Не в такт

Не в такт

ДВА ТАКТА, ЧЕТЫРЕ. КТО БОЛЬШЕ?

ТЕКСТ / АЛЕКСЕЙ ВОРОБЬЕВ-ОБУХОВ

Впуск-сжатие-рабочий ход-выпуск: по такому циклу работают сегодня большинство двигателей внутреннего сгорания, будь то бензиновые или дизельные. Кажется, процесс доведен уже до совершенства и конструкторы подбирают последние крохи, добиваясь максимально возможного КПД. А он не так велик, ведь из четырех ходов поршня (тактов) лишь один — рабочий. Остальные в большей или меньшей степени потребляют энергию. Мотоциклистам хорошо известен другой, двухтактный процесс; делаются попытки применить его и на автомобилях (ЗР, 1999, № 12). Тут эффективность повыше, но есть специфические проблемы с ресурсом, смазкой, наполнением цилиндров смесью.

А если. не уменьшать, а увеличивать количество тактов, причем не только «паразитных», но и рабочих? Существуют два совершенно независимых проекта — австралийский и швейцарский, в которых реализованы шеститактные циклы для бензинового и дизельного двигателей. Здесь на шесть ходов поршня — два рабочих, значит, можно ожидать большего КПД. Впрочем, почему ожидать? Построены прототипы, бегают по дорогам опытные мотоциклы — ожидания оправдались. Разработчики добились снижения удельного расхода топлива аж на 30%: завидуйте, изобретатели «коммон рейлов», «вэлвтроников», хитрых систем зажигания и прочей надстройки! Тут замахнулись на базис.

Пойдут ли шеститактные двигатели в серию? Пока не знаем. Но давайте познакомимся с ними поближе.

Малколм Бер мог бы считаться типичным австралийским фермером, если бы кроме своего земельного надела в 1300 га не занимался одержимо мотоциклами и их моторами. Начав в 1981 году конструировать «заряженные» оппозитные двухтактники, через 17 лет он пришел к идее. двухпоршневого шеститактного двигателя (патент США № 5713314). Он представлен на рис. 1.

Если вы внимательно считали ходы поршня, то, наверное, удивлены. Их четыре, где же здесь шесть тактов? Автор изобретения просто приплюсовал еще два хода второго поршня, всего, стало быть, шесть (интересно, сколько тактов он насчитал бы в моторе советского танка Т-64 со встречно-движущимися поршнями?).

Свою идею Малколм проверил на переделанном двигателе «Дукати» (суммарный объем двух цилиндров 616 смз, степень сжатия 10,6). Он выдал 64 кВт (87 л.с.) при 9000 об/мин и 55,6 Н.м при 6000 об/мин. 104 кВт, или 141 л.с. с литра — блестящий результат! Этот моторчик был установлен на мотоцикле «Ямаха-SR500» и протестирован известным мотожурналистом Аланом Катхартом. Заявленные преимущества подтвердились, более того, экономия топлива (по сравнению с исходным четырехтактным мотором) составила 35,8% при скорости 48 км/ч и 13% при 72 км/ч.

У этого дизеля, придуманного Роже Бажюлазом, поршень один, зато по три камеры на цилиндр: сгорания, нагревания и рабочая. Несмотря на кажущуюся сложность конструкции, принцип его работы достаточно прост (рис. 2).

В отличие от традиционных ДВС, этот мотор можно было бы назвать двигателем внешнего сгорания: ведь топливо горит не в цилиндре, а в отдельной камере при постоянном объеме. Выделяющаяся теплота не рассеивается без пользы в охлаждающей жидкости, а через тонкие стенки раскаляет закачанный в камеру нагрева чистый воздух, который, расширяясь, совершает полезную работу, толкая поршень в пятом такте. Горение топлива происходит неспешно на протяжении полного оборота коленчатого вала. Раскаленные докрасна стенки камеры способствуют полному сгоранию и доокисляют все частицы сажи без остатка. Холодный пуск, как обычно, обеспечивает свеча накаливания.

Степень сжатия в камере сгорания здесь значительно меньше, чем это принято для дизельных двигателей, на поршень также не воздействуют столь высокие температуры, как при непосредственном сжигании топлива в цилиндре. Значит, всю конструкцию можно облегчить!

Новый двигатель способен работать не только на дизельном топливе, но и на газе, бензине, метаноле или растительном масле. Тепловой КПД достигает 50% против средних 30% у ДВС, расход топлива снижается более чем на 40%, шумность и выбросы вредных веществ также значительно ниже, чем обычно. Мотор швейцарской фирмы Bajulaz Inc. запатентован в США (№ 4809511, № 4513568) и большинстве индустриально развитых стран.

Впрочем, патенты и успешная работа опытных образцов еще не гарантия больших перспектив. Вполне возможно, существуют проблемы, о которых разработчики умалчивают: иначе мы бы уже слушали необычный звук шеститактного выхлопа.

Рис. 1. БЕНЗИНОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ МАЛКОЛМА БЕРА

ВПУСК. Большой поршень 3 начинает движение от ВМТ (верхней мертвой точки) вниз. Второй поршень 7 приблизился к своей ВМТ. Выпускной канал быстро закрывается вращающимся клапаном 5. Клапан 8 пропускает смесь в цилиндры. Суммарный объем цилиндров сейчас максимален, и в них поместится больший заряд!

СЖАТИЕ. Большой поршень достиг НМТ (нижней мертвой точки), а второй находится на полпути и начинает перекрывать впускной и выпускной каналы. Поначалу небольшому давлению сжимаемой горючей смеси противостоят вращающийся 5 и лепестковый 8 клапаны. Затем опускающийся второй поршень надежно перекрывает впускной и выпускной каналы, и двигатель готов к полезной работе.

РАБОЧИЙ ХОД. Большой поршень находится в ВМТ, второй — вблизи НМТ; камера сгорания заполнена горючей смесью, которую поджигает искровая свеча 4. Давление нарастает, и оба поршня двигаются в разные стороны, вращая коленчатые валы 6 и 1. Обороты верхнего вдвое меньше — так подобраны диаметры звездочек, связанных цепью. Впускной и выпускной каналы пока перекрыты. Энергия не расходуется на преодоление кулачковым валом сопротивления пружин клапанов и давления газов в цилиндре; напротив, верхний поршень «подкручивает» основной коленчатый вал через цепную передачу (не показана).

ВЫПУСК. Большой поршень пришел в НМТ, его коленчатый вал повернулся на пол-оборота, а верхний вал — на 90°. Начинается выпуск отработавших газов. Впускной канал расположен чуть выше выпускного, так что он в этот момент еще не открывается.

Рис. 2. ДИЗЕЛЬНЫЙ МОТОР РОЖЕ БАЖЮЛАЗА

ВПУСК. Впускной клапан 1 открыт, поршень идет вниз, засасывая воздух. Тем временем в камере сгорания 6 горит рабочая смесь.

ВЫПУСК. Открыт выпускной клапан 4. Поршень идет вверх, выбрасывая в глушитель отработавшие газы. Воздух в камере нагрева продолжает разогреваться от стенок камеры.

СЖАТИЕ I. Открыт клапан 2 камеры нагрева 7. Поршень идет вверх, сжимая воздух и закачивая его в камеру нагрева. В камере сгорания продолжается горение топлива.

РАБОЧИЙ ХОД II. Вновь открылся клапан 2 камеры нагрева. Но теперь воздух под большим давлением поступает обратно в цилиндр, толкая поршень вниз.

РАБОЧИЙ ХОД I. Открылся клапан 3 камеры сгорания. Раскаленные газы поступают в рабочий цилиндр 5 и толкают поршень вниз. В камере нагрева растет давление воздуха.

СЖАТИЕ II. Поршень пошел вверх и через открывшийся клапан камеры сгорания закачивает в нее отработавший в предыдущем такте воздух. Он успел остыть, да и объем камеры сгорания больше, чем камеры нагрева. Поэтому степень сжатия здесь меньше. В конце такта произойдет впрыск и воспламенение топлива. Этот второй такт сжатия разработчики назвали рекомпрессией.

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к моторостроению, т.е. к двигателям внутреннего сгорания для автомобилей, тракторов и т.д. Способ осуществления рабочего цикла заключается в начале сжатия в момент прекращения выпускного окна на стенке цилиндра и перекрытия впускного окна клапаном на головке цилиндра при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, сгорании топлива, рабочем ходе, начале вентиляции и выпуска отработанных газов, совмещении выпуска отработанных газов и впуска чистого воздуха, движении поршня при вентиляции к нижней мертвой точке и начале движения поршня к верхней мертвой точке, причем рабочий цикл осуществляется за два хода поршня — первый ход выполняет частично вентиляцию цилиндра и сжатие, второй ход — рабочий ход и частично вентиляцию, при этом совмещение впуска и выпуска осуществляется за счет 30% первого хода и 30% второго хода поршня. Изобретение обеспечивает повышение мощности двигателя. 2 ил.

Изобретение найдет применение в области машиностроения или конкретнее в области моторостроения, то есть в изготовлении двигателей внутреннего сгорания для автомобилей, тракторов и так далее.

В настоящее время в мире известны и широко используются два способа осуществления рабочего цикла в двигателях внутреннего сгорания: а) двухтактный рабочий цикл; б) четырехтактный рабочий цикл.

Оба эти способа осуществления рабочего цикла достаточно хорошо описаны в следующих учебниках и книгах: 1. Автомобильные двигатели. Под ред. Ховаха М.С. — М.: Машиностроение, 1997. — 591 с.

2. Двигатели внутреннего сгорания: Учебник для ВУЗов. — М.: Высшая школа, 1978. — 208 с.

3. Гуревич А.М., Сорокин Е.М. Тракторы и автомобили. — М.: Колос, 1971. — 325 с.

4. Мельников Д.И. Тракторы. — М.: Колос, 1981. — 335 с.

Двигатели внутреннего сгорания с двухтактным рабочим циклом осуществляют полный рабочий цикл за два хода поршня, то есть один полный оборот коленчатого вала, при этом впуск топливной смеси осуществляют через картерное пространство двигателя, а первый такт включает в себя впуск топливной смеси и сжатие топливной смеси в цилиндре, второй такт совмещает также два процесса — рабочий ход и выпуск отработанных газов.

При втором способе осуществления рабочего цикла (четырехтактном) рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня, то есть два полных оборота коленчатого вала. При этом впуск топливной смеси осуществляется через головку цилиндра, а каждый процесс, впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск осуществляются раздельно в каждом такте.

Наиболее близким к изобретению способом является второй способ, то есть четырехтактный рабочий цикл, который и служит прототипом изобретения.

Четырехтактный рабочий цикл осуществляется следующим образом, изображенным на фиг. 1: при движении поршня 2 вверх от НМТ к ВМТ при закрытых окнах 5 и 6 клапанами 3 и 4 происходит сжатие воздуха в цилиндре 10, то есть происходит первый такт «сжатие»; при подходе поршня 2 за 2-3 мм до ВМТ в цилиндр 10 через форсунку 7 впрыскивается топливо, которое воспламеняется, и газы горения начинают давить на поршень 2, при этом первый такт заканчивается и начинается второй такт «рабочий ход», который продолжается до прихода поршня 2 в НМТ; как только поршень 2 начинает двигаться вверх, заканчивается второй такт и начинается третий такт «выпуск», открывается выпускное окно 6 клапаном 3 и отработанные газы начинают выталкиваться поршнем 2 из цилиндра 10; при достижении поршнем 2 ВМТ выпускное окно 6 закрывается клапаном 3, а впускное окно 5 открывается клапаном 4, и поршень 2, двигаясь вниз к НМТ, втягивает в цилиндр 10 воздух, так происходит четвертый такт «впуск», и как только поршень 2 пройдет НМТ, закроется клапан 4 и закроет впускное окно 6, а клапан 3 остается закрытым, так вновь начинается первый такт и цикл повторяется.

Из вышеописанного принципа работы четырехтактного двигателя очевидно, что существенным недостатком данного способа является то, что поршень за четыре хода, четыре такта или два полных оборота коленчатого вала только в третьем такте воспринимает энергию сгорания топлива и преобразует ее в механическую энергию движения поршня, три остальных хода, полтора оборота вала являются вспомогательными и полученную в третьем такте часть энергии затрачивают на выполнение вспомогательных операций.

Автор предлагает третий способ осуществления рабочего цикла, при котором каждый второй ход поршня и каждый оборот коленчатого вала будут получать энергию от сгорания топлива и только один ход поршня будет вспомогательным, что приведет к существенному увеличению мощности двигателя в 1,5-2 раза.

Задачей изобретения является повышение мощности двигателя.

Задача решается за счет того, что способ осуществления рабочего цикла в двигателях внутреннего сгорания, заключающийся в начале сжатия в момент перекрытия выпускного окна, расположенного на стенке цилиндра, и перекрытия впускного окна клапаном на головке цилиндра при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, сгорании топлива, рабочем ходе при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, окончании рабочего хода, начале вентиляции и выпуска отработанных газов при открытии поршнем выпускного окна и открытии впускного окна клапаном на головке цилиндра, совмещении во время вентиляции выпуска отработанных газов и впуска чистого воздуха, движении поршня при вентиляции к нижней мертвой точке и начале движения поршня к верхней мертвой точке, причем рабочий цикл осуществляется за два хода поршня — первый ход выполняет частично вентиляцию цилиндра и сжатие, второй ход — рабочий ход и частично вентиляцию, при этом совмещение впуска и выпуска осуществляется за счет 30% первого хода и 30% второго хода поршня.

Принцип работы двигателя с предложенным рабочим циклом осуществляется следующим образом, изображенным на фиг. 2: первый процесс «сжатие» происходит, когда поршень 1, двигаясь вверх, закроет выпускное окно 4 и одновременно закроются впускные клапана 3, начинается сжатие воздуха в цилиндре 2; не доходя до ВМТ 2-3 мм, в цилиндр 2 через форсунку 6 впрыскивается топливо и происходит его сгорание, первый процесс «сжатие» закончился и завершился 1-ый такт, начинается второй процесс «рабочий ход», газы от сгорания топлива толкают поршень 1 вниз, поршень 1 доходит до выпускного окна 4, открывает его и на этом «рабочий ход» заканчивается, начинается третий процесс «вентиляция», отработанные газы через открытое окно 4 выходят и в это время открывается впускное окно 5 клапанами 3, и воздух под давлением заполняет цилиндр 2, вытесняет отработанные газы, за это время поршень 1 проходит НМТ и движется вверх, 2-ой такт закончился и начался первый такт, как только поршень закроет окно 4 и закроются клапана 3, так заканчивается третий процесс и вновь начинается первый процесс «сжатие», рабочий цикл повторяется.

Из вышеописанного очевидно, что в двигателе, основанном на предложенном рабочем цикле, каждый ход поршня вниз сопровождается получением энергии от сгорания топлива. При этом в четырехтактном двигателе только каждый второй ход поршня вниз получает энергию от сгорания топлива. Сравнивая равноценные двигатели, легко убедиться, что мощность двигателя с сокращенным рабочим циклом окажется в 1,5-2 раза выше, чем мощность четырехтактного. Таким образом, техническим результатом предлагаемого способа осуществления рабочего цикла является возможность создания двигателя внутреннего сгорания с отличающимся циклом работы, аналогичного по конструкции четырехтактному двигателю, но с мощностью, превышающей прототип в 1,5-2 раза.

Возможность осуществления определяется тем, что двигатель, сконструированный на предложенном рабочем цикле, незначительно будет отличаться по конструкции от четырехтактного двигателя, а именно выпускное окно должно располагаться на стенке цилиндра. При этом высота расположения окна от НМТ определяется расчетным путем с условием полной вентиляции цилиндра за время прохождения поршня через НМТ от момента открытия выпускного окна до момента его закрытия. Другие конструкционные изменения от прототипа незначительны.

Увеличение мощности двигателя с предложенным рабочим циклом в два раза по сравнением с прототипом определяется расчетным путем по формуле, это также очевидно из описания в главе сущность. Если поршень получает в два раза больше энергии за единицу времени, то и полезная работа поршня увеличивается в два раза.

Практическое исполнение двигателя с данным рабочим циклом не вызывает сомнения на любом моторостроительном предприятии.

Способ осуществления рабочего цикла в двигателях внутреннего сгорания, заключающийся в начале сжатия в момент перекрытия выпускного окна, расположенного на стенке цилиндра, и перекрытия впускного окна клапаном на головке цилиндра при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, сгорании топлива, рабочем ходе при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, окончании рабочего хода, начале вентиляции и выпуска отработанных газов при открытии поршнем выпускного окна и открытии впускного окна клапаном на головке цилиндра, совмещении во время вентиляции выпуска отработанных газов и впуска чистого воздуха, движении поршня при вентиляции к нижней мертвой точке и начале движения поршня к верхней мертвой точке, причем рабочий цикл осуществляется за два хода поршня — первый ход выполняет частично вентиляцию цилиндра и сжатие, второй ход — рабочий ход и частично вентиляцию, отличающийся тем, что совмещение впуска и выпуска осуществляется за счет 30% первого хода и 30% второго хода поршня.

Шеститактный двигатель принцип работы

Статья посвящена перспективному направлению развития поршневых двигателей внутреннего сгорания — реализации шеститактных рабочих процессов. В статье представлен обзор возможных вариантов осуществления шеститактных циклов известных типов двигателей. Наибольший интерес представляет шеститактный цикл с двумя рабочими ходами поршня, один из которых осуществляется под действием давления продуктов сгорания топлива, а второй — под действием давления пара, образующегося в результате подачи воды в цилиндр. Такой цикл реализуется в двигателе Кроуэра. Показано, что шеститактный цикл имеет ряд преимуществ перед четырехтактным: при его реализации улучшаются экономические и экологические показатели работы двигателя, снижается температурный уровень деталей, что положительно сказывается на ресурсных показателях. На основании опубликованных индикаторных диаграмм шеститактных двигателей построены диаграммы суммарных крутящих моментов четырехцилиндровых двигателей, работающих по четырехтактному и шеститактному циклам. При этом выявлено, что реализация шеститактного рабочего цикла при дополнительном впрыске воды в цилиндр приводит к некоторому ухудшению равномерности чередования рабочих ходов и равномерности крутящего момента. Применение особых схем коленчатых валов может способствовать улучшению этих показателей. Даны рекомендации по использованию в шеститактных двигателях коленчатых валов, имеющих крестообразные схемы. Представленная методика исследований может быть использована для выбора предпочтительной конструкции коленчатых валов для двигателей с различным числом цилиндров. Учитывая необходимость подготовки и хранения дистиллированной воды при реализации шеститактного цикла, можно сделать вывод о возможности использования шеститактных двигателей в составе судовых энергетических установок. Указано на необходимость продолжения исследования кинематики, динамики и виброактивности шеститактных двигателей.

Ключевые слова

шеститактный двигатель, экономические и экологические показатели, порядок рабочих ходов, равномерность угловой скорости и крутящего момента, схемы коленчатых валов

Читать полный текст статьи: PDF

Список литературы

Ерофеев В. Л. Энергетический и эксергетический подходы к оценке повышения эффективности тепловых двигателей / В. Л. Ерофеев, В. А. Жуков, А. С. Пряхин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2017. — Т. 9. — № 5. — C. 1017-1026. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-5-1017-1026.
Кайдаш Н. Ф. Впрыск воды в авиационные двигатели / Н. Ф. Кайдаш, К. К. Папок, Е. В. Любановский, Ю. П. Блонский. — М.: Ред.-изд. отдел Аэрофлота, 1946. — 96 с.
Белоусов Е. В. Влияние на рабочий процесс среднеоборотного судового дизеля путем впрыскивания воды в рабочий цилиндр / Е. В. Белоусов, М. С. Агеев, В. Н. Свиридов // Двигатели внутреннего сгорания. — 2010. — № 1. — С. 40-43.
Mohandas G. Review of Six Stroke Engine and Proposal for Alternative Fuels / G. Mohandas, V. Desai-Patil // SSRG International Journal of Mechanical Engineering (SSRG-IJME). — 2015. — Vol. 2. — Is. 10. — Pp. 19-24.
Pat. 4513568 USA, IPC F02B 75/021 Method for the transformation of thermal energy into mechanical energy by means of a combustion engine as well as this new engine / Roger Bajulaz; USA assignee. — № US06442799; app. 18.11.1982; pub. 30.04.1985. — 9 p.
Pat. 4809511 USA, IPC F02G 1/02 Internal Combustion Engine / Roger Bajulaz; USA assignee. — № US07059218; app. 08.06.1987; pub. 07.03.1989. — 12 p.
Pande P. H. Velozeta Six Stroke Engine / P. H. Pande // International Journal of Research in Advent Technology. — 2015. — Special Issue. — Pp. 215-219.
Application US 20140157758 A1, IPC F01N 3/2066, F01N 3/103 After-treatment system and method for six-stroke combustion cycle / Ronald Silver Scott, B. Fiveland, D. Ryan Williams; Caterpillar Inc. assignee. App. 12.06.2014. — 13 p.
Быстров О. И. Повышение экономических и экологических показателей дизеля путем реализации комбинированного шеститактного цикла: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.04.02 / О. И. Быстров. — Челябинск: Южно-Уральский гос. ун-т, 2008. — 16 с.
Соболенко А. Н. Термодинамичecкий КПД обобщенного теоретического цикла шеститаткного ДВС / А. Н. Соболенко // Вестник Тихоокеанского государственного университета. — 2015. — № 1 (36). — С. 141-150.
А. с. SU 1617169 A1, МПК F01В 75/02. Способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания / А. Ф. Косяк, В. И. Васильев, В. Н. Осипов — № 4380121/25-06; Заявлено 18.02.88; Опубл. 30.12.90, Бюл. № 48.
Романов С. В. Повышение топливной экономичности двигателей сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов путем применения водной инжекции: дис. … канд. техн наук: 05.20.01 / С. В. Романов. — Троицк: Южно-Уральский гос. аграрн. ун-т, 2017. — 207 с.
Karmalkar C. Analyzing the implementation of six stroke engine in a Hybrid Car / C. Karmalkar, V. Raut // International Journal of Mechanical Engineering and Applications. — 2014. — Vol. 2. — No. 1. — Pp. 1-4. DOI: 10.11648/j.ijmea.20140201.11.
Лефёров А. А. Актуальность и проблемы совершенствования цикла ДВС применением непосредственного впрыска воды / А. А. Лефёров, Н. Д. Куприянов // Труды МАИ. — 2010. — № 39. — С. 10.
Юша В. Л. Анализ эффективности идеального термодинамического цикла комбинированного двигателя внутреннего сгорания с парогазовым рабочим телом / В. Л. Юша, Г. И. Чернов // Омский научный вестник. — 2009. — № 3 (83). — С. 154-158.
Prasath B. R. Hydrogen operated internal combustion engines-a new generation fuel / B. R. Prasath, Leelakrishnan, N. Lokesh, H. Suriyan, E. Guru Prakash, K. O. Mustaq Ahmed // International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. — 2012. — Vol. 2. — Is. 4. — Pp. 52-57.
Deepak Kumar. Hydrogen Fuel in 6-Stroke IC Engines and Reduction of Noxemission Using Hollow Fiber Membrane Module / Deepak Kumar, N. Gowtham // International Journal of Mechanical and Production Engineering (IJMPE). — 2015. — Vol. 3. — Is. 3. — Pp. 58-63.
Bhardwaj S. Effect of Brown Gas On the Performance of a Four Stroke Gasoline Engine / S. Bhardwaj, A. S. Verma, S. K. Sharma // International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. — 2014. — Vol. 4. — Is. 1. — Pp. 300-308.
Leelakrishnan E. Performance and Emission Characteristics of Brown’s Gas Enriched Air in Spark Ignition Engine / E. Leelakrishnan, N. Lokesh, H. Suriyan // International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. — 2013. — Vol. 2. — Is. 2. — Pp. 393-404.
Alkhaniya A. Concept of Six Stroke Engine / A. Alkhaniya, A. Kotiyal // International Journal of Mechanical and Industrial Technology. — 2014. — Vol. 2. — Is. 2. — Pp. 1-4.
Makheeja D. A Review: Six Stroke Internal Combustion Engine / D. Makheeja // Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE). — 2015. — Vol. 12. — Pp. 7-11.
Kandari S. Six Stroke Engine / Kandari, I. Gupta // International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). — 2013. — Vol. 2. — Is. 10. — Pp. 884-889.
Яманин А. И. Численное моделирование виброактивности поршневых двигателей с продолженным расширением рабочего тела / А. И. Яманин, В. А. Жуков // Двигатели внутреннего сгорания. — 2014. — № 1. — С. 27-31.
Жуков В. А. Анализ алгоритмов расчета кинематики кривошипно-шатунных механизмов с прицепными шатунами / В. А. Жуков, А. И. Яманин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. — 2016. — № 2 (36). — С. 109-118. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-8-2-109-118.
Яманин А. И. Силовой анализ поршневого двигателя с использованием динамических моделей кривошипно-шатунного механизма / А. И. Яманин, В. А. Жуков, С. О. Барышников // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2018. — Т. 10. — № 1. — С. 191-200. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-1-191-200.
Яманин А. И. Динамические расчеты поршневых двигателей в среде Microsoft Office Excel / А. И. Яманин. — Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2014. — 111 с.

Об авторах

Жуков Владимир Анатольевич — доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»

Яманин Александр Иванович — доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВО «Ярославский государственный технический университет»

Мельник Олеся Владимировна — кандидат технических наук

Паровой фантом топлива: 6-тактный двигатель Кроуэра

Рассматривать современные моторы под капотами автомобилей — сплошное удовольствие. Какие они мощные, компактные, тихие и экономичные: современный дизель потребляет менее 6 л топлива на 100 км при рабочем объеме 2 л и бешеном крутящем моменте. И все же КПД даже самых технологичных дизельных моторов с технологией Twinturbo не превышает 33%! Атмосферные бензиновые ДВС еще менее эффективны — их КПД с трудом дотягивает до 25%.

Температура газов в камере сгорания четырехтактного ДВС Отто достигает 2000˚С. Внутренние стенки цилиндра и рабочая поверхность поршня нагреваются до 1500˚С. Часть тепловой энергии уходит из камеры сгорания на четвертом такте вместе с выхлопными газами. Чтобы быстро отвести тепло и охладить камеру сгорания до оптимальной температуры, применяется мощная система охлаждения, неисправность которой грозит поломкой двигателя. Перегрев — проклятие автомехаников, работающих с высокооборотными спортивными моторами. Температура внутри кокпита гоночного болида во время заездов достигает 70˚С, а некоторые узлы двигателя раскаляются докрасна. Выходит, что автомобиль куда более эффективен в качестве калорифера, нежели в качестве транспортного средства.

Можно ли заставить избыточное тепло совершать полезную работу, вместо того чтобы отводить его от мотора и рассеивать в атмосфере? 75-летний изобретатель Брюс Кроуэр на практике доказал, что это возможно.

Остатки сладки

По признанию самого Брюса, последние 30 лет он постоянно думал о том, как превратить тепло двигателя во вращение коленчатого вала. Озарение, как это часто бывает, пришло к нему во сне. Брюс решил, что в концепции Отто не хватает еще двух тактов — рабочего и холостого. Но источником энергии для них должна служить не очередная порция топливовоздушной смеси, а избыточная температура! В качестве рабочего тела он применил простую воду. При атмосферном давлении вода, превращаясь в пар, увеличивает свой объем в 1600 раз и обладает колоссальной энергией. В двигателе Кроуэра вода впрыскивается в камеру сгорания в виде мельчайших капелек под давлением около 150 атм., когда заканчивается четвертый такт цикла Отто и поршень возвращается в исходное положение. Попадая на раскаленную поверхность поршня и гильзы цилиндра, вода превращается в пар и толкает поршень вниз, совершая рабочий пятый такт. На шестом такте отработанный пар удаляется из камеры сгорания через выпускной клапан. Таким образом Кроуэр заставляет уже сгоревшее топливо еще раз совершить полезную работу, используя его «тепловой фантом». Эту концепцию изобретатель назвал Steam-o-Lene.

Цикл Кроуэра отличается от традиционного цикла Отто не только количеством тактов, но и отношением количества рабочих тактов к их общему числу. Так, у Отто это отношение составляет 1:4, а у Кроуэра — 1:3, дополнительные 40% полезной работы совершаются на неизменном количестве топлива. На четвертом такте раскаленные выхлопные газы не удаляются из камеры сгорания полностью, а сжимаются поршнем, создавая очень высокое давление. Вода в такой среде испаряется быстрее и равномернее. Далее отработанный пар поступает в конденсатор, где охлаждается и снова превращается в воду. Часть остаточного тепла используется для обогрева салона автомобиля.

Снег — знак победы

Брюсу не терпелось проверить свою идею на практике. В его домашнем гараже давно стоял одноцилиндровый дизельный мотор, переделанный под бензин. Его-то он и решил использовать для проверки гипотезы. Мотор получил новый распределительный вал под два «лишних» такта и модернизированную систему впрыска. Ненужная дизельная форсунка была приспособлена под впрыск воды, а вентилятор системы охлаждения для «чистоты» эксперимента отсоединен. Когда, наконец, все было готово, Брюс присоединил к топливному тракту два бачка — с бензином и чистой дождевой водой, рванул тросик стартера, и двигатель заработал. Через пару секунд на ошарашенного Брюса откуда-то сверху начал падать «снег». Это были кусочки белой краски, отвалившиеся от потолка из-за направленного вверх открытого выпускного коллектора, извергавшего горячий пар вперемежку с выхлопными газами. Мотор нормально работал больше часа, но его можно было спокойно касаться руками — он был едва теплым!

Целый год после этого Брюс Кроуэр экспериментировал с различными настройками газораспределения и впрыска воды. И только наверняка убедившись, что концепция Steam-o-Lene работоспособна, он приступил к оформлению патента. Любопытно, что идея шеститактного ДВС с впрыском воды в цилиндры еще за 90 лет до Брюса Кроуэра пришла в голову некоему Леонарду Дайеру из штата Коннектикут. Дайер даже запатентовал свое изобретение в 1920 году, но за все эти годы никто из автопроизводителей им так и не заинтересовался. В 2007 году патентное ведомство США признало приоритет за Брюсом Кроуэром.

Паровые перспективы

Преимущества Steam-o-Lene перед традиционными четырехтактными ДВС очевидны. Во-первых, радикально решается проблема эффективного охлаждения внутренних стенок камеры сгорания и специальная система охлаждения весом более 100 кг оказывается не у дел. Отсутствие радиатора позволяет дизайнерам уменьшить коэффициент аэродинамического сопротивления кузова автомобиля за счет отказа от воздухозаборников и решетки радиатора. А это один из самых существенных факторов, влияющих на расход топлива при скоростях выше 60 км/ч.

Во-вторых, внутреннее охлаждение позволяет существенно, на 30−50%, форсировать двигатели по степени сжатия, избежав при этом детонации. Степень сжатия для бензиновых модификаций может быть увеличена до 14−16:1, а для дизельных — до 25−35:1. Это резко повышает эффективность сгорания топливовоздушной смеси (на 40% по сравнению с циклом Отто), тем самым улучшая экологические характеристики двигателя. Размеры и масса мотора могут быть снижены без ущерба для динамики авто.

Два рабочих такта из шести в цикле Кроуэра позволяют значительно снизить скорость вращения коленвала и получить ровную и насыщенную «полку» крутящего момента с самых низких оборотов. Steam-o-Lene может отлично работать на низкокачественном дешевом топливе без антидетонационных присадок. Топливом могут служить биоэтанол, дизель, природный газ и даже топочный мазут. Относительно низкий температурный режим в камере сгорания резко снижает образование вредной двуокиси азота. А между тем системы фильтрации и нейтрализации двуокиси азота в современных автомобилях весьма дорогостоящи. Брюс также предполагает, что горячий пар может предотвращать появление нагара на клапанах и стенках камеры сгорания, очищая их во время «парового» такта подобно пароочистителю. Но для подтверждения этого эффекта требуются длительные испытания прототипа.

Концепция 6-тактного Steam-o-Lene с «паровым» рабочим тактом может быть модифицирована и дополнена за счет углубленного исследования термодинамики процесса. Брюсу кажется перспективной установка на двигатель турбокомпаунда — системы, в которой вслед за турбиной нагнетателя в выпускном тракте следует силовая турбина, сообщающая дополнительный крутящий момент коленчатому валу двигателя посредством гидромуфты. Турбокомпаунд мог бы повысить эффективность работы двигателя еще на 10−15%. Некоторые специалисты, анализировавшие концепцию 6-тактного ДВС с впрыском воды, отмечают, что теоретически возможны даже два последовательных паровых такта. Если это подтвердится в ходе испытаний, то Steam-o-Lene может стать уже 8-тактным и еще более экономичным.

Ложка дегтя

Разумеется, концепция Кроуэра не лишена недостатков. Основная проблема — это замерзание воды зимой. Добавление антифриза может негативно сказаться на эффективности испарения и экологических параметрах двигателя. Проблему могла бы решить термоизоляция водяного резервуара и его предварительный подогрев от аккумулятора. Но как быть, если автомобиль длительное время находится на открытом воздухе?

Другая проблема — необходимость установки на автомобиле дополнительного оборудования для хранения и конденсации воды. Правда, масса его обещает быть незначительной: в рабочем контуре пар и вода будут находиться при атмосферном давлении и максимальной температуре чуть более 100˚С, что позволяет использовать вместо металла легкие пластмассы. Не исключено, что часть воды будет попадать в моторное масло и это потребует установки специального сепаратора для ее отделения. Впрочем, давно отработанные технологии смазки паровых турбин для нужд энергетики имеют целый ряд готовых решений этой проблемы. Для изготовления клапанов, поршня и гильзы цилиндра, скорее всего, потребуются нержавеющие материалы, в частности керамика.

Steam-o-Lene не может работать полноценно сразу после запуска — ему нужно время для разогрева рабочих поверхностей камеры сгорания до 450−500˚С. Несколько минут он работает как обычный 4-тактный ДВС, а затем переходит на полный рабочий цикл. Перед остановкой мотор тоже должен некоторое время поработать в 4-тактном режиме для полного удаления пара из цилиндра. Разумеется, вода должна быть дистиллированной: при использовании обычной на седле клапана со временем образуется твердая накипь, обладающая высокими абразивными свойствами. При серийном производстве двигателей цикла Кроуэра придется наладить целую инфраструктуру производства и реализации дистиллированной воды.