Четырехцилиндровый двигатель БуркаРисунок 2 из патента США 2172670 А.Рисунок 1 из патента США 2172670 А.Анимация четырехцилиндрового двигателя Бурка
Двигатель Бурка был попыткой Рассела Бурка в 1920-х годах улучшить двухтактный двигатель внутреннего сгорания . Несмотря на завершение его проектирования и постройку нескольких работающих двигателей, начало Второй мировой войны , отсутствие результатов испытаний [1] и плохое здоровье его жены усугубились тем, что его двигатель когда-либо успешно вышел на рынок. Основные заявленные достоинства конструкции заключаются в том, что она имеет только две движущиеся части , легкая, имеет два импульса мощности на оборот и не требует добавления масла в топливо.
Двигатель Бурка, по сути, представляет собой двухтактную конструкцию , в которой один горизонтально противоположный поршневой узел использует два поршня, которые движутся в одном и том же направлении одновременно, так что их работа сдвинута по фазе на 180 градусов . Поршни соединены с кулисным механизмом вместо более обычного механизма коленчатого вала , поэтому ускорение поршня является идеально синусоидальным . Это приводит к тому, что поршни проводят больше времени в верхней мертвой точке , чем в обычных двигателях. Поступающий заряд сжимается в камере под поршнями, как в обычном двухтактном двигателе с картерным наддувом. Шатунное уплотнение предотвращает попадание топлива в смазочное масло нижней части.
Операция
Рабочий цикл очень похож на ныне выпускаемый двухтактный двигатель с искровым зажиганием и картерным сжатием, с двумя модификациями:
Топливо впрыскивается непосредственно в воздух при его движении через перепускное отверстие.
Двигатель предназначен для работы без искрового зажигания после прогрева. Это известно как самовоспламенение или дизельное топливо, и топливовоздушная смесь начинает гореть из-за высокой температуры сжатого газа и/или присутствия горячего металла в камере сгорания.
Меньше движущихся частей (только 2 подвижных узла на пару оппозитных цилиндров), а оппозитные цилиндры можно комбинировать, образуя 2, 4, 6, 8, 10, 12 или любое четное количество цилиндров.
Кулисный механизм заставляет поршни немного дольше находиться в верхней мертвой точке , поэтому топливо сгорает более полно в меньшем объеме.
Поток газа и термодинамические особенности
Низкая температура выхлопных газов (ниже температуры кипения воды), поэтому металлические компоненты выхлопных газов не требуются; пластиковые можно использовать, если от выхлопной системы не требуется прочность.
Степень сжатия от 15:1 до 24:1 обеспечивает высокую эффективность и может быть легко изменена в зависимости от топлива и эксплуатационных требований.
Топливо испаряется при впрыске в перепускные каналы, а турбулентность во впускных коллекторах и форма поршня над кольцами расслаивают топливно-воздушную смесь в камеру сгорания.
Сжигание обедненной смеси для повышения эффективности и снижения выбросов.
Смазка
В этой конструкции используются сальники, чтобы предотвратить попадание загрязнений из камеры сгорания (создаваемых прорывом поршневых колец в четырехтактных двигателях и просто сгоранием в двухтактных двигателях) в картерное масло , что продлевает срок службы масла, поскольку оно используется медленно. для поддержания колец в масле. Было показано, что масло расходуется медленно, но проверять его количество и чистоту все же рекомендовал Рассел Бурк, его создатель.
Смазочное масло в основании защищено от загрязнения камеры сгорания сальником над шатуном.
Поршневые кольца подаются маслом из небольшого отверстия в стенке цилиндра в нижней мертвой точке.
Заявленная и измеренная производительность
Заявленный КПД — 0,25 (фунт/ч)/л.с. — примерно такой же, как у лучшего дизельного двигателя [2] или примерно в два раза эффективнее лучших двухтактных двигателей. [3] Это эквивалентно термодинамическому КПД 55,4%, что является чрезвычайно высоким показателем для небольшого двигателя внутреннего сгорания . В ходе испытания, засвидетельствованного третьей стороной, фактический расход топлива составил 1,1 л.с./(фунт/час) [4] или 0,9 (фунт/час)/л.с., что эквивалентно термодинамическому КПД около 12,5%, что типично для паровой двигатель 1920-х годов. [5] Испытание двигателя Vaux объемом 30 кубических дюймов, построенного близким соратником Бурка, показало расход топлива 1,48 фунта/(л.с./ч) или 0,7 (фунт/ч)/л.с. при максимальной мощности. [6]
Мощность к весу . Утверждалось, что Silver Eagle производит 25 л.с. из 45 фунтов, или соотношение мощности к весу 0,55 л.с./фунт. Более крупный двигатель объемом 140 кубических дюймов имел мощность 120 л.с. из 125 фунтов, или примерно 1 л.с./фунт. Заявлено, что модель H производит 60 л.с. при весе 95 фунтов, что дает соотношение мощности к весу 0,63 л.с./фунт. Сообщалось, что 30-кубовый двухцилиндровый двигатель выдавал 114 л.с. при 15000 об/мин при весе всего 38 фунтов, невероятные 3 л.с./фунт [7]. Однако 30-кубовый двигатель от Vaux Engines выдавал всего 8,8 л.с. при 4000 об/мин, даже после существенной доработки. [8] Другие источники утверждают, что мощность составляет от 0,9 [9] до 2,5 л.с./фунт, хотя никаких независимых испытаний, подтверждающих эти высокие цифры, не было задокументировано. Верхний диапазон примерно в два раза лучше, чем у лучшего серийного четырехтактного двигателя, показанного здесь, [10] или на 0,1 л.с./фунт лучше, чем у двухтактного двигателя Graupner G58. [11] Нижнее утверждение ничем не примечательно, его легко превзойти серийные четырехтактные двигатели, не говоря уже о двухтактных двигателях. [12]
Выбросы . В опубликованных результатах испытаний практически не было обнаружено углеводородов (80 частей на миллион) или монооксида углерода (менее 10 частей на миллион), [13] , однако для этих результатов не была указана выходная мощность, а NOx не измерялся.
Низкий уровень выбросов . Утверждается, что двигатель может работать на водороде или любом углеводородном топливе без каких-либо модификаций, производя в качестве выбросов только водяной пар и углекислый газ .
Инженерная критика двигателя Бурка
Двигатель Bourke Engine имеет некоторые интересные особенности, но экстравагантные заявления [14] о его производительности вряд ли будут подтверждены реальными испытаниями . Многие утверждения противоречивы. [15]
Трение уплотнения между камерой воздушного компрессора и картером о шатун снижает эффективность. [16]
Эффективность будет снижена из-за насосных потерь, поскольку воздушный заряд сжимается и расширяется дважды, но энергия извлекается только для мощности при одном из расширений за ход поршня. [17] [18]
Вес двигателя, вероятно, будет большим, поскольку он должен быть очень прочным, чтобы выдерживать высокие пиковые давления, возникающие в результате быстрого сгорания при высоких температурах. [19]
Каждая поршневая пара сильно разбалансирована, поскольку два поршня одновременно движутся в одном направлении, в отличие от оппозитного двигателя . [20] Это ограничит диапазон скоростей и, следовательно, мощность двигателя, а также увеличит его вес из-за прочной конструкции, необходимой для реагирования на высокие силы в компонентах. [21]
Высокоскоростные двухтактные двигатели, как правило, неэффективны по сравнению с четырехтактными, поскольку часть всасываемого заряда выходит несгоревшей вместе с выхлопными газами. [22]
Использование избыточного воздуха приведет к снижению крутящего момента, доступного для данного размера двигателя. [23]
Быстрое вытеснение выхлопных газов через маленькие отверстия приведет к дальнейшей потере эффективности. [24]
Работа двигателя внутреннего сгорания в режиме детонации снижает эффективность из-за потерь тепла от газов сгорания, которые ударные волны трутся о стенки камеры сгорания. [25]
Выбросы - хотя некоторые испытания в некоторых случаях показали низкий уровень выбросов, они не обязательно проводились на полной мощности. По мере увеличения степени очистки (т.е. крутящего момента двигателя) будет выделяться больше углеводородов и CO. [26]
Увеличение времени пребывания в ВМТ приведет к передаче большего количества тепла к стенкам цилиндра, что снизит эффективность. [27]
При работе в режиме самовоспламенения момент начала горения контролируется рабочим состоянием двигателя, а не напрямую, как в искровом зажигании или дизельном двигателе. Таким образом, возможно оптимизировать его для одного рабочего режима, но не для широкого диапазона крутящих моментов и скоростей, которые обычно видит двигатель. Результатом будет снижение эффективности и увеличение выбросов. [28]
Если КПД высокий, то температуры сгорания должны быть высокими, как того требует цикл Карно , а топливовоздушная смесь должна быть бедной. Высокие температуры сгорания и бедные смеси приводят к образованию диоксида азота .
Патенты
В 1939 году Рассел Бурк получил британские и канадские патенты на двигатель: GB514842 [29] и CA381959. [30]
Он также получил патент США № 2 172 670 в 1939 году. [31]
Рекомендации
^ «Военное ведомство». Архивировано из оригинала 30 декабря 2007 г. Проверено 13 января 2008 г.
↑ Самый мощный дизельный двигатель в мире. Архивировано 16 июля 2010 г., в Wayback Machine.
^ лучшие два удара
^ Пол Никетт. «Двигатель Бурка». Никетт.com . Проверено 6 декабря 2011 г.
^ Г.С. Бейкер «Форма корабля, сопротивление и винтовая тяга», стр. 215.
^ Sport Aviation, март 1980 г., стр. 60, рис. 18.
↑ Спортивная авиация, март 1980 г., стр. 54.
↑ Спортивная авиация, март 1980 г., стр. 54.
^ "Bourke Engine Com" . Bourke-engine.com . Проверено 6 декабря 2011 г.
^ Дж. Б. Хейвуд «Основы двигателей внутреннего сгорания» ISBN 0-07-100499-8 стр. 240-245 | Компромисс между эффективностью, выбросами и мощностью
^ «Силы трения в уплотнительном кольце» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29 июня 2010 г. Проверено 16 декабря 2007 г.|Трение уплотнений
^ Дж. Б. Хейвуд «Основы двигателей внутреннего сгорания» ISBN 0-07-100499-8 стр. 723 | Потери накачки
^ C Фейетт Тейлор «Двигатель внутреннего сгорания», 4-е издание, стр. 194, параграфы 2-3, стр. 205, рис. 124b, стр. 258 | Потери накачки при двух тактах
^ C Фейетт Тейлор «Двигатель внутреннего сгорания», 4-е издание, стр. 119 | стрессы из-за детонации
^ Дж. Б. Хейвуд «Основы двигателей внутреннего сгорания» ISBN 0-07-100499-8 стр. 20 | Важность первичного баланса
^ Дж. Б. Хейвуд «Основы работы двигателей внутреннего сгорания» ISBN 0-07-100499-8 стр. 240-245, p881 | Коэффициент очистки и низкий КПД
^ Дж. Б. Хейвуд «Основы работы двигателей внутреннего сгорания» ISBN 0-07-100499-8 , стр. 240-245 | Влияние коэффициента продувки на выходной крутящий момент
^ C Фейетт Тейлор «Двигатель внутреннего сгорания», 4-е издание, стр. 194, параграф 5 | Потери накачки при двух тактах
^ Дж. Б. Хейвуд «Основы двигателей внутреннего сгорания» ISBN 0-07-100499-8
p452-3 | Повышенные тепловые потери из-за детонации
^ Дж. Б. Хейвуд «Основы работы двигателей внутреннего сгорания» ISBN 0-07-100499-8 стр. 240-245, стр. 881 | Коэффициент очистки и высокие выбросы
^ «Наука связывает Японию | Влияние скорости поршня вокруг верхней мертвой точки на тепловой КПД» . Sciencelinks.jp. 18 марта 2009 г. Архивировано из оригинала 27 января 2012 г. Проверено 6 декабря 2011 г.
