В шеститактном двигателе Брюса Кроуэра сгоревшее топливо повторно совершает работу, возвращаясь к жизни в виде горячего пара
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.
Шесть тактов двигателя внутреннего сгорания цикла 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.
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.
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.
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.
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.
www.popmech.ru
Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению. Способ включает впуск в цилиндр воздуха на первом такте, сжатие на втором, впрыск топлива в сжатый воздух, воспламенение и сжигание топлива, расширение продуктов сгорания на третьем такте, на четвертом такте дополнительное сжатие продуктов сгорания и частиц несгоревшего топлива, впрыск жидкости в надпоршневое пространство, на пятом такте парообразование жидкости и дожигание частиц топлива, на шестом также вытеснение в атмосферу продуктов сгорания с частицами пара, в надпоршневое пространство впрыскивают жидкость в конце четвертого такта, в качестве жидкости используют нейтрализующую жидкость или жидкость в смеси с малотоксичным топливом. Двигатель снабжен форсункой для впрыска нейтрализующей жидкости или жидкости в смеси с малотоксичным топливом. Форсунка выполнена комбинированной для совместного впрыска топлива и нейтрализующей жидкости или топлива и нейтрализующей жидкости в смеси с малотоксичным топливом. Изобретение позволяет повысить эффективный КПД двигателя, снизить шум при выхлопе продуктов сгорания, а также уменьшить их токсичность. 3 с.п.ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, в частности к конструкциям шеститактных двигателей внутреннего сгорания и способам их работы.
Известен способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением путем впуска в цилиндр наддувочного воздуха на первом такте, его сжатия на втором такте в цилиндре и в дополнительной камере, впрыска топлива в сжатый воздух, воспламенения и сжигания топлива, расширения продуктов сгорания с совершением первого рабочего хода на третьем такте, выпуска отработавших газов на четвертом такте, впуска подогретого воздуха из дополнительной камеры в цилиндр, расширения и совершения второго рабочего хода на пятом такте, вытеснения отработавшего воздуха в теплообменник и далее - в форсажную камеру на шестом такте (см. авт. св. СССР N 1254185, кл. F 02 B 75/02). Недостатками описанного способа работы двигателя внутреннего сгорания являются токсичность отработавших газов, загрязняющих окружающую среду, шум при выхлопе отработавших газов из цилиндра вследствие их высокой скорости, потеря энергии за счет выпуска и охлаждения отработавших газов из цилиндра на четвертом такте. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания, включающий впуск в цилиндр воздуха на первом такте, сжатие на втором такте, впрыск топлива в сжатый воздух, воспламенение и сжигание топлива, расширение продуктов сгорания на третьем такте, на четвертом такте дополнительное сжатие продуктов сгорания и частиц несгоревшего топлива, впрыск жидкости в надпоршневое пространство, на пятом такте парообразование жидкости и дожигание частиц топлива, на шестом такте вытеснение в атмосферу продуктов сгорания с частицами пара (заявка РСТ, WO 95/32360, кл. F 02 B 75/02, 1995). Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является шеститактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий коленчатый вал, цилиндр, поршень, головку цилиндра с впускным и выпускным клапанами газораспределения, механизм для подачи топлива в цилиндр (см. там же). Недостатками этого двигателя внутреннего сгорания являются низкий КПД двигателя вследствие неполного сгорания топлива, выпуска из цилиндра отработавших газов, обладающих высокой температурой и энергией; отсутствие нейтрализации продуктов сгорания от токсичных компонентов, образующихся в цилиндре под воздействием высокой температуры и вследствие неполного сгорания топлива, повышенный шум при выхлопе продуктов сгорания, выбрасываемых из цилиндра с большой начальной скоростью. Сущность изобретения заключается в том, что в способе работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания путем впуска в цилиндр воздуха на первом такте, сжатия на втором также, впрыска топлива в сжатый воздух, воспламенения и сжигания топлива, расширения продуктов сгорания на третьем такте, на четвертом такте дополнительное сжатие продуктов сгорания и частиц несгоревшего топлива, впрыск жидкости в надпоршневое пространство, на пятом такте парообразование жидкости и дожигание частиц топлива, на шестом такте вытеснение в атмосферу продуктов сгорания с частицами пара, при этом в надпоршневое пространство впрыскивают жидкость в конце четвертого такта, в качестве жидкости используют нейтрализующую жидкость или нейтрализующую жидкость в смеси с малотоксичным топливом, которая нейтрализует отработавшие газы. Сущность изобретения заключается также в том, что шеститактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий коленчатый вал, цилиндропоршневую группу и механизм для подачи топлива в цилиндр, при внешнем смесеобразовании снабжен форсункой для впрыска нейтрализующей жидкости или нейтрализующей жидкости в смеси с малотоксичным топливом. Сущность изобретения заключается также в том, что шеститактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий коленчатый вал, цилиндропоршневую группу, механизм для подачи топлива в цилиндр и дополнительную форсунку для впрыска жидкости, механизм для подачи топлива в цилиндр и дополнительная форсунка выполнены в виде комбинированной форсунки для совместного впрыска топлива и нейтрализующей жидкости в смеси с малотоксичным топливом. Техническим результатом является повышение эффективного КПД двигателя, снижение шума при выхлопе продуктов сгорания, а также уменьшения их токсичности. Конструкции предлагаемого шеститактного двигателя внутреннего сгорания поясняются чертежом, где на фиг. 1 изображен вариант двигателя с внешним смесеобразованием, снабженного дополнительной форсункой, на фиг. 2 - вариант двигателя с внутренним смесеобразованием, снабженного комбинированной форсункой. Шеститактный двигатель внутреннего сгорания (см. фиг. 1,2, 3) содержит блок цилиндров 1, цилиндр 2, поршень 3, коленчатый вал 4, шатун 5, головку 6 блока цилиндров 1, механизм подачи топлива с впускным 7 и выпускным 8 клапанами. При внешнем смесеобразовании (см. фиг. 1) шеститактный двигатель внутреннего сгорания снабжен форсункой 9 для впрыска нейтрализующей жидкости или нейтрализующей жидкости в смеси с малотоксичным топливом, а также свечой зажигания 10. Механизм для подачи топлива в цилиндр выполнен в виде впускного 7 и выпускного 8 клапана. Также при внутреннем смесеобразовании (см. фиг.3) механизм для подачи топлива в цилиндр и форсунка для впрыска нейтрализующей жидкости или нейтрализующей жидкости в смеси с малотоксичным топливом выполнены в виде комбинированной форсунки 12, например, с двумя соплами для совместного впрыска топлива и нейтрализующей жидкости или топлива и нейтрализующей жидкости в смеси с малотоксичным топливом. Способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания при внешнем смесеобразовании (см. фиг. 1) осуществляют следующим образом. Внутреннее пространство цилиндра 2 на первом такте при движении поршня 3 к нижней мертвой точке заполняют топливовоздушной смесью, поступающей через открытый впускной клапан 7. При этом выпускной клапан 8 закрыт. В последующем на втором такте при движении поршня 3 от нижней мертвой точки впускной клапан 7 закрывают, производят сжатие топливовоздушной смеси. При подходе поршня к верхней мертвой точке происходит воспламенение смеси от свечи зажигания 10. На третьем такте при движении поршня 3 к нижней мертвой точке топливо сгорает, совершается рабочий ход. При последующем движении поршня 3 к верхней мертвой точке на четвертом такте впускной 7 и выпускной 8 клапаны остаются закрытыми, производят дополнительное сжатие продуктов сгорания и частиц несгоревшего топлива, а при подходе поршня 3 к верхней мертвой точке через форсунку 9 в надпоршневое пространство цилиндра 2 впрыскивают нейтрализующую жидкость, например дистиллированную воду, или нейтрализующую жидкость в смеси с малотоксичным топливом, например газообразным. На пятом такте под воздействием высокой температуры продуктов сгорания и значительного роста давления осуществляют парообразование нейтрализующей жидкости, нейтрализацию отработавших работавших газов и дожигание частиц топлива, вследствие чего совершается второй рабочий ход. На шестом такте при движении поршня 3 к верхней мертвой точке открывают выпускной клапан 8 и производят выброс из цилиндра 2 в атмосферу нейтрализованных продуктов сгорания с частицами пара. Способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания при внутреннем смесеобразовании (см. фиг. 2) осуществляют следующим образом. Внутреннее пространство цилиндра 2 на первом такте при движении поршня 3 к нижней мертвой точке заполняют воздухом, поступающим через открытый впускной клапан 7, выпускной клапан 8 закрыт. В последующем на втором такте при движении поршня 3 от нижней мертвой точки впускной клапан 7 закрывают, производят сжатие воздушной смеси. При подходе поршня 3 к верхней мертвой точке в надпоршневое пространство цилиндра 2 через форсунку 11 впрыскивают топливо, которое вследствие высоких давления и температуры воспламеняется, при сгорании воздействует на поршень 3, совершающий на третьем такте рабочий ход. На четвертом такте при движении поршня 3 к верхней мертвой точке впускной 7 и выпускной 8 клапаны остаются закрытыми, производят дополнительное сжатие продуктов сгорания и частиц несгоревшего топлива, а в момент подхода поршня 3 к верхней мертвой точке через форсунку 9 в надпоршневое пространство цилиндра 2 впрыскивают нейтрализующую жидкость, например дистиллированную воду, или нейтрализующую жидкость в смеси с малотоксичным топливом, например газообразным. На пятом такте под воздействием высокой температуры продуктов сгорания и значительного роста давления осуществляют парообразование нейтрализующей жидкости, нейтрализацию отработавших газов и дожигание частиц топлива, вследствие чего совершается второй рабочий ход. На шестом такте при движении поршня 3 к верхней мертвой точке открывают выпускной клапан 8 и производят выброс из цилиндра 2 в атмосферу нейтрализованных продуктов сгорания с частицами пара. Способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания при внутреннем смесеобразовании осуществляют следующим путем (см. фиг. 3). Первый, второй, третий, пятый и шестой такты производят так же, как и в описанном выше втором способе работы. В конце четвертого такта в надпоршневое пространство цилиндра 2 через комбинированную форсунку 12, например, с двумя соплами, впрыскивают топливо и нейтрализующую жидкость, например дистиллированную воду, или топливо и нейтрализующую жидкость в смеси с малотоксичным топливом, например газообразным. При работе двигателя по предлагаемому способу соотношение оборотов коленчатого и распределительного валов будет соответствовать 3:1, а именно за три оборота коленчатого распределительный вал будет совершать один оборот. Шеститактный двигатель внутреннего сгорания при внешнем смесеобразовании (см. фиг. 1) работает следующим образом. На первом такте через механизм для подачи топлива, выполненный в виде впускного клапана 7, внутреннее пространство цилиндра 2 при движении поршня 3 к нижней мертвой точке заполняется топливовоздушной смесью. Выпускной клапан 8 закрыт. На втором такте при движении поршня 3 от нижней мертвой точки впускной клапан 7 закрывается. Производится сжатие топливовоздушной смеси и при подходе поршня 3 к верхней мертвой точке - воспламенение смеси от свечи зажигания 10. На третьем такте поршень 3 движется к нижней мертвой точке, топливо сгорает и совершается рабочий ход. Далее на четвертом такте поршень 3 движется к верхней мертвой точке, впускной 7 и выпускной 8 клапаны закрыты, производится дополнительное сжатие продуктов сгорания и частиц несгоревшего топлива, а при подходе поршня 3 к верхней мертвой точке в надпоршневое пространство цилиндра 2 впрыскивается форсункой 9 нейтрализующая жидкость или нейтрализующая жидкость в смеси с малотоксичным топливом. На пятом такте совершается второй рабочий ход, а на шестом - при движении поршня 3 к верхней мертвой точке открывается выпускной клапан 8 и нейтрализованные продукты сгорания с частицами пара вытесняются из цилиндра 2 в атмосферу. Шеститактный двигатель внутреннего сгорания при внутреннем смесеобразовании (см. фиг. 3) работает следующим образом. На первом, втором, третьем, пятом и шестом тактах работа двигателя происходит так же, как и в описанном выше варианте двигателя с внутренним смесеобразованием по фиг. 2. В конце четвертого такта в надпоршневое пространство цилиндра 2 комбинированной форсункой 12 впрыскиваются топливо и нейтрализующая жидкость или топливо и нейтрализующая жидкость в смеси с малотоксичным топливом. Таким образом, предлагаемые способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания и варианты его конструктивного выполнения позволяют повысить эффективный КПД двигателя, снизить шум при выхлопе продуктов сгорания, а также уменьшить их токсичность.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2www.findpatent.ru
Современные авто движки характеризуются высочайшей мощностью, низким коэффициентом шума и экономичностью – дизельные установки рабочим объемом 2 л на наивысшем вращающем моменте потребляют на 100 км 6 л горючего. Но очень достижимый КПД дизельных движков, использующих технологию TwinTurbo, составляет только 33%, а бензиновых – 25%.
Основной неувязкой, встающей при попытке роста КПД, являются высочайшие температуры рабочих процессов в четырехтактных ДВС Отто (в камере сгорания температура газа добивается 2000°C), в итоге чего происходит нагрев внутренней стены цилиндра и рабочей поверхности поршня до 1500°C. Также часть термический энергии отводится из камеры сгорания с выхлопными газами на 4-ом такте. Нужным условием в таком режиме работы является наличие сильной и надежной системы остывания, позволяющей поддерживать температуру камеры сгорания на рациональном уровне.
Перегрев мотора – основная неувязка высокооборотных спортивных движков. Во время заезда снутри кокпита температура может подниматься до 70°C, при всем этом отдельные элементы мотора могут накалиться докрасна. Таким макаром выходит, что значимая часть энергии горючего расходуется на нагрев частей конструкции автомобиля, который никчемно рассеивается в окружающую среду. Над решением данной трудности разламывали голову многие изобретатели, но отыскать обычный и действенный выход удалось 75-летнему Брюсу Кроуэру – изобретателю, на практике продемонстрировавшему работоспособность собственного устройства.
К созданию действующего макета мотора, использующего тепло мотора для вращения коленчатого вала, Брюс шел в течение 30 лет. В конце концов, он пришел к умозаключению, что концепция Отто несовершенна – для большей эффективности требуется добавить еще 2 такта. Эти такты (рабочий и холостой) производятся не очередной порцией топливовоздушной консистенции, а за счет энергии лишней температуры. Рабочим телом в установке Кроуэра являлась вода, которая обладает таковой чертой как 1600-кратное повышение объема при превращении из водянистого состояния в парообразное. Таким макаром удается при атмосферном давлении сделать припас колоссальной энергии.
Принцип функционирования доработанного мотора последующий. Впрыскивание воды в камеру сгорания под давлением 150 атм. осуществляется в конце 4-ого цикла, при возвращении поршня в начальное положение. Мелкие капельки воды попадают на подогретую поверхность гильзы и поршня цилиндра и испаряются, создавая давление, толкающее поршень вниз (5-ый такт). После чего делается удаление через выпускной клапан отработанного пара из камеры сгорания. Таким макаром осуществляется дополнительная нужная работа термический энергии спаленного горючего, а данная разработка получила заглавие Steam-o-Lene.
Различие в циклах Кроуэра и Отто заключается не только лишь в количестве тактов, да и в отношении количества рабочих к полному количеству тактов. В цикле Отто данный параметр составляет 1:4, а в цикле Кроуэра – 1:3. Проведя легкие расчеты можно убедиться, что 40% полезной работы в цикле Кроуэра совершаются без роли горючего. В конце 4-го такта отсутствует полное удаление из камеры сгорания раскаленных выхлопных газов, которые потом сжимаются поршнем. В сделанном завышенном давлении в камере сгорания вода испаряется существенно равномернее и резвее. Отработанный пар отводится в конденсатор, в каком, охлаждаясь, вновь перебегает в жидкое состояние. Остаточное тепло воды употребляется в отопительной системе салона автомобиля.
Для проверки собственных рассуждений и расчетов Брюс использовал дизельный движок одноцилиндрового типа, переделанный для работы на бензине. В качестве усовершенствований этот движок получил освеженную конструкцию распределительного вала системы впрыска. Для впрыска воды использовалась дизельная форсунка. Не считая того, был отсоединен вентилятор охлаждающей системы, способный воздействовать на результаты опыта. После подсоединения топливного тракта к двум бакам (с незапятанной водой и бензином) был произведен запуск мотора. Больше часа его работы не привели к существенному увеличению температуры установки.
В течение года Брюс Кроуэр был занят проведением тестов с разными опциями впрыска воды и газораспределения. За этот период времени он совсем убедился в работоспособности концепции Steam-o-Lene, потому немедленно приступил к патентованию изобретения. И здесь выяснилось, что схожая мысль была патентована еще в 1920 году Леонардом Дайером, но беря во внимание, что к данному патенту не было проявлено особенного внимания со стороны автопроизводителей, патентным ведомством США ценность изобретательства был признан за Кроуэром.
Главным преимуществом технологии Steam-o-Lene над обычным ДВС является радикальное решение трудности остывания корпуса камеры сгорания, за счет чего из конструкции исключаются, весящая выше 100 кг, охлаждающая система и решетка радиатора, что содействует улучшению коэффициента аэродинамического сопротивления автомобиля на больших скоростях. Не считая того достигается существенное (до 30 – 50%) форсирование движков по степени сжатия без допущения детонации – для бензиновых до (14 – 16):1, для дизельных до (25 – 35):1. Таким макаром, за счет увеличения эффективности при сгорании топливовоздушной консистенции удается сделать лучше экологические характеристики движков.
Расширение числа тактов до 6 обеспечило возможность значимого понижения скорости вращения коленвала для получения более ровненькой и насыщенной «полки» вращающего момента даже на низких оборотах. В качестве предстоящей модификации Steam-o-Lene подразумевается внедрение в композиции с движком турбокомпаунда – силовой турбины, последующей в выпускном тракте за турбиной нагнетателя. Она создана для сообщения коленвалу дополнительного вращающего момента через гидромуфту. Увеличение эффективности мотора за счет внедрения турбокомпаунда составляет 10 – 15%. Не считая того, разработаны предложения по использованию не 2-ух, а 4 и поболее паровых тактов.
Необходимо отметить, что в технологии Steam-o-Lene имеется и ряд недочетов, основной – это замерзание воды. Эта неувязка не решается добавлением в воду антифриза, так как в данном случае приметно ухудшаются экологические и испарительные характеристики системы. Также появляется необходимость в установке на автомобиль дополнительных резервуаров для воды и оборудования для ее конденсации. Ну и, в конце концов, будет нужно создание разветвленной инфраструктуры по производству и сбыту дистиллированной воды.
carsliga.ru
Слайд 1
Сравнение 4-тактного двигателя и 6-тактного двигателя Б.К роуэра Чубик Павел 8 а 2012 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.Слайд 2
4-тактный двигатель Первый такт, впуск. Поршень идет вниз, клапан впуска открывается, и топливная смесь поступает из карбюратора в цилиндр. Когда поршень достигает нижнего положения, клапан впуска закрывается . Второй такт, сжатие . Поршень идет вверх, топливная смесь сжимается. Кокда поршень находится в нескольких миллиметрах от верхней мертвой точки ( ВМТ ), свеча воспламеняет топливо, сжатое поршнем. Третий такт, рабочий ход (расширение). После воспламенения горючего оно сгорает, горячие газы быстро расширяются, толкая поршень вниз (оба клапана закрыты). Четвертый такт, выпуск. По инерции коленвал продолжает свое вращение (для равномерности вращения на коленвале установлены грузы - щеки коленвала ), поршень идет наверх. Одновременно открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выходят в выхлопную трубу. При достижениии поршнем ВМТ , выпускной клапан закрывается
Слайд 3
Шеститактный двигатель — это тип двигателя внутреннего сгорания, для которого за основу взят четырёхтактный двигатель, но в нём в конструкцию введены новые элементы, повышающие его КПД и снижающие потери. При первом подходе двигатель задерживает потери тепла от четырёхтактного цикла Отто или цикла Дизеля, и использует их в качестве дополнительной мощности и во время выпускного хода поршня в том же самом цилиндре. В конструкциях таких двигателей используется пар или воздух в качестве рабочей среды для добавочного хода поршня, при котором вырабатывается мощность При втором подходе шеститактные двигатели используют в каждом цилиндре второй поршень, расположенный напротив основного, который движется с частотой, равной половине частоты основного поршня, и таким образом имеется шесть ходов поршней за каждый цикл. Функционально второй поршень заменяет клапанный механизм традиционного двигателя, но к тому же ещё и увеличивает степень сжатия l типа ll типа
Слайд 4
6-тактный двигатель Б.Кроуэра 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 .
Слайд 5
+ 6-тактного двигателя Б.Кроуэра 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.
Слайд 6
- 6-тактного двигателя Б.Кроуэра 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.
Слайд 7
M4+2 Двигатели M4+2 реализованы в двигателях Бир Хэд , содержащих два противоположно расположенных поршня в одном цилиндре. Один из поршней движется с частотой, равной половине частоты другого поршня. Основной функцией второго поршня является замена клапанного механизма обычного четырёхтактного двигателя.
Слайд 8
источники https:// ru.wikipedia.org http:// www.popmech.ru/article/3378-parovoy-fantom-topliva
nsportal.ru
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом техническом решении продукты сгорания не выпускаются в атмосферу, а претерпевают дополнительный такт сжатия и, в зоне достижения поршнем верхней мертвой точки, в камеру сгорания впрыскивается дозированная струя воды. При этом за счет еще очень высокого теплосодержания продуктов сгорания вода испаряется и создается дополнительное рабочее тело (продукты сгорания плюс пары воды), которое совершает второй полноценный (аналогичный первому) рабочий ход. И только по завершении второго рабочего хода отработавшее рабочее тело выпускается в атмосферу (шестой такт). Отличительная особенность описываемого шеститактного двигателя состоит в том, что камера сгорания каждого цилиндра выполнена цилиндроконической и дополнительно снабжена форсункой для впрыскивания в камеру сгорания воды при помощи насоса высокого давления. 3 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к области автомобилестроения, и может использоваться в других отраслях промышленности, где применяются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и предназначено существенно повысить их эффективность.
Поиск аналогов технических решений выполнен по источникам патентной и технической информации России (СССР), США, Германии, Франции, Великобритании, Японии, Европейского патентного ведомства за период с 1929 по 2014 год. Выявлены оригинальные технические решения по совершенствованию ДВС.
Наиболее близким техническим решением является четырехтактный двигатель внутреннего сгорания по заявке №2009123674/06, опубл. 27.12.2010, бюл. №36. Данный ДВС имеет спаренные цилиндры - основной и дополнительный, причем выходная труба основного цилиндра является одновременно входной трубой дополнительного цилиндра. Рабочий процесс этого ДВС организован таким образом: отработавшие продукты горения основного цилиндра не выпускаются в атмосферу, а поступают в дополнительный цилиндр и используются в качестве составной части рабочего тела вместе с парами воды, впрыскиваемой в дополнительный цилиндр. Впрыск воды в дополнительный цилиндр производят в конце такта сжатия в дополнительном цилиндре. В последнем реализуется четырехтактный цикл, как и в основном цилиндре за исключением того, что в основном цилиндре рабочий цикл осуществляется за счет сгорания бензино-воздушной смеси и образовавшегося при этом рабочего тела в виде продуктов горения, а в дополнительном - за счет рабочего тела, полученного как сумма продуктов горения и паров воды, впрыскиваемой в дополнительный цилиндр и испарившейся за счет высокого теплосодержания продуктов горения, поступивших из основного цилиндра. Дозирование массы впрыскиваемой воды осуществляется из расчета создания в дополнительном цилиндре давления, равного давлению в основном цилиндре при совершении в нем такта рабочего хода.
Таким образом, в известном ДВС, который является прототипом заявляемого, рабочий процесс организован с использованием дополнительного цилиндра. Несмотря на его положительные качества, в том числе: уменьшение удельного расхода горючего практически в два раза по сравнению с лучшими современными образцами ДВС; снижение токсичности продуктов горения; снижение тепловой нагрузки на двигатель; снижение шумности работы; повышение термодинамического КПД двигателя, он имеет недостаток, заключающийся в усложненной по сравнению с существующими двигателями конструкции.
Основной задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции ДВС при сохранении всех остальных качеств прототипа.
Данная задача решается изменением организации рабочего процесса в двигателе и конструктивными изменениями двигателя. Организация рабочего процесса состоит в том, что после завершения такта рабочего хода продукты горения не выпускаются в атмосферу, а претерпевают дополнительное сжатие и в зоне достижения поршнем верхней мертвой точки в камеру сгорания впрыскивают струю воды, которая за счет еще очень высокого теплосодержания продуктов горения испаряется, создавая дополнительное рабочее тело в виде парообразной воды. Суммарное рабочее тело (продукты горения и пары воды) совершают дополнительный рабочий ход и только потом последний такт - выпуск охлажденных продуктов сгорания с парами воды в атмосферу.
Рабочий процесс реализуется в шеститактном двигателе внутреннего сгорания, включающем, по меньшей мере, один цилиндр с поршнем и шатуном, скрепленным с коленчатым валом, головку блока цилиндров с газораспределительным механизмом и камерами сгорания, при этом каждая камера сгорания выполнена цилиндроконической и снабжена, по меньшей мере, одной свечой зажигания и, по меньшей мере, одной форсункой для впрыска в камеру сгорания воды, двигатель дополнительно снабжен емкостью с водой и импульсным насосом высокого давления для подачи воды через форсунку в продукты сгорания, сжатые после рабочего хода от горения бензовоздушной смеси для совершения дополнительного рабочего хода, причем свеча зажигания вмонтирована в цилиндрической части камеры сгорания, а форсунка вмонтирована в конической части камеры.
Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения «новизна».
Сущность изобретения иллюстрируется чертежом.
На фиг. 1 показана схема головки блока цилиндров (ГБЦ).
Позицией 1 обозначен корпус цилиндра, позицией 2 - камера сгорания, позицией 3 - шаровой клапан, позицией 4 - входная труба, позицией 5 - выходная труба, позицией 6 - форсунка, позицией 7 - свеча зажигания, позицией 8 - поршень, позицией 9 - выемка в шаровом клапане.
Последовательность работы элементов двигателя показана на фиг. 2.
При впуске бензино-воздушной смеси полость входной трубы через выемку в шаровом клапане соединяется с полостью цилиндра, который заполняется горючей смесью при движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), при этом выпускная труба закрыта. При обратном движении поршня (от НМТ к ВМТ) происходит такт сжатия (Сж.-1).
В момент достижения поршнем зоны ВМТ происходит зажигание горючей смеси и поршень совершает такт рабочего хода (Рх.-1) за счет горения горючей смеси. После завершения Рх.-1 поршень поднимается к ВМТ и происходит второй такт сжатия (Сж.-2). В момент достижения поршнем зоны ВМТ (завершение такта Сж.-2) происходит впрыск воды в камеру сгорания, вода испаряется, создается смесь рабочего тела (продукты горения и водяной пар), который создает второй рабочий ход поршня (Рх.-2). При этом выпускная и впускная трубы закрыты. При обратном движении поршня (к ВМТ) выпускная труба открывается и продукты горения вместе с парами воды выпускаются в атмосферу - это шестой такт рабочего цикла двигателя по данному изобретению.
Термодинамическое обоснование работоспособности такого двигателя подобно обоснованию работоспособности ДВС прототипа [9].
Температура выхлопных газов по предлагаемому техническому решению существенно ниже, чем у существующих четырехтактных двигателей, а термодинамический КПД существенно выше и может превышать 70%. Снижение температуры выхлопных газов определяется расходом теплоты продуктов горения на парообразование впрыскиваемой воды для совершения второго полноценного рабочего хода (Рх.-2). Токсичность выхлопных газов снижается за счет разбавления их парами воды примерно в два раза. Шумность работы двигателя снижается за счет существенного снижения скорости истечения выхлопных газов по сравнению с современными четырехтактными ДВС. Тепловые нагрузки на двигатель снижаются также за счет расхода тепла на парообразование воды.
Сравнение заявляемого с другими техническими решениями не выявило в них признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень»
На фиг. 3 приведена P, V - диаграмма шеститактного цикла ДВС по предлагаемому изобретению. Исходное состояние соответствует точке 0 на диаграмме. В этой точке P = 1 ат; V = Vкс (где Vкс - объем камеры сгорания). В такте «впуск» горючая смесь заполняет объем всего цилиндра Vц. На диаграмме это т. 1. Переход из состояния 0 в состояние 1 процесс изобарный (P = const). В т. 1 давление P = 1 ат; V = Vц (объем цилиндра включает объем рабочего хода цилиндра и объем камеры сгорания, т.е. Vц = Vр.х. + Vкс). Следующий такт «сжатие» (Сж-1) происходит в изотермических условиях (T = const) и система переходит в состояние, соответствующее т. 2 диаграммы (поршень достигает верхней мертвой точки). В этой точке происходит зажигание горючей смеси, давление возрастает при постоянном объеме (V = const-изохорный процесс) и система приобретает состояние, соответствующее точке 3 на диаграмме. Далее совершается такт «рабочий ход» за счет продуктов сгорания горючей смеси (Рх-1). При этом в цилиндре падает давление до некоторого остаточного, а объем, занимаемый продуктами горения, увеличивается до значения Vц. Система приобретает состояние, соответствующее точке 4 на диаграмме.
В современных четырехтактных двигателях точка 4 на диаграмме соответствует выпуску продуктов горения в атмосферу. Но согласно сформулированному нами способу организации рабочего процесса ДВС продукты горения после завершения рабочего хода (Рх.-1) не выбрасываются в атмосферу, а претерпевают дополнительное сжатие. Этот процесс описывается кривой 4-5 диаграммы (Сж.2). В т. 5 продукты горения сжимаются до объема камеры сгорания (V = Vкс) и в этот момент происходит впрыск воды, вода испаряется и за счет смешанного рабочего тела (продукты сгорания + пары воды) давление в камере сгорания повышается до уровня, необходимого для совершения полноценного рабочего хода, т.е. система принимает состояние, соответствующее т. 6 диаграммы, эквивалентное состоянию 4. Далее совершается такт второго рабочего хода (Рх.-2). По завершении Рх-2 система приходит в состояние, соответствующее т. 7 диаграммы. Здесь происходит истечение продуктов горения и паров воды, система приходит в исходное состояние.
Примечание
В описании изобретения использованы примеры ДВС с нетрадиционным газораспределительным механизмом (ДВС по патенту РФ №2333368 от 10.09.2008, в котором вместо тарельчатых клапанов использованы шаровые клапана). Однако предлагаемая организация рабочего процесса ДВС в равной мере применима для любого газораспределительного механизма, в том числе традиционного, используемого в современных ДВС.
Источники информации
1. Патент США №1719116 МПК F01L 7/10 от 2.07.1929.
2. Патент США №4513568 от 30.04.1985.
3. Патент США №4809511 от 7.03.1989.
4. Патент РФ №2333368 от 10.09.2008.
5. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: Учебник для вузов/под ред. В.Н. Луканина, - 2-е изд. - М.: Высшая школа, 2005.
6. Большая российская энциклопедия. Т. 8, М.: 2008.
7. Техническая термодинамика. Под ред. В.И. Крутова. М.: Высшая школа, 1991.
8. Блинов М.В., Блинов В.И. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Заявка №2009123674/06, публ. 27.12.2010, бюл. №36.
9. Блинов В.И., Блинов М.В. Организация технической системы с использованием энергии отработавших газов. Сб. научных трудов МАДИ. М., 2011.
Шеститактный двигатель внутреннего сгорания, включающий, по меньшей мере, один цилиндр с поршнем и шатуном, скрепленным с коленчатым валом, головку блока цилиндров с газораспределительным механизмом и камерами сгорания, отличающийся тем, что каждая камера сгорания выполнена цилиндроконической и снабжена, по меньшей мере, одной свечой зажигания и, по меньшей мере, одной форсункой для впрыска в камеру сгорания воды, двигатель дополнительно снабжен емкостью с водой и импульсным насосом высокого давления для подачи воды через форсунку в продукты сгорания, сжатые после рабочего хода от горения бензовоздушной смеси для совершения дополнительного рабочего хода, причем свеча зажигания вмонтирована в цилиндрической части камеры сгорания, а форсунка вмонтирована в конической части камеры.
www.findpatent.ru
Современные автомобильные двигатели характеризуются высокой мощностью, низким коэффициентом шума и экономичностью – дизельные установки рабочим объемом 2 л на максимальном крутящем моменте потребляют на 100 км 6 л топлива. Однако максимально достижимый КПД дизельных двигателей, использующих технологию TwinTurbo, составляет лишь 33%, а бензиновых – 25%.
Основной проблемой, встающей при попытке увеличения КПД, являются высокие температуры рабочих процессов в четырехтактных ДВС Отто (в камере сгорания температура газа достигает 2000°C), в результате чего происходит нагрев внутренней стенки цилиндра и рабочей поверхности поршня до 1500°C. Также часть тепловой энергии отводится из камеры сгорания с выхлопными газами на 4-ом такте. Необходимым условием в таком режиме работы является наличие мощной и надежной системы охлаждения, позволяющей поддерживать температуру камеры сгорания на оптимальном уровне.
Перегрев двигателя – основная проблема высокооборотных спортивных двигателей. Во время заезда внутри кокпита температура может подниматься до 70°C, при этом отдельные элементы двигателя могут накалиться докрасна. Таким образом выходит, что значительная часть энергии топлива расходуется на нагрев элементов конструкции автомобиля, который бесполезно рассеивается в окружающую среду. Над решением данной проблемы ломали голову многие изобретатели, однако найти простой и эффективный выход удалось 75-летнему Брюсу Кроуэру – изобретателю, на практике продемонстрировавшему работоспособность своего устройства.
К созданию действующего прототипа двигателя, использующего тепло двигателя для вращения коленчатого вала, Брюс шел в течение 30 лет. В конце концов, он пришел к умозаключению, что концепция Отто несовершенна – для большей эффективности требуется добавить еще 2 такта. Эти такты (рабочий и холостой) выполняются не очередной порцией топливовоздушной смеси, а за счет энергии избыточной температуры. Рабочим телом в установке Кроуэра являлась вода, которая обладает такой характеристикой как 1600-кратное увеличение объема при превращении из жидкого состояния в парообразное. Таким образом удается при атмосферном давлении создать запас колоссальной энергии.
Принцип функционирования доработанного двигателя следующий. Впрыскивание воды в камеру сгорания под давлением 150 атм. осуществляется в конце четвертого цикла, при возвращении поршня в исходное положение. Мельчайшие капельки воды попадают на нагретую поверхность гильзы и поршня цилиндра и испаряются, создавая давление, толкающее поршень вниз (пятый такт). После этого производится удаление через выпускной клапан отработанного пара из камеры сгорания. Таким образом осуществляется дополнительная полезная работа тепловой энергии сгоревшего топлива, а данная технология получила название Steam-o-Lene.
Различие в циклах Кроуэра и Отто заключается не только в количестве тактов, но и в отношении количества рабочих к общему количеству тактов. В цикле Отто данный параметр составляет 1:4, а в цикле Кроуэра – 1:3. Проведя несложные расчеты можно убедиться, что 40% полезной работы в цикле Кроуэра совершаются без участия топлива. В конце 4-го такта отсутствует полное удаление из камеры сгорания раскаленных выхлопных газов, которые затем сжимаются поршнем. В созданном повышенном давлении в камере сгорания вода испаряется значительно равномернее и быстрее. Отработанный пар отводится в конденсатор, в котором, охлаждаясь, вновь переходит в жидкое состояние. Остаточное тепло воды используется в отопительной системе салона автомобиля.
Для проверки своих рассуждений и расчетов Брюс использовал дизельный двигатель одноцилиндрового типа, переделанный для работы на бензине. В качестве усовершенствований этот двигатель получил обновленную конструкцию распределительного вала системы впрыска. Для впрыска воды использовалась дизельная форсунка. Кроме того, был отсоединен вентилятор охлаждающей системы, способный повлиять на результаты эксперимента. После подсоединения топливного тракта к двум бакам (с чистой водой и бензином) был произведен пуск двигателя. Больше часа его работы не привели к существенному повышению температуры установки.
В течение года Брюс Кроуэр был занят проведением экспериментов с различными настройками впрыска воды и газораспределения. За это время он окончательно удостоверился в работоспособности концепции Steam-o-Lene, поэтому незамедлительно приступил к патентованию изобретения. И тут выяснилось, что подобная идея была запатентована еще в 1920 году Леонардом Дайером, однако учитывая, что к данному патенту не было проявлено особого внимания со стороны автопроизводителей, патентным ведомством США приоритет изобретательства был признан за Кроуэром.
Основным преимуществом технологии Steam-o-Lene над традиционным ДВС является радикальное решение проблемы охлаждения корпуса камеры сгорания, за счет чего из конструкции исключаются, весящая свыше 100 кг, система охлаждения и радиаторная решетка, что способствует улучшению коэффициента аэродинамического сопротивления автомобиля на высоких скоростях. Кроме того достигается существенное (до 30 – 50%) форсирование двигателей по степени сжатия без допущения детонации – для бензиновых до (14 – 16):1, для дизельных до (25 – 35):1. Таким образом, за счет повышения эффективности при сгорании топливовоздушной смеси удается улучшить экологические параметры двигателей.
Расширение числа тактов до шести обеспечило возможность значительного снижения скорости вращения коленвала для получения более ровной и насыщенной «полки» крутящего момента даже на низких оборотах. В качестве дальнейшей модификации Steam-o-Lene предполагается использование в комбинации с двигателем турбокомпаунда – силовой турбины, следующей в выпускном тракте за турбиной нагнетателя. Она предназначена для сообщения коленвалу дополнительного крутящего момента через гидромуфту. Повышение эффективности двигателя за счет применения турбокомпаунда составляет 10 – 15%. Кроме того, разработаны предложения по использованию не двух, а четырех и более паровых тактов.
Стоит отметить, что в технологии Steam-o-Lene имеется и ряд недостатков, основной – это замерзание воды. Эта проблема не решается добавлением в воду антифриза, поскольку в этом случае заметно ухудшаются экологические и испарительные параметры системы. Также возникает необходимость в установке на автомобиль дополнительных резервуаров для воды и оборудования для ее конденсации. Ну и, наконец, потребуется создание разветвленной инфраструктуры по производству и сбыту дистиллированной воды.
autonewsrussia.ru
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания. Технической задачей является повышение надежности работы двигателя. Сущность изобретения в части способа заключается в том, что в шеститактном двигателе внутреннего сгорания сжимают рабочее тело в насосном цилиндре и заполняют блок сжигания топлива рабочим телом. Затем воспламеняют рабочее тело в камере сжатия и сгорания блока сжигания топлива изолированно от цилиндров, соединяют блок сжигания с рабочим цилиндром в районе верхней мертвой точки его поршня и совершают рабочий ход в рабочем цилиндре, который затем освобождают от продуктов сгорания. Согласно изобретению в блоке сжигания топлива аккумулируют энергию сжатия и сгорания при помощи подвижного поршня с реактивным элементом, например пружиной, с увеличением при этом объема камеры и возврата энергии во время рабочего хода, во время которого поршень насосного цилиндра совершает такт сжатия, причем объем камеры сжатия и сгорания в исходном состоянии равен нулю. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится области двигателестроения, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания.
Известен способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в сжатии рабочего тела в насосном цилиндре, заполнении блока сжигания топлива рабочим телом, вспышке, сгорании рабочего тела в камере сжатия и сгорания блока сжигания топлива изолированно от цилиндров, соединении блока сжигания с рабочим цилиндром в районе верхней мертвой точки его поршня, совершении рабочего хода в рабочем цилиндре и освобождении их от продуктов сгорания (заявка ФРГ № 4231812, МПК F 02 G 3/00, опублик. 01.04.1993).Из этого же источника информации известен шеститактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий насосный и рабочий цилиндры с поршнями, соединенными с коленвалом, блок сжигания топлива, соединенный с цилиндрами при помощи газораспределительного механизма.Недостатком известных технических решений является малая надежность работы.Технической задачей является повышение надежности работы двигателя.Поставленная задача в части способа достигается тем, что в способе работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания, заключающемся в сжатии рабочего тела в насосном цилиндре, заполнении блока сжигания топлива рабочим телом, вспышке, сгорании рабочего тела в камере сжатия и сгорания блока сжигания топлива изолированно от цилиндров, соединении блока сжигания с рабочим цилиндром в районе верхней мертвой точки его поршня, совершении рабочего хода в рабочем цилиндре и освобождении их от продуктов сгорания, согласно изобретению в блоке сжигания топлива аккумулируют энергию сжатия и сгорания при помощи подвижного поршня с реактивным элементом, например пружиной, с увеличением при этом объема камеры и возврата энергии во время рабочего хода, во время которого поршень насосного цилиндра совершает такт сжатия, причем объем камеры сжатия и сгорания в исходном состоянии равен нулю.Поставленная задача в части способа достигается также тем, что для применения топлива с любым октановым числом могут регулировать жесткость реактивного элемента, например, автоматически.Поставленная задача в части устройства достигается тем, что в шеститактном двигателе внутреннего сгорания, содержащем насосный и рабочий цилиндры с поршнями, соединенными с коленвалом, блок сжигания топлива, соединенный с цилиндрами при помощи газораспределительного механизма, согласно изобретению блок сжигания топлива выполнен двухкамерным в виде цилиндра с днищем, в котором выполнены отверстия, одно для соединения с насосным цилиндром, а другое – с рабочим цилиндром, и в котором установлен подвижный поршень, нагруженный реактивным элементом, например пружиной, придавливающим подвижный поршень к днищу камеры, а реактивный элемент выполнен с возможностью аккумулирования энергии сжатия и сгорания и возврата ее во время рабочего хода поршня рабочего цилиндра.Поставленная задача в части устройства достигается также тем, что газораспределительный механизм может быть выполнен в виде вращающихся газораспределительных шайб.Поставленная задача в части устройства достигается также тем, что реактивный элемент может быть выполнен в виде многоступенчатой пружины.Изобретения поясняются при помощи чертежей.На фиг. 1 представлена круговая диаграмма рабочего процесса двигателя;на фиг. 2 – продольный разрез двигателя.Двигатель, реализующий заявленный способ работы, содержит насосный 3 и рабочий 4 цилиндры с поршнями соответственно 6 и 7, соединенными с коленвалом 8. Насосный цилиндр 3 снабжен каналом 12 подвода рабочего тела. Рабочий цилиндр 4 снабжен каналом 13 вывода отработанных газов. Блок 1 сжигания топлива выполнен двухкамерным в виде цилиндра с днищем, в котором выполнены отверстия, одно для соединения с насосным цилиндром 3, а другое – с рабочим цилиндром 4. В цилиндре блока 1 установлен подвижный поршень 5, нагруженный реактивным элементом 11 с регулятором натяжения. Поршень 5 разделяет цилиндр на две камеры: в одной – реактивный элемент 11, а в другой – камера 14 сжатия и сгорания переменного объема. При этом реактивный элемент 11 придавливает подвижный поршень 5 к днищу камеры 14 блока 1 и выполнен с возможностью аккумулирования энергии сжатия и сгорания и возврата ее во время рабочего хода поршня 7 рабочего цилиндра 4. Причем блок 1 сжигания топлива соединен с цилиндрами 3 и 4 при помощи газораспределительного механизма, выполненного, например, в виде газораспределительной шайбы 9.Заявленный способ реализуется следующим образом. Поршень 5 прижат к днищу камеры 14 реактивным элементом 11, например пружиной. Объем камеры 14 при этом равен нулю. В насосном цилиндре 3 происходит всасывание через канал 12 рабочего тела, и после отсечения объема цилиндра от канала 12 происходит сжатие рабочего тела, которое при этом поступает в камеру 14 сжатия и сгорания, в которой рабочее тело воспламеняется и сгорает обособленно от цилиндров 3 и 4. Причем время сгорания может происходить в течение 180
поворота вала. После воспламенения объем камеры 14 увеличивается. При этом энергия сгорания аккумулируется в реактивном элементе 11. После подхода поршня 7 рабочего цилиндра 4 к верхней мертвой точке (ВМТ) с ним соединяется камера 14, которая освобождается при этом от продуктов сгорания. Объем камеры 14 при этом уменьшается до нуля, и она отсекается от рабочего цилиндра 4, из которого расширившиеся продукты сгорания удаляются через канал 13.При использовании заявленного способа работы увеличивается полнота сгорания топлива, а также уменьшаются нагрузки в механизме двигателя.Увеличение продолжительности сгорания позволит создать многотопливный двигатель с использованием как газовых топлив, так и тяжелых жидких. Жесткость реактивного элемента 11 может регулироваться в зависимости от сорта используемого топлива.Формула изобретения
1. Способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в сжатии рабочего тела в насосном цилиндре, заполнении блока сжигания топлива рабочим телом, вспышке, сгорании рабочего тела в камере сжатия и сгорания блока сжигания топлива изолированно от цилиндров, соединении блока сжигания с рабочим цилиндром в районе верхней мертвой точки его поршня, совершении рабочего хода в рабочем цилиндре и освобождении их от продуктов сгорания, отличающийся тем, что в блоке сжигания топлива аккумулируют энергию сжатия и сгорания при помощи подвижного поршня с реактивным элементом, например пружиной, с увеличением при этом объема камеры и возврата энергии во время рабочего хода, во время которого поршень насосного цилиндра совершает такт сжатия, причем объем камеры сжатия и сгорания в исходном состоянии равен нулю.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для применения топлива с любым октановым числом регулируют жесткость реактивного элемента, например, автоматически.3. Шеститактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий насосный и рабочий цилиндры с поршнями, соединенными с коленвалом, блок сжигания топлива, соединенный с цилиндрами при помощи газораспределительного механизма, отличающийся тем, что блок сжигания топлива выполнен двухкамерным в виде цилиндра с днищем, в котором выполнены отверстия, одно для соединения с насосным цилиндром, а другое – с рабочим цилиндром, и в котором установлен подвижный поршень, нагруженный реактивным элементом, например пружиной, придавливающим подвижный поршень к днищу камеры, а реактивный элемент выполнен с возможностью аккумулирования энергии сжатия и сгорания и возврата ее во время рабочего хода поршня рабочего цилиндра.4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что газораспределительный механизм выполнен в виде вращающихся газораспределительных шайб.5. Двигатель по любому из пп.3 и 4, отличающийся тем, что реактивный элемент выполнен в виде многоступенчатой пружины.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2www.findpatent.ru
