Двигу́н Бе́рка () — конструкція двигуна внутрішнього згоряння, яка була спробою австралійського інженера Рассела Берка у 1920-х роках покращити двотактний двигун внутрішнього згоряння. Незважаючи на те, що він завершив проектування та виготовив декілька робочих двигунів, початок Другої світової війни, відсутність повноцінних результатів випробувань і проблеми зі здоров'ям у його дружини ускладнювали виведення розробки на ринок. Основними заявленими перевагами конструкції було те, що вона має лише дві рухомі частини, малу масу, має два імпульси потужності на оберт і не потребує додавання оливи до пального.

Двигун Берка за принципом роботи є двотактним двигуном, з одним горизонтально розташованим опозитним поршневим вузлом, що використовує два поршні, які рухаються в одному напрямку одночасно, так що їх робота є зміщеною один відносно одного на 180 градусів за фазою. Поршні з'єднані з шотландським механізмом замість звичного механізму на базі кривошипа чи колінчастого валу. Завдяки цьому прискорення поршня є ідеально синусоїдальним. Це змушує поршні проводити більше часу у верхній мертвій точці, ніж у звичайних двигунах. Вхідний заряд паливо-повітряної суміші стискається в компресорній камері під поршнями, як у звичайного двотактного двигуна з картерним продуванням. Защільнення шатуна запобігає забрудненню пального мастильною оливою.

Принцип роботи

Робочий цикл двигуна Берка дуже подібний до циклу поширеного двотактного двигуна з іскровим запалюванням зі стисненням у картері, з двома особливостями: Пальне впорскується безпосередньо в повітря, яке рухається через впускні порти. Двигун після прогрівання розрахований на роботу без використання іскрового запалювання. Цей принцип ґрунтується на самозайманні (дизелюванні) (), при якому паливо-повітряна суміш займається через її високу температуру від стиснення та/або від розжареного металу в камері згоряння.

Основні конструктивні ознаки Слід відзначити такі особливості конструкції двигуна:

Механічні характеристики До основних особливостей конструкції двигуна належать такі ознаки: для перетворення лінійного руху поршнів в обертання вихідного вала використовується шотландський механізм з лінійно ковзними штоками (замість шатунів у традиційних поршневих двигунах), що дозволило уникнути появи бічних зусиль на поршень, зменшуючи тертя та знос поршня; мала кількість рухомих частин (лише два рухомих вузли на пару протилежних циліндрів) і такі опозитні циліндри можна поєднувати, створюючи 2-, 4-, 6-, 8-, 10-, 12-циліндрові конструкції з парною кількістю циліндрів; поршень сполучений з шотландським механізмом через підшипник ковзання у вигляді самоустановного гідродинамічного підшипника; використано механічне впорскування пального; впускні/випускні вікна замість клапанів; легке обслуговування та ремонт з використанням простих інструментів; для герметизації стиків було використано защільнювальні кільця типу «O-ring» замість прокладок; шотландський механізм забезпечує перебування поршня у верхній мертвій точці (ВМТ) дещо тривалішим, що сприяє повнішому згорянню пального у меншому об'ємі

Газові потоки та термодинамічні характеристики Низька температура вихлопу (нижча за 100 °C), тому металеві компоненти випускної системи можна замінювати пластиковими, якщо це не лімітується вимогами до міцності. Можливість змінювати ступінь стиснення у широких межах (від 15:1 до 24:1) відповідно до різних видів пального та режимів роботи. Паливо випаровується, коли воно впорскується в передавальні порти, а турбулентність у впускних колекторах і форма поршня над кільцями забезпечує перемішування паливо-повітряної суміші у камері згоряння. Повніше згоряння сприяє зростанню ефективності та зменшує шкідливі викиди.

Мащення У цій конструкції використовуються сальники, щоб запобігти потраплянню (спричиненому проривом поршневих кілець чи просто від згоряння паливо-повітряної суміші у двотактному варіанті) забруднень із камери згоряння до оливи у картері, що продовжує термін служби оливи. так як вона втрачається повільно за умови, що кільця будуть працювати в умовах мащення. Було показано, що олива витрачається повільно, але перевіряти її кількість і чистоту Рассел Берк як розробник все ж таки рекомендував. Мастильна олива в картері захищена від забруднень з камери згоряння використанням ущільнень на штоку. До поршневих кілець олива надходить через невеликий живильний отвір у стінці циліндра в районі розташування поршня у нижній мертвій точці.

Заявлені та виміряні показники Коефіцієнт корисної дії: заявлено питому витрату пального у 0,25 (фунт/год)/к.с. — приблизно стільки ж, як у кращого дизельного двигунаThe Most Powerful Diesel Engine in the World , або приблизно удвічі менше, ніж у кращих двотактних двигунівbest two strokes. Це відповідає термодинамічній ефективності 55,4 %, що є надзвичайно високим показником для невеликого двигуна внутрішнього згоряння. У випробуванні за участі третьої сторони фактична питома потужність становила 1,1 к.с./(фунт/год) або питома витрата пального 0,9 (фунт/год)/к.с., що відповідає термодинамічній ефективності близько 12,5 %, що є характерним для парового двигуна 1920-х роківGS Baker «Ship Form, Resistance, and Screw Propulsion» p215. Випробування двигуна «Vaux» об'ємом 30 кубічних дюймів, виготовленого близьким співробітником Берка, показало витрату пального 1,48 фунта/(к.с. год) та 0,7 (фунт/год)/к.с. при максимальній потужностіSport Aviation March 1980 p 60 fig 18.

Відношення потужності до маси: двигун «Silver Eagle» видавав 25 к.с. при масі 45 фунтів або питому потужність 0,55 к.с./фунт. Крупніший двигун об'ємом 140 кубічних дюймів видавав 120 к.с. при 125 фунтах, що приблизно відповідало 1 к.с. / фунт. Модель H видавала 60 к.с. при масі 95 фунтів, тобто питома потужність становила 0,63 к.с./фунт. Повідомлялось, що двоциліндровий двигун об'ємом 30 кубічних сантиметрів виробляє 114 к.с. при 15000 об/хв маючи масу 38 фунтів, що давало неймовірні 3 к.с./фунтSport Aviation March 1980 p 54. Однак 30 куб. дюймова копія від «Vaux Engines» видавала усього 8,8 к.с. при 4000 об/хв, навіть після значної переробки. Інші джерела стверджують, що від 0,9 до 2,5 к.с./фунт, хоча жодних випробувань, що підтверджували б ці високі значення незалежними свідками не зареєстровано. Верхнє значення цього діапазону приблизно удвічі краще ніж у найкращого чотиритактного серійного двигуна, або на 0,1 к.с./фунт краще, ніж у двотактного G58. Нижня межа нічим не примітна, її легко перевершують серійні чотиритактні двигуни, не кажучи вже про двотактні.

Викиди: за опублікованими результатами випробуваньThe Bourke Engine Project L.L.C. — Confirmed Test Results практично відсутні вуглеводні (80 ppm) чи монооксид вуглецю (менше 10 ppm), однак для цих результатів не була вказана вихідна потужність, а концентрацію оксидів азоту (NOx) не вимірювали. Двигун заявлявся як спроможний працювати на водні або будь-якому вуглеводневому пальному без жодних модифікацій і викидами якого є лише водяна пара та діоксид вуглецю.

Критика двигуна Берка з інженерної точки зору Двигун Берка має досить цікаві особливості конструкції але висловлені суперечливі думки щодо його вищої порівняно з аналогами продуктивності навряд чи можна підтвердити реальними випробуваннямиJB Heywood Internal Combustion Engine Fundamentals. — ISBN 0-07-100499-8. — pp240-245|Компроміс між ефективністю, викидами та потужністю.

Тертя в ущільненні по штока між камерою компресора повітря і картером буде знижувати ККД двигуна|Тертя в защільненнях. Ефективність знизиться від насосних втрат, так як заряд повітря стискається і розширюється двічі, але енергія отримується лише в одному з розширень за один хід поршняJB Heywood Internal Combustion Engine Fundamentals. — ISBN 0-07-100499-8. — p723|Pumping lossesC Feyette Taylor «The Internal Combustion Engine» 4th edition, p194 para 2-3, p205 fig 124b, p258|Насосні втрати за 2 такти. Маса двигуна, ймовірно, буде більшою, так як слід забезпечити міцність конструкції при високих пікових тисках, що виникатимуть у результаті швидкого високотемпературного згорянняC Feyette Taylor The Internal Combustion Engine. 4th edition. — p119|Напруження від детонації. Кожна поршнева пара є суттєво розбалансованою, оскільки два поршні рухаються в одному і тому ж напрямі одночасно, на відміну від опозитного двигуна. Це обмежить діапазон швидкостей а, отже, і потужність двигуна, а також приведе до збільшення його маси, пов'язаного із зрівноваженням конструкціїJB Heywood Internal Combustion Engine Fundamentals. — ISBN 0-07-100499-8. — p20|Важливість первинного балансування. Високошвидкісні двотактні двигуни є зазвичай неефективними порівняно з чотиритактними двигунами, оскільки частина заряду, що засмоктується виходить не спаленою разом з вихлопомJB Heywood Internal Combustion Engine Fundamentals. — ISBN 0-07-100499-8. — pp240-245, p881|Ступінь газообміну та низька ефективність. Використання надлишкового повітря зменшує крутний момент, що міг би розвивати двигун даного об'ємуJB Heywood Internal Combustion Engine Fundamentals. — ISBN 0-07-100499-8. — pp240-245|Ефективність газообміну та крутний момент. Швидке витіснення вихлопних газів через невеликі порти додатково приведе до зниження ефективностіC Feyette Taylor The Internal Combustion Engine. 4th edition/ — p194 para5|Насосні втрати у двох тактах. Експлуатація двигуна внутрішнього згоряння під час детонації знижує ефективність через втрату тепла від газів згоряння, що взаємодіють зі стінками камери згоряння ударними хвилямиJB Heywood Internal Combustion Engine Fundamentals. — ISBN 0-07-100499-8. — p452-3 | Підвищені теплові втрати внаслідок детонації . Хоча деякі випробування показали низькі викиди це не означає що вони були такими ж на повній потужності. По мірі зростання ступеня ефективності газообміну у циліндрі (а отже і крутного моменту двигуна) буде виділятись більше вуглеводнів і COJB Heywood Internal Combustion Engine Fundamentals. — ISBN 0-07-100499-8. — pp240-245, p881|ефективність газообміну та високі викиди. Зростання часу витримки у ВМТ спричинить передавання більшої кількості тепла стінкам циліндра, що знизить ефективність. При роботі в режимі самозаймання час початку горіння контролюється робочим станом двигуна, а не безпосередньо як при іскровому запаленні або дизельному двигуні. Отже, його можна оптимізувати для одного робочого стану, але не для широкого діапазону крутних моментів і швидкостей, які зазвичай спостерігається у двигуна. В результаті — зменшиться ККД та зростуть шкідливі викиди. Якщо ККД високий, то температури згоряння повинні бути високими, як того вимагає цикл Карно, а паливо-повітряна суміш має бути бідною. . Високі температури згоряння та бідні суміші призводять до утворення діоксиду азоту.

Патенти Рассел Берк отримав патенти Великої Британії, США та Канади на двигун у 1939: GB514842 in 1939. CA381959.

Примітки

Джерела J. B. Heywood Internal Combustion Engine Fundamentals. — McGraw Hill, New York, 1988. — 930 p.- ISBN 0-07-100499-8

Посилання

Running engine and Cad modeling