Двухтактный дизельный двигатель

Двухтактный дизельный двигатель — это дизельный двигатель , в котором используется воспламенение от сжатия в двухтактном цикле сгорания. Его изобрел Хьюго Гюльднер в 1899 году. ^{[ 1 ]}

При воспламенении от сжатия воздух сначала сжимается и нагревается; Затем топливо впрыскивается в цилиндр, вызывая его самовоспламенение . Это обеспечивает рабочий ход каждый раз, когда поршень поднимается и опускается, без необходимости дополнительных тактов выпуска и впуска, как в четырехтактном цикле.

История

, который разработал , инженера Рудольфа Дизеля проект первого действующего дизельного двигателя Motor 250/400 , По словам Имануэля Лаустера Дизель изначально не намеревался использовать двухтактный принцип дизельного двигателя. Хьюго Гюльднер спроектировал, как полагают, первый действующий двухтактный дизельный двигатель в 1899 году и убедил MAN , Krupp и Diesel профинансировать создание этого двигателя по 10 000 фунтов стерлингов каждый. ^{[ 2 ]} Двигатель Гюльднера имел рабочий цилиндр диаметром 175 мм и продувочный цилиндр диаметром 185 мм; оба имели ход 210 мм. Указанная выходная мощность составляла 12 л.с. (9 кВт; 12 л.с.). ^{[ 3 ]} В феврале 1900 года этот двигатель впервые заработал своим ходом. Однако при фактической выходной мощности всего 6,95 л.с. (5 кВт; 7 л.с.) и высоком расходе топлива в 380 г·л.с. ⁻¹·час ⁻¹ (517 г·кВт ⁻¹·час ⁻¹), это не оказалось успешным; ^{[ 4 ]} Проект двухтактного дизельного двигателя Гюльднера был заброшен в 1901 году. ^{[ 5 ]}

В 1908 году компания MAN Nürnberg предложила поршневые двухтактные дизельные двигатели одностороннего действия для морского использования. ^{[ 6 ]} первый поршень двойного действия ^{[ объяснить ]} Двигатель от MAN Nürnberg был изготовлен в 1912 году для электростанции. ^{[ 7 ]} В сотрудничестве с Blohm + Voss в Гамбурге компания MAN Nürnberg построила первый поршневой двухтактный двигатель двойного действия для морского использования в 1913/1914 году. ^{[ 8 ]} Пол Генри Швейцер утверждает, что двухтактный дизельный двигатель с оппозитными поршнями был первоначально изобретен Хьюго Юнкерсом . ^{[ 9 ]} Во время Первой мировой войны компания MAN Nürnberg построила шестицилиндровый поршневой двухтактный дизельный двигатель двойного действия номинальной мощностью 12 400 л.с. (9 120 кВт; 12 230 л.с.). ^{[ 6 ]} В 1919 году компания MAN перенесла производство двухтактных дизельных двигателей из Нюрнберга в Аугсбург. ^{[ 10 ]}

К 1939 году несколько типов двухтактных дизельных двигателей получили широкое распространение, а другие разрабатывались для применений большой 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 ]} Представленная в 1939 году концепция дизайна была впервые предложена в 1914 году. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]} Конструкция производилась по лицензии в нескольких странах. Последующие достижения в области технологии впрыска бензинового топлива сделали двухтактный авиационный двигатель устаревшим. ^{[ 15 ]} Хотя Napier Culverin , лицензионная версия более крупного Jumo 204 , не был запущен в производство, более поздний Napier Deltic имел переработанную треугольную конструкцию с тремя цилиндрами в каждом ряду и был успешно принят в локомотивах и морских судах даже в послевоенную эпоху. . ^{[ 16 ]}

С 1923 по 1982 год компания MAN использовала продувку с обратным потоком в своих судовых двухтактных двигателях. С 1945 года был установлен золотник для напорного индукционного эффекта, а с 1954 года стал применяться наддув постоянным расходом газа с промежуточным охлаждением. ^{[ 17 ]} Наддув был достигнут за счет комбинации четырех методов наддува: нагнетателя типа Рутса с приводом от коленчатого вала, турбонагнетателя, нижней части поршней двигателя и нагнетателя, приводимого в действие электродвигателем. ^{[ 18 ]} Золотниковый клапан для эффекта индукции поршня в конечном итоге оказался склонным к поломке и устарел из-за увеличения скорости наддува в начале 1960-х годов. ^{[ 10 ]} В начале 1980-х годов все основные производители двухтактных дизельных двигателей перешли с обратной продувки на прямоточную, поскольку последняя, несмотря на свою сложность, позволяет повысить эффективность двигателя и, следовательно, снизить 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 дорожного использования с гораздо более высоким соотношением мощности к весу и диапазоном мощности, чем современные четыре. -тактные дизели. Первое мобильное применение двухтактного дизельного двигателя произошло на дизельных обтекаемых самолетах середины 1930-х годов. к созданию улучшенных двухтактных дизелей для локомотивов Продолжение опытно-конструкторских работ привело в конце 1930-х годов и морских судов. Эта работа заложила основу для дизелизации железных дорог в 1940-х и 1950-х годах в США. ^{[ 19 ]}

К концу ХХ века возродился интерес к авиационным дизелям . ^{[ 20 ]} с двухтактными примерами, такими как Superior Air Parts Gemini Diesel 100, находящимся в стадии разработки по состоянию на 2015 год.

Характеристики

Дизельные или нефтяные двигатели

Определяющей характеристикой дизельного двигателя является то, что он использует воспламенение от сжатия . Когда воздух сжимается, он нагревается. Затем топливо впрыскивается в горячий сжатый воздух и самовоспламеняется. Это позволяет ему работать на бедной смеси, состоящей преимущественно из воздуха. В совокупности с высокой степенью сжатия это делает его более экономичным, чем бензиновый или бензиновый двигатель Отто . Он также не требует ни карбюратора для смешивания воздуха и топлива перед подачей, ни свечи зажигания , ни другой системы зажигания. Другим последствием является то, что для контроля скорости и выходной мощности поток воздуха не дросселируется, а изменяется только количество впрыскиваемого топлива в каждом цикле.

Двухтактный цикл

В двухтактном цикле четыре стадии работы двигателя внутреннего сгорания (впуск, сжатие, воспламенение, 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 усложняет термодинамические и аэродинамические процессы. Поскольку четырехтактный цилиндр совершает только каждый второй оборот, выходная мощность двухтактного цикла теоретически вдвое больше. Однако потери на очистку затрудняют достижение этого преимущества на практике.

Впуск начинается, когда поршень приближается к нижней мертвой точке (НМТ). Воздух поступает в цилиндр отсутствуют через отверстия в стенке цилиндра ( впускные клапаны ). Все двухтактные дизельные двигатели для работы требуют искусственного наддува и используют либо нагнетатель с механическим приводом , либо турбокомпрессор для наполнения цилиндра воздухом. На ранней стадии впуска заряд воздуха также используется для вытеснения любых оставшихся газов сгорания от предыдущего рабочего такта. Этот процесс называется продувкой .
Когда поршень поднимается, всасываемый воздух сжимается. Вблизи верхней мертвой точки происходит впрыск топлива, 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 для вытеснения газов сгорания под высоким давлением. Однако в большинстве современных двухтактных дизельных двигателей используются тарельчатые клапаны с верхним расположением и прямоточная продувка. Продолжение движения поршня вниз обнажит воздухозаборные отверстия в стенке цилиндра, и цикл начнется снова.

Двухтактные дизели

В большинстве EMD и GM (т.е. Detroit Diesel двухтактных двигателей ) очень немногие параметры регулируются, а все остальные фиксированы механической конструкцией двигателей. Порты очистки открыты от 45 градусов перед BDC до 45 градусов после BDC. Однако некоторые производители делают синхронизацию продувочного порта асимметричной, смещая коленчатый вал. Остальные регулируемые параметры связаны с выпускным клапаном и моментом впрыска (эти два параметра не обязательно симметричны относительно ВМТ или, если уж на то пошло, НМТ), они установлены для максимального увеличения выхлопных газов и максимального всасывания наддувочного воздуха. Один распределительный вал управляет выпускными клапанами тарельчатого типа и насос-форсункой , используя три лепестка: два лепестка для выпускных клапанов (либо два клапана на самых маленьких двигателях, либо четыре клапана на самых больших и третий лепесток для насос-форсунки).

Специально для двухтактных двигателей EMD ( 567 , 645 и 710 ):

Рабочий такт начинается в ВМТ ([0°]; впрыск топлива опережает ВМТ на 4° [356°], так что впрыск топлива будет завершен в ВМТ или очень скоро после этого; ^{[ нужна ссылка ]} топливо воспламеняется так же быстро, как оно впрыскивается), после рабочего хода выпускные клапаны открываются, тем самым значительно снижая давление и температуру продуктов сгорания и подготавливая цилиндр к продувке, для продолжительности рабочего хода 103°.
Очистка начинается на 32° позже, при BDC –45° [135°] и заканчивается при BDC+45° [225°], при продолжительности очистки 90 градусов; Задержка открытия продувочных отверстий на 32° (ограничивающая длину рабочего хода) и задержка на 16° после закрытия продувочных отверстий (тем самым инициируя такт сжатия) максимизирует эффективность продувки, тем самым максимизируя выходную мощность двигателя, одновременно минимизируя расход топлива двигателя.
К концу продувки все продукты сгорания вытесняются из цилиндра, и остается только «наддувочный воздух» (продувка может осуществляться с помощью воздуходувок Рутса для подачи наддувочного воздуха при температуре немного выше температуры окружающей среды или турбокомпрессора собственной разработки EMD). который действует как нагнетатель во время запуска и как турбокомпрессор при нормальных условиях эксплуатации, а также для впуска наддувочного воздуха при температуре значительно выше температуры окружающей среды, ^{[ я ]} и какой турбонаддув обеспечивает 50-процентное увеличение максимальной номинальной мощности по сравнению с двигателями Рутса того же объема).
Такт сжатия начинается на 16° позже, при НМТ+61° [241°], при длительности хода сжатия 119°.
В двигателях, оснащенных EFI , насос-форсунка с электронным управлением по-прежнему приводится в действие механически; Количество топлива, подаваемого в плунжерный насос-форсунку, находится под контролем блока управления двигателем (в локомотивах - блока управления локомотивом), а не традиционного регулятора Woodward PGE или эквивалентного регулятора двигателя, как в случае с обычными насос-форсунками.

Специально для двухтактных двигателей GM ( 6-71 ) и родственных им дорожных, внедорожных и морских двухтактных двигателей:

При этом используются одни и 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 инженеров-менеджеров).
Хотя во всех двухтактных двигателях EMD и Detroit Diesel используется принудительная индукция, только в некоторых двигателях EMD используется турбокомпрессорная система. В некоторых двигателях Detroit Diesel используется обычный турбонагнетатель, в некоторых случаях с промежуточным охлаждением, за которым следует обычный нагнетатель Рутса, поскольку система турбокомпрессора была бы слишком дорогой для некоторых очень чувствительных к затратам и высококонкурентных применений.

Топливо

Топливо, используемое в дизельных двигателях, может состоять из более тяжелых углеводородных масел, чем бензин или бензин , используемый в двигателях с искровым зажиганием, что делает его менее летучим, имеет более высокую температуру вспышки и придает ему более высокую плотность энергии . ^{[ 21 ]} Поэтому с ними проще и безопаснее обращаться, и они занимают меньший объем при заданном количестве энергии. Двухтактные дизели обычно сжигают даже более тяжелые сорта мазута, чем стандартное дизельное топливо .

В двухтактных судовых дизелях морских судов наиболее распространенным топливом являются остатки масел . ^{[ 22 ]} Гюнтер Мау утверждает, что не существует единых стандартов для таких видов топлива, поэтому они имеют несколько разных разговорных названий, в том числе Marine Intermediate Fuel , Тяжелый мазут , Marine Bunker Fuel и Bunker C Fuel . ^{[ 23 ]} Тяжелые мазуты также использовались в двухтактном дизельном авиационном двигателе Jumo 205. ^{[ 15 ]}^{[ 24 ]} В 1960-х годах нефтяные остатки «готовились на основе отходов нефтепереработки». ^{[ 25 ]} Остаточные масла имеют очень низкое качество, высокую вязкость и низкое цетановое число , но дешевы и, следовательно, экономичны в использовании. ^{[ 26 ]}

Производители

Brons Двухтактный дизельный двигатель Heemaf . V8, приводящий в движение генератор

Двигатель DeltaHawk DHK180 для силовой установки самолетов сжигает топливо Jet A и Jet A-1, JP5, JP8, дизельное топливо (D1 и D2), JP-8-100 и F-24.
Burmeister & Wain (часть MAN Diesel с 1980 г.), дизели двойного действия для морских силовых установок с 1930 г., также производимые судостроителями по лицензии.
Детройт Дизель , однопоточный ^{[ 27 ]} двигатели для грузовых автомобилей и внедорожников, дорожных автобусов и стационарной техники
Доксфорд выступал против поршневых тихоходных судовых дизельных двигателей.
Electro-Motive Diesel , прямоточные дизельные двигатели для морского, железнодорожного и стационарного применения.
Дизельные двигатели Фэрбенкса-Морса с оппозитными поршнями для морского и стационарного применения. Усовершенствованная нелицензионная копия авиационного двигателя Junkers Jumo 205 .
Foden , FD для коммерческого транспорта, судостроения и промышленной энергетики. Серия дизельных двигателей
Патент Юнкерса 1892 года выступал против конструкции поршня для стационарных, морских и автомобильных двигателей (с одним коленчатым валом), позднее использование самолетов с двойной компоновкой коленчатого вала (Junkers Jumo 205).
Grey Marine , 6-71 . прямоточные дизельные двигатели
MAN Diesel & Turbo , крейцкопфные дизельные двигатели для морских силовых установок
Mitsubishi Heavy Industries , дизельные двигатели с крейцкопфом для морских силовых установок
Napier & Son , Napier Deltic и Napier Culverin Двухтактные дизельные двигатели , бесклапанные, с оппозитным поршнем и наддувом. Начинаем с лицензионной версии Junkers Jumo 205 .
Rootes Group , двигатель Commer TS3 для грузовых автомобилей
Wärtsilä , крейцкопфные дизельные двигатели для морских силовых установок
Waukesha Engine — большие стационарные поршневые двигатели производства INNIO Waukesha Gas Engines.
- Brons , бывший голландский производитель двигателей в Аппингедаме (сейчас представлен компанией Waukesha Engine)

Примечания

^ Мощность безнаддувных двигателей (включая двухтактные двигатели Рутса) обычно снижается на 2,5% на каждые 1000 футов (300 м) над средним уровнем моря, что является огромным штрафом на высоте 10 000 футов (3 000 м) или выше, что несколько Железные дороги западных США и Канады работают, и это может привести к потере электроэнергии на 25%. Турбонаддув эффективно устраняет это снижение мощности.

Ссылки

Цитаты

^ Всегда (1984) стр.7
^ Сасс (1962), с. 502
^ Сасс (1962), с. 503
^ Сасс (1962), с. 504
^ Сасс (1962), с. 505
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Тем не менее (1984), с. 16
^ Всегда (1984) с.
^ Мау (1984) с. 10
^ Пол Генри Швейцер: Очистка дизельных двигателей с двухтактным циклом, Макмиллан, Нью-Йорк, 1949, с. 8
^ Перейти обратно: ^а ^б Тем не менее (1984), с. 17
^ Хелдт, премьер-министр (1939), «Последние европейские разработки в области высокоскоростных дизельных двигателей», SAE Transactions , Vol. 34 февраля 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.): Двигатель Отто с непосредственным впрыском и непосредственным впрыском: бензиновое топливо · природный газ · метан · водород. 4-е издание, Springer, Висбаден, 2017 г., ISBN 978-3-658-12215-7. п. 6
^ Карл А. Циннер: Наддув двигателей внутреннего сгорания - основы · расчеты · пояснения, Springer, Berlin/Heidelberg 1985, ISBN 978-3-540-15902-5, стр. 17
^ Перейти обратно: ^а ^б Конрад Рейф: Управление дизельным двигателем — системы, компоненты, контроль и регулирование , 5-е издание, Springer, Висбаден, 2012 г., ISBN 978-3-8348-1715-0, стр. 102
^ Уилсон, CH и Ридер, WJ (1958). Люди и машины: Д. Напье и сын, 1808–1958 гг . Вайденфельд и Николсон. Лондон.
^ Мау (1984) с. 151
^ Мау (1984) с. 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 предисловием Питера Друкера ( ISBN 978-0385042352 ). стр.341-353
^ Макланахан, Дж. Крейг. «Дизельные авиационные двигатели: отложенное обещание 1930-х годов». Сделки SAE, том. 108, 1999, стр. 1103–1112.
^ Сравнение свойств топлива , Центр данных по альтернативным видам топлива. (получено 26 июля 2021 г.).
^ Мау (1984) с. 311
^ Мау (1984) с. 309
^ Билл Ганстон (1995). Классические вырезы самолетов времен 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, раздел 6–26.
^ MTU Inc, 2-тактные двигатели Detroit Diesel , заархивировано из оригинала 1 января 2018 г. , получено 30 декабря 2017 г.

Библиография

Мау, Гюнтер (1984), Справочник по дизельным двигателям на электростанциях и судах , Springer-Vieweg, Брауншвейг/Висбаден, 1984, ISBN 978-3-528-14889-8 .
Сасс, Фридрих (1962), История немецкого строительства двигателей внутреннего сгорания с 1860 по 1918 год , Springer, Берлин / Гейдельберг, 1962, ISBN 978-3-662-11843-6 .

Дальнейшее чтение

Уолшоу, Т.Д. (1953), Проектирование дизельных двигателей (2-е изд.), Лондон, Англия: George Newnes Ltd, LCCN 54029678 .

[21] Мощность безнаддувных двигателей (включая двухтактные двигатели Рутса) обычно снижается на 2,5% на каждые 1000 футов (300 м) над средним уровнем моря, что является огромным штрафом на высоте 10 000 футов (3 000 м) или выше, что несколько Железные дороги западных США и Канады работают, и это может привести к потере электроэнергии на 25%. Турбонаддув эффективно устраняет это снижение мощности.

[Mau_1984_7-1] Всегда (1984) стр.7

[2] Сасс (1962), с. 502

[3] Сасс (1962), с. 503

[4] Сасс (1962), с. 504

[5] Сасс (1962), с. 505

[Mau_1984_16-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с Тем не менее (1984), с. 16

[Mau_1984_9-7] Всегда (1984) с.

[Mau_1984_10-8] Мау (1984) с. 10

[9] Пол Генри Швейцер: Очистка дизельных двигателей с двухтактным циклом, Макмиллан, Нью-Йорк, 1949, с. 8

[Mau_1984_17-10] Перейти обратно: ^а ^б Тем не менее (1984), с. 17

[11] Хелдт, премьер-министр (1939), «Последние европейские разработки в области высокоскоростных дизельных двигателей», SAE Transactions , Vol. 34 февраля 1939 г., стр. 77–84. [1]

[12] Клаус Молленхауэр, Хельмут Чоке (ред.): Справочник по дизельным двигателям, Springer, Heidelberg 2010, ISBN 978-3-540-89082-9, стр. 300

[13] Ричард ван Басшуйсен (ред.): Двигатель Отто с непосредственным впрыском и непосредственным впрыском: бензиновое топливо · природный газ · метан · водород. 4-е издание, Springer, Висбаден, 2017 г., ISBN 978-3-658-12215-7. п. 6

[14] Карл А. Циннер: Наддув двигателей внутреннего сгорания - основы · расчеты · пояснения, Springer, Berlin/Heidelberg 1985, ISBN 978-3-540-15902-5, стр. 17

[Reif_2012_102-15] Перейти обратно: ^а ^б Конрад Рейф: Управление дизельным двигателем — системы, компоненты, контроль и регулирование , 5-е издание, Springer, Висбаден, 2012 г., ISBN 978-3-8348-1715-0, стр. 102

[16] Уилсон, CH и Ридер, WJ (1958). Люди и машины: Д. Напье и сын, 1808–1958 гг . Вайденфельд и Николсон. Лондон.

[Mau_1984_151-17] Мау (1984) с. 151

[Mau_1984_23-18] Мау (1984) с. 23

[19] 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 предисловием Питера Друкера ( ISBN 978-0385042352 ). стр.341-353

[20] Макланахан, Дж. Крейг. «Дизельные авиационные двигатели: отложенное обещание 1930-х годов». Сделки SAE, том. 108, 1999, стр. 1103–1112.

[22] Сравнение свойств топлива , Центр данных по альтернативным видам топлива. (получено 26 июля 2021 г.).

[Mau_1984_311-23] Мау (1984) с. 311

[Mau_1984_309-24] Мау (1984) с. 309

[25] Билл Ганстон (1995). Классические вырезы самолетов времен Второй мировой войны . 2-е издание, Bounty Books, Лондон, 2011. стр. 46–47.

[26] Вирджил Б. Гатри (ред.): Справочник по нефтепродуктам , McGraw-Hill, Нью-Йорк/Торонто/Лондон, 1960, раздел 6–25.

[27] Вирджил Б. Гатри (ред.): Справочник по нефтепродуктам , McGraw-Hill, Нью-Йорк/Торонто/Лондон, 1960, раздел 6–26.

[MTU-28] MTU Inc, 2-тактные двигатели Detroit Diesel , заархивировано из оригинала 1 января 2018 г. , получено 30 декабря 2017 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ я ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]

[ 27 ]