Об опыте регенеративного охлаждения ДВС

Откуда
тверь
Двигатель внутреннего сгорания не может работать без внешней системы охлаждения, функция которой заключается в том, что тем или иным образом избыточное тепло отводится большим количеством воздуха при малом градиенте температуры.
Однако можно отводить избыточное тепло малым количеством воздуха, но при большом градиенте температуры, и тогда отпадает необходимость во внешней системе охлаждения. Отказаться от внешнего охлаждения ДВС пытались японцы, но другим путем - за счет применения керамических материалов.
Еще в 1987 году нам удалось модифицировать тракторный дизельный двигатель в 40 л.с., где тепло отводилось за счет регенерации. Двигатель работал без перегрева, т.е. сам факт возможности отказа от внешнего охлаждения был установлен. Но и тогда и недавно соответствующие инстанции давали отрицательное заключение, ссылаясь на второстепенные причины. Хотя неофициально признавали, да, интересно, но нет в плане (в советское время) или нет денег (в настоящее).
Суть модификации заключается в переводе ДВС на восьмитактный цикл и помещении в камеру сгорания регенератора с большой удельной поверхностью. В нашем случае демонтировалась система охдаждения, устанавливалась дополнительная передача, снижающая вдвое частоту вращения вала топливного насоса, смещались кулачки вала в соответствии с восьмитакным циклом, регенератор (нихромовая проволока, толщиной 0,5 мм, длиной 45 м, свитая в спираль, диаметром 3 мм,) был помещен в соответственно расточенную на объем регенератора (на 9 куб см.) камеру сгорания в поршне и закреплен стальной крышкой с отверстиями (в каждом из четырех цилиндров).
В первых четырех тактах (с подачей топлива) при рабочем ходе регенератор поглощал часть тепла, в последующих четырех тактах (без подачи топлива) регенератор отдавал тепло воздуху; при этом меньшая часть тепловой энергии переходила в работу, а большая часть выносилась с нагретым воздухом. Температура головки цилиндров была значительно ниже допустимой, температура выхлопных газов была около 220 градусов С. Температура регенератора – около 1000 градусов С (исходя из факта выплавления центральной части алюминиевых крышек, их пришлось заменить на стальные). Двигатель устойчиво работал в течение часа, далее регенератор охрупчивался, распадался, и куски проволоки выбрасывало из камер. Скорее всего причиной разрушения являлись накопленные напряжения в спирали, т.к. при ее изготовлении нихром наматывался на тонкий стержень неотожженным. Очевидно, что в более прогрессивном варианте регенератор следует делать как съемную деталь в крышке блока цилиндров, который входил бы в положении ВМТ в камеру сгорания в поршне.
Таким образом, в случае успеха удалось бы заменить целую систему охлаждения одной небольшой деталью (конечно отработанной и высокотехнологичной).
Возможно, кто-то из читателей заинтересуется и захочет повторить этот опыт.
             
 

Alex_54

Делаю для себя. 8 906 0456013
Откуда
M.O., Dolgoprudny
Когда-то, в студенческие времена, делали двигатель Стирлинга. В качестве регенератора использовали медную путанку. В дальнейшем пробовали спеченные металлические шарики. В камере сгорания достаточно агрессивная среда и сохранить чистой развитую поверхность будет достаточно сложно. Широкое поле для экспериментов, надо пробовать
 
Ну, если и пробовать, то вряд-ли в авиации. Увеличение тактности однозначно приведет к снижению удельной мощности...
 

_Бывалый_

Я люблю строить самолеты!
Двигатель устойчиво работал в течение часа, далее регенератор охрупчивался, распадался, и куски проволоки выбрасывало из камер. Скорее всего причиной разрушения являлись накопленные напряжения в спирали, т.к. при ее изготовлении нихром наматывался на тонкий стержень неотожженным.
Есть такой вид малоцикловой усталости материалов - термоциклическая усталость. Если на неё накладываются ещё и другие, связанные с тепловым расширением разнородных материалов, окислительно-коррозионное воздействие и др., то стойкость падает катастрофически.
 

Вложения

Суть модификации заключается в переводе ДВС на восьмитактный цикл и помещении в камеру сгорания регенератора с большой удельной поверхностью.
Но подобная конструкция может работать и при 2-х тактах,если правильно организовать процесс - как бы работа на сверхбедных смесях! Регенератор при этом должен обеспечивать окисление смеси на своей поверхности !  :-/
 

JohnDoe

Усы-то сбрею, а умище-то куда дену? )))
Я думаю, что разрушение теплоаккумулятора в бОльшей степени вызвано инерционными нагрузками, т.к. он расположен в движущемся поршне. Может попробовать переместить теплоаккум. на/в головку цилиндра?
ИМХУ
 

KV1237542

Я люблю строить самолеты!
Я думаю, что разрушение теплоаккумулятора в бОльшей степени вызвано инерционными нагрузками, т.к. он расположен в движущемся поршне. Может попробовать переместить теплоаккум. на/в головку цилиндра?
ИМХУ
Может сделать тонкую трубку в головке или предкамеру, не морочиться с сетками, попробовать за счет скорости потока
 
Откуда
тверь
TsAI
Дискуссия о регеративном цикле уже была на соседней ветке около полутора лет назад
Уважаемый JohnDoe по указанной ссылке упоминает как раз о модификации дизеля в 1987 г, авторами которой были я и мой товарищ. Основной целью было - избавиться от внешнего охлаждения. Но и какая-то положительная работа в безтопливном цикле все же должна совершаться, т.к. наиболее активная теплоотдача от регенератора присходит близ ВМТ, в объеме камеры сгорания, когда плотность смеси и поверхность контакта со смесью наибольшие.
 

JohnDoe

Усы-то сбрею, а умище-то куда дену? )))
если она и совершается то потери на лишние ходы больше
Не факт, КМК. Во-первых, отваливаются затраты на систему охлаждения, например на привод насоса. Во-вторых, "безтопливный" цикл идёт по воздушной кривой, с показателем адиабаты 1,4(воздух) вместо 1,33(ВГ), что всегда ведёт к росту КПД. В-третьих, улучшается очистка цилиндра(он продувается дважды, второй раз- чистым воздухом), отсюда повышается полнота сгорания топлива в "горячем" цикле. В четвёртых, т.к. падает температура выхлопа(по заявлению ТС), то можно поставить глушитель с меньшим гидр.сопротивлением, что тоже несколько повысит эфф.КПД.
ИМХУ

ЗЫ. Есть ещё и в-пятых, но это нужно рисовать, это уже завтра, наверное, если после работы будет не лень. :)
 
Откуда
Владимир
количество не всегда переходит в качество, безтопливный цикл начинается же не от вмт а греет воздух еще при всасывании, потом вопрос какое количество тепла будет отдано, явно много меньшее чем при сгорании смеси, так что одно перечисление факторов ничего не доказывает, для начала нужно посчитать, опять же автор рассказывая об опыте не привел  никаких конкретных сведений о параметрах двигателя- скорее всего они просто не измерялись
 

KV1237542

Я люблю строить самолеты!
количество не всегда переходит в качество, безтопливный цикл начинается же не от вмт а греет воздух еще при всасывании
     Коффициент теплотдачи при большой степени сжатия и КС в форме щели очень сильно растет по мере сжатия воздуха: пример в работах РВД средняя политропа 1,1 при сжатии 50 или около того.

   Мораль можно сделать ДВС с большой степенью сжатия и коэффициентом избытка воздуха 5...7 без охлаждения с днищем поршня и головой из керамики и КС в форме щели.

  Количество теплоты переданной в ВМТ и на расширении много превысит переданное на впуске и сжатии

   
 

KV1237542

Я люблю строить самолеты!
Но и какая-то положительная работа в безтопливном цикле все же должна совершаться, т.к. наиболее активная теплоотдача от регенератора присходит близ ВМТ, в объеме камеры сгорания, когда плотность смеси и поверхность контакта со смесью наибольшие. 
           Да, думаю так и есть и чем больше степень сжатия, тем сильнеее эффект, в компрессорных полостях с небольшой степенью сжатия и наличием мертвого пространства и то политропу расширения принимают меньше политропы сжатия.
 
Откуда
Владимир
Думать и фантазировать можно что угодно, никаких конкретных сведений автором приведено не было одни благие пожелания, ни на чем не основанные и фантазии, не сказано даже двигатель как работал то- на холостом ходу или под нагрузкой, а это все таки большая разница.

На мой взгляд эта проволока вообще никак не влияла на рабочий процесс.
И сравнивать работу двигателя  нужно было с таким же восьмитактным циклом но без навитой проволоки, результат должен быть практически одинаков.

Посудите сами- пусть дизель крутит 2500 об/мин, то есть в секунду 41,6 оборота или на один оборот затрачивается 0,024 сек, нагрев проволочки наиболее интенсивно идет при рабочем ходе в течении 0,012 сек, дальше еще через 0,012 сек проволочка соприкасается со свежим воздухом и в течении 0,012 сек охлаждается им, что вредно а следующие 0,012 сек отдает тепло (уже нагревшемуся от сжатия воздуху) при движении поршня вниз, что по мнению автора должно приводить к совершению полезной работы.

Вообще то процессы теплопередачи и прогрева материала достаточно медленные и инерционные и на сколько проволочка успеет нагреться за время чуть больше сотой секунды , на какую глубину и сколько отдать тепла при охлаждении за сотую секунды, несколько градусов разницы и то не факт, водили же все наверное рукой через пламя свечи и чего

Кстати есть коэффициенты теплопроводности и для нихрома тоже можно было все посчитать задавшись перепадом температур и временем на процесс теплообмена и оценить какую дополнительную тепловую мощность эта проволочка может принимать и возвращать в цикл- 5 ватт или 25, а потом уже мучиться и портить двигатель
 

KV1237542

Я люблю строить самолеты!
77,77      85,17      94,33      105,99      121,40      142,84      174,99      229,44      346,80      934,70
Я как то пытался считать по ф-лам в книге Шелеста коэфф. теплоотдачи по мере увеличения степени сжатия, последняя цифра относится где-то к Е=20

На правильность сильно не претендую не перепроверял
 

Edg

Я люблю строить самолеты!
Идея с теплогенератором-мочалкой (и любым другим) в КС, поршне и т.п. безграмотна на корню изначально и приведет к неизбежному падению КПД - легко следует из самых общих, на пальцах, законов термодинамики и теплоотдачи для циклов ДВС.
Это даже не учитывая доп. мехпотери от "продувочных"  циклов, "мочалочных" гидродинамических потерь  и снижение удельной мощности минимум вдвое из-за лишних 4Т на продувку вместо  традиционной системы охлаждения.
Искать в  "мочалках и т.п." резервы КПД это не понимать базовые вещи в термодинамике -  особый "талант" нужен для интереса к подобным идеям, как впрочем, к БШМ, РВД СВСС и далее по списку.  :)
Топикстартеру и группе поддержки начинать лучше с азов термодинамики циклов ДВС и элементарного анализа на уровне арифметики отнять-умножить. :STUPID

Но и тогда и недавно соответствующие инстанции давали отрицательное заключение, ссылаясь на второстепенные причины. Хотя неофициально признавали, да, интересно, но нет в плане (в советское время) или нет денег (в настоящее). 
Отрицательное заключение давали совершенно справедливо, заинтересовать это могло лишь недоученных а-ля инженеров - не льстите себе.
 

JohnDoe

Усы-то сбрею, а умище-то куда дену? )))
Посудите сами- пусть дизель крутит 2500 об/мин, то есть в секунду 41,6 оборота или на один оборот затрачивается 0,024 сек, нагрев проволочки наиболее интенсивно идет при рабочем ходе в течении 0,012 сек, дальше еще через 0,012 сек проволочка соприкасается со свежим воздухом и в течении 0,012 сек охлаждается им, что вредно а следующие 0,012 сек отдает тепло (уже нагревшемуся от сжатия воздуху) при движении поршня вниз, что по мнению автора должно приводить к совершению полезной работы.
Странно, в "нормальном" ДВС этого времени хватает на нагрев поршня, стенок цилиндра и пр., а "проволочке" почему-то хватать не будет. При этом на процессы отдачи накопленного тепла "проволочке" отводится в ТРИ раза больше времени. :)
ИМХУ.
 

JohnDoe

Усы-то сбрею, а умище-то куда дену? )))
Можно предложенный цикл модернизировать в 6-тактный:
1. Впуск свежего заряда;
2. Сжатие с отбором тепла у теплоаккумулятора;
3. Расширение(условно "холодный" рабочий ход);
4. Сжатие;
5. Впрыск топлива, горение расширение;
6. Выпуск;
А можно переиначить 8-тактный(для многоцилиндровых двигателей):
4-клапана на цилиндр. Условно, 1-й впускной клапан подаёт воздух, 1-й выпускной клапан- выпуск в атмосферу, 2-й выпускной клапан - выпуск на вход 2-го впускного клапана другого цилиндра. В этом варианте можно перепускаемый воздух ещё и выхлопом подогревать. ;)
ИМХУ
 

Edg

Я люблю строить самолеты!
Вообще то процессы теплопередачи и прогрева материала достаточно медленные и инерционные и на сколько проволочка успеет нагреться за время чуть больше сотой секунды , на какую глубину и сколько отдать тепла при охлаждении за сотую секунды, несколько градусов разницы и то не факт, водили же все наверное рукой через пламя свечи и чего
Теплоотдача от "мочалки" охлаждающему воздуху будет сопоставима по порядку цифр (хотя и в разы меньше)  теплоотдачи от сгоревших газов топливо-воздушной смеси  "мочалке" - разница обусловлена разными средними  дельта Т. Но это ничего не меняет.
Это даже не отменит необходимости иметь обычную систему охлаждения для цилиндров и КС, так как ничто не мешает им примерно также (хоть и менее) греться от сгоревших газов безотносительно наличия "мочалки" в поршне или КС - а продуваемого и срабатываемого  с "хрен восьмых КПД" полезной работы по "мочалочному циклу" продувоочного воздуха будет просто не хватать для охлаждения КС и цилиндров при работе под полной(близкой) нагрузкой.
В итоге не только общего повышения  КПД, но даже нормального охлаждения цилиндров с КС не получится - в итоге "горе-инжжееры" ухудшили все что можно, не получив ценой существенного падения общего КПД  даже  адекватного охлаждения цилиндров и КС -  более идиотически-бесполезного результата трудно представить и получить даже нарочно.  :eek:
 
Вверх