Введение
Тип двигателя внутреннего сгорания
Двигатель Бурка был попыткой Рассела Бурка в 1920-х годах усовершенствовать двухтактный двигатель внутреннего сгорания. Несмотря на завершение разработки и создание нескольких рабочих образцов, начало Второй мировой войны, отсутствие результатов испытаний и ухудшение здоровья его жены помешали двигателю успешно выйти на рынок. Основными преимуществами конструкции являются всего две движущиеся части, малый вес, два такта мощности за оборот и отсутствие необходимости смешивать масло с топливом. Двигатель Бурка по сути является двухтактным, с одним горизонтально оппозитным поршневым узлом, использующим два поршня, движущихся в одном направлении одновременно, при этом их фазы сдвинуты на 180 градусов. Поршни соединены с механизмом типа «шотландский ярем» вместо более распространенного коленчатого механизма, что обеспечивает идеально синусоидальное ускорение поршней. Это приводит к тому, что поршни проводят больше времени в верхней мертвой точке, чем в обычных двигателях. Впускной заряд сжимается в камере под поршнями, как в обычном двухтактном двигателе с продувкой картера. Уплотнение шатуна предотвращает попадание топлива в смазочное масло нижней части двигателя.
Механические характеристики
Скотч-ярма и линейно скользящие шатуны. Меньшее количество движущихся частей (всего 2 движущихся узла на пару противоположных цилиндров), а противоположные цилиндры могут комбинироваться для создания двигателей с 2, 4, 6, 8, 10, 12 или любым другим четным числом цилиндров. Поршень соединен со скотч-ярмом через скользящую втулку (тип гидродинамического подшипника с наклонной шайбой). Механический впрыск топлива. Вместо клапанов используются порты. Простота обслуживания (капитальный ремонт без снятия двигателя) с использованием простых инструментов. Скотч-ярма не создает боковых усилий на поршень, что снижает трение и износ поршня. Для герметизации соединений используются уплотнительные кольца (O-rings) вместо прокладок. Скотч-ярма обеспечивает незначительное увеличение времени пребывания поршня в верхней мертвой точке, что способствует более полному сгоранию топлива в меньшем объеме.
Поток газа и термодинамические характеристики
Низкая температура выхлопных газов (ниже температуры кипения воды), поэтому металлические компоненты выхлопной системы не требуются; пластиковые можно использовать, если от выхлопной системы не требуется высокой прочности. Компрессионное отношение от 15:1 до 24:1 обеспечивает высокую эффективность и может быть легко изменено в зависимости от используемого топлива и условий эксплуатации. Топливо испаряется при впрыске в каналы продувки, а турбулентность во впускном коллекторе и форма поршня над поршневыми кольцами создают слоистую топливно-воздушную смесь в камере сгорания. Обедненная смесь для повышения эффективности и снижения выбросов.
Смазка
В этой конструкции используются масляные уплотнения для предотвращения попадания загрязнений из камеры сгорания (возникающих из-за прорыва газов мимо поршневых колец в четырехтактных двигателях и непосредственно при сгорании в двухтактных) в масло картера, что продлевает срок его службы, поскольку масло расходуется медленно, поддерживая смазку поршневых колец. Хотя было установлено, что масло расходуется медленно, Рассел Бурк, его создатель, все же рекомендовал регулярно проверять его количество и чистоту. Масло в подшипниках защищено от загрязнений из камеры сгорания масляным уплотнением над шатуном. Поршневые кольца смазываются маслом, подаваемым из небольшого отверстия в стенке цилиндра в нижней мертвой точке.
Объявленная и измеренная производительность
Эффективность 0,25 (lb/h)/hp заявлена примерно такой же, как у лучшего дизельного двигателя, или примерно вдвое выше, чем у лучших двухтактных двигателей. Это соответствует термодинамической эффективности 55,4%, что является исключительно высоким показателем для небольшого двигателя внутреннего сгорания. В ходе испытания, свидетелем которого была независимая сторона, фактический расход топлива составил 1,1 л.с./(lb/hr), или 0,9 (lb/hr)/hp, что соответствует термодинамической эффективности около 12,5%, что типично для парового двигателя 1920-х годов. Испытание 30-кубического дюйма двигателя Vaux, построенного близким соратником Bourke, показало расход топлива 1,48 lb/(bhp hr), или 0,7 (lb/hr)/hp при максимальной мощности. Отношение мощности к весу. Для Silver Eagle заявлено 25 л.с. при весе 45 lb, или отношение мощности к весу 0,55 л.с./lb. Более крупный двигатель объемом 140 кубических дюймов выдавал 120 л.с. при весе 125 lb, или примерно 1 л.с./lb. Для Модели H заявлено 60 л.с. при весе 95 lb, что дает отношение мощности к весу 0,63 л.с./lb. По сообщениям, 30-кубический дюймовый двухцилиндровый двигатель развивал 114 л.с. при 15000 об/мин, веся всего 38 lb, что составляет невероятные 3 л.с./lb. Однако 30-кубический дюймовый экземпляр от Vaux Engines выдал всего 8,8 л.с. при 4000 об/мин, даже после существенной доработки. Другие источники утверждают, что отношение мощности к весу составляет от 0,9 до 2,5 л.с./lb, однако документально подтвержденных независимых испытаний, подтверждающих эти высокие показатели, нет. Верхний предел этого диапазона примерно вдвое лучше, чем у лучшего серийного четырехтактного двигателя, представленного здесь, или на 0,1 л.с./lb выше, чем у двухтактного Graupner G58. Более низкое значение не примечательно и легко превосходится серийными четырехтактными двигателями, не говоря уже о двухтактных. Выбросы. В опубликованных результатах испытаний практически не обнаружено углеводородов (80 ppm) или оксида углерода (менее 10 ppm), однако для этих результатов не была указана выходная мощность, и NOx не измерялся. Низкие выбросы. Заявлено, 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 Бурка обладает некоторыми интересными особенностями, однако завышенные заявления о его характеристиках вряд ли подтвердятся реальными испытаниями. Многие из этих утверждений противоречивы. Трение уплотнений между камерой компрессора и картером, оказывающее давление на шатун, снизит эффективность. Эффективность будет снижена из-за потерь на продувку, поскольку воздушный заряд сжимается и расширяется дважды, но энергия извлекается только при одном из расширений на ход поршня. Вес двигателя, вероятно, будет высоким, поскольку для работы с высокими пиковыми давлениями, возникающими в результате быстрого высокотемпературного сгорания, потребуется очень прочная конструкция. Каждая пара поршней сильно несбалансирована, так как оба поршня двигаются в одном направлении одновременно, в отличие от оппозитного двигателя. Это ограничит диапазон оборотов и, следовательно, мощность двигателя, а также увеличит его вес из-за необходимой прочной конструкции для восприятия высоких сил, действующих на компоненты. Высокооборотистые двухтактные двигатели, как правило, менее эффективны по сравнению с четырехтактными, поскольку часть поступающего заряда выходит не сгоревшей с выхлопными газами. Использование избыточного воздуха снизит крутящий момент, доступный для заданного размера двигателя. Быстрое удаление выхлопных газов через небольшие каналы приведет к дополнительным потерям эффективности. Работа двигателя внутреннего сгорания в режиме детонации снижает эффективность из-за потерь тепла от газов сгорания, отводимого к стенкам камеры сгорания ударными волнами. Выбросы – хотя некоторые испытания показали низкие выбросы в определенных условиях, это не обязательно происходило при полной мощности. С увеличением коэффициента продувки (т.е. крутящего момента двигателя) будет увеличиваться выброс HC и CO. Увеличение времени пребывания в верхней мертвой точке (ВМТ) позволит больше тепла передаваться стенкам цилиндров, снижая эффективность. При работе в режиме самовоспламенения момент начала сгорания контролируется рабочим состоянием двигателя, а не напрямую, как в двигателях с искровым зажиганием или дизельных двигателях. Таким образом, его можно оптимизировать для одного рабочего режима, но не для широкого диапазона крутящих моментов и оборотов, характерных для типичной работы двигателя. В результате эффективность снизится, а выбросы увеличатся. Если эффективность высока, то температура сгорания должна быть высокой, как того требует цикл Карно, а воздушно-топливная смесь – обедненной. Высокие температуры сгорания и обедненные смеси приводят к образованию диоксида азота.
Патенты
Расселл Бурк получил британские и канадские патенты на двигатель в 1939 году: GB514842 и CA381959. Он также получил патент в 1939 году.