Два в одном. Паровой цикл в ДВС
«Исчерпав возможности развития, система включается в надсистему в качестве одной из частей; при этом дальнейшее развитие идет уже на уровне надсистемы.»
Закон перехода в надсистему (Законы развития технических систем от Г.С. Альтшуллера).
Автомобильные моторы неоднократно пытались «скрестить» с другими типами привода.
Сейчас чаще говорят о гибридном приводе состоящем из коллаборации ДВС с электроприводом, но были и другие варианты. Более того они в определенном теоретическом плане уже есть, но их мало кто замечает именно как элемент совмещения разных типов приводов.
Предупреждение! Данный материал размещен неслучайно 4 ноября, так как на эту дату приходится праздник — День использования здравого смысла (Use Your Common Sense Day).Суть праздника — Потратить немного больше времени на обдумывание вызывающих возмущение фактов и событий, прежде чем действовать импульсивно. Найти действительно очевидную логику действий которая универсальна и неоспорима, после тщательного осмысления множества вариантов ответов.
А для лучшего понимания этой статьи рекомендую ознакомиться с текстом похожего содержания под названием «Если не электромобили, то паромобили?» (1, 2, 3 и 4 часть).
Согласно «завещанию» Карно повысить КПД ДВС можно лишь дополнительно использовав энергию остаточного тепла через паровой двигатель. И если отбросить чисто механическую составляющую этой идеи, то можно отметить что еще в 1933 году компания Delco предлагала навесную систему парового отопления для автомобилей, основанную на расположенном в выхлопной системе котле парового отопления.
А совмещением ДВС и паровой машины на автомобильном транспорте занялись лишь в 60-х
1. Компаунд-схема ДВС и паровой турбины из прошлого
Первым идею использования теплоты выхлопных газов в 1973 году разрабатывал Говард Чапман (Калифорния, США). Его орбитальный двигатель работал на фреоне по паровому циклу за счет отбора теплоты выхлопных газов ДВС.
Двигатель Чепмена соединялся цепью с выходным валом ДВС и как правило нуждался в тщательной настройке согласно выходным оборотам основного мотора.
В паровом цикле участвовали три источника тепла — вода для охлаждения двигателя, смазочное масло и выхлопные газы, которые проходили через котел (теплообменник А) и кипятили фреон.Этот процесс генерировал необходимую мощность по мере расширения в двигателе Чепмена. Затем фреон конденсируется в теплообменнике B охлаждающей водой двигателя, которая только выходила из радиатора.
Кроме описанной схемы с роторным двигателем на фреоне, известны на то время были и испытания комбинированной установки, состоявшей из двигателя внутреннего сгорания фирмы «Мак» (США) с турбонаддувом мощностью 212 кВт и паровой турбины, пар в которую поступал из котла, нагреваемого теплотой отработавших газов двигателя.
Установленный на грузовом автомобиле для магистральных перевозок двигатель «Мак» работает большей частью с полной мощностью и потому наиболее пригоден для использования теплоты отработавших газов. Паровая турбина в опытах развила мощность 40 кВт, что соответствовало повышению мощности и, следовательно, экономичности установки на 19%.
Наибольший интерес «чистая» паровая схема в этом примере вызывала уже не характеристиками мотора, а пунктом №12 на схеме. Этот пункт обозначал конденсатор воды из отработавших газов двигателя. Подобной доработкой системы инженеры пытались решить проблему потерь воды в паровой турбине.
Похожей проблематикой соединения парового привода и ДВС в 70-х занимались и в Швеции. Так Уве Плателл вместе со своим сыном Питером Плателлом после неудачи проекта парового мотора для SAAB для проекта ULF (сокращение от utan luftföroreningar, по-шведски «Без загрязнения воздуха») создали отдельную компанию Ranotor.
Целью их компании было внедрение уже гибридного привода, который мог бы использовать тепло выхлопных газов обычного бензинового двигателя для питания небольшого парового двигателя с целью снижения расхода топлива на 20%. К проекту на тот момент проявили интерес в Volvo, но результата это не дало.
История развития совмещенного парового привода и ДВС после окончания нефтяного кризиса быстро окончилась.Пока в 2000 году эту идею не стали разрабатывать в BMW.
2. Turbosteamer BMW
В 2000 году под руководством доктора Раймонда Фрейманна в BMW вели исследования и разработки двигателя с комбинированным циклом под общим названием Turbosteamer.
Устройство Turbosteamer крепилось к системе выпуска и охлаждения. Оно использовало тепло, потраченное впустую в выхлопе и радиаторе (до 80% тепловой энергии), и для работы могло использовать как поршневой мотор, так и турбину для передачи этой мощности на коленчатый вал. Паровой контур производил при тестах до 14 л.с. (10 кВт) и 20 Нм крутящего момента на пике (для 4-цилиндрового двигателя 3–1 серии с рабочим объемом 1,8 л), что давало примерно 15% прирост топливной экономичности, и в отличие от бензиново-электрических гибридов, эти преимущества увеличивались на более высоких и стабильных скоростях.
В исследовании системы Turbosteamer команда BMW ограничила свои тесты на двух базовых одноконтурных схемах.
Система первого типа (А) использовала выхлопные газы только в качестве источника тепла;, а в системе второго типа (В) использовались выхлопные газы и охлаждающая жидкость.
Система А работая на воде, которая за счёт выхлопных газов двигателя нагревалась до 550 С и достигала в пароперегревателе давления в 40 атмосфер подавала полученный перегретый пар для расширения в паровую турбину, присоединённую к коленвалу. Полученный отработанный пар затем конденсировался в контуре второй системы В испаряя теплоноситель (фреон) для второго контура.
Второй контур системы работал на различных видах низкокипящих теплоносителей (от этилового спирта, до фреона R245a), который испаряясь за счёт конденсации воды первого контура перегревается затем в конце выхлопного тракта (за испарителем воды), обеспечивая снижение температуры выхлопа до 50 С!
Полученный перегретый пар фреона крутил вторую турбину и конденсируется потом во внешнем радиаторе.
Рабочая жидкость, которая многократно испарялась, расширялась и повторно конденсировалась, играла ключевую роль в производительности и экономической эффективности обеих систем рекуперации тепла с паровым циклом Ренкина.
Авторы исследований отметили, что для оптимизации производительности при заданном температурном градиенте энтальпия испарения рабочего тела должна была быть максимально высокой. Вода при таком условии имела наиболее высокую энтальпию испарения (~2250 кДж/кг), за ней следовали спирты (метанол ~1100 кДж/кг, этанол ~820 кДж/кг). Исходя из энтальпии испарения, можно было бы ожидать, что вода будет предпочтительной рабочей жидкостью для любой подобной системы, основанной на паровом процессе Ренкина. Однако в большинстве реальных испытаний использования отработанного тепла было ограничено техническими ограничениями (максимальное и/или минимальное давление).
Основываясь на количественном анализе в стесненных условиях эксплуатации, компания BMW определила, что вода обеспечивает наивысшую тепловую эффективность для системы A, тогда как этанол является предпочтительной рабочей жидкостью для системы B (метанол был исключен априори из-за риска для здоровья). BMW разработала имитационную модель с помощью инструмента Dymola для оценки двух альтернативных систем для разных типов двигателей. Процесс для обеих систем состоял из детандера, насоса, конденсатора и теплообменников. Основываясь на параметрическом анализе, BMW обнаружила, что система B демонстрирует более высокий потенциал на типичных скоростях движения по шоссе (45–70 миль в час) для выбранного типа двигателя (4-цилиндровый, стехиометрическое сгорание) и условий эксплуатации. Тем не менее, как предупреждали исследователи, это нельзя было интерпретировать как общую рекомендацию. Параметры источника тепла, на которые сильно влияют тип двигателя и профиль нагрузки, а также рабочие параметры, ограниченные техническими ограничениями (давление в системе, температура окружающей среды), оказывали существенное влияние на полезную выходную мощность. Основываясь на стендовых испытаниях, BMW пришла к выводу, что система B может демонстрировать дополнительную выходную мощность в диапазоне 0,7–2 кВт. Это соответствовало увеличению мощности двигателя в пределах 10%, близких к кривой сопротивления дороге для перехода на высшую передачу в КПП. Таким образом, работа представленной системы цикла Ренкина приводила к значительному увеличению эффективности использования топлива.
Последним исследованием в рамках проекта Turbosteamer в BMW стала установка термоэлектрического генератора в выхлопную систему.
Honda в те же годы также изучала возможность использования когенерационной установки с циклом Ренкина. Но их целью было повышение общей эффективности гибридного автомобиля за счет рекуперации тепла выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и преобразования его в электричество для подзарядки аккумуляторной батареи.
Недостатком системы всех трех исследований была зависимость эффективности от нагрузки на двигатель, что в конечном итоге ограничило дальнейшее развитие подобных систем, несмотря на достигнутый небольшой вес навесного оборудования Turbosteamer около 15 кг.
Не решен в полной мере был и вопрос восполнения потерь воды при работе системы.
И если первую проблему можно было решить обычным периодическим пополнением запаса воды в процессе работы, то вторая проблема была существеннее.
Вторую проблему решал в 2007 году изобретатель в США. Он оригинальным способом ушел от совместной работы двух приводов в двигателе к циклу работы ДВС без навесных агрегатов с использованием парового и цикла Ренкина и Отто в одном рабочем пространстве.
3. Цикл Кроуэра
Брюс Кроуэр — опытный тюнер гоночных автомобилей и шлифовщик распределительных валов ДВС долгое время бился над проблемой повышения эффективности стандартного цикла Отто. Ему казалось что потери тепла нужно как то использовать для повышения экономичности и мощности мотора, а не просто бесполезно выбрасывать их в атмосферу!
И однажды во сне ему пришло решение проблемы за счет создания двигателя с двумя циклами рабочего хода. Один рабочих ход проходил по циклу Отто, а второй за счет использования впрыска воды с образованием пара при использовании остаточной теплоты камеры сгорания и выхлопных газов.
По работе такого совмещенного цикла при описании может возникнуть масса вопросов в реальности подобного.
Поэтому кроме Кроуэра этот цикл проверили и многие другие экспериментаторы.
Например, есть краткая презентация модификации 6-тактного цикла из существующего 4-тактного ДВС. А многие последователи до сих пор выкладывают видео с разъяснением работы этого цикла.
Так в чем же суть происходящих процессов цикла Кроуэра?
Это прозвучит удивительно, но не только в том что ДВС превращается в гибрид парового и двигателя внутреннего сгорания в одном рабочем пространстве.
Главные достижения этой технологии не так заметны сразу.
Не очевидным является тот факт, что применение подобного цикла по словам самого изобретателя позволяет в теории снизить расход топлива по сравнению с типичным двигателем на 40 процентов.
Дополнительный эффект внутреннего охлаждения дает преимущества в снижении и упрощении системы охлаждения ДВС.
Кроуэр описывая возможное применение 6-ти тактного цикла предлагает всем желающим представить легковой или грузовой автомобиль (он говорил часто об обтекаемом автомобиле Bonneville) без радиатора и связанных с ним воздуховодов, вентилятора, водопровода, массы охлаждающей жидкости и т. д. (При том что температура самого двигателя при работе около 50 С.)
Отдельно он отмечает эффект от использования на грузовых машинах. Он отмечает что: «В больших грузовиках можно сбросить от 1000 фунтов или даже больше…»
Компенсацией этого, конечно же, будет необходимость возить большое количество воды, а вода тяжелее бензина или дизельного топлива. Но по предварительным оценкам изобретателя, двигатель, работающий по его циклу, будет потреблять примерно столько же галлонов воды, сколько топлива. Поэтому общий баланс по весу будет положительный, и в зависимости от пробега машины будет только улучшаться.
Из попутных улучшений в процессах Кроуэр отмечает возможность повышения степени сжатия в моторе до показателей 12-, 13-к-1-му (а на моторе для тестов было достигнута степень сжатия 15 к 1 в течении 5 секунд). Стойкость к детонации при применении его цикла так же повышается что дает возможность использовать более дешевое топливо.
Топливом в этом случае могут служить низкокачественный биоэтанол, дизель, природный газ и даже топочный мазут. А в качестве «страховки» от отложений при долгом использовании Брюс предполагает, что горячий пар может предотвращать появление нагара на клапанах и стенках камеры сгорания, очищая их во время «парового» такта подобно пароочистителю. Что недалеко от истины, так как возникающая кавитация капель воды действительно способна разъедать нагар внутри камеры сгорания.
Некоторые специалисты, анализировавшие концепцию 6-тактного ДВС с впрыском воды, отмечают, что теоретически возможны даже два последовательных паровых такта. Так что цикл Кроуэра может стать и 8-тактным, и еще более экономичным.
Разумеется, концепция Кроуэра не во всем идеальна. Есть и недостатки.
В первую очередь это необходимость термоизоляции и возможно даже подогрева воды для впрыска при минусовых температурах окружающей среды. Затем сам факт необходимости размещения на автомобиле дополнительного оборудования для хранения воды.
Не исключено так же, что часть воды будет попадать в моторное масло и это потребует установки специального сепаратора для ее отделения. А сам принцип 6 тактов не сможет быть реализован полноценно со старта и по окончании работы двигателя.
При запуске потребуется время для разогрева рабочих поверхностей камеры сгорания до 450−500˚С и образования определенного запаса остаточных выхлопных газов с более высокой температурой в камере сгорания. Поэтому несколько минут мотор будет работать как обычный 4-тактный ДВС, а затем уже перейдет на полноценный 6-ти тактный цикл.
А уже непосредственно перед остановкой мотор тоже должен будет проработать некоторое время в 4-тактном режиме для полного удаления пара из цилиндра, во избежания его коррозии и конденсации внутри.
И главным недостатком будет необходимость использования дистиллированной воды для предотвращения проблем образования накипи на седлах клапанов. Поэтому потребуется практически как в 19 веке предусмотреть целую инфраструктуру производства и реализации дистиллированной воды.
Поэтому несмотря на выдающейся практические результаты для постоянного массового использования этот цикл работы ДВС так и не нашел пока сторонников.
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 так и не нашел автопроизводителей, которые могли бы его реализовать в производстве. А уже в 2007 году патентное ведомство США признало приоритет за Брюсом Кроуэром, после окончания срока действия патента Дайера.
Поэтому фактически этому изобретению уже более 100 лет…
Но где же оно могло бы быть реализовано на практике в наше время?
Если немного подумать, то формально при хорошо прогретом двигателе впрыск воды в цилиндр при соответствующем положении поршня мог бы облегчить работу стартеру либо вовсе заменить его как у системы Mazda SISS (запускающую двигатель с помощью впрыска бензина при таких же условиях). Другой вопрос стоит ли такая доработка внедрения? Если да, то возможно лишь при комбинировании с более реально используемой на автомобилях системой впрыска воды?
О последней стоит рассказать более подробно…
4. Впрыск воды
Идея впрыска воды насчитывает уже более 100 лет, и с переменным успехом к ней возвращались практически на всех видах двигателей внутреннего сгорания.
Еще в 1920-х — 30-х годах система впрыска воды в карбюратор применялась на некоторых тракторах, в частности американском International 10/20. Впрыск воды повышал детонационную стойкость рабочей смеси, что позволяло использовать в качестве топлива дешёвый керосин (хотя пускался и прогревался двигатель на бензине).
С совершенно другой целью использовался впрыск воды на самолетах. Тут в 40-х годах эта технология способствовала увеличению мощности при форсаже практически на четверть от стандартной.
А уже в 60-х водяной впрыск стал использоваться в автомобилестроении.
Первыми серийными автомобилями с этой функцией были Oldsmobile F-85 Jetfire и Saab 99 Turbo. У которых смесь воды впрыскивалась во впускной коллектор и имела два варианта состава.
Первым был «чистый» водный состав жидкости для впрыска, а второй мог быть значительно разнообразнее и был более «авиационным» по сути.
Например, это могла быть смесь воды и спирта (часто в пропорции 50/50) с небольшой добавкой водорастворимого масла. Вода обеспечивала первичный охлаждающий эффект как в первом варианте смеси, а спирт выделял при распаде свободный кислород для горения, а также служил антифризом для воды при минусовых температурах. Масло же входило в состав исключительно лишь для предотвращения коррозии компонентов системы впрыска воды и топливной системы при долговременном использовании.
Из не серийных примеров использования впрыска воды можно перечислить массу примеров из автоспорта где в течении короткого периода времени применение этой технологии подпало под запрет (Формула 1 1983 г., ралли WRC 90-е годы). Но после активного внедрения систем принудительного охлаждения впускного воздуха (интеркулер) был потерян практический смысл применения водо-метанольных смесей для повышения мощности.
Единственным примером, где подобные технологии не были запрещены, не потеряли свою ценность, и широко применяются до сих пор можно считать гонки на ¼ мили (где большим специалистом по настройке и созданию моторов для них был и уже упоминаемый Брюс Кроуэр).
Совершенно другая сторона водяного впрыска — снижение токсичности выбросов и экономия топлива получила развитие уже в 21 веке. Это не значит что ранее этот эффект не был достигнут на большинстве самодельных систем впрыска, но впервые сместился акцент разработок в эту сторону.
Компания Bosch, разработала совместно с BMW новый вид системы впрыска воды под названием WaterBoost.
Суть новой технологии впрыска WaterBoost заключается в том, что на больших оборотах в двигателе используется водяная помпа высокого давления, которая впрыскивает в камеру сгорания немного воды незадолго до поджига топливной смеси. Этот предварительный впрыск позволяет охладить стенки цилиндров двигателя, исключив необходимость впрыска бензина для коррекции температуры в этом случае. Что приводит к 13% топлива без потери мощности и крутящего момента на оборотах свыше 3 000 об/мин.
К экономии топлива добавляется еще снижение выбросов CO 2 на 4%, и рост мощности на 5%.
Цифры могут показаться небольшими, но все это достигается при небольшом расходе воды при котором долив воды может понадобиться один раз в 3 тыс. км.
Правда в тестовом варианте BMW были озвучены другие цифры. При семи литровом подогреваемом баке воды в обычных условиях автомобиль расходует около 1,5 литра воды на 100 км пути, что ограничивает пробег без долива воды до 500 километров. Однако это при условии 100% не использования кондиционера, так как система тестовой машины была оснащена дополнительной функцией сбора конденсата от работы климатической установки, благодаря которой бак для впрыска может постоянно пополнятся.
Так же ниже у BMW и показатели экономии топлива на 100 км пути — 8% в смешанном цикле.
Общим же остается сам принцип впрыска воды в цилиндр для экономии горючего.
Интересный факт что сам принцип впрыска воды по легенде был придуман по причине того что водители и инженеры при испытаниях машин давно заметили что в дождливую и просто особо влажную погоду мотор «тянет» лучше. Объяснялось это так же как и впрыск воды — в камеру сгорания вместе с воздухом в таких условиях постоянно попадало небольшое количество водяного пара т. е. По сути той же самой распыленной до водяной пыли воды.
Однако сам факт попадания водяного пара в ДВС на сегодня вовсе не ограничен лишь только погодными условиями и установкой водо-впрыска.
Существуют системы в двигателях внутреннего сгорания которые по сути своей всегда именно этот процесс и обеспечивают, но никогда в подобном ключе не упоминаются.
5. EGR это система рециркуляции отработанных газов… и водяного пара?
Согласно общепонятному определению у системы рециркуляции выхлопных газов EGR, основное предназначение системы повышение экологии выхлопа. Редко когда упоминают об дополнительной экономии топлива (2–3%), снижении детонации и даже незначительном повышении мощности в связи с охлаждением внутреннего объема камеры сгорания «отработанными газами».
Еще могут вспомнить что работает рециркуляция лишь в диапазоне средних оборотов и небольших нагрузкок на двигатель.
По своей изначальной сути начиная с 70х годов системы рециркуляции отработавших газов были классическими «дожигателями» не до конца сгоревшего топлива, как и каталитические нейтрализаторы появившейся примерно в те же годы. Отзывы об надежности эксплуатации системы были негативные в основном, и во многом это была правда. В результате «круговорота» газов в двигателе при плохо настроенной системе или большом износе масло, несгоревшие углеводороды образовывали во впускном тракте твердые отложения и нагар.
И лишь впоследствии после активного развития управления процессом и включения в состав системы различных схем охлаждения выхлопных газов (как воздушного так и жидкостного, связанного с системой охлаждения ДВС) начались удалось стабилизировать качество работы EGR.
Главной ошибкой в данном случае будет считать что принципиальное качество «газов» не изменилось. Ведь на самом деле EGR прогоняет по кругу в основном… водяной пар и углекислый газ!
Т. е. При охлаждении до температуры конденсации с учетом пониженного давления во впускном тракте в камеру сгорания попадает либо влажный пар с определенным процентом воды в нем, либо и вовсе водяной «туман» (не сравнимый по количеству с водяным впрыском, но примерно сопоставимый с показателями воды в воздухе при дожде на впуске).
Причем как для водного впрыска, так и для EGR справедливо будет считать что нагрев в камере сгорания до состояния образования пара создает дополнительное давление на поршень… совмещая таким образом паровую составляющую с классическим циклом Отто в двигателе.
Но упоминание о «дополнительном давлении на поршень» можно встретить только при описании авиационных ДВС.
Более однозначно картина подобной двойственности выглядит в водородном двигателе внутреннего сгорания.
В BMW с 2000-х годов развивают концепцию адаптированных обычных ДВС с функцией использования водорода. Такие же тесты проводили и в Mazda на роторном RX8 Hydrogen.
Обе машины используют систему EGR в двигателе, при том что выхлопные газы в водородном варианте использования это только водяной пар!
И с учетом того что водород при горении обладает теплоотдачей на 250% выше, чем у углеводородной топливно-воздушной смеси система EGR тут играет даже большую роль чем обычно.
Вплоть до часто озвученных планов об установке системы впрыска воды для дополнительного охлаждения. И если в бензиновом двигателе подача воды затруднена, так как для этого требуются отдельные бак и система питания водой, что усложняет обслуживание автомобиля и, кроме того, способствует возникновению коррозии двигателя. То при работе двигателя на водороде отработавшие газы пары можно охлаждать до полной конденсации, и полученный конденсат снова использовать для впрыска.
Похожую схему рециклинга воды для впрыска уже протестировали в октябре 2019 года на базе Audi TT Sport совместно компании FEV и Hanon Systems.
Их установка под названием логичным названием »Система сбора воды» смогла собрать более чем в два раза больше воды чем первоначально в нее было залито. При этом качество собранной жидкости было проанализировано, и не было выявлено каких-либо проблем отхода от стандартов.
Это может прозвучать странно, но в физическом смысле тут нет ничего необычного. При сжигании бензина в выхлопных газах содержится примерно 1 л водяного пара на литр потребляемого бензина, а при горении бензина при переизбытке воздуха в ДВС уходящий углерод топлива замещается влагой в воздухе. При этом пропорция водяного пара в воздухе различается в зависимости от температуры самого воздуха. Например, при температуре —20°С воздух содержит не более 1 г/м воды; при температуре + 10°С — около 9 г/м3, а при +20°С — около 17 г/м.
Поэтому для водородного ДВС процесс сбора влаги может быть оформлен с еще меньшими трудностями на будущее.
И если вернутся к основной теме статьи стоит задаться вопросом на логику и здравый смысл — «А можно ли считать исключительно двигателем внутреннего сгорания тот мотор который производит и потребляет воду или пар внутри себя пусть и не на 100% для создания тяги? Или это все таки уже совмещенный агрегат два в одном с паровым циклом внутри?»
P.S. — Интересный казус… у паровых машин Добла КПД котла был относительно невысокий… всего 80 — 78 — 77%! Как результат температура выхлопных газов колебалась в районе 290 — 310 — 340 гр. цельсия и очевидно что этот паровой двигатель мог быть либо модернизирован до более высоких показателей КПД котла, либо так же снабжен дополнительным паровым мотором как у комбинированных моторов Turbosteamer BMW и Чепмена.
