Часть 1. Теоретическая возможность.
Если говорить коротко, то сверхединичный двигатель в общем понимании это двигатель, который вырабатывает больше энергии, чем получает ее извне, или, что по сути то же самое, его коэффициент полезного действия (КПД) больше единицы. И любой человек, мало-мальски знакомый с принципом работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС), только прочитав название сего опуса, уже крутит пальцем у виска: кого только Земля-матушка не нарожает! Автор не возражает, крутите, а он в это время попробует обосновать такую возможность для ДВС, используя при этом только общеизвестные данные.
Общеизвестно, что
Максимальный (теоретический) КПДтерм определяется по циклу Карно:
КПДтерм = (Тнагр – Тхолод)/Тнагр, где:
Тнагр – абсолютная температура нагревателя. Для ДВС это температура горения топлива в цилиндре. Во всех источниках она принимается равной 2000С. Мы возьмем её равной 2027С, тогда Тнагр = 2027+273= 2300К (2300 градусов Кельвина);
Тхолод – абсолютная температура холодильника – окружающей среды. Пусть она будет 27С, или 300К.
При этих значениях температур:
Это значит, что из всего тепла, полученного от сгорания топлива в цилиндре, в самом лучшем случае будет использовано на полезную работу только 87% и не больше, а 13% топлива сгорит впустую. И по-другому нельзя – против науки не попрёшь!
Практически КПДтерм намного меньше. По общепринятым данным до 25% топлива теряется из-за его недогорания в цилиндре, а до 35% выделившегося тепла идет на нагревание деталей двигателя и уходит с выхлопными газами. То есть практический КПДтерм, с учетом полноты сгорания топлива, достигает значения всего 0.4 от теоретического. Мало, конечно, но и против факта тоже не попрешь! И практически
С КПДтерм всё ясно.
А как обстоит дело с КПДмехан ?
Для выяснения обратимся к труду «А. Агатов. Подвесные лодочные моторы», который был издан издательством ДОСААФ ещё в 1953 году в Москве – столице несуществующей сейчас страны – СССР. Никаких фейков в той стране в то время при издании научно-популярной литературы не допускалось. Цитаты из главы 3 этой брошюры будут набраны курсивом, а с полным текстом можно ознакомиться набрав в Яндексе её название.
Из механики известно, что мощность есть работа, совершаемая в единицу времени. Работа за один полный цикл выражается произведением среднего индикаторного давления рi на рабочий объем цилиндра.
Зная число оборотов двигателя в минуту и среднее индикаторное давление, легко подсчитать его мощность по формулам:
Получаемая мощность носит название индикаторной мощности двигателя. Она дает представление о работе газа, переданной поршню.
Из приведенных формул видно, что индикаторная мощность возрастает:
1) с увеличением литража двигателя Vs ;
2) с увеличением числа оборотов коленчатого вала двигателя n;
3) с увеличением среднего индикаторного давления рi ;
4) с увеличением числа цилиндров i.
Индикаторную мощность нельзя полностью использовать, для полезной работы из-за существующих потерь в самом двигателе, или так называемых «механических потерь», которые учитываются механическим коэффициентом полезного-действия. Мощность, которой мы можем располагать в действительности на коленчатом валу, называется «эффективной мощностью».
Таким образом, под механическим коэффициентом полезного действия понимают отношение эффективной мощности двигателя, т. е. мощности, действительно получаемой на валу двигателя Ne к индикаторной, т. е. мощности, передаваемой газами поршню двигателя Ni:
Эффективная мощность подобно индикаторной может быть выражена соответственными формулами:
величина Pе входящая в формулу эффективной мощности, носит название среднего эффективного давления (по аналогии со средним индикаторным давлением). Она в действительности не может быть замеренной на двигателе и является условной. Ее получают вычислением из формулы мощности, если известны: литраж двигателя, обороты и мощность, развиваемая двигателем на гребном валу. Когда двигатель построен, эффективная мощность, а следовательно, и среднее эффективное давление определяются испытанием мотора или его двигателя на тормозном станке, где обычно замеряется развиваемый двигателем крутящий момент, а по крутящему моменту определяют уже эффективную мощность по формуле
где Мк выражен в кгм, а эффективное давление уже получается из ранее приведенных формул мощности в килограммах на квадратный сантиметр. Среднее эффективное давление является важной величиной, им часто пользуются при сравнении различных двигателей между собой.
А теперь внимательно посмотрим на формулу (4). Из неё следует, что при отсутствии потерь
Далее, подставив (1) и (6) в (0) получим:
и это потолок, который можно достичь. Вот дык дак! Похоже, поторопился автор с названием статьи, ведь 0.87 не только не больше единицы, а напротив значительно меньше её!
Позорник! Где обещанный сверхединичный КПД?
А вот он.
Подставим (3) и (5) в (4).
А теперь представим себе, что при прочих неизменных величинах, входящих в (8), вращающий момент Мк вдруг увеличился в 2 раза. Ну, мало ли чудес на свете, и это пусть будет одно из них!
И, действительно чудо: КПД-то тоже увеличился в 2 раза, и, при отсутствии потерь, стал равен 2.
Физика с её разделами говорит, что такого не может быть, а математика свободно дает добро на «может быть». Да здравствует математика – наука чудес!
И что еще интереснее, подставив в (7) вместо единицы двойку получим в (7) что-то, ощутимо большее, чем 1, а именно 1.74. Вот тебе и КПДдвс, который больше единицы, а значит и сам ДВС сверхединичный!
Что и требовалось доказать.
Более того. Если на ДВС какой-то мощности вдруг при прочих прежних условиях возрастет в 2 раза вращающий момент (допустим за счет плеча на коленвале), то и выходная мощность двигателя тоже возрастет в 2 раза. А чтобы её оставить на прежнем уровне нужно уменьшить в 2 раза какую-нибудь величину в (3). Давайте уменьшим рi и посмотрим, что будет из-за этого в (8). А ничего необычного – просто знаменатель уменьшится в 2 раза. Но зато результат – КПДмехан увеличится ещё в 2 раза и достигнет фантастической величины 4! А общий КПДдвс поднимется ажник до 3.48.
Такой вот «Вот дык дак!».
Теперь прикинем, каков может быть максимальный практический КПДдвс с учетом всех потерь.
Чуть раньше было определено, что при некоторых условиях КПДмехан может увеличиться в 4 раза, что применительно к (10) даст величину КПДдвс = 0.26 *4 = 1.04. Просто дикость какая-то – при таких страшно огромных потерях полезной мощности КПДдвс все равно больше единицы, а ДВС – машина сверхединичная. Эвон каку страсть господню изобрели наши предки!
А что, извините за любопытство, пальчик-то у виска ещё крутится или уже остановился?
Дело за малым – сотворить чудо по увеличению в 2 раза вращающего момента при всех прочих неизменных величинах рабочего цикла.
А это во второй части.