При воспламенении от сжатия воздух сначала сжимается и нагревается; затем в цилиндр впрыскивается топливо, что приводит к его самовоспламенению . Это обеспечивает рабочий ход каждый раз, когда поршень поднимается и опускается, без необходимости дополнительных тактов выпуска и впуска четырехтактного цикла .
История
По словам инженера, который разработал проект первого действующего дизельного двигателя Рудольфа Дизеля , Motor 250/400 , Имануэля Лаустера , Дизель изначально не намеревался использовать двухтактный принцип для дизельного двигателя. Хуго Гюльднер спроектировал то, что считается первым действующим двухтактным дизельным двигателем в 1899 году, и он убедил MAN , Krupp и Diesel профинансировать строительство этого двигателя по 10 000 евро каждый. [2] Двигатель Гюльднера имел рабочий цилиндр диаметром 175 мм и продувочный цилиндр диаметром 185 мм; оба имели ход поршня 210 мм. Указанная выходная мощность составляла 12 л. с. (9 кВт; 12 л. с.). [3] В феврале 1900 года этот двигатель впервые заработал самостоятельно. Однако, при фактической выходной мощности всего 6,95 л.с. (5 кВт; 7 л.с.) и высоком расходе топлива 380 г·л.с. −1 ·ч −1 (517 г·кВт −1 ·ч −1 ), он не оказался успешным; [4] проект двухтактного дизельного двигателя Гюльднера был заброшен в 1901 году. [5]
В 1908 году компания MAN Nürnberg предложила двухтактные дизельные двигатели с поршнем одностороннего действия для использования на море [6] , первый двухтактный поршневой двигатель [ уточнить ] от MAN Nürnberg был изготовлен в 1912 году для электростанции. [7] В сотрудничестве с Blohm + Voss в Гамбурге компания MAN Nürnberg построила первый двухтактный поршневой двигатель с поршнем двухстороннего действия для использования на море в 1913/1914 годах. [8] Пауль Генри Швейцер утверждает, что двухтактный дизельный двигатель с оппозитными поршнями был первоначально изобретен Хуго Юнкерсом . [9] Во время Первой мировой войны компания MAN Nürnberg построила шестицилиндровый двухтактный поршневой дизельный двигатель с поршнем двухстороннего действия номинальной мощностью 12 400 л. с. (9 120 кВт; 12 230 л. с.). [6] В 1919 году компания MAN перевела свой отдел двухтактных дизельных двигателей из Нюрнберга в Аугсбург. [10]
К 1939 году несколько типов двухтактных дизельных двигателей получили широкое распространение, а другие разрабатывались для применения в условиях высокой мощности. [11]
Из нескольких концепций двухтактных авиационных дизельных двигателей, Junkers Jumo 205 был единственным типом, который производился в значительных количествах, всего около 900 единиц. [12] Представленный в 1939 году, этот концепт впервые был предложен в 1914 году. [13] [14] Проект производился по лицензии в нескольких странах. Последующие достижения в технологии впрыска бензинового топлива сделали двухтактный авиационный двигатель устаревшим. [15] Хотя Napier Culverin , лицензионная версия более крупного Jumo 204 , не была запущена в производство, более поздний Napier Deltic включал в себя переработанную треугольную компоновку с тремя цилиндрами на ряд и был успешно принят в локомотивах и морских приложениях, вплоть до послевоенной эпохи. [16]
С 1923 по 1982 год компания MAN использовала обратную продувку потока для своих двухтактных двигателей морского флота. С 1945 года был установлен золотниковый клапан для эффекта индукции поршня, а с 1954 года использовался постоянный газовый наддув с промежуточным охлаждением. [17] Наддув достигался с помощью комбинации четырех методов наддува: нагнетатель типа «Рутс», приводимый в действие коленчатым валом, турбонагнетатель, нижняя часть поршней двигателя и нагнетатель, работающий от электродвигателя. [18] Золотниковый клапан для эффекта индукции поршня в конечном итоге оказался склонным к отказам и был признан устаревшим из-за увеличения скоростей наддува в начале 1960-х годов. [10] В начале 1980-х годов все основные производители двухтактных дизельных двигателей перешли от обратнопоточной продувки к прямоточной продувке, поскольку последняя, несмотря на большую сложность, обеспечивает более высокую эффективность двигателя и, следовательно, более низкий расход топлива. [6]
Чарльз Ф. Кеттеринг и его коллеги, работавшие в General Motors Research Corporation и дочерней компании GM Winton Engine Corporation в 1930-х годах, разработали двухтактные дизельные двигатели для использования на дорогах с гораздо более высоким отношением мощности к весу и диапазоном выходной мощности, чем у современных четырехтактных дизелей. Первое мобильное применение двухтактного дизельного двигателя было в дизельных обтекаемых автомобилях середины 1930-х годов. Продолжение работ по разработке привело к созданию улучшенных двухтактных дизелей для локомотивов и морских судов в конце 1930-х годов. Эта работа заложила основу для дизелизации железных дорог в 1940-х и 1950-х годах в Соединенных Штатах. [19]
Определяющей характеристикой дизельного двигателя является то, что он полагается на воспламенение от сжатия . Когда воздух сжимается, он нагревается. Затем топливо впрыскивается в горячий сжатый воздух и самопроизвольно воспламеняется. Это позволяет ему работать с обедненной смесью, состоящей в основном из воздуха. Вместе с высокой степенью сжатия это делает его более экономичным, чем бензиновый или бензиновый двигатель Отто . Ему также не требуется ни карбюратор для смешивания воздуха и топлива перед подачей, ни свеча зажигания или другая система зажигания. Другим следствием является то, что для управления скоростью и выходной мощностью поток воздуха не дросселируется, а изменяется только количество впрыскиваемого топлива в каждом цикле.
В двухтактном цикле четыре этапа работы двигателя внутреннего сгорания (впуск, сжатие, зажигание, выпуск) происходят за один оборот коленчатого вала на 360°, тогда как в четырехтактном двигателе они совершают два полных оборота. Следовательно, в двухтактном цикле этапы перекрываются на протяжении большей части работы двигателя. Это делает его термодинамические и аэродинамические процессы более сложными. Поскольку четырехтактный цилиндр срабатывает только через один оборот, выходная мощность двухтактного цикла теоретически в два раза больше. Однако потери на продувку затрудняют достижение этого преимущества на практике.
Впуск начинается, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки (НМТ). Воздух поступает в цилиндр через отверстия в стенке цилиндра ( впускные клапаны отсутствуют ). Все двухтактные дизельные двигатели требуют искусственного всасывания для работы и будут использовать либо механически управляемый нагнетатель , либо турбокомпрессор для нагнетания воздуха в цилиндр. На ранней стадии впуска воздушный заряд также используется для вытеснения любых оставшихся газов сгорания из предыдущего рабочего хода, процесс называется продувкой .
По мере того, как поршень поднимается, впускной заряд воздуха сжимается. Вблизи верхней мертвой точки впрыскивается топливо, что приводит к сгоранию из-за чрезвычайно высокого давления заряда и тепла, создаваемого сжатием, которое толкает поршень вниз. Когда поршень движется вниз в цилиндре, он достигает точки, в которой выпускное отверстие открывается, чтобы вытеснить газы сгорания под высоким давлением. Однако большинство современных двухтактных дизельных двигателей используют верхние тарельчатые клапаны и прямоточную продувку. Продолжающееся движение поршня вниз обнажит отверстия для впуска воздуха в стенке цилиндра, и цикл начнется снова.
Двухтактные дизели
В большинстве двухтактных двигателей EMD и GM (т. е. Detroit Diesel ) очень немногие параметры являются регулируемыми, а все остальные фиксированы механической конструкцией двигателей. Продувочные окна открыты от 45 градусов до НМТ до 45 градусов после НМТ. Однако некоторые производители делают синхронизацию продувочных окон асимметричной, смещая коленчатый вал. Остальные, регулируемые, параметры связаны с выпускным клапаном и синхронизацией впрыска (эти два параметра не обязательно симметричны относительно ВМТ или, если на то пошло, НМТ), они устанавливаются для максимального выпуска отработавших газов и максимального впуска наддувочного воздуха. Один распределительный вал управляет выпускными клапанами тарельчатого типа и инжектором с использованием трех кулачков: два кулачка для выпускных клапанов (либо два клапана на самых маленьких двигателях, либо четыре клапана на самых больших, и третий кулачок для инжектора).
Специально для двухтактных двигателей EMD ( 567 , 645 и 710 ):
Рабочий ход начинается в ВМТ ([0°]; впрыск топлива опережает ВМТ на 4° [356°], так что впрыск топлива будет завершен к ВМТ или очень скоро после этого; [ необходима ссылка ] топливо воспламеняется так же быстро, как и впрыскивается), после рабочего хода открываются выпускные клапаны, тем самым значительно снижая давление и температуру газообразных продуктов сгорания и подготавливая цилиндр к продувке, для продолжительности рабочего хода 103°.
Продувка начинается на 32° позже, при НМТ–45° [135°], и заканчивается при НМТ+45° [225°], при продолжительности продувки 90 градусов; задержка в 32° при открытии продувочных окон (ограничивающая длину рабочего хода) и задержка в 16° после закрытия продувочных окон (тем самым инициируя такт сжатия) максимизируют эффективность продувки, тем самым максимизируя выходную мощность двигателя, при этом сводя к минимуму расход топлива двигателем.
К концу продувки все продукты сгорания вытесняются из цилиндра, и остается только «наддувочный воздух» (продувка может осуществляться нагнетателями Рутса для впуска наддувочного воздуха при температуре немного выше окружающей среды или фирменным турбокомпрессором EMD, который действует как нагнетатель во время запуска и как турбонагнетатель в нормальных рабочих условиях, а также для впуска наддувочного воздуха при температуре значительно выше окружающей среды [i], и турбонаддув которого обеспечивает 50-процентное максимальное увеличение номинальной мощности по сравнению с двигателями с нагнетателями Рутса того же рабочего объема).
Такт сжатия начинается на 16° позже, при НМТ+61° [241°], при продолжительности такта сжатия 119°.
В двигателях, оснащенных системой EFI , насос-форсунка с электронным управлением по-прежнему приводится в действие механически; количество топлива, подаваемого в плунжерный насос-форсунку, контролируется блоком управления двигателем (в локомотивах — блоком управления локомотивом), а не традиционным регулятором Woodward PGE или эквивалентным регулятором двигателя, как в обычных насос-форсунках.
Специально для двухтактных двигателей GM ( 6-71 ) и связанных с ними дорожных/внедорожных/судовых двухтактных двигателей:
Применяются те же основные соображения (двигатели GM/EMD 567 и GM/Detroit Diesel 6-71 были спроектированы и разработаны в одно и то же время и одной и той же командой инженеров и руководителей технических отделов).
В то время как все двухтактные двигатели EMD и Detroit Diesel используют принудительную индукцию, только некоторые двигатели EMD используют систему турбокомпрессора. Некоторые двигатели Detroit Diesel используют обычный турбокомпрессор, в некоторых случаях с промежуточным охлаждением, за которым следует обычный нагнетатель Roots, поскольку система турбокомпрессора была бы слишком дорогой для определенных очень чувствительных к стоимости и высококонкурентных приложений.
Топливо
Топливо, используемое в дизельных двигателях, может состоять из более тяжелых углеводородных масел, чем бензин или газолин, используемые в двигателях с искровым зажиганием, что делает их менее летучими с более высокой температурой вспышки и придает им более высокую плотность энергии . [21] Поэтому они проще и безопаснее в обращении и занимают меньший объем для данного количества энергии. Двухтактные дизели обычно сжигают даже более тяжелые сорта мазута, чем стандартное дизельное топливо .
В двухтактных судовых дизельных двигателях для морских судов наиболее распространенным топливом являются остаточные масла . [22] Гюнтер Мау утверждает, что не существует единых стандартов для таких видов топлива, поэтому у них есть несколько разных разговорных названий, включая Marine Intermediate Fuel , Heavy Fuel Oil , Marine Bunker Fuel и Bunker C Fuel . [23] Тяжелые топливные масла также использовались в двухтактном дизельном авиационном двигателе Jumo 205. [15] [24] В 1960-х годах остаточные масла «изготавливались на основе отходов нефтеперерабатывающих заводов». [25] Остаточные масла имеют очень низкое качество с высокой вязкостью и низким цетановым числом , но дешевы и, следовательно, экономичны в использовании. [26]
Foden , серия FD — дизельные двигатели для коммерческого транспорта, морского транспорта и промышленности.
Юнкерс , патент от 1892 года, выступал против конструкции поршня для стационарных, морских и автомобильных (с одним коленчатым валом) двигателей, позднее использовавшихся в самолетах с компоновкой с двумя коленчатыми валами (Юнкерс Jumo 205).
Waukesha Engine , большие стационарные поршневые двигатели производства INNIO Waukesha Gas Engines
Brons , бывший голландский производитель двигателей в Аппингедаме (теперь представлен Waukesha Engine)
Примечания
^ Мощность двигателей без наддува (включая двухтактные двигатели Roots) обычно снижается на 2,5% на каждые 1000 футов (300 м) над средним уровнем моря, что является огромным штрафом на высоте 10 000 футов (3000 м) или выше, на которой работают несколько железных дорог Запада США и Канады, и это может привести к потере мощности на 25%. Турбонаддув эффективно устраняет это снижение мощности
Ссылки
Цитаты
^ Мау (1984) стр.7
^ Сасс (1962), стр. 502
^ Сасс (1962), стр. 503
^ Сасс (1962), стр. 504
^ Сасс (1962), стр. 505
^ abc Mau (1984) стр. 16
^ Мау (1984) стр. 9
^ Мау (1984) стр. 10
↑ Пол Генри Швейцер: Очистка двухтактных дизельных двигателей, Macmillan, Нью-Йорк, 1949, стр. 8.
^ ab Mau (1984) стр. 17
↑ Хельдт, П. М. (1939), «Последние европейские разработки в области высокоскоростных дизельных двигателей», SAE Transactions , том 34, февраль 1939 г., стр. 77-84.[1]
^ Клаус Молленхауэр, Хельмут Чоке (ред.): Справочник по дизельным двигателям, Springer, Heidelberg 2010, ISBN 978-3-540-89082-9, стр. 300
^ Ричард ван Басшуйсен (ред.): Ottomotor mit Direkteinspritzung und Direkteinblasung: Ottokraftstoffe · Erdgas · Methan · Wasserstoff. 4-е издание, Springer, Висбаден, 2017 г., ISBN 978-3-658-12215-7. п. 6
^ Карл А. Циннер: Aufladung von Verbrennungsmotoren – Grundlagen · Berechnungen · Ausführungen, Springer, Берлин/Гейдельберг 1985, ISBN 978-3-540-15902-5, стр. 17
^ ab Конрад Рейф: Управление дизельным двигателем - Systeme, KomComponenten, Steuerung und Regelung (Управление дизельным двигателем - системы, компоненты, контроль и регулирование), 5-е издание, Springer, Wiesbaden 2012, ISBN 978-3-8348-1715-0, стр. 102
^ Уилсон, CH и Ридер, WJ (1958). Люди и машины: D Napier & Son 1808-1958 . Вайденфельд и Николсон. Лондон.
^ Мау (1984) стр. 151
^ Мау (1984) стр. 23
^ Слоан, Альфред П. (1964), Макдональд, Джон (ред.), Мои годы с General Motors, Гарден-Сити, Нью-Йорк, США: Doubleday, LCCN 64011306, OCLC 802024. Переиздано в 1990 году с новым введением Питера Друкера ( ISBN 978-0385042352 ). С.341-353
^ Макланахан, Дж. Крейг. «Дизельные авиационные двигатели: отложенное обещание 1930-х годов». SAE Transactions, т. 108, 1999, стр. 1103–1112.
^ Сравнение свойств топлива, Центр данных по альтернативным видам топлива. (получено 26 июля 2021 г.).
^ Мау (1984) стр. 311
^ Мау (1984) стр. 309
^ Билл Ганстон (1995). Классические разрезы самолетов Второй мировой войны . 2-е издание, Bounty Books, Лондон, 2011. стр. 46-47.
^ Вирджил Б. Гатри (ред.): Справочник по нефтепродуктам , McGraw-Hill, Нью-Йорк/Торонто/Лондон 1960, раздел 6–25
↑ Вирджил Б. Гатри (ред.): Справочник по нефтепродуктам , McGraw-Hill, Нью-Йорк/Торонто/Лондон, 1960, разделы 6–26.
^ MTU Inc, Detroit Diesel 2-тактные двигатели, архивировано из оригинала 2018-01-01 , извлечено 2017-12-30 .
Библиография
Мау, Гюнтер (1984), Handbuch Dieselmotoren im Kraftwerks- und Schiffsbetrieb , Springer-Vieweg, Брауншвейг/Висбаден, 1984, ISBN 978-3-528-14889-8 .
Сасс, Фридрих (1962), Geschichte des deutschen Verbrennungsmotorenbaus von 1860-bis 1918 , Springer, Берлин/Гейдельберг, 1962, ISBN 978-3-662-11843-6 .
Дальнейшее чтение
Уолшоу, ТД (1953), Конструкция дизельного двигателя (2-е изд.), Лондон, Англия: George Newnes Ltd, LCCN 54029678.
