Текст: Двигатель энергореволюции (Сергей Тихонов)
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с механическим КПД 95% практически не имеет вредных выхлопных газов и способен при расходе топлива три литра на 100 км развивать мощность 300 л. с. А общий КПД чудо-двигателя, работающего на бензине, составляет порядка 60%. Это кажется невероятным, ведь КПД массовых автомобильных бензиновых ДВС не превышает 25%, дизельных — 40%. Этот проект — реально работающий прототип, собранный в «подвале» небольшого мебельного завода. Новые технологии, примененные в этом движке, запатентованы в России, США и даже в Японии. Все попытки зарубежных компаний купить эти разработки патриотом-кулибиным были отвергнуты, хотя предлагались суммы, в 20 раз превышающие стоимость всего его бизнеса. Представляется, что этот проект может создать серьезную конкуренцию электромобилю.
Ротор для аммиака и сварочный трансформатор
Создатель двигателя оказался автором более 50 патентов, в том числе международных. Александр Николаевич Сергеев — разработчик оригинальной технологии сварки роторов для производства аммиака, источников питания сварочной дуги, аэродинамических спойлеров для вазовских автомобилей и еще более 50 изделий, до сих пор применяющихся в шести отраслях промышленности. Свой первый патент на изобретение Сергеев получил, еще будучи студентом, в 1970-х, и был удостоен почетного тогда звания «Молодой ученый года», а через три года, поступив на работу инженером на завод «Азотреммаш» (ныне часть холдинга «Тольяттиазот» — крупнейшего в мире производителя азота), произвел технологическую революцию в отрасли. Разработанная им технология сварки рабочих колес центробежных компрессоров позволила увеличить ресурс работы этих агрегатов в несколько раз и отказаться от поставок аналогичных устройств из США.
— Мы впервые в мире сделали цельносварной ротор, — объясняет Александр. — Это основной в производстве аммиака узел — узел сжатия газа до давления свыше 300 атмосфер при гиперзвуковых окружных скоростях рабочих колес компрессоров. По теме сварки магнитоуправляемой дугой у меня порядка пятнадцати авторских. Если вкратце, там, по сути, было сделано открытие по влиянию электромагнитного поля на электропроводность и теплопроводность.
Наработки в области сварки, созданные в рамках химпрома, пригодились в других отраслях. Сергеевым был разработан сварочный трансформатор, по своим характеристикам превышающий те, что продавались на рынке, при этом его стоимость была на 30% ниже, а площадь занимаемого пространства сократилось в пять раз. В 1980-х годах изобретатель хотел предложить свои разработки начальству, однако в стране грянула перестройка, началось кооперативное движение; Сергеев ушел с завода и, прихватив с собой костяк своей команды, организовал предприятие, выпускающее промышленное сварочное оборудование.
От спойлеров для ВАЗов до мебели— Я пришел в госбанк, сказал, что мы хотим кооператив организовать. Говорят: напишите бизнес-план. Я рукой на листочке формата А4 накалякал, прямо при них. Шестьдесят тысяч рублей первый кредит мы взяли. Просто девочка приезжала от банка, проверяла целевое использование, — вспоминает ученый.
В 1999 году Сергеев начал разработки в области химии пластиков. Он основал компанию «Техноком», которая, используя его изобретения, создала спойлеры для новых моделей АвтоВАЗа. Если вкратце, то Сергеев придумал, как сделать пенополиуретан прочным и легким — то, что за многие годы по техзаданиям автогиганта не могли осуществить компании, претендующие на контракт с АвтоВАЗом. В результате получился композиционный материал, выдерживающий механические нагрузки на уровне технической пластмассы. На главный конвейер АвтоВАЗа компания за несколько лет поставила свыше миллиона спойлеров. Сергеев защитил проект в венчурном фонде Самарской области, получив финансирование на закупку оборудования, а также посевные инвестиции в целом на 70 млн рублей. Через три года компания «Техноком» начала изготавливать изделия из пенополиуретана для мебельной отрасли — элементы для оформления фасадов зданий под торговой маркой Modus Decor. Сегодня «Техноком» входит в тройку лидеров этого рынка, в котором, кстати, до прихода тольяттинцев практически безраздельно царил импорт. На вопрос, доволен ли Сергеев своим мебельным бизнесом, я получил неожиданный ответ: «Этот бизнес я запустил только для того, чтобы заработать денег для настоящего дела моей жизни — создания двигателя внутреннего сгорания, работающего на новых принципах». В «подвале» Modus Decor Сергеев уже много лет занимается разработкой нового двигателя, а в этом году построил работающий прототип.
Двигатель мечты
Передо мной был с виду обычный ДВС — двигатель внутреннего сгорания, которые применяются в транспортных средствах, малой энергетике, малой авиации и много где еще. Странным было только то, что, во-первых, он был двухтактным, а во-вторых, никакой дроссельной заслонки в нем я не обнаружил. Движок был подключен к стандартному промышленному газоанализатору, позволяющему с точностью до сотых долей определять состав выхлопных газов и их количественные характеристики — СО, СО2, CH, О2, а также коэффициент избытка воздуха λ — так называемая лямбда. Сергеев запустил двигатель (на бензине), который начал издавать вполне узнаваемые звуки работающего поршневого механизма, а вот газоанализатор стал показывать странные вещи — состав выхлопных газов мало чем отличался от состава обычного воздуха (кроме мизерного количества углеводородов): СО — 0,1%, СО2 — 3%, СН — 250 единиц, и О2 — 18%. Здесь стоит напомнить, что в воздухе, которым мы дышим, кислорода как раз 18% (от 17 до 21%, если быть точным). А в выхлопе даже самых дорогих четырехтактных двигателей самого высокого экологического стандарта содержание газов такое: СО — 0,5%, СО2 — 15%, СН — 220 единиц (без каталитического нейтрализатора), О2 — 0,5%. Лямбда (λ) в новом движке — 2÷5.
Двигатель из «подвала» тольяттинского мебельщика вовсе не загрязняет атмосферу. При этом расход топлива у него получается каким-то фантастически низким: 2,7–3 л на 100 км при развиваемой мощности 300 л. с. По мощности это ДВС, стоящий, например, в «Инфинити», который жрет минимум 14 л на 100 км. Обеспечиваются такие параметры за счет того, что в камере сгорания топливовоздушная смесь сгорает полностью. А вот как это достигается? Во-первых, двигатель сконструирован по схеме бесшатунного механизма, который инженер Сергей Баландинпридумал еще в годы Второй мировой войны. Сталинский ученый не успел завершить свои разработки, так как появилась турбореактивная тяга, а его идеи поршневого ДВС так и не были воплощены в жизнь. Тем не менее интерес к этой схеме среди изобретателей остался. У Баландина было много последователей, но дальше всех в промышленном применении продвинулсяАлексей Вуль. Сергеев же сумел развить технологию до эффективно работающего прототипа и добиться результата. Кроме того, в движке Сергеева использованы изобретенные им принципиально новые способы смесеобразования и сжигания топлива.— Вот смотри, нет дроссельной заслонки, но это двухтактный цикл. Один цилиндр крутит четырехцилиндровую кинематическую схему, — показывает Сергеев на детали движка, наслаждаясь произведенным на меня эффектом. — Вот сейчас закрываю впускной коллектор. Это как бы дроссельная заслонка. Это чтобы показать, что газоанализатор нормально работает. Для специалистов это сразу понятно. Сейчас лямбда начнет появляться. Вот лямбда равна 1,43 — значит, прибор работает. Вот сейчас кислорода меньше и уже тащится СН, тысяча с лишним. Вот открыли, с полным наполнением начал работать. Все: кислород растет, СО падает, СО2 падает. Когда приходят спецы, которые понимают в теме, они просто не верят. Двигатель работает практически на воздухе.
Все гениальное просто
— Чем интересна схема Баландина? При работе этого двигателя нет бокового давления поршней на стенки цилиндра, — рассказывает Александр Сергеев. — За счет этого механический КПД повышается до 95 процентов. Второе: там можно увеличить линейную скорость поршня. Значит, можно увеличить мощность. До сих пор эту кинематическую схему никто не реализовал в промышленных объемах.
Десять лет назад Сергеев задался вопросом: вот есть древнее устройство, существующее «тысячу лет», — примус. В нем топливо сжигается практически на сто процентов, и никто не угорает. Почему? Потому что в примусе керосин сначала испаряется, переходит из жидкой фазы в газовую и только потом горит. Чтобы сгореть, топливо должно пройти подготовку к химической реакции горения — перейти из жидкой фазы в газовую. Раньше в ДВС был карбюратор, где смесь готовилась. Но все равно это была жидкая фаза. Сейчас сделали непосредственный впрыск, когда форсунки высокого давления впрыскивают топливо прямо в рабочий цилиндр. Однако тоже в жидкой фазе. Иначе в двигателе Сергеева: после газификации топливовоздушной смеси гомогенная смесь поступает в камеру сгорания новой геометрии с глубоким расслоением заряда по плотности. Это обеспечивает концентрацию богатой топливовоздушной смеси в районе электродов свечи зажигания, что обеспечивает ее уверенное поджигание, а после воспламенения смеси сгорает бедная топливовоздушная смесь, обеспечивая практически полное сжигание с минимальной токсичностью отработанных газов. Объединение преимуществ бензиновых и дизельных двигателей, а также бесшатунной кинематической схемы позволило создать поршневой двигатель с фантастическими характеристиками.
«Особое мнение» АвтоВАЗа и «Ростеха»— Я посмотрел, что в мире за последнее время сделали. Американцы придумали поджигать бензин керосином. Гибриды. Но здесь надо еще посмотреть, какая экология при производстве аккумуляторных батарей. А потом — как это все утилизировать. Где эти зарядные станции ставить? И все равно нужен бензиновый двигатель, который будет крутить этот генератор, — справедливо рассуждает ученый.
Свои изобретения наш тольяттинский Кулибин запатентовал, причем не только в России, но и в США и даже в Японии (получить патент в Японии невероятно сложно, об этом знают все технические специалисты в мире). После публикации в федеральном журнале патентов США (обязательная процедура) этот патент был избран из 28 тысяч в сотню «самых интересных», и статью о новых технологиях Сергеева с заголовком «Новое рождение ДВС» напечатал авторитетный американский журнал Science. Сразу после выхода публикации в свет, буквально на следующий день, Сергееву посыпались письма от американских производственных компаний и венчурных фондов; запросы о продаже технологии пришли в том числе от оборонных предприятий, связанных с гигантами Lockheed Martin и DARPA. Большинство предлагали оплатить прилет нашего ученого в Штаты и там провести переговоры, не называя цену, а некоторые сразу шли ва-банк и сумму сделки называли. Самая большая сумма, обозначенная в этих письмах (копии есть в распоряжении «Эксперта»), — 220 млн долларов. Учитывая, что совокупная стоимость всех активов изобретателя не превышает и 10 млн долларов, предложение более чем привлекательное.
Были предложения о сотрудничестве и от японских корпораций. В одном письме указывается, что в Японии принята частно-государственная программа разработки нового двигателя внутреннего сгорания, в которой целью ставится создание ДВС, которые будут на 30% экономичнее и более экологически чистыми (выход СО2 снизить на 20%, СО — на 35%), чем существующие сегодня. На программу выделено 10 млрд долларов, из которых 50% — финансирование от правительства страны. Поставлена цель к 2020 году выйти на демонстрацию работающего прототипа. Как же они все там были расстроены, когда узнали, что в России уже создали такой прототип, причем с характеристиками на порядок выше тех, что заложены в их амбициозной программе. Однако выстроившиеся в очередь покупатели из разных стран все как один получили отказ, а сам Сергеев твердо решил остаться истинным патриотом, найти российских инвесторов.
А вот на АвтоВАЗе — главном предприятии, которое могло бы внедрить разработки в области ДВС, когда Сергеев показал документы и видео своего движка, просто отмахнулись.
— Еще в 2009 году главный конструктор ВАЗа Петр Михайлович Прусов хотел созвать всероссийскую конференцию по двигателестроению, чтобы я сделал доклад. Но тогда на завод приехали москвичи с французами, власть тут начала меняться, и все это похерилось. Я показал данные и видео нынешнему руководству завода, но они сказали, что этого не может быть. Они думали, что это фальсификация, — удивляется Сергеев.
Из ОДК пришло вообще странное письмо, отражающее чудовищную некомпетентность людей из правления госхолдинга. Цитирую: «Предлагаемые диапазоны мощностей (до 300 л. с.) уже сейчас осваиваются ГМЗ “Агат” совместно с ЦИАМом (Центральный институт авиационного приборостроения им. Баранова. —“Эксперт”) и ОКБ моторостроения…» Хотя любой студент знает из курса теплотехники, что бесшатунная кинематическая схема (схема Баландина) как раз ценна тем, что не имеет ограничений по увеличению мощности двигателя (от тех же 300 л. с. можно легко прыгнуть до 1000 л. с. и больше, если это необходимо), поскольку из-за отсутствия бокового давления на стенки цилиндра линейную скорость поршня можно увеличивать практически до бесконечности. Дальше специалисты ОДК пишут: «Рынок отечественных ЛА с ДВС очень ограничен, возможно, разовьется в ближайшем будущем, но пока он крайне узок». Логика железная… Если кто-то выпустит на мировой рынок, скажем, беспилотник (или небольшой самолет, использующий поршневой двигатель), который расходует в три-четыре (!) раза меньше топлива, чем существующие современные аналоги, и который, соответственно, может автономно летать в несколько раз дольше, догадайтесь, какой истерически сумасшедший спрос будет на него.В «Ростехе», куда я обратился за комментарием, полтора месяца просто «кормили завтраками». Затем оттуда пришел ответ, но корпорация даже не связалась с Сергеевым. «Макет одноцилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания разработки А. Н. Сергеева не применим для продукции Госкорпорации “Ростех”: ОДК занимается разработкой и созданием авиационных, ракетных и газоперекачивающих двигателей. Для беспилотников производства ОПК и Калашникова используются системы, к которым данный двигатель не применим. Двигатель не подходит и к текущим автомобилям производства АвтоВАЗ. В иной ситуации для автомобилей потребуется серьезная техническая доработка конструкции и управляющих систем, помимо этого не проработаны вопросы экологии в связи с двухтактностью цикла». То есть, переводя на человеческий язык, ответ можно расшифровать так: ОДК — Объединенная двигателестроительная корпорация — несмотря на заявленные в уставе цели и задачи развития всего существующего в промышленности спектра технологий двигателестроения, не хочет браться за новое направление, а переделывать конструкции беспилотников и автомобилей под новый двигатель, на разработку которых «Ростех» уже потратил деньги и время, специалисты госкорпорации считают нецелесообразным. Несмотря на то, что эта простая подгонка под основной узел (двигатель) приведет к настоящей технологической и энергетической революции. Про «вопросы экологии в связи с двухтактностью цикла» я вообще лучше промолчу, ибо здесь доблестный «Ростех» просто «спалился» в том, что его специалисты даже не прочитали присланного мной протокола комиссии Самарского университета.
Однако рациональное зерно в ответе ОДК все же нашлось. Специалист компании сообщил, что «существующая редакция “Стратегии развития поршневого двигателестроения” предлагает создание центра компетенции по авиационным поршневым двигателям на базе ЦИАМ»; на мой взгляд, это сейчас правильно, потому что ОДК этим ну совсем некогда, да и не на чем (в смысле базы) заниматься, — поэтому разработчикам есть смысл обратиться именно в ЦИАМ. Теперь стала понятна структура компетенций государства в области развития поршневых двигателей. Но обращение в ЦИАМ оказалось бесполезным. Пресс-секретарь института лишь сообщила: «Документы передала специалистам, может быть, с вами свяжутся…»
Адекватные ученые
Сергеев показал разработки одному из основных научных институтов по теме ДВС в России — кафедре тепловых двигателей Самарского национального исследовательского университета им. С. П. Королева. Ее специалисты приехали на мебельный завод 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, который является главным экспертом Ракетно-космической корпорации «Энергия», Роскосмоса, Минпромторга и т. д. В состав комиссии также вошли главный инженер научного центра газодинамических исследований Игорь Ниппард, инженерАлексей Горшкалев и завлабораторией 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 решение срочно заняться этим проектом 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, обеспечивающее практически полное сжигание топлива с коэффициентом избытка воздуха на режимах холостого хода и частичных нагрузках в интервале 3 ≤ λ ≤ 5, что обеспечило значительное снижение расхода топлива на этих режимах и снизило токсичность отработанных газов. СО = 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».
Лед тронулся
Один из ведущих в мире экспертов по теплофизике профессор кафедры компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга Санкт-Петербургского национального исследовательского университета ИТМО доктор технических наукНиколай Пилипенко не поверил в существование двигателя с механическим КПД 95%. В интервью «Эксперту» он заявил: «Такого просто не может быть. Тут какая-то уловка. Иначе это была бы настоящая мировая сенсация на уровне создания атомной бомбы». Опрошенные нами научные светила в сфере теплофизики, теплотехники и поршневого двигателестроения в других странах тоже лишь усмехались в трубку, указывая на существование в мире тысяч всевозможных «революционных» проектов, начиная с вакуумных поездов и заканчивая ионными или плазменными двигателями, но это все «прожекты на бумаге», которые в реальности нереализуемы ввиду либо конструкционных особенностей, либо отсутствия спроса. Однако после предъявления международных патентных удостоверений люди в основном просили дать координаты изобретателя. Профессор Осакского университета Юкио Сакэ, который уже тридцать лет занимается разработками газодинамических систем двигателей для японских автоконцернов, предложил создать совместное российско-японское предприятие для завершения разработок и организации производства двигателей. А ведущий инженер Центра теплотехнического инжиниринга во Франкфурте-на-Майне (ведет разработки по контракту с BMW и Volkswagen) Габриэль Вайнцудивился, что «проект до сих пор не “проглотил” какой-нибудь предприимчивый инвестор» и пригласил Сергеева в Германию для совместной работы и организации международной конференции. Впрочем, этим инвестором, по логике вещей, должно стать государство, поскольку новые двигатели имеют большой потенциал использования в военной технике и вооружении.
Пока же государство в своей чудовищной неповоротливости думает, изобретатель Сергеев уже делает следующие шаги. Теперь он вместе со специалистами Самарского университета формирует команду разработчиков для доведения движка до совершенства, внедрения других разработанных им технологий и создания силовых установок для различных задач — автомобили, беспилотники, малая авиация, малая электрогенерация, корабли и т. д. Готовится документация для 35 новых патентов, позволяющих защитить ноу-хау, которые еще только предстоит реализовать в новом двигателе. Понятно, что денег у университета нет и сегодня проекту срочно требуется стратегический инвестор. Разработками Сергеева уже заинтересовалась РКК «Энергия» и компания — разработчик ударных беспилотников для Минобороны.
Массовое внедрение ДВС с качественно более высоким КПД, безусловно, позволит сделать экономику более энергоэффективной. Вы только вдумайтесь: сегодня более 80% энергии в мире производят двигатели внутреннего сгорания. Электроэнергия будет стоить копейки (можно будет автономно отапливать дом электричеством от мини-электростанции по цене в три раза ниже, чем от магистральных сетей), а сама генерация станет доступной даже в глухой тайге. А автомобили? Представьте себе джип с 300-сильным движком, который расходует лишь три литра горючего на 100 км, или обычную легковушку, буквально «нюхающую» топливо по 0,5 литра на 100 км. При этом заливать в бак можно будет не только бензин определенного октанового числа, а буквально все, что горит: нет поблизости заправки — залил бутылку водки и доехал.
Заявка на сенсацию
Механический КПД предлагаемого двигателя в 95% достигается за счет использования кинематической схемы бесшатунного механизма (механизма Баландина), при которой значительно уменьшаются потери на преодоление сил трения за счет исключения бокового давления поршня на стенки рабочего цилиндра. У лучших ДВС с кривошипно-шатунным механизмом механический КПД остается на уровне 90%.
Топливная эффективность двигателя Александра Сергеева достигает 98% за счет организации нового запатентованного процесса смесеобразования и сжигания топлива, обеспечивающего полное сжигание топлива в рабочем цилиндре.
Термодинамический КПД предлагаемой разработки составляет 60–65% за счет организации работы бензинового двигателя в двухтактном цикле с полным наполнением рабочего цилиндра атмосферным воздухом на всех режимах его работы, при степени сжатия ε = 14÷20 без детонации.
Разработанный двигатель устойчиво работает в двухтактном цикле с двойной продувкой, в режимах холостого хода и частичной нагрузки (основные режимы работы двигателя в городском режиме и движении по трассе, что составляет ≈80÷85% работы ДВС), то есть один ход рабочий, следующий продувочный, что идеально готовит рабочий цилиндр к следующему рабочему циклу. Это позволяет дополнительно уменьшить расход топлива и обеспечить оптимальный температурный режим работы двигателя, что также способствует повышению теплового (термодинамического) КПД двигателя.
Принципиальное устройство бесшатунного двигателя