на приводе охлаждающего вентилятора, шумная работа, чрезмерная тепловая нагрузка на отдельные узлы, отсутствие конструктивной возможности организации цилиндров по блочному принципу, сложности с последующим использованием отводимого тепла, в частности – для обогрева салона.

В современных двигателях автомобилей система воздушного охлаждения встречается довольно редко, и основное распространение получила система жидкостного охлаждения закрытого типа.

Устройство и схема жидкостной (водяной) системы охлаждения двигателя

Система жидкостного охлаждения позволяет равномерно забирать тепло у всех узлов двигателя, независимо от тепловых нагрузок. Двигатель водяного охлаждения является менее шумным относительно двигателя с воздушным охлаждением, менее склонен к детонации, быстрее разогревается при запуске.

Основными элементами системы жидкостного охлаждения двигателя как бензинового, так и дизельного являются:

1. «водяная рубашка» двигателя;
2. радиатор системы охлаждения;
3. вентилятор;
4. центробежный насос (помпа);
5. термостат;
6. расширительный бачок;
7. радиатор отопителя;
8. элементы управления.

1. «Водяная рубашка» представляет собой сообщающиеся полости между двойными стенками двигателя в местах, откуда необходим отвод избыточного тепла посредством циркуляции охлаждающей жидкости.
2. Радиатор системы охлаждения служит для отдачи тепла в окружающую среду. Радиатор выполняется из большого количества изогнутых (в настоящее время чаще всего алюминиевых) трубок, имеющих дополнительные ребра для повышения теплоотдачи.
3. Вентилятор предназначен для усиления потока набегающего воздуха на радиатор системы охлаждения (работает в сторону двигателя) и включается посредством электромагнитной (иногда – гидравлической) муфты от сигнала датчика при превышении порогового значения температуры охлаждающей жидкости. Вентиляторы охлаждения с постоянным приводом от двигателя встречаются в настоящее время довольно редко.
4. Центробежный насос (помпа) служит для обеспечения бесперебойной циркуляции охлаждающей жидкости в системе охлаждения работающего двигателя. Привод помпы от двигателя осуществляется механическим путем: ремнем, реже — шестернями. Некоторые двигатели, такие как: двигатели с турбонаддувом, непосредственным впрыском топлива, могут оснащаться двухконтурной системой охлаждения — дополнительной помпой для указанных агрегатов, подключаемой по команде с электронного блока управления двигателем при достижении порогового значения температур.
5. Термостат – прибор, представляющий собой биметаллический, реже — электронный клапан, установленный между «рубашкой» двигателя и входным патрубком радиатора охлаждения. Назначение термостата – обеспечение оптимальной температуры охлаждающей жидкости в системе. При холодном двигателе термостат закрыт, и циркуляция охлаждающей жидкости происходит «по малому кругу» — внутри двигателя, минуя радиатор. При увеличении температуры жидкости до рабочего значения термостат открывается, и система начинает работать в режиме максимальной эффективности.
6. Системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания в большинстве своем представляют собой системы закрытого типа, а потому в их состав включается расширительный бачок, компенсирующий изменение объема жидкости в системе при изменении температуры. Через расширительный бачок обычно и заливается охлаждающая жидкость в систему.
7. Радиатор отопителя – это, по сути, радиатор системы охлаждения, уменьшенный в размерах и установленный в салоне автомобиля. Если радиатор системы охлаждения отдает тепло в окружающую среду, то радиатор отопителя – непосредственно в салон. Для достижения максимальной эффективности отопителя забор рабочей жидкости для него из системы осуществляется в самом «горячем» месте — непосредственно на выходе из «рубашки» двигателя.
8. Основным элементом в цепи устройств управления системой охлаждения является температурный датчик. Сигналы с него поступают на контрольный прибор в салоне автомобиля, электронный блок управления (ЭБУ) с настроенным соответствующим образом программным обеспечением и, через него — на иные исполнительные устройства. Список этих исполнительных устройств, расширяющих стандартные возможности типовой системы жидкостного охлаждения достаточно широк: от управления вентилятором, до реле дополнительной помпы в двигателях с турбонаддувом или непосредственным впрыском топлива, режимом работы вентилятора двигателя после остановки, и так далее.

Рисунки к патенту РФ 2400639

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и позволяет, используя цепную реакцию углерода масел с кислородом, повысить мощность, уменьшить токсичность на различных режимах работы двигателя и на холостом ходу.

Известен кислородно-масляный двигатель, содержащий аналогично двухтактному двигателю один или несколько цилиндров с впускными и выпускными клапанами, поршнем, кинематически связанными с коленчатым валом, приводящим во вращение при помощи шестерен распределительный вал, снабженный кулачками, приводящими в движение масляный насос, связанный с форсункой, которая осуществляет подачу микродозы машинного масла в момент достижения поршнем верхней точки в цилиндре, характеризующийся тем, что при нахождении поршня в нижней точке происходит подача кослородно-воздушной смеси из кислородного баллона (патент РФ 2052149, опубл. 10.01.1996).

Недостатками известного двигателя являются низкий кпд и высокая токсичность отработавших газов.

Техническим результатом является повышение кпд и снижение токсичности продуктов сгорания.

Поставленная цель достигается тем, что в кислородно-масляном двигателе, содержащем аналогично двухтактному двигателю один или несколько цилиндров с впускными и выпускными клапанами, поршнем, кинематически связанными с коленчатым валом, приводящим во вращение при помощи шестерен распределительный вал, снабженный кулачками, приводящими в движение масляный насос, связанный с форсункой, которая осуществляет подачу микродозы машинного масла в момент достижения поршнем верхней точки в цилиндре, при нахождении поршня в нижней точке происходит подача кислородно-воздушной смеси из кислородного баллона и воздушного фильтра, при этом пополнение кислородно-воздушной смеси осуществляется при запуске из кислородного баллона, а в рабочем состоянии — через компрессор, находящийся в камере с набором молекулярных сит и модулей мембран, очищающих атмосферный кислород от азота, поэтому под давлением в качестве топлива используются молекулы углерода машинных масел, сгорающие с выделением большого количества тепла, при этом процесс горения углеводородов машинных масел перерастает под большим давлением в камере сжатия до уровня взрыва в кислородно-воздушной среде.

Изобретение поясняется при помощи чертежей.

На фиг.1 изображена схема кислородно-масляного двигателя.

На фиг.2 изображена схема размещения узлов, обеспечивающих очистку воздуха от азота и подачу кислорода для пополнения кислородного баллона и к впускному коллектору.

Кислородно-масляный двигатель содержит аналогично двухтактному двигателю один или несколько цилиндров с впускными 1 и выпускными 2 клапанами (см. фиг.1), поршнем 3, кинематически связанными с коленчатым валом 4, который приводит во вращение при помощи распределительных шестерен распределительный вал 5, снабженный кулачками 6. Кулачки 6 приводят в движение масляный насос 7, связанный с форсункой 8, которая осуществляет подачу микродозы машинного масла в момент достижения поршнем 3 верхней мертвой точки в цилиндре 9. При нахождении поршня 3 в нижней мертвой точке происходит подача кислородно-воздушной смеси из кислородного баллона 10 и воздушного фильтра 11. При этом пополнение кислородно-воздушной смеси осуществляется при запуске из кислородного баллона 10, а при устойчивой работе двигателя, т.е. в рабочем состоянии — через компрессор 17 (фиг.2), находящийся в камере 13 с набором молекулярных сит 14 и модулей мембран 15, очищающих атмосферный кислород от азота. Компрессор 17 в автоматическом режиме, при открытом воздушном кране (фиг.1), пополняет баллон 10 через трубу 18 кислородом, израсходованным при запуске, и питает кислородно-воздушной смесью кислородно-масляный двигатель 20 (фиг.2). В качестве топлива используются молекулы углерода масел.

Воздух через набор решет и молекулярных сит 14 обогащается кислородом. При этом происходит только частичная обработка воздуха. Затем он попадает в камеру 13 (фиг.2), в которой установлены модули 16 мембран, где происходит основная очистка кислородно-воздушной смеси. При этом отсортированный азот сбрасывается в атмосферу из мембраны модуля 16 по сбросному патрубку 22.

Кислородно-воздушная смесь, проходя по пути к компрессору 17 через модули 16 мембран, еще больше обогащается кислородом, а излишки азота в разделительной камере модуля мембран перед входом в компрессор сбрасываются в атмосферу через сбросной патрубок 22. Полученный из воздуха и поступивший обратно в атмосферу азот не оказывает никакого вредного воздействия на окружающую среду по сравнению с набором соединений азота, получаемых в прототипах при сжигании нефтепродуктов, в процессе которого еще выделяется много углекислого газа.

Процессы сжатия, впуска, расширения и выпуска аналогичны процессам, существующим в ДВС, кроме процесса сгорания. Вместо него происходит цепная реакция, где почти в чистом кислороде происходит разрушение на энергетическом уровне электронов углерода машинных масел. Недостатком кислородно-масляного двигателя является высокое давление в камере сжатия, т.е. степень сжатия повышается. К тому же рабочий ход поршня из верхней точки в нижнюю в момент цепной реакции потребует более прочной конструкции головки блоков и цилиндров двигателя. Кроме того, для гашения взрыва на минимальном уровне зарождения цепной реакции в камере сжатия потребуется подача смеси кислорода с воздухом, осуществляемая практически в ручном режиме, в период проведения первичных экспериментов.

В отличие от существующих прототипов, в кислородно-масляном двигателе процесс горения углеродов машинных масел перерастает под большим давлением в камере сжатия 19 до уровня цепной реакции в кислородно-воздушной среде.

Наличие в атмосферном воздухе азота при сгорании дает пять соединений (N2 O; N2O2; N2O3; N 2O4; N2O5), где количество кислорода, приходящегося на одно и то же количество азота, относится как простые целые числа 1:2:3:4:5 соответственно. Учитывая то, что азот является инертным газом, все реакции кислорода с азотом проходят с поглощением энергии, поэтому расчетная дозируемая подача чистого кислорода и воздуха через впускной коллектор 15 позволит найти искомый устойчивый режим работы кислородно-масляного двигателя, который прокручивается на стенде с помощью электрического мотора в безопасных условиях полигона, где при испытаниях надежно защищены люди.

Выделение энергии контролируется дозированной подачей чистого кислорода из баллона 10 через редуктор 12 во впускной коллектор 15 через трубопровод высокого давления 18 (см. фиг.1). Гасителем большой энергии взрыва является инертный газ азот, поступающий с воздухом в камеру сгорания 19 через воздушный фильтр 11 (фиг.1). Отработанные газы сбрасываются через выпускной коллектор 21.

Принцип работы системы охлаждения

Здесь дана только общая, упрощенная схема работы системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Современные системы управления двигателем на самом деле учитывают множество параметров, как то: температуру рабочей жидкости в системе охлаждения, температуру масла, температуру за бортом и прочее, и уже на основе собранных данных реализуют оптимальный алгоритм включения в работу тех или иных устройств.

Share

Поделиться