Паровой фантом топлива: 6-тактный двигатель кроуэра
- Два рабочих такта из шести в цикле Кроуэра разрешают существенно снизить скорость вращения коленвала и взять ровную и насыщенную «полку» крутящего момента с самых низких оборотов.
Шесть тактов двигателя внутреннего сгорания цикла Кроуэра
Разглядывать современные моторы под капотами машин — целое наслаждение. Какие конкретно они замечательные, компактные, негромкие и экономичные: современный дизель потребляет менее 6 л топлива на 100 км при рабочем количестве 2 л и неистовом крутящем моменте. И все же КПД кроме того самых технологичных дизельных моторов с разработкой Twinturbo не превышает 33%!
Атмосферные бензиновые ДВС еще менее действенны — их КПД еле дотягивает до 25%.
Температура газов в камере сгорания четырехтактного ДВС Отто достигает 2000?С. Внутренние рабочая поверхность и стенки цилиндра поршня нагреваются до 1500?С. Часть тепловой энергии уходит из камеры сгорания на четвертом такте вместе с выхлопными газами. Дабы скоро отвести тепло и охладить камеру сгорания до оптимальной температуры, используется замечательная совокупность охлаждения, неисправность которой угрожает поломкой двигателя.
Перегрев — проклятие автомехаников, трудящихся с высокооборотными спортивными моторами. Температура в кокпита гоночного болида на протяжении заездов достигает 70?С, а кое-какие узлы двигателя раскаляются докрасна. Выходит, что автомобиль куда более действен в качестве калорифера, нежели в качестве транспортного средства.
Возможно ли вынудить избыточное тепло выполнять нужную работу, вместо того дабы отводить его от мотора и рассеивать в воздухе? 75-летний изобретатель Брюс Кроуэр на практике доказал, что это вероятно.
Остатки сладки
По признанию самого Брюса, последние 30 лет он всегда думал о том, как перевоплотить тепло двигателя во вращение коленчатого вала. Озарение, как это часто бывает, пришло к нему во сне. Брюс сделал вывод, что в концепции Отто не достаточно еще двух тактов — рабочего и холостого. Но источником энергии для них обязана помогать не очередная порция топливовоздушной смеси, а избыточная температура! В качестве рабочего тела он применил несложную воду.
При атмосферном давлении вода, преобразовываясь в пар, увеличивает собственный количество в 1600 раз и владеет большой энергией. В двигателе Кроуэра вода впрыскивается в камеру сгорания в виде небольших капелек под давлением около 150 атм., в то время, когда заканчивается четвертый такт цикла Отто и поршень возвращается в исходное положение. Попадая на раскаленную гильзы цилиндра и поверхность поршня, вода преобразовывается в пар и толкает поршень вниз, совершая рабочий пятый такт.
На шестом такте отработанный пар удаляется из камеры сгорания через выпускной клапан. Так Кроуэр заставляет уже сгоревшее горючее еще раз совершить нужную работу, применяя его «тепловой фантом». Эту концепцию изобретатель назвал Steam-o-Lene.
Цикл Кроуэра отличается от классического цикла Отто не только числом тактов, но и отношением количества рабочих тактов к их неспециализированному числу. Так, у Отто это отношение образовывает 1:4, а у Кроуэра — 1:3, дополнительные 40% нужной работы совершаются на неизменном количестве горючего. На четвертом такте раскаленные выхлопные газы не удаляются из камеры сгорания всецело, а сжимаются поршнем, создавая высокое давление.
Вода в таковой среде испаряется стремительнее и равномернее. Потом отработанный пар поступает в конденсатор, где охлаждается и опять преобразовывается в воду. Часть остаточного тепла употребляется для обогрева салона автомобиля.
Снег — символ победы
Брюсу не терпелось проверить собственную идею на практике. В его домашнем гараже в далеком прошлом стоял одноцилиндровый дизельный мотор, переделанный под бензин. Его-то он и решил применять для проверки догадки. Мотор взял новый распределительный вал под два «лишних» такта и модернизированную совокупность впрыска.
Ненужная дизельная форсунка была приспособлена под впрыск воды, а вентилятор совокупности охлаждения для «чистоты» опыта отсоединен. В то время, когда, наконец, все было готово, Брюс присоединил к топливному тракту два бачка — с чистой дождевой и бензином водой, рванул тросик стартера, и двигатель получил. Через несколько 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 тёплый пар вперемежку с выхлопными газами. Мотор нормально трудился больше часа, но его возможно было нормально касаться руками — он был чуть теплым!
Весь год затем Брюс Кроуэр экспериментировал с разными настройками впрыска и газораспределения воды. И лишь точно убедившись, что концепция Steam-o-Lene работоспособна, он приступил к оформлению патента. Любопытно, что мысль шеститактного ДВС с впрыском воды в цилиндры еще за 90-летний период до Брюса Кроуэра пришла в голову некоему Леонарду Дайеру из штата Коннектикут.
Дайер кроме того запатентовал собственный изобретение в первой половине 20-ых годов XX века, но за все эти долгие годы никто из производителей машин им так и не заинтересовался. В 2007 году патентное ведомство США признало приоритет за Брюсом Кроуэром.
Паровые возможности
Преимущества Steam-o-Lene перед классическими четырехтактными ДВС очевидны. Во-первых, радикально решается неприятность действенного охлаждения внутренних стенок камеры сгорания и особая совокупность охлаждения весом более 100 кг выясняется не у дел. Отсутствие радиатора разрешает дизайнерам уменьшить коэффициент аэродинамического сопротивления кузова автомобиля за счет отказа от решётки и воздухозаборников радиатора.
А это один из самых значительных факторов, воздействующих на расход горючего при скоростях выше 60 км/ч.
Во-вторых, внутреннее охлаждение разрешает значительно, на 30&аккумуляторная;50%, форсировать двигатели по степени сжатия, избежав наряду с этим детонации. Степень сжатия для бензиновых модификаций возможно увеличена до 14−16:1, а для дизельных — до 25−35:1. Это быстро повышает эффективность сгорания топливовоздушной смеси (на 40% если сравнивать с циклом Отто), тем самым улучшая экологические характеристики двигателя.
масса и Размеры мотора могут быть уменьшены без ущерба для динамики авто.
Два рабочих такта из шести в цикле Кроуэра разрешают существенно снизить скорость вращения коленвала и взять ровную и насыщенную «полку» крутящего момента с самых низких оборотов. Steam-o-Lene может превосходно трудиться на низкокачественном недорогом горючем без антидетонационных присадок. Горючим могут служить биоэтанол, дизель, газ а также топочный мазут. Довольно низкий температурный режим в камере сгорания быстро снижает образование вредной двуокиси азота.
А в это же время нейтрализации двуокиси и системы фильтрации азота в современных машинах очень дорогостоящи. Брюс кроме этого предполагает, что тёплый пар может предотвращать появление нагара на стенках и клапанах камеры сгорания, очищая их на протяжении «парового» такта подобно пароочистителю. Но для подтверждения этого результата требуются долгие опробования прототипа.
Концепция 6-тактного Steam-o-Lene с «паровым» рабочим тактом возможно модифицирована и дополнена за счет углубленного изучения термодинамики процесса. Брюсу думается перспективной установка на двигатель турбокомпаунда — совокупности, в которой за турбиной нагнетателя в выпускном тракте направляться силовая турбина, информирующая дополнительный крутящий момент коленчатому валу двигателя при помощи гидромуфты. Турбокомпаунд имел возможность бы повысить эффективность работы двигателя еще на 10−15%.
Кое-какие эксперты, разбиравшие концепцию 6-тактного ДВС с впрыском воды, отмечают, что теоретически вероятны кроме того два последовательных паровых такта. В случае если это подтвердится на протяжении опробований, то Steam-o-Lene может стать уже 8-тактным и еще более экономичным.
Ложка дегтя
Очевидно, концепция Кроуэра не лишена недочётов. Главная неприятность — это замерзание воды зимний период. Добавление антифриза может очень плохо сказаться на экологических параметрах и эффективности испарения двигателя.
Проблему имела возможность бы решить термоизоляция водяного резервуара и его предварительный подогрев от аккумулятора. Но как быть, в случае если автомобиль долгое время находится на открытом воздухе?
Вторая неприятность — необходимость установки на автомобиле дополнительного оборудования для конденсации и хранения воды. Действительно, масса его обещает быть незначительной: в рабочем контуре вода и пар будут пребывать при максимальной температуре и атмосферном давлении чуть более 100?С, что разрешает применять вместо металла легкие пластмассы. Нельзя исключать, что часть воды будет попадать в моторное масло и это потребует установки особого сепаратора для ее отделения.
Но, в далеком прошлом отработанные разработки смазки паровых турбин для потребностей энергетики имеют множество готовых ответов данной неприятности. Для изготовления клапанов, гильзы и поршня цилиндра, вероятнее, потребуются нержавеющие материалы, в частности керамика.
Steam-o-Lene не имеет возможности трудиться полноценно сразу после запуска — ему необходимо время для разогрева рабочих поверхностей камеры сгорания до 450−500?С. Пара мин. он трудится как простой 4-тактный ДВС, а после этого переходит на полный рабочий цикл. Перед остановкой мотор также обязан некое время поработать в 4-тактном режиме для полного удаления пара из цилиндра.
Очевидно, вода должна быть дистиллированной: при применении простой на седле клапана со временем образуется жёсткая накипь, владеющая высокими абразивными особенностями. При серийном производстве двигателей цикла Кроуэра нужно будет наладить целую реализации и инфраструктуру производства дистиллированной воды.
сельское справка
хозяйство и Историческая Теплоэнергетика
Разработка взяла широкое использование в эксплуатации и теплоэнергетике корабельных силовых установок. А на Харьковском тракторном заводе в 1930-х годах выпускалась модель трактора с совокупностью впрыска воды в цилиндры. Его создатели были потом репрессированы «за вредительство» — из-за того что при эксплуатации вместо дистиллированной воды нерадивые трактористы заливали в резервуар несложную техническую воду. Больше в СССР желающих рисковать головой не нашлось.
Но на Западе в 1930—1940-х годах впрыск воды в ДВС завоевал огромную популярность как несложный и снижения детонации повышения и эффективный способ мощности.
Водяной форсаж авиадвигателей
Разработка активно использовалась на протяжении Второй мировой в радиальных авиационных двигателях американских и германских самолетов для краткосрочного форсажа. Совокупностью впрыска воды оснащались авиамоторы Daimler Benz серии 605 и BMW 801D для Messerschmitt Bf 109, Junkers Jumo 213 A1 для FockeWulf 190D, Pratt & Whitney J57 для американского B-29 Stratofortress и многие другие. Вода добавлялась в уже готовую смесь, охлаждая ее, и попадала вместе с ней в камеру сгорания.
От контакта с раскаленной поверхностью стенок и поршня цилиндра вода мгновенно преобразовывалась в пар, что помогал рабочим газам толкать поршень. Предварительное охлаждение топливовоздушной смеси разрешало расширить ее количество на впрыске и повышало эффективность сгорания горючего. Потом воду заменили особой смесью MW-50, складывающейся из равных частей воды и метанола, тем самым увеличив мощность двигателей на 25−30%.
Производители машин, в частности Chrysler, кроме этого использовали данный способ для снижения детонации и увеличения мощности на моделях с моторами громадного количества. Saab, компания с авиационными корнями, устанавливала совокупность впрыска воды на скоростном Saab 99 Turbo S впредь до начала 1980-х годов. С возникновением интеркулеров, охлаждающих воздушное пространство перед впрыском в цилиндры, использование воды в автомобильных моторах утратило актуальность.
Живая легенда
Брюс Кроуэр уже более шестидесяти лет занимается совершенствованием двигателей внутреннего сгорания. В 20 лет Брюс открыл собственную мастерскую по подготовке двигателей для автогонок. В первой половине 50-ых годов XX века он установил рекорд скорости в одном из классов машин на соляных озерах Бонневиля. Брюсу так и не хватило времени взять диплом инженера, но он с лихвой компенсировал недостаток знаний богатейшей практикой.
Изобретатель в одиночку сумел выстроить неповторимый восьмицилиндровый оппозитный двигатель Crower 8 с уникальным автоматическим узлом сцепления для гоночных болидов серии «Индианаполис». Всю работу, от инженерных расчетов до стендовых опробований, он проделал собственными руками. Во второй половине 70-ых годов XX века Общество автомобильных инженеров (SAE) отметило Crower 8 почетной премией Луиса Швитцера за выдающиеся инновации.
В Америке имя Кроуэра в далеком прошлом стало нарицательным — известные тюнинговые распредвалы Crower уже десятки лет употребляются многими опытными и любительскими гоночными командами, а особенные титановые шатуны Crower Special закупают кроме того известные «конюшни» «Формулы-1». Джон Колетти, продолжительное время руководивший спортивным подразделением компании Ford Motors SVT, так охарактеризовал Кроуэра: «Брюс — это изобретатель и инженер, владеющий интуицией и огромным опытом.
Он не опасается браться за тяжёлые задачи и неизменно нацелен на успех. Именно это и отличает его от большинства людей, каковые из-за страха потерпеть неудачу предпочитают следовать за трендом».
Принципиальная схема BMW Turbosteamer
- Принципиальная схема BMW Turbosteamer
Германские инженеры оставили на месте совокупность охлаждения двигателя и добавили в конструкцию последовательность сложных запасных компонентов, а также теплообменник, отбирающий тепловую энергию выхлопных газов, герметичный паровой котел и паровую турбину, связанную с коленчатым валом двигателя ременным приводом. По утверждению разработчиков, применение «парового двигателя» Turbosteamer дает прирост мощности и крутящего момента на 10% и экономию горючего около 15%.
Вес дополнительных компонентов превышает 100 кг. Инженерное ответ Steam-o-Lene выглядит намного красивее германского: вместо усложнения совокупности Кроуэр предлагает ее большое упрощение. Шеститактный Steam-o-Lene легче собственного четырехтактного аналога кроме того с учетом массы воды и конденсатора.
Германская разработка, наоборот, увеличивает неспециализированный вес двигателя. Наконец, заявленный прирост эффективности Turbosteamer в два с половиной раза ниже, чем у Steam-o-Lene: 15% против 40.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№68, июнь 2008).
<
h4>