Два года назад в статье «Двигатель энергореволюции» (см. № 49 за 2016 год) мы рассказали о разработке тольяттинского изобретателя Александра Сергеева — уникальной технологии смесеобразования и сжигания топлива, которая позволяет как минимум в два раза увеличить КПД бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), при этом значительно сократив токсичные выбросы. Представьте себе 300-сильный джип, который потребляет всего три литра топлива на сто километров и совершенно не загрязняет атмосферу. Подчеркнем, это не какие-то теоретические задумки, а запатентованные в США, РФ и Японии технические решения, воплощенные в работающем прототипе в мастерской у изобретателя. В перспективе это персональная электрогенерация (мотор-генераторы), энергия которых в несколько раз дешевле, чем сейчас в общих сетях (даже по льготным тарифам); беспилотники, неделями работающие в небе без дозаправки; суперэкономичные автомобили, не потребляющие, а буквально «нюхающие» топливо. Учитывая, что в мире более 80% всей энергии производят именно ДВС, можно увеличить КПД всей мировой экономики как минимум вдвое и при этом сократить токсичные выбросы в атмосферу (в том числе СО₂ — в пять раз). Всё, глобальные экологические проблемы — парниковый эффект и т. д. — решены. Сразу после публикации в американских патентных журналах изобретением тольяттинского Кулибина заинтересовались западные корпорации (документы и письма есть в распоряжении «Эксперта»).

Но Сергеев — патриот и не хочет продаваться за границу. Посмотреть на чудо техники приезжали многие — профессора кафедры ДВС Самарского государственного университета, академики от двигателестроения, разработчики беспилотников, электрогенерирующие компании, эксперты Уралвагонзавода, «Ростеха». Все потрясены, все прошли этот интеллектуально-эмпирический путь от «этого не может быть», до «черт возьми, но это работает!». За два года Сергееву поступило еще двенадцать предложений от японцев, американцев и англичан, однако ему так и не удалось найти стратегического инвестора в своей стране. Например, на Уралвагонзаводе готовый к подписанию контракт в 2017 году похоронили после смены руководства.

На создание первого двигателя по новой технологии, готового к коммерческой эксплуатации, и его стендовые испытания нужно 150 млн рублей. Дальше — индустриально-коммерческое масштабирование и серийное производство. Мы не хотим, чтобы происходила утечка технологий такого уровня из России, и призываем власть и технологически компетентный бизнес реализовать проект Сергеева.

Принцип работы

Изучив реакцию аудитории на первую статью, в которой техническая сторона была фактически не раскрыта, мы решили рассказать о технологии Сергеева подробнее, чтобы оценить ее революционность могли и отраслевые специалисты. Все реализованные технические решения защищены патентами России, США, Японии — всего двенадцать свидетельств. Хотя ноу-хау, лежащие в основе изобретений Сергеева, предельно просты и, мы думаем, будут понятны даже обывателю. По сути, он просто устраняет проблемы существующих ДВС, на безуспешные попытки решить которые у глобальных корпораций ушли десятилетия и десятки миллиардов долларов.

Профессор Владимир Бирюк рассказал, что был поражен увиденным в Тольятти, но после проверки всех показателей двигателя никаких сомнений не осталось. (На фото: показания газоанализатора при работе двигателя)

Принципиальное улучшение характеристик ДВС возможно за счет использования двухтактного цикла. Однако и здесь есть проблемы, требующие решения.

Первая. Нестабильная работа в двухтактном цикле. Для решения этой задачи в двухтактном цикле были полностью изменены фазы газораспределения и впрыска топлива, для чего в конструкцию двигателя дополнительно включен компрессорный цилиндр.

Вторая. Увеличенный расход топлива, высокая токсичность отработанных газов, нестабильная работа на режимах холостого хода, малых нагрузках и переходных режимах. Причиной всех этих проблем является тот факт, что процессы отвода отработанных газов, продувка чистым воздухом, впрыск топлива и смазывающего масла в рабочий цилиндр осуществляются практически в одной фазе, что приводит к частичной потере топливовоздушного заряда в атмосферу. В разработанном двигателе отвод отработанных газов и продувка рабочего объема цилиндра осуществляется с небольшим смещением по фазе, а впрыск топливовоздушной смеси выполняется только после перекрытия выпускных и продувочных окон при ходе поршня к верхней мертвой точке. Таким образом, исключена возможность потери части топливовоздушного заряда в атмосферу.

Третья. Для уменьшения сил трения поршневых колец о стенки цилиндра смазка стенок рабочего цилиндра осуществляется через шатун и поршень, то есть не традиционно, как в существующих двухтактных двигателях — вместе с впрыском топлива в рабочий цилиндр, а непосредственно в зону трения в необходимом небольшом количестве, что значительно уменьшает токсичность отработанных газов за счет уменьшения «угара» масла.

Четвертая. Основная причина нестабильной работы двухтактного двигателя на холостом ходу и при малых нагрузках — плохая продувка рабочего цилиндра из-за недостатка чистого продувочного воздуха, так как на этих режимах дроссельная заслонка практически закрыта. В разработанном двигателе дроссельной заслонки нет, поэтому двигатель работает устойчиво на всех режимах при постоянно полном наполнении рабочего цилиндра чистым воздухом (один работающий цилиндр стабильно держит 450–500 об/мин без пропусков, при этом общее соотношение топливовоздушной смеси в рабочем цилиндре ≈ 75:1 — очень бедная смесь).

Данные замеров токсичности при частоте вращения коленчатого вала n = 750–800 об/мин составляют: СО — 0,01–0,03%; СН — 250–350; СО₂ — 1–3,5%; О₂ — 17–19%; λ (коэффициент избытка воздуха) = 2,8–5. По СО результаты более чем на порядок лучше результатов работы четырехтактных двигателей без использования нейтрализаторов, по СН аналогичны. По СО₂ (основная причина парникового эффекта) — в разы превосходят результаты лучших образцов ДВС мировых лидеров, на решение проблемы которых тратятся миллиарды долларов.

Из доступной информации нам неизвестны бензиновые двигатели, стабильно работающие с коэффициентом избытка воздуха λ = 1,2–5, тем более двухтактные, что обеспечивает снижение расхода топлива до 50% с одновременным увеличением мощности.

ССВСТ и бензиново-дизельный гибрид

Стабильная работа двигателя в двухтактном режиме обеспечена за счет разработки новой системы смесеобразования, впрыска и сжигания топлива (ССВСТ), которая включает в себя:

— начало подготовки топливовоздушной смеси в компрессорном цилиндре более чем за 500° хода поршня (ход поршня измеряется в градусах угла поворота коленвала) до ее впрыска в рабочий цилиндр;

— гомогенизацию топливовоздушной смеси в компрессорном цилиндре;

— впрыск богатой топливовоздушной смеси в газовой фазе в камеру сгорания, после перекрытия выпускных и продувочных окон, при ходе рабочего поршня к верхней мертвой точке (ВМТ);

— впрыск в камеру сгорания с «глубоким» расслоением заряда по плотности, то есть в камере сгорания в районе электрода свечи зажигания концентрируется богатая топливовоздушная смесь, занимающая незначительный объем камеры сгорания, которая хорошо поджигается. Остальной объем камеры сгорания занят чистым воздухом. Концентрация богатой топливовоздушной смеси в районе свечи зажигания позволяет значительно сократить время поджигания всей смеси и время ее горения, что существенно уменьшает токсичность отработанных газов (из-за уменьшения времени и изменения температуры химической реакции).

После воспламенения богатой смеси и начала расширения горит бедная смесь с избыточным содержанием кислорода. Обеднение смеси происходит за счет большего объема чистого атмосферного воздуха в камере сгорания, что обеспечивает более полное сжигание топлива (как следствие — снижение токсичности).

Гомогенизация (газификация) топливовоздушной смеси, «глубокое» расслоение заряда по плотности и поцикловая подготовка топливовоздушной смеси на каждый цилиндр обеспечивают стабильную работу двигателя на всех режимах.

Время переходных процессов в разработанном двигателе практически равно изменению времени впрыска топлива форсункой, что позволило реализовать новый цикл работы двигателя — двухтактный цикл с двойной продувкой. Разработанный двигатель работает в двух режимах — двухтактном и двухтактном цикле с двойной продувкой (цикл без подачи топлива), что позволяет менять характеристику двигателя во время его работы (аналогов в мировом двигателестроении нет). На практике это выглядит так: в режиме холостого хода, при малых нагрузках и в номинальном режиме двигатель работает в более экономичном двухтактном цикле с двойной продувкой, в нагрузочном режиме — в двухтактном.

Гомогенизация топливовоздушной смеси, «глубокое» расслоение заряда по плотности и создание условий протекания процесса без жидкой фазы топлива в объеме рабочего цилиндра позволили обеспечить устойчивую работу двигателя при степени сжатия ε = 12–18 без детонации (это приводит к увеличению максимального давления в цилиндре, что равнозначно увеличению мощности).

Таким образом, в разработанном двигателе реализованы все условия смесеобразования и сжигания топлива, обеспечивающие экологически чистый и экономичный процесс:

— бензин после жидкостного дозирования, перед впрыском в рабочий цилиндр, переводится в газовую фазу (смесь гомогенна);

— рабочая смесь на всех режимах, кроме внешней характеристики, бедная;

— рабочая смесь возле свечи зажигания локально обогащена при всех режимах работы посредством расслоения заряда;

— вышеуказанные условия выполняются в каждом цилиндре, в каждом цикле при любых режимах работы двигателя;

— дросселирование наполнения рабочего цилиндра чистым воздухом отсутствует на всех режимах;

— отсутствуют условия для образования детонации, что обеспечило стабильную работу двигателя на повышенных степенях сжатия во всем диапазоне режимов работы двигателя;

— отсутствие условий образования детонации во время работы двигателя сделало его многотопливным. Он успешно работал на бензине с октановым числом 72; бензине «калоша» с октановым числом 52–54, дизельном топливе при степени сжатия ε = 13–18.

По основным признакам процесса разработанный бензиновый двигатель работает как дизельный при полном наполнении рабочего цилиндра воздухом на всех режимах и изменении мощности за счет изменения качества смеси (в отличии от бензиновых, в которых изменение мощности происходит за счет изменения количества смеси), что обеспечивает ему основные преимущества дизельного двигателя — экономичность, экологичность, и, что самое главное, крутящий момент с «низких» оборотов. Однако с учетом возможности бензинового двигателя, в отличие от дизельного, устойчиво работать при более высоких оборотах (до 10 000 об/мин — бензиновый, 4800 — дизельный) мощность бензинового ДВС выше. Из формулы мощности ДВС N = M × n, где М — крутящий момент ДВС, n — частота вращения двигателя, вывод очевиден.

Объединение преимуществ дизельного двигателя, обеспечивающего высокий момент ДВС, с возможностью бензинового двигателя устойчиво работать при значительно большей частоте вращения, за счет новой более эффективной системы смесеобразования и сжигания топлива обеспечивает характеристики нового ДВС, ранее недостижимые известными перспективными разработками.

КПД и структура распределения потерь в ДВС

Потери несгоревшего топлива, при самом совершенном способе подачи в рабочий цилиндр, непосредственном впрыске, — 25%. При непосредственном впрыске топлива в рабочий цилиндр при высоком давлении все равно мы имеем жидкую фазу топлива, хоть и мелкодисперсную, что улучшает условия сгорания топлива за счет большей площади испарения жидкой фазы. Топливо в жидкой фазе не горит. Необходимо время для его газификации, которого при ходе поршня к ВМТ недостаточно для полной газификации топлива, что определяет неполноту сгорания топлива и его потери — до 25%.

В разработанном ДВС топливовоздушная смесь готовится в течение не менее 500° угла поворота коленвала ДВС в компрессорном цилиндре, этого более чем достаточно для перевода ее в газовую фазу и формирования гомогенной (однородной по составу) топливовоздушной смеси.

В разработанном ДВС изменена и запатентована новая камера сгорания в сочетании с компрессорным цилиндром, что позволило в районе электрода свечи зажигания сформировать богатую топливовоздушную смесь, которая хорошо поджигается, а остальной объем заполнить атмосферным воздухом, который обедняет топливовоздушную смесь после поджигания до состояния 75:1 при частоте вращения 500 об/мин — холостой ход (стахометрическое — идеальное соотношение топливовоздушной смеси 15:1, где 15 частей воздуха и одна часть топлива).

Соотношение топливовоздушной смеси 75:1 соответствует коэффициенту избытка воздуха λ = 5, что сегодня недостижимо на дизельных ДВС.

Это значительно снижает долю несгоревшего топлива и, как следствие, повышает тепловой КПД ДВС.

Потери тепла через систему охлаждения равны 30–35%.

В разработанном двигателе нет системы охлаждения в ее привычном исполнении. Камера сгорания, поршень, цилиндр, блок цилиндров используются как аккумулятор тепла (энергии). Стабильная работа двигателя, без пропусков, обеспечила возможность использовать для совершения полезной работы охлажденный воздух, воду или переувлажненный воздух, подавая его в рабочий цилиндр в цикле без подачи топлива, используя накопленное тепло деталями ДВС.

Таких циклов может быть несколько между циклами подачи топлива. Все зависит от интервала температур включения и отключения сигнала подачи топлива, на который настроен двигатель. Предположим, интервал температуры блока цилиндров — максимум 100 °С, минимум 95 °С. При достижении 100 °С подача топлива отключается, а при охлаждении до 95 °С включается. В интервале охлаждения блока на 5 °С может пройти несколько циклов без подачи топлива за счет аккумулированного тепла.

Безусловно, это ведет к значительному повышению КПД ДВС.

Механические потери составляют до 20%. Без специального исследования работы нового ДВС однозначно определить этот показатель нельзя. Введение в его работу компрессорного цилиндра, на каждый рабочий цилиндр, приводит к увеличению механических потерь. Но двигатель работает в двухтактном цикле, с петлевой продувкой (нет клапанов), что значительно снижает механические потери.

Получив ошеломляющие результаты, способные просто перевернуть всю мировую энергетику и транспортный комплекс (да и в целом экономику), изобретатель Сергеев не остановился на достигнутом и продолжил эксперименты, изучая возможности работы опытного образца с использованием воды. Дело в том, что в камере сгорания ДВС создаются условия для разложения воды на водород и кислород. Поэтому он начал подавать воду в камеру сгорания во время поджигания топливовоздушной смеси. Результаты эксперимента подтвердили разложение воды на водород и кислород, что выразилось в уменьшении расхода топлива на 50% при тех же нагрузках, увеличении содержания кислорода в отработанных газах на 10% и увеличении количества воды в выхлопной системе за счет восстановления водорода и кислорода в воде после снижения температуры и давления в выпускной системе. Результат стабильно подтверждался на дизельном топливе в серии экспериментов и был зафиксирован как перспективный для дальнейших серьезных исследований.

Александр Сергеев показал разработки специалистам кафедры тепловых двигателей Самарского национального исследовательского университета им. С. П. Королева — одного из основных российских научных коллективов, специализирующихся на ДВС. Они приехали в Тольятти буквально на следующий день после получения письма. Делегацию возглавил академик Российской академии транспорта, член-корреспондент Российской академии космонавтики, доктор технических наук, профессор Владимир Бирюк — ученый с мировым именем, главный эксперт Ракетно-космической корпорации «Энергия», «Роскосмоса», Минпромторга и других ведомств. В состав комиссии также вошли главный инженер научного центра газодинамических исследований Игорь Ниппард, инженер Алексей Горшкалев и заведующий лабораторией ДВС Самарского университета кандидат технических наук Дмитрий Сармин. В интервью «Эксперту» Владимир Бирюк рассказал, что был поражен увиденным в Тольятти, но после проверки всех показателей двигателя никаких сомнений не осталось. Выездная комиссия приняла заключение о необходимости реализации этого проекта в приоритетном порядке.

Протокол совместного совещания гласит: «Обсуждали работу рабочего макета одноцилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания с техническими характеристиками и показателями, превышающими существующие в мировом двигателестроении аналоги. Основным отличием данного двигателя является: принципиально новая схема смесеобразования и сжигания топлива, обеспечивающая практически полное сжигание топлива с коэффициентом избытка воздуха на режимах холостого хода и частичных нагрузках в интервале 1,2 ≤ λ ≤ 5, что обеспечило значительное снижение расхода топлива на этих режимах и снизило токсичность отработанных газов. СО = 0,01–0,1%, СН = 250–350, СО₂ = 3–5%, О₂ = 12–18%. Новые решения смесеобразования и сжигания топлива защищены патентами РФ, США и Японии. Данный двигатель является многотопливным и может работать в режиме холостого хода и частичных нагрузках в двухтактном цикле с двойной продувкой, снижая расход топлива на этих режимах, и двухтактном цикле на мощностных режимах, что позволяет развить максимальную мощность двигателя. Демонстрация и обсуждение работы одноцилиндровой модели представленного ДВС позволяет принять решение: признать целесообразным создание совместной рабочей группы для дальнейшей разработки и изготовления опытного образца двигателя объемом 2 л, мощностью 250–300 л. с., с крутящим моментом не менее 300 Н·м и массой не более 150 кг, признать целесообразным разработку опытного образца двигателя мощностью 30–35 л. с. при минимальной массе».

Инновационные тормоза

Предварительный вывод, который можно сделать по результатам работы экспериментального образца, следующий: термический КПД бензинового ДВС может быть не ниже КПД дизельных двигателей и равен 35–55%. А реализация всех запатентованных Александром Сергеевым технических решений даст возможность достигнуть КПД 60%, что позволит значительно сократить потребление топлива по сравнению с существующими современными двигателями внутреннего сгорания с одновременным значительным снижением токсичности отработанных газов. И электромобили, ценность которых заключена в их экологичности, будут просто не нужны. Ведь для них нужно создавать отдельную сервисно-заправочную инфраструктуру, оцениваемую только в нашей стране в десятки миллиардов долларов, и строить дорогостоящие центры утилизации батарей.

Для разработки теории работы нового ДВС, на базе которой можно будет через масштабирование создавать двигатели разной мощности, необходимо построить двигатели с новыми техническими решениями и провести комплексные исследования их работы. А это уже не под силу изобретателю-одиночке. По сути, у него несколько вариантов. Первый — достучаться до государства, на каждом углу кричащего о необходимости слезть с нефтяной иглы, и проводить дальнейшую работу самостоятельно, но на средства различных госпрограмм (например, по линии Минпромторга, Сколково или РФПИ). Второй — взять государство в стратегические инвесторы. Третий путь: не заморачиваться с нашей бюрократией и найти частного стратегического инвестора — венчурный фонд или компанию с высокими технологическими компетенциями. Благо это уже будут не рисковые посевные инвестиции на начальном этапе, а вложения в доводку готовой технологии (около 150 млн рублей) и первичное индустриальное масштабирование (еще примерно 150). И последний, четвертый, вариант — это недавно начавший развитие в России краудинвестинг, когда проект выкладывается в публичном пространстве на интернет-платформе и проводится что-то вроде народного IPO — сбор денег от тех, кто понимает и доверяет, в обмен на акции новой компании. Так, кстати, начинали свой путь многие западные концерны, ныне лидеры глобальных рынков (в том числе Apple). Сегодня те, кто в 1980-е отдал свои десять баксов «яблочникам», владеют пакетами акций в миллионы долларов. В случае с новой компанией Сергеева масштаб роста может быть сопоставимым, а может быть и больше, ведь по степени экономического эффекта его технологии просто революционны.

О возможном пятом варианте, а именно о продаже за рубеж уже готовым к сотрудничеству компаниям, не хочется и думать.

По первым трем траекториям Сергеев уже предпринял действия, но результат оказался нулевым. Все только удивляются увиденному и поздравляют с открытием, но денег давать не торопятся. «Ростех» даже не стал рассматривать проект, несмотря на авторитетное мнение ведущих отраслевых специалистов. Производитель беспилотников компания «Кронштадт», поаплодировав изобретению, сообщила, что занимается адаптацией австрийского двигателя Rotex для отечественных нужд, а на собственные разработки двигателя у них нет ни времени, ни желания.

Корпорация «Уралвагонзавод» вела переговоры с Сергеевым о разработке компактного ДВС, обеспечивающего жизнедеятельность танка «Армата» при отключенном основном двигателе во время стоянок, что значительно продлевает его ресурс и снижает расход топлива. Однако на УВЗ сменилось руководство, и об этих планах просто забыли.

В главном институте автопромышленности — НАМИ — в ответ на исчерпывающий кейс документации и видео работы экспериментального двигателя прислали ответ, в котором утверждается, что «газификация топлива в компрессорном цилиндре приведет к самовоспламенению и выходу из строя двигателя». Решение однозначное: этого не может быть. Да, воспламенение может происходить при определенных условиях в компрессорном цилиндре. Но технология Сергеева как раз и создает условия, в которых эти проблемы снимаются.

На ВАЗе — крупнейшем в России автопроизводителе — сказали, что их устраивают вазовские ДВС и заниматься инновациями в области двигателестроения концерн не намерен.

Ряд компаний интересовались производством суперэкономичных мотор-генераторов с перспективой их вывода на мировой рынок, но расходы на НИОКР они, опять-таки, предлагают найти где-то в другом месте, а возьмутся за уже сертифицированное и готовое к массовой продаже изделие.

И так везде.

Технические решения, использованные в новом двигателе, защищены патентами США, Японии и России

Генеральный директор компании «Лада-спорт» (разработчик и производитель спортивных автомобилей на базе вазовской продукции, входит в группу ВАЗ) Владислав Незванкин, изучивший двигатель Сергеева, в интервью «Эксперту» отметил: «Идея гениальная — довести КПД бензинового до дизельного и, возможно, превзойти его, именно системой газораспределения. Сейчас в любом случае, чтобы довести его до промобразца, нужно финансирование. А дальше можно индустриализировать, заказчиков у этого мотора может быть очень много в разных отраслях. Проект интересный и технически красивый, было бы хорошо, если бы он в России реализовался, а не на Западе, как это всегда бывает».

Медиахолдинг «Эксперт» призывает российских предпринимателей откликнуться на призыв и совершить-таки инвестиционное чудо в России.

Потенциальных заинтересованных инвесторов, готовых участвовать в проекте, просим связаться с нами по электронной почте: stihonov@expert.ru или a.sergeev_55@mail.ru.