07.11.2006

Паровик использует энергию автомобильных выхлопов

Во многих тепловых машинах, будь то ДВС в автомобиле или котлы и турбины огромных электростанций, немалая доля энергии теряется с выхлопом. А массовых устройств для утилизации этого дарового тепла до сих пор нет. Почему?

Казалось бы, стоит преобразовать в полезную энергию (электричество или вращение выходного вала) хотя бы часть бросового тепла — и общий КПД двигателя или электростанции заметно вырастет. Решений этой задачи мир видел немало (и термоэлектрические преобразователи, и дополнительные турбины на легкокипящих жидкостях), но ни одно из них не получило действительно широкого распространения.

Причина в том, что КПД дополнительных преобразователей не может быть высоким — несколько процентов, не больше, ведь разница между температурой выхлопных газов и окружающей среды невелика. А раз так, возникает вопрос: "Стоит ли овчинка выделки?". И тут ключевым моментом становится стоимость преобразователя.

Если тепловую машину удастся изготовить из наименьшего числа деталей и наиболее дешёвых материалов, возможно, смысл в утилизации бросового тепла и появится.

Один из оригинальных проектов такого рода — миниатюрная паровая машина калифорнийского изобретателя Роберта Грина (Robert Green), основавшего компанию Green Steam Engine ("Паровая машина Грина" или "Зелёная паровая машина" на выбор — оба варианта перевода подходят замечательно).

Построенные Грином образцы весят примерно 2,3 килограмма, не считая маховика. Правда, выходной мощности изобретатель не сообщает, так что сравнивать машинки не с чем. Но в любом случае видно, что они устроены проще, чем паровые машины прежних систем.

Количество деталей здесь невелико, а подвижных — даже очень невелико; малы скорости и нагрузки, невысоки требования к материалам (цилиндры выполнены из пластика, для начала работы движка требуется очень низкое давление пара), а ещё тут уменьшено число пар трения и минимизированы требования к смазке.

Но главным отличием паровика Грина от предшественников является способ преобразования возвратно-поступательного движения поршней паровой машины во вращательное движение выходного вала. Занимается этим "трансмиссия с гибким стержнем" (flexible rod transmission), на которую Роберт ещё в 2003-м получил патент.

Правда, тогда автор говорил лишь об устройстве, которое преобразует вращение вала в возвратно-поступательное движение. Причём изюминкой механизма являлась возможность от одного кривошипа двигать взад-вперёд сразу несколько рычагов, да ещё (при необходимости) каждый из них — со своей амплитудой и произвольной фазой. И всё это — при минимуме деталей.

На рисунке из патента показаны главные детали механизма: 11 — вал, 12 — кривошип, 15 — гибкий упругий стержень, 17 — поперечные рычаги, 20 — продольные рычаги (здесь их три, но число может быть любым: 1, 2, 4, 6…).

Нужно отметить, что стержень 15 может отклоняться в любую сторону, но при этом не вращается вокруг своей оси. Сочленение 14 позволяет ему свободно проворачиваться по отношению к кривошипу. Места же крепления гибкого стержня к корпусу механизма и узлу 14 — это жёсткие заделки. Также не вращается, а лишь наклоняется в разные стороны треугольник 22. При вращении вала рычаги 20 будут двигаться вверх и вниз. Причём их можно располагать по окружности неравномерно — будет меняться фаза их колебаний. А варьируя длину рычагов 17, можно менять амплитуду колебаний рычагов 20.

Вот такой оригинальный механизм. Позднее Грин понял, что это устройство прекрасно справится и с противоположной задачей — преобразованием возвратно-поступательных движений во вращение, а тут и идея с миниатюрной паровой машиной подоспела.

В ней продольные рычаги оказались связаны с поршнями расширительной машины, а один из них — с золотником, переключающим подачу пара между цилиндрами. Этим же рычагом приводится в действие водяной насос.

Цилиндры паровой машины установлены на шаровых опорах, которые позволяют цилиндрам совершать небольшие колебания вверх-вниз и вправо-влево при вращении маховика и колебаниях треугольника (вообще-то эта деталь, связывающая кривошип и поперечные рычаги, может иметь любую форму — прямоугольника, диска и так далее).

Шаровые же опоры одновременно являются полыми каналами, по которым в цилиндры подаётся пар.

Осталось лишь добавить змеевик для предварительного подогрева воды за счёт отработанного пара и испаритель (на снимках не показан), да конденсатор для замыкания цикла.

Такая машинка могла бы найти применение в автомобилях. Но сам Грин полагает, что его аппарат, в первую очередь, может стать универсальным движком для вращения различных домашних машин — небольших водяных насосов, маленьких деревообрабатывающих или шлифовальных станков, электрических генераторов для зарядки автомобильных аккумуляторов. А питаться паровик может практически от любого источника тепла — будь то спиртовка или дровяная печка. Или выхлоп большого ДВС.

Источники:

1. MEMBRANA