Теория тепловых машин

Казахстанский ученый Ильдар Ибрагимов предлагает совершить революцию в двигателестроении

Теория тепловых машин

Эксперты подсчитали, если увеличить КПД всех двигателей внутреннего сгорания (ДВС) хотя бы на один процент, мировая экономика выиграет более триллиона долларов. Но законы классической термодинамики, сформулированные еще два века назад, определили потолок для коэффициента полезного действия тепловых машин. Во всем "виноват" французский военный инженер Сади Карно, который вывел эталон определения КПД для тепловых двигателей. Только часть хаотической энергии тепла можно перевести в работу. И, как теплотехники ни старались, но выйти за пределы железной формулы никому не удавалось. КПД тепловых машин, в частности ДВС, на сегодняшний день не превышает 50%.

Вопреки постулату

Девять лет назад казахстанский физик подверг обструкции незыблемый фундамент термодинамики. Ильдар Ибрагимов, не стесняясь маститых академиков, заявил на международной конференции, что классическая термодинамика - частный случай его теории, анизотропной термодинамики. Понятие это пока не распространено в физике. Продемонстрировать теорию можно на примере камеры сгорания ДВС. В ней движение молекул хаотично, часть частиц воздействует на поршень, совершая полезную работу, а другая часть беспорядочно бьется о стенки камеры, нагревая двигатель. И в принципе никто не пытался как-то изменить поведение молекул в двигателе, потому что существовал незыблемый постулат термодинамики: число степеней свободы - величина, заданная абсолютно, и ее менять нельзя. По мнению Ильдара, этот постулат на сегодняшний день устарел.

- Когда писалась классическая термодинамика, а это начало 19 века, не был известен эффект направленных взрывов. Сейчас глупо опираться на то, что противоречит известным уже фактам. И я разработал анизотропную термодинамику. Это позволило мне рассчитать большое количество новых эффектов, в частности, найти способ значительно повысить КПД современных двигателей. Просто это абсолютно новые термодинамические эффекты, - говорит он.

Суть нового эффекта: в камере сгорания задается направление молекул на поршень - полезная работа увеличивается, хаотичное движение частиц уменьшается и, следовательно, уменьшается нагрев двигателя. Парадокс - эти элементарные выводы гораздо проще понять дилетанту, не имеющему к физике никакого отношения. Ученые к простым революционным выводам относятся иначе - кому охота переписывать всю физику и пересматривать свои взгляды на законы материи.

Естественно, мировая научная общественность к заявлениям молодого физика отнеслась с язвительной прохладцей. Редакция ведущего научного журнала Великобритании " Nature" опубликовать статью о новой теории отказалась и прислала Ибрагимову уведомление, смысл которого можно сформулировать так: "теорию о вечных двигателях не рассматриваем". Правда, редакция и рецензенты не смогли опровергнуть математическую модель и выводы теории, в рецензии не указывались ошибки и противоречия. Полученные экспериментальные данные не вписываются в научные стереотипы, и их проигнорировали. Реакция интеллектуальной элиты понятна. Традицию выбрасывать в корзину работы по модернизации законов термодинамики заложила еще 200 лет назад французская академия. Правда, изменения фундаментальных законов не произошло, просто изменились некоторые понятия и формулировки, в частности, понятие энтропии и формулировка второго начала термодинамики и, как следствие, потеряла фундаментальность теорема Карно. Но в этом почему-то никто разбираться не стал. Ежегодно в научные центры присылают если не сотни, то десятки тысяч работ с критикой классической термодинамики. Как правило, 99,9% таких работ не представляют научной ценности. Не хватит и дюжины крупных институтов, чтобы рассматривать предложения научных и околонаучных романтиков.

Панацея для двигателестроения

Зато военные разных стран прониклись к казахстанскому гению отеческой любовью. Ему присылали предложения поработать в Германии, Иране, Китае, в Израиле и России. У физика насчитывается более десятка международных патентов по военной тематике - снаряды для огнестрельного оружия, сверхскоростной патрон, гранатомет нового поколения, реактивное сопло, способ изготовления снарядов. Но он предпочел остаться в своем отечестве. Общественный фонд "Легкий мир" под идеи молодого физика открыл ОКБ "Модуль". В конце 90-х годов началась бурная деятельность освоения новой теории, которая обещала преобразить мир современной техники. Опытное конструкторское бюро совместно с Министерством обороны РК провело серию испытаний с ошеломляющими (эпитет на самом деле скромный) результатами.

В 1999 году в интересах государства военные разработки Ибрагимова засекретили. Их экономическая перспективность оценивалась в миллиарды долларов - ежегодные затраты стран на вооружение перевалили уже за триллион - можно было бы зарабатывать на одних лицензиях. Упускать такие возможности - грех для любого государства. Чиновники это поняли и взяли под свою опеку продвижение военных инноваций. Автору фактически запретили заниматься собственными изобретениями, на многие из которых он получил международные патенты за собственные деньги. Вопреки всем ожиданиям Министерство обороны РК проявило беспрецедентный альтруизм - все засекреченные ноу-хау физика стали общемировым достоянием, причем безвозмездно, так как срок патентов за пять лет истек. Силовики так и не довели до ума ни одной разработки ученого. Кстати, оценочная стоимость патентов по военной тематике Ибрагимова в несколько раз превышает годовой бюджет казахстанской армии, о материальной компенсации автору и речи быть не могло - пришлось бы упразднять наше военное ведомство.

Параллельно с военной тематикой Ильдар Ибрагимов занимался непосредственно двигателями внутреннего сгорания. Начали с малого - в алматинском ДОСААФ работал знаменитый кружок авиа- и судомоделирования С. В. Лаврухина. Его модели неоднократно завоевывали первые места на чемпионатах мира. Директор кружка, неравнодушный к технике, предоставил свою мастерскую для изготовления действующих моделей усовершенствованных двигателей. Первое же выступление с новым двигателем для казахстанского моделиста закончилось конфузом. В момент полета с самолетика слетела вся обшивка. Агрегат Лаврухина разогнался до 280 км/час, когда скоростной максимум самолетов с 10-кубовыми двигателями ограничивался 160 км/час. На другом соревновании Лаврухина вообще дисквалифицировали - за сверхъестественный рекорд скорости по разгону катеров: жюри посчитало, что в модели был использован двигатель более крупных габаритов. Потом технической комиссии пришлось восстановить титул чемпиона. Двигатель оказался в норме по степени сжатия, по рабочему объему и по типу используемого топлива. Изменение формы камеры сгорания не противоречило правилам соревнований, хотя именно это новшество позволило в разы повысить мощность мотора.

- С июля по декабрь 1999 года нами модернизировано, согласно теоретическим предпосылкам, несколько типов двигателей и проведены сравнительные испытания с немодернизированными вариантами. Полученные результаты абсолютно точно легли в предсказанные пределы, что полностью подтвердило созданную теорию. Наилучшие "чемпионские" модельные двигатели улучшили свои показатели на 50% и далеко зашли за ограничения своего класса, а модернизированный мотороллер "Ямаха" с двигателем объемом 50 см3 стал развивать максимальную скорость 90 км/ч вместо прежних 55. При этом полностью исчез перегрев двигателя, а расход топлива даже несколько снизился, - говорит Ильдар Ибрагимов.

Для любого автомобильного концерна результаты исследований выглядят фантастичными. Чтобы повысить КПД двигателя на доли процентов производители затрачивают миллиарды долларов. Классическая теория Карно оставляет единственную возможность для повышения КПД и мощности в двигателестроении - увеличивать температуру горения топлива. Но этот путь ограничен термостойкостью материалов, из которых изготавливают тепловые машины. Для незначительного увеличения КПД автопроизводителям приходится многократно усложнять систему охлаждения мотора. Керамические двигатели внутреннего сгорания большого эффекта не дали - слишком дорогой материал. Казахстанский физик изменил лишь форму камеры сгорания, исходя из расчетов на основе новой термодинамической теории.

- Наша теория тепловых машин, включающая в себя классическую теорию как частный случай, позволяет, например, повысить КПД ДВС со степенью сжатия 6 только за счет применения одного из эффектов в 1,7 раза. Это означает, что возможно повысить мощность двигателя без дополнительного расхода топлива на 70% или снизить расход топлива при сохранении динамико-мощностных характеристик на 41% . Кроме того, перераспределение температурных воздействий рабочего тела на стенки блока цилиндров ведет к значительно меньшим потерям тепла на нагрев корпуса ДВС. Это позволит значительно упростить конструкцию двигателя, уменьшить его массу, габариты и материалоемкость. Пропорционально снижается себестоимость производства, - утверждает Ибрагимов.

Игра вслепую

От физики перейдем к бизнесу. После ряда испытаний специалисты из ОКБ "Модуль" вместе с автором новой теории составили бизнес-план для инвесторов с заманчивым предложением: создать предприятие для реализации изобретения, имеющего международный патент. Посчитали, что 2 млн долларов хватило бы для запуска бизнеса. По прогнозам прибыль от продажи лицензий в течение 20 лет с момента приоритета патента составляла бы порядка 20 млрд долларов в год. Информация об этом дошла до одной зарубежной компании - Ильдару предложили сотрудничество. На первом этапе инвесторы решили провести испытания на классическом двухтактном двигателе с участием своих сотрудников. В качестве полигона был выбран Петропавловский завод малолитражных двигателей. Почему потенциальные инвесторы из Европы выбрали казахстанского производителя, догадаться не сложно - гораздо меньше риска промышленного шпионажа. По предложенной Ибрагимовым схеме на ДВС изменили всего две детали: головку и поршень. КПД повысился на 64%.

После успешных испытаний зарубежные инвесторы отправили разработки ученого в Прагу в Научно-исследовательский институт двигателей внутреннего сгорания Международного сертификационного агентства TUV для независимой экспертизы. 25 июня 2003 года пришел отзыв.

"Согласно договору были проведены сравнительные испытания базовых технических характеристик одноцилиндрового двухтактного ДВС, тип Д 8, серийный № 145 1911 с полным объемом 143 см3, рабочим объемом 104,6 см3, представленного в двух альтернативных вариантах, отличающихся устройством головки цилиндра. Выводы: из результатов сравнительных испытаний можно заключить, что двигатель с модернизированной головкой показал следующие улучшения: приращение КПД - 30,8%; снижение потребления топлива - 23,4%; приращение мощности - 19,3%; снижение температуры выхлопных газов - 13,5%".

- Результаты испытаний несколько хуже полученных в Казахстане. Это связано с тем, что согласно политике TUV испытания проводятся без настроек двигателя, т.е. сравниваются характеристики испытуемого ДВС, работающего в неоптимальном режиме (не выверен угол зажигания, состав топливно-воздушной смеси и т.д.) с оптимальными характеристиками контрольного ДВС, - комментирует этот документ автор анизотропной термодинамики. - Хотя даже такие результаты являются весьма революционными, и никогда не было получено ничего подобного. Так, КПД самых первых двигателей внутреннего сгорания, созданных более сотни лет назад, уступают КПД самых современных двигателей всего на несколько процентов.

Заключение TUV говорит о том, что изобретение Ибрагимова признано во всем мире и имеет международный сертификат. Как ни странно, но после получения международного сертификата европейская компания прекратила контакты с казахстанскими разработчиками. Пока Ильдар Ибрагимов из-за коммерческих интересов название компании оглашать не хочет. Срок договора заканчивается этим летом. Сейчас продвижением своих изобретений Ильдар занимается как частное лицо. Миллиарды долларов на своих патентах физик еще не заработал, зато другие компании уже применяют его идеи весьма успешно. Кстати, объяснить прирост КПД с позиций классической термодинамики не смогли ни научная общественность, ни ведущие специалисты по двигателестроению в мире.