О переделке ДВС на паръ
В последнее время на ютубах появилось множество самодельных паровых машин, сделанных как из переделанных ДВС, так и с нуля, по мотивам классических машин Уатта. Многие из них крутятся и даже способны производить полезную работу. К сожалению, их строители не очень глубоко понимают, как работает паровая машина, и исходят при конструировании от чисто умозрительного представления, типа – «вот пар с давлением давит на поршень и толкает его, поршень двигается, совершая рабочий ход….» Для того чтобы построить хорошую машину таких представлений недостаточно. Чтобы уважаемые строители паровых машин имели возможность получить более достойную награду за свои труды, написано сие писание.
Самый простой, дешевый и быстрый для самодельщика способ изготовить паровую машину, это переделать на пар подходящий двигатель внутреннего сгорания. Очень похоже, что современный ДВС содержит все необходимые основные части для паровой машины. Они сделаны на заводе и имеют высокий уровень качества и стоят не так дорого. Конверсий такого типа несть числа и ютуб просто забит этими изделиями, не имеющими, к сожалению, шансов достичь хороших показателей экономичности. Все эти конверсии страдают одним и тем же недостатком, они сделаны, без глубокого понимания как работает паровая машина и потому вряд ли могут иметь какую-то практическую пользу.
Самый простой метод переделать ДВС в паровую машину, которым идут большинство самодельщиков, это напрямую пустить пар в цилиндры обычного автомобильного двигателя, используя уже существующие клапана, немного помудровав над кулачками и передаточным отношением привода распредвала…
Полученная таким образом паровая машина не сможет работать на давлениях, больше тех, при которых впускной клапан будет постоянно открыт давлением пара. Это давление ограничивается силой натяжения пружины, прижимающей клапан к седлу. Обычно оно не превышает 4 бар. К тому же пар, который используют самодельщики едва ли дотягивает до сухого. Не знаю, знают ли эти ребята о том, что пар в цилиндр надо впускать только некоторую часть хода поршня… Такая машина, при наличии достаточного количества пара будет конечно крутиться, радуя глаз счастливого паромоторостроителя, но эта радость будет не слишком долгой. Соответственно примитивному подходу, такая машина будет очень прожорливой и потреблять пара на развиваемую лошадиную силу в час больше, чем любой самый плохонький паровоз начала 20 века. С точки зрения получения практической пользы этот метод тупиковый и не только по вышеуказанным причинам.
Вряд ли можно добиться при таком способе КПД более 3-4%. По сегодняшним меркам это очень мало, даже если жечь в топке котла какую-нибудь бросовую труху. Уж лучше тогда сделать простой газогенератор и получать из той же трухи и от того же, но не переделанного на пар двигателя, солидные 20% преобразования энергии дров в полезную работу (с учетом КПД газогенератора). Это если Вы хотите иметь быструю практическую выгоду от своей затеи.
Но если Вам смертельно надоел двигатель внутреннего сгорания и Вас, как и меня укусила паровая муха отчаиваться не стоит. Сделать паровую машину из подходящего ДВС, которая имеет 20% эффективности ВОЗМОЖНО. Но чтобы этого добиться, надо хорошенько продумать всё нюансы будущей конструкции и довести её до максимального совершенства на уровне конструкторской разработки, прежде чем взять в руки лом, кувалду и болгарку и хирургически точными манипуляциями рук начать кромсать железо с целью получить в итоге паровой двигатель, пригодный к решению практических задач.
Так как же сконструировать паровой двигатель, чтобы выжать всё возможное из цикла Ренкина на доступном самодельщику уровне? Попытаемся найти ответ на этот вопрос в данном тексте.
Как было уже сказано ранее, практический КПД любого теплового двигателя начинается с КПД его идеального цикла, а теоретический (идеальный) КПД любого реального цикла в свою очередь составляет только часть от КПД цикла Карно, который есть максимально возможный для идеальной тепловой машины при данном перепаде температур.
Реальный КПД, который достигает реальный двигатель, работающий по циклу Ренкина, как правило, для автомобильных паровых машин составляет от 45% до 65% от теоретически возможного, в зависимости от тщательности подхода. Вероятно, если очень постараться можно добиться и более высокого процента. В этом пункте и заключается основная работа конструктора, поскольку теоретический предел уже задан начальными и конечными параметрами пара. Простой цикл Ренкина на водяном паре при технически достижимых на сегодня параметрах рабочего тела страдает в экономичности по сравнению с циклами Отто и Дизеля, с которыми мы пытаемся конкурировать, поэтому надо сделать всё возможное и не возможное, чтобы выжать максимум. Имея в запасе преимущество в дешевизне топлива, мы, кажется, имеем шанс на практичность своей затеи…
Как было уже сказано в первой главе о паровом мотоцикле, теоретическая эффективность простого цикла Ренкина коренным образом зависит от начальных параметров пара. Чем они выше, тем больше идеальный КПД. Ограничение на рост параметров налагают существующие материалы и их цена. Замечу здесь, что ещё в конце прошлого века были построены и испытаны паротурбинные установки, работающие на паре с температурой 815оС (!) и давлением более 300 бар. Применение современных высокотемпературных сплавов сделало это возможным. Для нас, такие материалы позволили бы заметно поднять экономичность паровика и довести его до конкурентоспособного состояния, хотя и возникли бы проблемы со смазкой. Но, мы пока будем ориентироваться на доступные сталь, чугун и нержавейку, ограничившись более скромными температурой и давлением.
Самыми практичными параметрами (для начала) при которых можно добиться нашей цели можно считать 50-70 атм давления и температуру 450оС. Температура в 450оС выбрана из соображения возможности использования дешевых чёрных металлов, стали и чугуна, для которых она является максимальной рабочей температурой. Такая температура позволяет при расширении пара в одном цилиндре до атмосферного давления не залезать слишком глубоко в область влажного пара, то есть иметь приемлемый процент конденсации пара в цилиндре, хотя конечно лучше, если бы конденсации не было вовсе. Потому если есть доступ к более жаропрочным материалам, то имеет смысл температуру увеличить, например до 550-570оС, тогда давление можно было бы поднять ещё выше и соответственно получить бОльший КПД.
Вторым ограничением для повышения начальной температуры является жизнеспособность масляной смазки. При температурах до 500-550оС в поршневых паровых машинах, как показал практический опыт, применять масло возможно, используя правильную систему смазки и правильное масло.
Итак, имея пар 50-70 атм 450оС на входе в машину, мы хотим получить двигатель с КПД 19-20% и считаем что это реально. Опыт американских паровых энтузиастов говорит об этом. Но не надо даже мечтать об этом, если давление в Вашем котле не превышает 4-5 кг/кв. см и пар на выходе из него с большой натяжкой можно назвать сухим… Давление и температура должны быть на уровне указанных выше. Практически приемлемый минимум 30-35 атм и 350оС, меньше никак, и то 20% КПД при однократном расширении без хорошего вакуума в конденсаторе будет уже не достичь, в лучшем случае 10-12%.
Если у кого-то при мысли о таких давлениях и температурах пара задрожали коленки, то лучше не делать паровой машины, Ваш путь – газогенератор. Это неплохой путь для автономного энергообезпечения или передвижения и перевозки грузов автотранспортом без использования бензина, газа или дизельного топлива. Для примитивной паровой машины описанной выше, Вам придётся тратить слишком много сил и времени на манипуляции с топливом, гораздо больше, чем для снабжения газогенератора… Цифра более 40-50 атмосфер для многих является пугающей, особенно в сочетании с температурой 450 градусов. Наверное, это нормально, но как я сказал, тогда с паром лучше не связываться…. Для ободрения остальных, могу заметить, что прямоточный котел при давлениях 100 и больше атмосфер абсолютно безопасен, хотя это вовсе не означает безалаберного подхода к тщательности изготовления аппарата.
Коленчатые валы и шатуны ДВС использовали для паровых машин с тех пор, как ДВС вытеснил паровую машину, и постройкой паровых машин на базе подходящих компонентов ДВС занимались даже такие солидные люди как Беслер и фирмы навроде SES, Дженерал Электрик и Дженерал Моторс, когда они пытались проработать вариант парового автомобиля в эпоху борьбы за чистый воздух… Неплохие достижения в деле получения практически пригодных паровых двигателей из ДВС сделал энтузиаст клуба паровых автомобилей Ричард Смит в шестидесятые годы прошлого века.
По его рекомендациям сын другого известного энтузиаста Питера Баррета, Дэвид, воплощая идеи Р. Смита в жизнь, построил паровой велосипед. Его велосипед с котлом Ричарда Смита и примитивной конверсией двухтактного моторчика требовал, по словам его отца, Питера Баррета 10 фунтов пара в час на одну лошадиную силу мощности. Это чуть больше наших надежд, однако, примерно такой же удельный расход пара был у знаменитого автомобиля Абнера Добля. Такой удельный расход воды позволял «доблю» ехать 12 миль на одном галлоне керосина. Это соответствует около 18 л на 100км. Если бы удалось получить меньший расход, то это была бы заметная победа в развитии парового двигателя. Как говаривал Джим Крэнк, достижение расхода воды 7-8 фунтов на 1лс/час это повод для праздника…
В шестидесятых годах прошлого века американские любители перенесли шариковый ударный клапан из мира модельных микромоторчиков на сжатом СО2 в мир реальных паровых двигателей и это получилось. Такие клапана просто и быстро позволяли переделать в паровой двигатель практически любой завалящий ДВС. Как приятный сюрприз вдруг выяснилось, что такая простейшая переделка может иметь при грамотном исполнении довольно высокий КПД за счет короткой отсечки.
Движущей силой велосипеда сына П. Баррета и была примитивная паровая машинка с классическим шариковым ударным клапаном, который позволяет легко реализовать короткие отсечки, труднодостижимые другим способом. Короткие отсечки это путь к хорошему КПД парового двигателя, хотя в реальности это не совсем так. По условиям протекания рабочего процесса в машине однократного расширения, как показал опыт, слишком короткие отсечки не дают прироста экономичности по причине нарастания тепловых потерь... Предельная объёмная степень расширения, после которой прекращается прирост КПД для машин однократного расширения, по словам Джея Картера и других, составляет 10-12. При бОльших степенях расширения экономичность начинает заметно падать.
Шариковый ударный клапан, сделанный из свечи зажигания наиболее прост в изготовлении. Прямоточный котёл велосипеда весил 14 фунтов и давал 21 фунт пара в час, обезпечивая паровой моторчик энергией, более чем достаточной, чтобы уверенно гонять на мопеде с паровой тягой. Котёл имел автоматику по патенту Р. Смита и работал на пропане. (Патент Р. Смита есть на этом сайте)
Простейшая конверсия машины по такому принципу делается довольно просто. Берётся двухтактный мотор подходящей мощности и вместо свечи (если она встроена в головку вертикально и посередине) вставляется шариковый ударный клапан, который делается на базе той же свечи. Для этого удаляется керамическая вставка с центральным электродом и в образовавшееся пространство вставляется седло с шариком, образующими клапан.
Седло делается из стали более мягкой, чем сталь шарика и припаивается латунью или серебряным припоем к внутреннему уступу в корпусе свечи. Керамическую вставку легче всего удалить, раскалив свечу до вишнёвого свечения и бросив её в воду. Керамика хрустнет и её можно легко выковырять. У меня получилось с одной попытки. В случае чего операцию можно повторить. Открывает клапан сам поршень на который для этой цели навинчивается специальный толкатель-«боёк» из твёрдой стали. Приближаясь к ВМТ, он упирается в шарик, приподнимает его и держит открытым до тех пор, пока поршень не поедет к НМТ. Порция пара, которая за это время вошла в цилиндр, и создаёт рабочий ход. Сверху над шариком должен быть предусмотрен упор или ограничитель хода, не дающий шарику слишком далеко улететь от бойка. Лучше, если он будет на разстоянии в доли миллиметра от максимального подъёма шарика бойком. Упор должен быть из упругой стали и не расклёпываться ударами об шарик. Шарик должен лежать на седле плотно , пропуск должен быть мизерным, и чем меньше, тем лучше, как Вы сами понимаете. Для этого верхняя часть седла делается в виде фаски под 45о. Шарик сам настучит себе уплотняющую поверхность, которую впоследствии и разобьёт…
Сверху к корпусу свечи подсоединяется, (напаивается, приваривается, навинчивается через разъемное соединение и т.п…) паропровод высокого давления.
По такому принципу паровые фанаты переделывали на пар сотни двигателей от моторчиков для газонокосилки до шестицилиндровых подвесных лодочных моторов Меркурий в 60-х годах прошлого века. Для многоцилинровых конверсий желательно выбирать двигатель с отдельными цилиндрами, потому что в случае длинного блока, особенно алюминиевого, горячий верх двигателя может выгнуть картер дугой, что коленвалу очень не понравится. Блочные двигатели можно конвертировать без переделок родных цилиндров только при чугунном блоке не очень большой длины (два, максимум четыре цилиндра) и с расчетом не на самую высокую температуру пара. Головки надо делать в таком случае обязательно отдельными для каждого цилиндра.
Смазывается такая машинка, например, маслом, которое впрыскивается в пар. Температура пара, выходящего из котла в таком случае не должна превышать 320-350оС во избежание разложения масла и по некоторым другим соображениям, которые мы разсмотрим позже. Выпуск пара в двухтактных конверсиях производится для простоты в перепускные окна базового ДВС, а оригинальные выхлопные окна тщательно заделываются (заливаются, например, подходящим металлом – сплав свинцово цинково алюминиевой группы). В картере делается выхлопное окно, к которому подсоединяется паропровод выхлопного пара соединённый с конденсатором. Это делается для смазки КШМ маслом, которое содержится в паре, подобно тому, как это сделано в двухтактниках, смазываемых маслом, растворенным в горючей смеси. При таком способе, при простоях машины надо обязательно удалять из неё всю воду, просушивать картер и сдабривать все внутренности маслом, чтобы избежать коррозии.
Те ребята гоняли смазку по кругу через котел, машину и конденсатор, не заморачиваясь с проблемами отложений и карбонизации в котле и загрязнения поверхностей конденсатора. Для смазки они применяли легендарный Смитиум, который «варили» из машинного масла, воды и сала, получая эмульсию, которую безбашенно добавляли прямо в воду рабочего цикла. Поскольку котел применялся прямоточный, то за счет высоких скоростей внутри него, частицы масла проскакивали котёл насквозь, не успевая разложиться в зоне пароперегревателя. Ходят слухи о том, что проблем с отложениями на теплопередающих поверхностях котла и конденсатора не было. Хотя есть и отдельные противоположные высказывания. Лично я сомневаюсь маленько в надёжности такой системы, но может быть ввиду малого времени пользования такими машинками недостатки такой системы смазки не успевали вырасти до уровня проблемы. Если кто-то пойдёт по такому пути, обязательно сообщите мне о результатах эксплуатации такой системы. Добавлю, что температура пара при такой системе смазки не может быть более 350оС и масло должно быть высокотемпературное. Такая температура как раз находится на грани критического значения с точки зрения термодинамики цикла, и понижение её по многочисленным отзывам владельцев различных паровых двигателей различных производителей приводит к резкому уменьшению КПД.
Третье ограничение по температуре создаёт алюминиевая головка двигателя. Для алюминия такая температура является запредельной и только из-за того, что в этих самоделках зачастую не применялось никакой теплоизоляции цилиндра, и пар на входе в машину имел температуру несколько ниже котловой, удавалось избежать разрушения головки двигателя. Однако тщательная теплоизоляция паровой машины и особенно крышки цилиндра вещь абсолютно необходимая, о чем, почему то забывают или не знают почти все энтузиасты, изготавливающие паровые двигатели из ДВС и всякого хлама… Потери тепла для паровой машины это не просто плохо, а очень плохо. Всё тепло, которое просто так за здорово живёшь улетело из цикла в окружающую среду не внесло своего вклада в создание полезной работы. А ведь мы должны превратить в работу каждый мало-мальски подходящий Джоуль тепла рабочего пара, если хотим добиться практического результата. Разбазаривать тепло в тепловом двигателе – халатность, граничащая с преступлением или младенческая наивность в понимании темы.
Первый недостаток. Шариковый клапан, сделанный на базе свечи буквально душит машину, имея очень малый пропуск пара. Шарик едва не касается стенок тесного пространства свечной оболочки, сама дырочка для прохода в цилиндр мала, очень мал промежуток времени для впуска пара в цилиндр… Особенно учитывая, что свободное (мертвое) пространство в этой конверсии, унаследованное от базового ДВС чрезмерно велико. О вредном влиянии этого пространства на показатели экономичности паровой машины было сказано в тексте – «Паровой мотоциклъ», этого сайта. Поскольку пропуск такого клапана мал, время его открытия тоже мало, потери давления на мятие весьма значительны, вредное пространство, которое надо заполнять паром за малый промежуток времени избыточно велико, а температура пара недостаточно велика, то экономичность страдает очень сильно. Поэтому были попытки использования сразу до трёх шариковых клапанов на один цилиндр.
Если Вы хотите добиться хороших результатов при такой конверсии, надо очень тщательно выбрать, какое вредное пространство необходимо оставить и каков будет процент степени наполнения или отсечки. Точное значение можно рассчитать исходя из конкретных параметров пара, на которых будет работать Ваша машина, и из её размеров.
Лучше всего изготовить новую головку для такого моторчика из стали или чугуна, тогда рабочую температуру можно держать чуть повыше. В этом случае ограничение уже создадут шпильки, удерживающие головку, которые вкручены в тот же алюминий, рабочая температура которого не должна превышать 270-280оС. Вообще, мягко говоря, алюминий не самый лучший материал для паровой части паровой машины. В разсматриваемом случае самодельщиков немного выручал тот факт, что цилиндр всегда холоднее головки. Поэтому необходимо на практике измерить, при какой температуре пара в паровой коробке температура металла (алюминия) в районе шпилек составляет 270о и не превышать этой температуры. Но лучше всего сделать стальной или чугунный цилиндр. Чугуний это самый паромоторостроительный материал прошлого.
Второй недостаток шарикового ударного клапана в том, что он довольно быстро разбивает седло и разбивается сам. (Седло обычно делают из материала с твердостью меньшей, чем твердость шарика, а лучший результат показали шарики из нитрида бора.) Это происходит потому, что при работе, когда поршень уже идёт вниз к НМТ, шарик, получив импульс от бойка, обладая приличной массой, продолжает двигаться в направлении первоначального импульса и отрывается от бойка. Погасив скорость об ограничитель, шарик подхватывается потоком пара и под действием паровой струи начинает двигаться назад. Скорость парового потока здесь достигает нескольких десятков метров в секунду и поскольку толкатель уже уехал вниз, шарик ускоряется до скорости сопоставимой со скоростью пара, тогда как допустимый предел не более 3-4м/с. Поэтому сила удара шарика о седло в момент закрытия, недопустимо велика и такой клапан служит не слишком долго.
Лекарство от этой беды нашел Дж. Картер. Им оказалась пружина, которая всё время прижимала бы шарик к бойку, не допуская отрыва от него. Пружина должна быть работоспособной при температурах выше температуры пара и сделана из специального материала, чтобы гарантировать, что она не ослабнет под воздействием высокой температуры. Пружина должна также иметь достаточную силу прижатия, которую можно определить исходя из силы инерции шарика. При таком исполнении шарик всё время будет прижат к бойку и опустится на седло со скоростью поршня, которая в это время минимальна и находится как раз в нужных нам пределах, так как дело происходит в пределах 5-6% хода поршня вблизи ВМТ. Хотя в отрыве шарика от бойка есть и некоторое преимущество. Это делает фазу закрытия клапана более поздней, что было бы совсем неплохо, если бы не удары, приводящие к быстрому разрушению такого клапана.
Третий недостаток в том, что при таком «свечном» клапане отсутствует паровая коробка, которая должна иметь объем, по меньшей мере, в 2-4 объема рабочей порции пара. Этот объём пара, сгладил бы пульсации в паропроводе и тем снизил бы потери давления в нём. Такой объём желательно создать вокруг клапана, если мы хотим повысить экономичность машины и выжать всё что возможно для нашей простейшей конверсии.
Четвертый недостаток. Степень отсечки в нём постоянна, и не меняется. Это затрудняет регулирование такого двигателя.
Пятый недостаток . Фазы открытия клапана до ВМТ и закрытия после ВМТ, как было сказано выше, симметричны. Это не даёт возможности иметь давление компрессии максимально эффективной величины, а именно равного или только на волосок меньше давления в паровой коробке, чтобы избежать потерь энергии от наполнения вредного пространства в момент впуска пара.
Но, несмотря на все эти недостатки, такой клапан имеет одно довольно большое преимущество, он прост как три копейки. Короткая отсечка, которой трудно добиться при ином парораспределении, легко достигается этим простым способом и позволяет при нормальных параметрах пара иметь достаточно высокие обороты (3000-5000 об/мин), что в сумме даёт возможность получить вполне приличный КПД.
Американец Джей Картер, который создал очень экономичную паросиловую установку такого типа с ударными клапанами для автомобиля в 70-х годах прошлого века, выяснил, что наилучшими рабочими качествами обладает клапан в виде лёгкой плоско - конической шляпки имеющей достаточный диаметр. Это уменьшает сопротивление проходу пара в цилиндр по сравнению с шариком. Клапан прижимается к бойку пружиной. Такой клапан, имея большой диаметр, гораздо легче шарика при одинаковом сечении впускного канала и это положительно сказывается на его долговечности.
Необходимый диаметр клапана можно вычислить исходя из необходимой площади впускного канала, которая определяется по эмпирической формуле:
f = F*ccp/w
где F – площадь поршня, кв. см, ccp - средняя скорость поршня, w - условная скорость пара (для перегретого пара эта скорость принимается около 25-40 м/с, лучше брать меньшую скорость для снижения потерь давление на мятие пара в клапане)
Искомой площадью f, будет площадь цилиндра, равная длине окружности диаметром D, грубо равная диаметру клапана, умноженной на высоту подъема клапана. Площадь основного канала, образуемого седлом минус сечение бойка, намного больше и нас не лимитирует, хотя имеет смысл проверить и её. Отсюда можно вычислить необходимый диаметр клапана, зная какую часть хода поршня, боёк упирается в клапан. Эта высота подъёма одновременно задаёт и отсечку, которая в данной конструкции парораспределения является неизменной. О выборе отсечки мы поговорим позже.
Фольксваген Баррета с литровым паровым мотором, полученным из родного мотора букашки путем выбрасывания 2-х цилиндров одной из сторон этого четырехцилиндрового оппозитника воздушного охлаждения, показывал пробег до 19 миль на галлон топлива. (Это неплохой результат для такой простой системы.) По-русски это означает 13 литров на 100 км и на первый взгляд, кажется многовато, но это если думать про бензин…, а если думать что это может быть и отработка или пиролизная жидкость, то...хмм… Боёк и клапан имели сопрягаемые поверхности в виде конуса, для центровки клапана относительно поршня, так как клапан не имел направляющих. Можно поэкспериментировать и с другими формами клапана и применить, например конические уплотняющие поверхности или конус – сфера, придав клапану грибообразную форму. Сам П. Баррет начинал с шариков, которых понадобилось аж по три штуки на один цилиндр, чтобы не «задушить» машину и обезпечить приемлемый пропуск пара. Но шарики разбивали седла менее чем за 100 миль пути…
Паровая машина подобной конструкции, сделанная из трёхцилиндрового Листер дизеля, отработала несколько лет на экспериментальной солнечной электростанции White Cliff (Белый Утёс) в Австралии, в семидесятые годы прошлого века. Эти ребята тоже начинали с шариков, но потом через паровых энтзиастов вышли на клапана Картера, отработали свою версию, и получили очень приличную наработку клапанов. При вполне успешных испытаниях своей солнечной электростанции… Машина показала при перегреве пара свыше 400 градусов Цельсия экономичность брутто на валу машины до 20%+. (В эту цифру не входит экономичность котла и паразитная мощность насосов/вентиляторов/генераторов.) С падением температуры КПД начинал падать и ниже 250С падал очень круто. При этом из той информации, которая у меня имеется, создаётся впечатление, что эта конверсия была грубовато сработана и не использовала всех возможностей для экономии тепла.
Отсюда вывод: если мы хотим получить практичную паровую машину с приемлемым КПД, из подходящего ДВС используя ударный клапан, необходимо а) делать новую головку из стали или чугуна, отказавшись от алюминия, чтобы поднять рабочую температуру, б) отказаться от шарика и делать плоский (конический, грибообразный) клапан в) отказаться от мысли гонять масло вместе с водой по кругу, создав грамотную систему смазки, чтобы иметь возможность поднять температуру пара до 450оС и выше.
Итак, попробуем сконструировать наш паровой двигатель. Для этого надо максимально точно представлять себе как будет работать наш паровой моторъ. Давайте попробуем в этом разобраться.
Такие машины называются прямоточными. В них пар входит в голову двигателя, а выходит через хвост и это хорошо. Почему, надеюсь читателям этого сайта уже понятно. А кто не понял, снова подскажу – выхлопной пар холодный, а входной горячий… Словесное описание работы этого двигателя выглядит так: поршень, имея в себе некий заряд кинетической энергии, полученной от предыдущего рабочего хода или от первоначального толчка, (такие машины запускаются стартером, как и ДВС) двигаясь к ВМТ за счет этой энергии преодолевает сопротивление пара в цилиндре, сжимая его. Приближаясь к ВМТ, он упирается в клапан бойком и, преодолевая сопротивление клапана с пружиной и давлением пара сверху, приподнимает оный клапан….
Процесс, который произойдёт на месте многозначительного многоточия, зависит от того какое давление в мёртвом пространстве имеется к моменту открытия клапана. В связи с этим существует несколько возможных вариантов дальнейшего развития сценария.
а) Давление компрессии превышает давление в паровой коробке. Тогда часть пара при достижении достаточного давления чтобы преодолеть силу натяжения пружины сама откроет клапан и выйдет в паровую коробку, другая часть пара из цилиндра будет выдавлена в пространство паровой коробки поршнем. Во вторую половину такого «впуска» в цилиндр войдёт порция пара меньшая, чем была там прежде. В этом случае работа, совершаемая в цилиндре, будет отрицательной и машина в течение очень малого отрезка времени, потребив запас инерции маховика, остановится.
б) Давление хода сжатия равно давлению в паровой коробке. Тогда свежий пар за время открытия клапана в цилиндр не поступит. Отрицательная работа будет несколько меньше, но всё же она будет отрицательной, поскольку работа на сжатие пара в цилиндре и трение поршня затрачена, а свежий пар, имеющий в себе дополнительную энергию, в цилиндр не поступил, поршень совершает «рабочий ход» за счет расширения пара, который он только что сжал. Эта работа несколько меньше чем затраты энергии на ход сжатия за счёт трения и теплопотерь. В этом случае машина тоже быстро остановится.
в) Давление компрессии ниже давления перед клапаном. Существует точка равновесия, когда машина может только крутить сама себя, не отдавая вовне никакой полезной работы.
г) И, наконец, при ещё более низком давлении компрессии начинается работа двигателя, ради которой мы и стараемся. Эта работа тем больше, чем больше пара успело войти в цилиндр за время открытия клапана.
Давление в конце хода сжатия зависит в основном от соотношения мертвого и рабочего объёмов цилиндра и параметров пара в конце выхлопа. Так же зависит оно от потерь тепла в процессе сжатия и утечки пара через поршневые кольца, но в меньшей степени. Кроме того от соотношения объема вредного пространства и величины отсечки зависит степень расширения и соответственно экономичность двигателя.
Из вышеизложенного мы видим, что нас интересует пункт г). Поэтому необходимо определиться какой же объем вредного пространства нам необходимо иметь. То есть, какое вредное пространство/ давление компрессии является оптимальным.
Ударный клапан оставляет нам три возможности регулирования мощности нашего парового мотора.
1) Скоростью вращения
2) Давлением перед машиной
3) Величиной вредного пространства
Способ первый. Мощность машины пропорциональна количеству пара пропущенного через неё. Поэтому имея бОльшую скорость вращения при сохранении всех прочих условий, паровой двигатель будет иметь и бОльшую мощность. Как приятный сюрприз в этом случае может повыситься экономичность зя счет снижения тепловых потерь и утечек. Таким образом, повышая обороты такого мотора можно увеличить его мощность.
Способ второй. Давление перед машиной можно менять или дроссельным клапаном или регулировкой самого котла. Прижимая дроссельный клапан можно уменьшать мощность машины. Этот способ расточительный, поскольку в дроссельном клапане давление пара стравливается вхолостую и энергия, имеющаяся в нём, пропадает. Кроме того при этом увеличиваются потери и в самой машине. С этим приходится мириться, поскольку зачастую иного способа изменить мощность, нет. Менять давление пара в котле более экономично, но, как правило, слишком долго, хотя можно создать очень малоинерционный легкий прямоточный котел. Джей Картер использовал именно такой способ регулирования, совмещая первоначальное регулирование дросселем с изменением давления в котле регулировками котла. Дроссель служил вспомогательной мерой, а когда давление в котле изменяется до нужного предела, дроссель открывают полностью. Способ регулирования давлением перед машиной требует ещё более увеличенного вредного объема, с учётом запаса этого объёма, чтобы давление компрессии было всё таки ниже давления перед клапаном при значительном понижении давления перед ней. Отмечается, что у машин Картера был довольно значительный вредный объём. Эти способы пригодны для любой паровой машины.
Способ третий. Как мы уже видели, мощность нашего парового двигателя тем больше, чем больше вредное пространство, которое успевает наполниться свежим паром в момент короткого промежутка времени открытия клапана. Этот способ так же энергозатратен. На заполнение вредного объёма вхолостую расходуется рабочий пар, при этом падает степень расширения в цилиндре. Эти факторы ухудшат тепловой КПД. Однако этот способ хорош для разгона при старте, ибо он увеличивает сходство нашего двигателя с настоящей паровой машиной, увеличивая момент на его валу. Умело комбинируя все эти три способа можно добиться управления нашим паровымъ моторомъ.
Есть и ещё один способ регулировать в некоторых пределах мощность. Хотя я не встречал сообщений о его практической реализации. Всё-таки можно в небольших пределах изменять степень наполнения при парораспределении такого типа, хотя в этом случае клапан должен иметь несколько более сложное устройство. Можно в небольших пределах менять на ходу положение самого клапана с пружиной и седлом, отодвигая его от бойка или приближая к нему. Пределы изменения отсечки таким способом невелики (3-7% хода поршня), но зато клапан не отрывается от бойка. Я «изобрёл» такой способ примерно в 2010 г., но оказалось, что он изобретён ещё в 60-е годы в Америке… Воистину, всё уже давно изобрели до нас…
Можно пойти дальше и сделать так же двигающимся сам боёк, таким образом, что при приближении к ВМТ он бы постепенно начинал выдвигаться и, открыв клапан, продолжал бы своё выдвижение, отодвигая фазу закрытия клапана относительно фазы открытия. Это позволило бы увеличить КПД двигателя за счет возможности снижения объёма мёртвого пространства и увеличения давления компрессии. Такое движение бойка можно организовать, например, соответствующим кулачком на шатуне, хотя при этом машина перестанет быть реверсируемой…
Существует ещё несколько разновидностей конструкций таких устройств, которые позволяют менять отсечку ударных клапанов на ходу. Из всех таких систем максимально гибко и в широких пределах может менять отсечку система с электромагнитным удержателем. После открытия клапана его удерживает в этом положении электромагнит, который отключается в нужный момент и клапан закрывается совместными усилиями пружины и парового потока. Пружина при таком способе не должна быть сильной. Система очень заманчива и позволяет в широких пределах с легкостью менять степень наполнения, но при этом снова возникает проблема с долговечностью, ибо клапан, будучи оторван от бойка снова начинает шлёпать по седлу со всей дури. Если Вы придумаете, как просто и надёжно демпфировать удар такого клапана по седлу, то проблема регулируемого ударного клапана будет решена.
Такой паровой моторъ, имея очень короткую отсечку, по своей моментной характеристике уже мало напоминает классическую паровую машину и начинает приближаться к характеристике ДВС. Для пуска он нуждается в стартере и ему нужна коробка скоростей. Доброй памяти Джим Кранк с отвращением относился к этому типу двигателей, которые в его глазах уже были наполовину банальным ДВС, лишая паровой автомобиль тех замечательных преимуществ, которые давали им старые добрые машины с более солидной системой парораспределения, которая давала им возможность пуска без всякого стартера, имея при этом громадный стартовый момент на валу за счет длинной отсечки. Поэтому старые паровики не имели никакой нужды в многоступенчатой коробке передач. Динамика и молчаливая мощь таких машин превосходит динамику авто с ДВС. К сожалению, сделать машину, совмещающую преимущества классических плавных и мощных машин с хорошей экономичностью, гораздо сложнее и дороже. Однако надо заметить, что и такой паровой моторъ с суперкоротокой отсечкой будет иметь моментную характеристик всё же несколько лучше, чем у ДВС. Фольксваген П. Баррета по словам многих свидетелей, катавшихся на нём, превосходил по динамике свой бензиновый аналог.
За время развития автомобильных паровых двигателей после заката паровой эры пришло понимание что, несмотря на усложнение силовой установки в целом, трансмиссия значительно увеличивает гибкость системы, давая большую возможность удерживать хорошую экономичность в широких пределах мощности и полезна даже машинам с более гибким парораспределением, чем ударный клапан.
Есть ещё один очень интересный, я бы сказал, футуристический вариант ударного клапана, так называемый ударно-безударный клапан. Вариант не очень простой в смысле расчёта и соответственно изготовления/настройки, хотя идея выглядит проще пареной репы и, на мой взгляд, очень перспективная. Идея принадлежит членам SACA и окончательный вариант высказанный Джимом Кранком и Кеном Хелмиком выглядит такЪ:
Как видно из рисунка, клапан открывается не прямым нажимом бойка, а сжатым в полости клапана паром. Полость-цилиндр выполнена в теле клапана и образует нижнюю «паровую пружину». Когда давление в нижнем паровом цилиндре клапана достигнет величины, достаточной для открывания клапана, он поднимается и зависает на этой паровой «подушке», зажатый между двух паровых пружин. Открыванию так же помогает увеличение давления в самом рабочем цилиндре двигателя в процессе сжатия. Это приводит к тому, что клапан открывается ближе к ВМТ, а закрывается в более поздней фазе, чем открытие, поскольку после открытия клапана, сила, которая действует в направлении закрытия, заметно меньше, чем сила, с которой пар давит на клапан, когда он закрыт. Это смещение фаз, повторяюсь, позволяет увеличить давление компрессии и получить более экономичную машину. Нижняя полость «паровой пружины» будет служить при закрывании демпфером, не позволяющим клапану шлёпаться с силой по седлу, правда, до определённой величины отсечки, поэтому большой отсечки таким клапаном достичь не получится. Предельная отсечка тут будет где-то в районе 7-9%, что для получения хорошей машины более чем достаточно. Выглядит это просто и заманчиво, но теория этого клапана достаточно сложна. Клапан, болтающийся на двух паровых пружинах, представляет собой колебательную систему. Характеристика «пружин» не поддаётся точному расчёту, поскольку неизвестны пропуски пара в зазорах этих паровых цилиндров… Сила подъема клапана зависит от многих факторов. Сила, прижимающая клапан к седлу равна площадь сечения, умноженная на разницу давлений в паровой коробке и цилиндре, а эта разница будет меняться при дросселировании пара для регулирования мощности а так же в соответствии с движением поршня. В процессе сжатия пара в паровых пружинах будут утечки в зазоры. Эти зазоры со временем будут увеличиваться. Возникает вопрос смазки этих трущихся пар. А так же надо разсмотреть этот маятник и его колебания, как эти колебания и резонанс повлияют на работу. Ну ооочень для расчетов сложный клапан. Но ооооччччень перспективный. На мой убогий взгляд.
И, наконец, ещё один вариант ударного клапана, позволяющий сдвинуть симметричность фаз открытия/закрытия, придуманный одним из американских форумчан. Толкатель такого клапана подпружинивается пружиной точно подобранной жесткости и длины. Тогда клапан может открыться только тогда, когда пружина сожмётся до состояния монолитного стержня и это можно сделать так, что открытие произойдёт, скажем, за 1% хода поршня до ВМТ. Как только клапан чуть приоткроется, перепад давлений на нём станет практически равным нулю и пружина вытолкнет его в сторону открытия до момента уравновешивания сил с прижимной пружиной расположенной над клапаном. Закрытие такого клапана произойдёт позже, чем 1% хода поршня вниз, и к тому же посадка клапана будет демпфирована пружиной бойка-толкателя. Остаётся правильно подобрать жесткости пружин и ход толкателя. Если это сделать правильно, то можно достигнуть достаточной несимметричности фаз. Следует отметить, что некоторая несимметричность присуща и самому примитивному варианту ударного клапана, поскольку поток пара имеет некоторую инерцию и начинает течь не сразу, хотя эта несимметричность слишком мала чтобы сделать какие-то существенные улучшения в работе двигателя.
Это очень не праздный вопрос для любой паровой машины, не менее важный, чем для ДВС. Этот объём в совокупности с рабочим объёмом двигателя определяет давление в конце такта сжатия, а так же степень расширения во время рабочего хода. В ДВС он определяет степень сжатия, от которой в главном зависит КПД двигателя. А что значит степень сжатия для паровой машины? В древних паровых машинах сжатия практически не было или оно было очень небольшим. Пар выгонялся поршнем из цилиндра, и только остаток его сжимался. К чему это приводит мы уже разсматривали. Это увеличивает мощность двигателя, но уменьшает его КПД.
Вредный объём объективно присутствует практически в любой машине и его трудно полностью избежать, хотя при конфигурации клапана, который расположен в крышке цилиндра, подобно нашему ударному клапану, этот объём можно свести к очень малой величине. Это с одной стороны очень заманчиво. Но как мы уже видели, слишком большое уменьшение этого объёма в случае симметричности фаз открытия и закрытия ударного клапана относительно ВМТ приводит к тому, что цилиндр перестаёт получать порцию свежего пара для совершения рабочего хода. Расчёт «вредного» объёма в таком случае надо вести исходя из минимального давления в паровой коробке, которое бывает при частичных режимах работы двигателя. Давление сжатия должно быть таким, чтобы оно было меньше чем минимальное давление в паровой коробке, а это давление в свою очередь можно вычислить исходя из мощности холостого хода машины учитывая обороты и степень отсечки.
В своё время Картеры, создавшие свой автомобиль на базе ударного клапана, запатентовали устройство для автоматического изменения вредного объёма в соответствии с текущим режимом работы двигателя. Это, грубо говоря, небольшой контрпоршень и его привод. Есть упоминания о подобном устройстве в паровых двигателях братьев Вильямс.
Здесь основная трудность с подбором этой самой рабочей жидкости, поскольку она должна иметь стабильность при температурах более 500С и не кипеть при этом. Лично я такой жидкости не знаю.
Однако и механический способ изменения вредного объёма так же достаточно прост в реализации. Такое устройство даёт бОльшие возможности регулирования мощности двигателя и давления компрессии. Оно должно увеличивать вредное пространство при уменьшении давления в паровой коробке. Такое устройство позволяет регулировать мощность машины, не меняя давление и обороты.
КАРТЕРЫ.
Отец и сын Картеры в конце шестидесятых прошлого века создали свой вариант парового автомобиля на базе ударного клапана. Их автомобиль был заметным достижением в то время и многие думали, что его ждёт серийное производство. Первым был автомобиль, построенный на базе фольксвагена с квадратным задом. Радиальная Х-4 прямоточная машина простого действия, без крейцкопфов, цилиндр 2 дюйма, ход 2,75 дюйма, объём машины 34,6 куб. дюймов (540 куб. см), постоянная отсечка 6%. Машина развивала до 70лс при 5000 об/мин., смазка КШМ и цилиндров разбрызгиванием специальным высокотемпературным маслом Мобил Ойл Ко, созданным специально по их заказу, смазка коренных подшипников под давлением, температура картера 250оF (121С) для удаления попавшей туда через поршневые кольца воды, регулирование мощности двигателя производилось изменением давления в котле, дроссель нёс вспомогательную функцию, использовалась стоковая коробка передач фольксвагена. Давление пара до 2000 фунтов на кв. дюйм (140 атм), температура до 1000F (ок. 560оС). Насосы водяной, топливный и генератор имели привод от двигателя. При пуске машина прогревалась на холостом ходу. Для ускорения прогрева предусмотрены специальные продувочные клапана в крышке цилиндра, прогрев машины занимал 20 с. Старт автомобиля через 30 сек. после поворота ключа. Котёл прямоточный, размерами 13х26 дюймов (диаметр@длина), горелка с центробежным распылителем типа вращающаяся чашка, модулируемое пламя до 750000 БТЕ/час макс. Для контроля температуры, сделаны самодельные температурные датчики с использованием ртути. Общий пробег составил на 1977г. более 6000 миль, при скорости 70миль/час (115 км/час) пробег 20 миль на галлон топлива (12,15 л на сто км). В качестве топлива Картеры использовали бензин. Вакуум в конденсаторе 3-4 дюйма водяного столба при 70 миль/ч и 20-30 дюймов при 40 миль/час. Установка весила на 120 фунтов (54,5 кг) больше чем стоковый ДВС фольксвагена. К 1978 г. выяснилось, что Х-4 не самая удачная компоновка и был сделан двухцилиндровый рядник объёмом 30 куб дюймов. При 6000 об/мин, температуре 1100F и давлении около 2500 psi (175 атм) он выдавал мощность 90 л.с. Вес машины 85 фунтов, котла 98 фунтов.
Успешные опыты с фольксвагенами и значительный прогресс в достижении сопоставимого с ДВС тогдашнего времени расхода топлива при превосходящих динамических характеристиках движения автомобиля (driving performance) внушали оптимизм. Все тогдашние паровые энтузиасты ожидали что вот-вот начнётся массовое производство паровых автомобилей на основе системы Картеров, но….
Хотя Картеры получили контракт на паратранзитное такси от правительства Калифорнии и создали его, дальше опытов дело всё-таки не пошло. Вот характеристики этого такси.
Полный вес паросиловой установки 359 фунтов, расположена она под капотом, передний привод от Ауди. Расширитель (паровая машина): объём 30 куб дюймов, двух цилиндровый, прямоточный, размеры - 15 дюймов высотой и 12 длиной, вес 79 фунтов, развивает момент 130 фунт на фут при давлении в котле 2400 фунтов на квадратный дюйм. Парогенератор сделан полностью из оребрённых трубок. Наружные размеры парогенератора - диаметр 13 дюймов, длина 18 дюймов. Вес 86 фунтов.
Двигатель имеет довольно большой мертвый объём и довольно большой объём паровой коробки, P-V диаграмма практически мало изменяется при изменении оборотов от 2500 до 4500 об/мин. Кривая экономичности довольно плоская, это достаточно важное свойство этой паровой системы и замечательное достижение Картеров. При 1500 об/мин достигается 20% мощности, а при 4500 об/мин 100%. Удельный расход топлива 0,76 и 0,64 фунт/л.с.*час соответственно. (ок.290г/лс*час)
Показатель удельного расхода топлива превосходил таковой у большинства ДВС того времени, но пиковая экономичность не так высока. Джей считает, что немного не достиг своей цели в области снижения уровня загрязнений в выхлопе, поскольку поставил себе целью превысить уровень требований для автомобилей в 1976 г.
1972 г.
В 1973 г. тесты показали расход топлива автомобиля Картеров 0,67 фунта на 1л.с. в час и общий кпд от горелки до колёс 20%(!) Это значительно превосходит экономичность знаменитого автомобиля Добля.
Паровой двигатель с ударным клапаном при достаточно высоком давлении и температуре пара 560С за счёт короткой отсечки может иметь достаточно высокий КПД. Такой клапан способен работать на достаточно высоких оборотах (4000-5000), при которых тарельчатые клапана будут испытывать большие проблемы. Высокие обороты так же улучшают тепловой КПД паровой машины. КПД можно было бы ещё повысить за счет смещения фаз открытия и закрытия клапана и соответственно поднятия давления компрессии, использования выхлопного расширителя в виде турбины или объемного роторного двигателя, чего у Картеров не было. Кроме того используя современные жаропрочные сплавы можно увеличить температуру пара до 600С и возможно выше, хотя появятся проблемы со смазкой ЦПГ. Повышение давления выше 100-120 ат. не имеет смысла, так как приведёт к повышению давления на выхлопе и соответствующей потере энергии, а слишком сильное уменьшение отсечки приведёт к увеличенным тепловым потерям.
Кроме метода с ударными клапанами существуют так же и другие варианты парораспределения, которые можно использовать для конверсии на пар подходящего бензинового мотора. Вариант, который был описан в самом начале, имеет очень ограниченные возможности, но так же достаточно прост. Чтобы поднять давление рабочего пара, впускному клапану надо заменить пружину на более сильную, которая была бы способна удерживать его против силы давления пара в закрытом состоянии. О невозможности применения пара достаточно высоких параметров при таком способе уже упоминалось.
Известны варианты, когда оба родных клапана ДВС использовались как выхлопные в паре с ударным клапаном, используемом для впуска пара. Такой вариант позволяет регулировать давление компрессии в соответствии с текущим режимом работы, что позволило бы уменьшить потерю от вредного объёма. Для этого надо изменять фазу закрытия такого выхлопного клапана. Это можно сделать, например, изготовлением скользящего кулачкового вала с изменяющимся профилем кулачка и системы управления движением этого вала в необходимом соответствии с давлением в паровой коробке. Машина, с таким парораспределением противоточная, но может быть и полупрямоточной, то есть когда выхлоп через клапан имеет только вспомогательную функцию, а основной выхлоп идёт через порты, открываемые поршнем. Такая машина может иметь неплохую экономичность.
Интересный вариант конверсии показал австралиец Грехэм Бэйкер. Из типичного четырехцилиндрового нижнеклапанного автомобильного двигателя он сделал паровой компаунд. Базовые поршни ДВС он использовал как крейцкопфы паровой машины. Над цилиндрами ДВС он смонтировал паровые поршни и цилиндры. Один цилиндр был цилиндром высокого давления, а остальные три служили «цилиндром» низкого давления. Парораспределение у такого двигателя было нижнеклапанным с противоточной конфигурацией машины. Для стационарной установки это наиболее интересный вариант. Можно ввести перегрев между ступенями расширения, что поднимет КПД системы.
Переделка ДВС с использованием базовых поршней в качестве крейцкопфов весьма распространена. При таком подходе остаётся изготовить только паровые цилиндры с крышками и поршнями, штоки и пр. Такой способ хорош тем, что механика КШМ в этом случае хорошо защищена от попадания воды в картер, чем страдают паровые машины без крейцкопфов с тронковыми поршнями, поэтому не надо создавать систему удаления воды из картера. Но это происходит ценой увеличения высоты машины и её веса и её рабочих оборотов, что не всегда приемлемо.
Объем паровой машины с ударным клапаном при давлении пара в районе 70-100 атмосфер примерно вдвое меньше чем у четырехтактного ДВС равной мощности, при равных оборотах, за счет удвоения рабочих тактов, поскольку среднее эффективное давление паровой машины и ДВС в такой конструкции примерно одинаковы. П. Баррет, используя четырёхцилиндровый двигатель фольксвагена, оставил только два цилиндра. Этого было достаточно для получения необходимой мощности.
Ударный клапан, как это видно из его конструкции позволяет получить очень короткую отсечку и за счет этого увеличить степень расширения. Были попытки сделать очень малую отсечку (около 3%) в паровых двигателях с ударным клапаном, но ожидаемого увеличения экономичности не произошло. Оптимальной оказалась отсечка около 5-7%. При ней расход пара составил около 10фунтов/лс*час. Слишком малые отсечки, кроме ухудшения тепловой экономичности также увеличивают потребный рабочий объём двигателя за счёт падения Среднего Эффективного Давления (СЭД).
