14 марта 1881 года сэр Дугалд Клерк подал патентную заявку «Улучшения в двигателе, работающем на горючем газе или паре». Это было датой рождение двухтактного двигателя. Несмотря на некоторые очевидные преимущества, только в последние годы двухтактный цикл был тщательно изучен. В 1932 году сэр Дугалд Клерк писал: «Двухтактный двигатель заслуживает особого внимания, и лучший тип будет в виде двигателя на тяжёлой нефти с воспламенением от сжатия». Мнения сэра Дугальда Клерка имеет большой вес, и в настоящее время быстро растет убежденность, что двухтактный двигатель слишком долго игнорируется.
Г-н W.S. Burn, в своей лекции «Применение двухтактного двигателя на тяжёлой нефти для авиации», прочитанной в начале года в Институте инженеров и судостроителей Северо-Восточного побережья в Ньюкасл-он-Тайн, определенно встает на сторону двухтактного цикла. В начале своей статьи он излагает потенциальные преимущества двухтактного двигателя на тяжелой нефти над четырехтактным бензиновым двигателем. В своем резюме автор высказывается, что снижение веса двигателя принципиально возможно, и что среди преимуществ двухтактных: более высокая надежность; меньший риск пожара; больший радиус действия; уменьшение эксплуатационных расходов; отсутствие электрического воспламенения и соответственно отсутствие радиопомех; нет проблем с карбюрацией; большая простота управления; более легкий капитальный ремонт, облегченное охлаждение; большая мощность для заданного веса; более высокая производительность на высоте и более надежный запуск.
Внушительный перечень преимуществ, который отнюдь не разделяется теми, кого г-н Бэр называет страдающими «от особо сильного бензинового комплекса».
Можно выделить следующие важнейшие вехи в развитии дизельного двигателя: Junkers Jumo; Packard; Deschamps; Guiberson ; Clerget; Coatalen , Salmson ; Talhot; Zod ; Beardmore ; Bristol Phoenix ; Rolls-Royce Condor и различные британские экспериментальные типы рукавных клапанов*. Главные разработки были сделаны за рубежом, и наибольший прогресс был достигнут на двухпоршневом двигателе Юнкерса, единственным коммерческим двигателем.
Подвергались экспериментам практически все авиационные, в основном четырехтактные, двигатели в диапазоне мощностей от 250 до 1000 л.с. Двигатель обычно считался неперспективным в диапазоне от 2(1/4) до 3 lb./b.h.p., а расход топлива составлял около 0,38 lb./b.h.p./hr. (фунта при эффективной мощности -brake horsepower- л.с./час), хотя утверждается, что двигатель Coatalen имеет расход всего 0,3 lb./b.h.p./hr.
Автор указал на интересную разработку в двигателе «Юнкерса», а именно: уменьшение общего отношения длины хода до 5:1 в двигателе Jumo 206 (последний тип), 6:1 в Jumo 205 и 7:1 в Jumo 204. Снижение коэффициента избыточного воздуха, как утверждается, сократилось с 1,6 до 1,3; b.m.e.p. при его увеличении до 135 фунтов/кв.дюйм. Поскольку сам дизельный двигатель является тяжелым типом, из-за наличия в конструкции двух коленчатых валов и картеров, достигнутый прогресс заслуживает особого внимания.
«Исследование дизельных авиаконструкций на сегодняшний день, по-видимому, указывает, - сказал г-н Берн, - что главная неадекватность была в точном впрыске топлива и, возможно, в отсутствии движения или турбулентности, контролируемого воздушным движением, - чтобы дать регулируемое и полное сгорание с высокой скоростью, низким максимальным давлением и хорошим потреблением топлива. Почти неограниченное количество воздуха обеспечит только высокое среднее давление при низком расходе топлива».
«Любопытно, - отмечает автор, - что в то время как в течение нескольких лет четырехтактный морской дизельный двигатель почти полностью заменен одиночными двухтактными или двигателями двойного действия по причинам снижения веса, стоимости и потребления топлива, авиадвигатель неуклонно продвигался на своем неэкономичном четырехтактном бензиновом курсе, с постепенным улучшением до минимально возможного потребление 0,44 фунта/баррель на л.с./час. В течение 15 лет размеры цилиндров коммерческих авиадвигателей увеличились не менее чем в три раза, что почти идентично показателю некоторых известных крупных маломощных судовых дизельных двигателей. Но в то время как в первом случае улучшение связано с увеличением b.m.e.p. и r.p.m. (среднее давление и обороты), в случае с морским двигателем, изменение, главным образом, связано с изменением его типа, среднее давление и обороты остаются почти одинаковыми из-за ограничений теплового напряжения и оборотов гребного винта соответственно.
«Очевидная потребность в подходящем двигателе на тяжелой нефти очень четко иллюстрируется цифрами на примере большого трансатлантического воздушного судна, приведенного в лекции г-на Гужа», - сказал г-н Бум. «С шестью двигателями мощностью 1300 л.с. и экономической крейсерской скоростью 237 миль в час и общим весом 163 000 фунтов составляет:
| 23,320 lb. | Оборудование8,700 lb. |
| 2,670 lb. | Топливо62,350 lb. |
| 54,110 lb. | Комм. загрузка и экипаж11,850 lb. |
«Рассматривая эти цифры, - продолжил автор, - только взглянув на вес топлива, очевидно, что первостепенное значение имеет улучшение расхода топлива. Вес двигателя, по-видимому, при этом будет почти вторичным. Еще одна поразительная особенность - большая мощность, необходимая для создания такой небольшой полезной нагрузки. Что касается веса двигателя, то существует тенденция требовать гораздо большей надежности и снижения объема технического обслуживание, а также вдвое увеличить удельные выходные данные. Таким образом, становится все труднее получить уменьшение веса. Все еще остаются значительные возможности для улучшения аэродинамической эффективности, но наибольший выигрыш можно получить при радикальном сокращении лобового сопротивления двигателя и улучшении потребления топлива за счет использования C.I. двухтактного цикла, оттока выхлопа и даже охлаждения силовой установки. Чистая передняя кромка крыла и использование интегральных топливных баков позволит перейти к более экономичной структуре крыла». Г-н Берн подытожил вышеупомянутые улучшения, которые могут быть достигнуты при улучшении в восьми направлениях, первым из которых является то, что двигатель полностью находится внутри крыла, чтобы устранить интерференцию и облегчить использование толкающих винтов.
прим. админ. - C.I. - compression-ignition - воспламенение от сжатия
Фиг. 1. Junkers Jumo оппозитный поршневой двухвальный двигатель на тяжелой нефти.
Г-н Берн всегда там, где волшебники авиационных двигателей по-прежнему, с величайшей осмотрительностью, не только обсуждают, какой должен быть правильный базовый тип двигателя, но приступают к разработке такого двигателя. Учитывая многие типы двигателей, находящихся в эксплуатации, изменения существующих конструкций указывает на широкие возможности и отображают новый курс, ориентированный на фундаментальные принципы, а не на практику.
«Предложение о том, что какая-то из форм плоского двигателя станет окончательным решением, становится все более и более очевидным .... Нынешняя тенденция увеличения количества цилиндров свидетельствует о том, что этот двигатель получит развитие.
«Обзор всей гаммы типов бензиновых двигателей показывает, что даже из соображений веса необходимо оставить систему бензинового двигателя и принять еще одну систему сжигания, которая не имеет ограничений по размеру цилиндров по причинам удельной производительности и экономии топлива. Таким образом, тренд типа будет состоять в воспламенении от сжатия, двухтактном цикле и наименьшем числе горизонтально расположенных оппозитных цилиндров ... Любой линейный тип может быть адаптирован к «плоскому» типу оппозитных цилиндров, который предавался бы тщательному контролю впрыска топлива, как это было, например, в двигателе Coatalen».
На рисунке 2 показан тип тарельчатого клапана с одним выпускным клапаном, сочетающим хороший поток газа с изолированной камерой сгорания с двойной турбулентностью в крышке цилиндра и все же обладающий разумным газовым потоком для выхлопа. Короткий поршень и короткая длина цилиндра будут иметь малый вес. На этом рисунке также показан однопоршневой двухпоточный очиститель от отработанных газов, столь популярный в морских двигателях, что не следует исключать. Важно отметить, что подобная конструкция был запатентована Юнкерсом. Для сравнения приведена конструкция оппозитного поршня с дифференциальным ходом, показывающая очень простую конструкцию цилиндра.
Г-н Берн сказал: «Я предложу то, что, по моему мнению, является совершенно новым типом двигателя для авиационного мира, даже если он и имеет в качестве основы тип, хорошо известный в судоходной отрасли, а именно оппозитный поршневой двигатель. Это будет отступлением от моды в двигателестроении и стремлении дать конструктору самолета только то, что он хочет, - двигатель, который не будет мешать его стремлению к совершенным аэродинамическим формам».
Автор полагает, что самолет будущего будет с толкающим винтом, а из этого следует, что двигатель должен быть не только полностью расположен в крыле без гондол, но и с самым свободным ходом воздушного винта, т. е. должен находиться в задней части крыла, ближе к задней кромке, насколько это возможно. Следовательно, двигатели должны быть не только горизонтальной формы, но и как можно меньшей длины.
Аргумент, используемый для обоснования использования гондолы двигателя, заключается в том, что в случае высокопланового моноплана они обеспечивают место для убирающейся ходовой части, как у D.H. Flamingo, но, несомненно, будут найдены другие средства для этого. Одним из предложений, позволяющих эффективно расположить ходовой двигатель, является его размещение в небольшом разрезе с низкой частотой вращения, как показано на фиг. 4, когда некоторый полезный и контролируемый подъем достигается с относительно небольшим сопротивлением, в то же время устраняя все интерференционные помехи на главных крыльях.
Самый толстый участок крыла должен быть зарезервирован в более крупном самолете в качестве прохода, чтобы получить доступ к двигателям. Поскольку с тянущим винтом на передней кромке крыла его передняя кромка составляет около 25% диаметра самого винта, установка двигателя по задней кромке крыла и использование толкающих винтов в конечном итоге позволяет использовать короткий вал и тем самым уменьшает вес силовой установки. После того, как будет решена проблема установки в крыле двигателей с толкающими винтами, в дальнейшем следует стимулировать разработку моноплана с высорасположенным крылом (высокоплана).
Основное преимущество дизельного двигателя заключается в том, что он не налагает никаких ограничений на размер цилиндра, и поскольку имеется достаточный диапазон крыльев, дизельный двигатель может иметь почти неограниченную длину в горизонтальной плоскости. «Я твердо придерживаюсь мнения, - сказал автор, - что, как только будет принято решение отказаться от нынешней концепции аэродинамического двигателя, являющегося либо компактным радиальным, либо рядным типом с минимальным миделем, и начать самое полное использование одного измерения, которое дает неограниченный объем, то есть горизонтальную длину, дизельный двигатель для самолетов быстро завоюет признание.
«Двигатель, который я собираюсь предложить для мощности в 2100 л.с., будет иметь только шесть оппозитных цилиндров, по три с каждой стороны коленчатого вала, но, конечно, будет всего двенадцать поршней, шесть управляют забором воздуха и шесть выхлопными газами. Диаметр предлагаемого цилиндра составляет 7 дюймов, а комбинированный ход 12 дюймов при вышеуказанной мощности, b.m.e.p. - 150 фунтов на кв. дюйм, а обороты r.p.m. - 2000».
Фиг. 3. Дизельный двигатель Bristol Phoenix установил мировой рекорд, достигнув высоты 27 450 футов (8 367 м).
В ходе подробного описания предлагаемой конструкции автор заявил: «Самой важной проблемой двухтактного цикла является полное удалениея выхлопных газов и их пополнение чистым воздухом. Движение воздуха в цилиндр должно быть выполнено с минимальными затратами, поэтому маршрут движения воздуха должен быть как можно прямее и короче. Эти и другие требования наилучшим образом достигаются за счет использования портов в отверстии цилиндров, всецело расположенных по всей его окружности. Предлагаемое горизонтальное расположение цилиндров дает наибольшее преимущество для двухтактного типа цилиндра, поскольку существует полная свобода использования двух высокопроизводительных выхлопных труб большой площади на цилиндр с превосходным газовым потоком. Поскольку полное объемное сгорание является фундаментальной необходимостью любого дизельного двигателя, оно должно быть организовано главным образом с точки зрения получения наилучшего распределения топлива и воздуха. Проблема заключается в том, чтобы получить идеальное пространство для сжигания и систему продувки цилиндров, не подвергая поршни или отверстия цилиндра воздействию чрезмерного нагрева. Это неизбежно требует применения конструкции с двумя поршнями.
"На Фиг. 5 и 6 показано горизонтально расположенное в линию устройство. Шести- или восьмицилиндровые двигатели «оппозитного типа» имеют определенные преимущества в балансировке (над двенадцатицилиндровым и девятицилиндровым радиальным).
Очевидно, что для такого двигателя потребуется совершенно другие технические решения: а именно, шатуны и подшипники, направляющие штока, втулки, поршневые гильзы цилиндров с масляным охлаждением, композитные поршни с масляным охлаждением, высокотемпературные камеры сгорания, коленчатый вал с тремя совершенно разными компонентами, специальное оборудование для впрыска топлива, воздушные насосы для выталкивания воздуха и измененная технология выхлопа. Замечателен сам факт разработки ремонтопригодного двигателя, чьи части могут легко обновлены и заменены по частям, вместо замены самого двигателя, что должно изменить саму концепцию проектирования.
Поршни дизельного двигателя имеют ряд конструктивных решений, требующих совершенно иной обработки по сравнению с применяемой в бензиновом двигателе. Например, короны поршня должны быть как можно более высокими, чтобы уменьшить потери тепла и поддерживать максимальную температуру воспламенения. Рассматриваемый поршень является составной конструкцией, корона и юбка из легированной стали представляют собой одно спрессованное целое, вокруг центральной части из легкого сплава, в которой располагаются внутренние подшипники. Колпачок из жаростойкой стали предохраняет от тепла, распространяющегося вниз по внешней стороне, на которой удерживаются поршневые кольца. Все три поршня удерживаются вместе одним центральным болтом из-за возможного дифференциального расширения. Это показано на рисунках 5 и 6, тогда как на Рис. 7 дается сравнение с конструкцией Юнкерса .
«Конструкция эффективного насоса продувки цилиндров является наиболее сложной особенностью любого двухтактного двигателя, поэтому для начала необходимо, чтобы давление выброса и требуемый избыточный объем были как можно ниже».
Г-н Берн указал, что есть некоторые сомнения в том, соответствуют ли требования к воздухозамещению и давлению центробежного нагнетателя (который обычно используется) с изменениями скорости. Преимущество центробежного нагнетателя заключается в том, что в течение нескольких лет он непрерывно развивается, в качестве нагнетателя может создавать давление до 15 или 20 фунтов/кв. дюйм. Однако следует иметь в виду, что потребление топлива и мощность Junkers Jumo до недавнего времени серьезно ухудшались из-за неэффективного центробежного нагнетателя, а в настоящее время получили развитие как радиальные, так и осевые вентиляторы потока, давая определенный стимул для разработки простейшего центробежного насоса взамен поршневого. Даже самый эффективный тип нагнетателя Rolls-Royce, эффективность которого как считается, составляет 73 процента, не так хорош, что легко можно получить с помощью простых деталей из насоса объемного типа, который имеет эффективность от 85 до 90 процентов. Шум и полная зависимость от двигателя - другие недостатки такого насоса. Поворотные нагнетатели постоянного давления типа Rootes, даже после многих лет разработки, потребляют чрезмерную цифру в 15 процентов от общей мощности, вырабатываемой двигателем. Нормальная цифра для большого морского дизельного двигателя не превышает 4-5%, используя обычные поршневые нагнетатели с автоматическими или механическими клапанами. Предлагаемая конструкция насоса обеспечит: -
(1) Нагнетатель максимальной эффективности, с помощью заслонки обеспечивающий, насколько это возможно, равномерное движение воздуха и в то же время, полностью используя кинетическую энергию самого столба воздуха.
(2) Простейшая из возможных система движущихся частей. Сам клапан или тип поршня выбираются так, чтобы использовать самые маленькие и легкие рабочие шатуны с минимальными трением или смазочными поверхностями.
(3) Приоритет подачи воздуха.
Расположение двигателя в крыле показано на рисунке 8. Г-н Берн суммирует ожидаемые преимущества предлагаемого двигателя по сравнению с принятыми бензиновыми двигателями следующим образом:
1. Достигнутая экономия топлива на испытательном стенде не менее 25 процентов, и еще большая экономия в обслуживании.
2. Геометрическая форма двигателя, подходящая для эффективных аэродинамических конструкций.
3. При значительно уменьшенных оборотах и средних давлениях получение небольшого веса двигателя, без больших максимальных давлений, в конечном счете, получение намного большей надежности, как следствие меньшие эксплуатационные расходы и более продолжительные срока службы.
4. Гораздо более высокая степень тяги от выхлопных газов, чем у любого существующего типа двигателя.
5. Снижение потерь на охлаждение и как следствие более эффективная работа масляного радиатора.
6. Динамически полностью сбалансированный двигатель.
7. Почти незагруженные основные подшипники.
8. Все шатунные подшипники однонаправленно загружены, чтобы обеспечивает бесшумную работу и отсутствие вибраций, даже в случае износа подшипника.
9. Отличная доступность, не имеющая аналогов в современных авиационных двигателях.
10. Уменьшенный вес конструкции крыла и топливного бака.
Дискуссия была открыта мистером K. O. KELLER. Он не мог не почувствовать, что технические знания автора превзошли практические трудности. Должно быть понятно, что низкое потребление топлива легче получить в низкооборотном, чем в высокоскоростном двигателе, и по этой причине ему пришлось уменьшить мощность двигателя, чтобы достичь потребления 0,32 фунта на единицу мощности в л.с. В двигателе, предлагаемом автором, очищающий воздух всего на 10 процентов превышает объем камеры сгорания. Он рискует утверждать, что в этом случае всего на несколько процентов увеличится потребление топлива. Автор утверждает, что обеспечит максимальную эффективность сгорания при низком давлении сжатия. Практический опыт показывает, что дело обстоит с точностью до наоборот.
DR. T. W. F. BROWN не согласился с тезисами автора о том, что дизельный двигатель для самолетов может быть разработан по аналогии с крупными морскими дизелями. 10-процентный наддув для b.m.e.p. в 150 фунтов на кв. дюйм является слишком низким. Необходим очень тщательный эксперимент для обеспечения того, чтобы форма пространства сжатия позволила получить разумные запаздывания воспламенения, в противном случае нет никакой надежды на получение топлива, которое было бы лучше, чем в настоящее время является бензин для бензинового двигателя. Автор заявил, что чем меньше количество цилиндров на единицу объема цилиндра, тем меньше вес. Это, по логическому завершению, означало бы двигатель в один цилиндр, что является абсурдным.
MR. JOHN NEILL отметил, что дизельный авиационный двигатель Junkers Jumo на то время был самым передовым в своей стране. Следует отметить, что первый немецкий бомбардировщик, сбитый вблизи Эдинбурга, был оснащен бензиновыми двигателями Junkers Jumo.
MR. A. ORTON был уверен, что автор находится на правильном пути и обратил внимание на двухтактную систему каденации. Двигатели этого типа с b.m.e.p. в 142 фунтов на кв. дюйм и оборотами 1500 r.p.m. постоянно работали без использования воздушного наддува. С воздухом при умеренном наддуве было получено значение в 200 фунтов на квадратный дюйм. Он сомневался в предлагаемом увеличении размера цилиндра и уменьшении r.p.m. По сравнению с существующей практикой авиадвигателей он считал, что это приведет к уменьшению значений b.h.p. на литр и b.h.p. на единицу веса.
MR. S. CAMM полностью поддержал дело, в котором была высказана необходимость в интенсивной программе исследований и разработок для успешной разработки дизельного, двухтактного двигателя. Он согласился с размером предлагаемого двигателя, считал предлагаемую форму превосходной, хотя было бы отлично, если бы его можно было сделать еще более меньшим. Он полностью поддерживал внешнее охлаждение двигателя и считал, что это будет совершенно необходимо. Однако он считал, что предлагаемый масляный радиатор неадекватен, и предположил, что воздушная система охлаждения, используемая на нынешних самолетах, вероятно, будет лучше всего.
MR. A. GOUGE также полагал, что автор выдвинул очень хорошие идеи для дизельного двигателя и что исследования по этому вопросу должны быть активно продолжены. Потребление современного бензинового двигателя находилось в районе 0,42 lb./b.h.p./hr., в то время как для современного дизельного двигатель этот расход составлял около 0,38 lb./b.h.p./hr. При увеличении веса последнего коэффициент усиления оказался небольшим.
При высоких нагрузках на крыло взлет является чрезвычайно важным. Увидел ли автор возможность увеличения взлетной мощности у дизельного двигателя, как это было возможно с бензиновым двигателем?
Он думал, что предложение по установке двигателя полностью в крыло окажется чрезвычайно сложным. У толкающих винтов был свой недостаток, возможно, самым серьезным из которых был Joss**, в случае четырехмоторных самолетов, забирающих примерно 15-30 процентов, от подъемной силы при взлете.
DR. F. W. LANCHESTER полностью не соглашался с доводами автора о том, что чем меньше цилиндров (в определенных пределах) на единицу общего объема цилиндра, тем меньше вес двигателя на единицу мощности (л.с.). Но д-р Ланчестер действительно полагал, что дизель выиграет часть своего поля, во всяком случае, в конечном счете, и что переход на двухтактный цикл был неизбежен.
Выводы из полной и оживленной дискуссии заключались в том, что в целом было достигнуто общее согласие в отношении того, что двухтактный дизель заслуживает более интенсивных исследований, но автор недооценил механические и другие трудности, которые необходимо преодолеть, прежде чем успешный результат может быть получен.
Поскольку автор строит двигатель, который он защищает, следует надеяться, что лекарство, которое ему придется принимать в пути, не будет столь неприятным, как многие из выступавших в дискуссии, предположили, что это будет так.
HANDELS SCHIFF HUNTERS: Торпедоносцы Бристоль Бофорты наносят самые тяжелые удары по немецких торговым судам.
Дата размещения на сайте 12 августа 2017 г.
прим админ * - Название двигателя произошло от тонкостенных гильз, которые скользят вверх-вниз во время работы. В гильзах на разной высоте сделаны отверстия, которые в определённые моменты времени совмещаются и позволяют выходить отработавшим газам или поступать воздуху. Такой двигатель позволяет достигнуть большего сжатия и соответственно большей мощности.
** - вероятно речь идет о реактивном моменте воздушного винта и закручивании струи ВВ...
2014 08 13
Общеизвестно, что с наши дизелями в авиации так и не смогли решить проблемы надежности:
Авиационные дизели для Ер-2
В общем по авиационным дизелям все логично обозначено у Александра Ильина в своей статье:
Эволюция четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания
Некоторые вопросы форума про ДВС: О двигателях внутреннего сгорания / Михаил Соколон
Все про моторы на сайте здесь: Двигатели внутреннего сгорания
Представляет интерес ветка форума: Самолет и двигатель -> Двигатели
2014 08 15
Перевод статьи вероятно не удовлетворит специалистов. В этом случае рекомендуется перейти вверху по сслыке "Eng" и посмотреть исходник.
Во всяком случае, обоснования применения оппозитного двухтактного дизельного двигателя с толкающим винтом, расположенного в крыле по его заднему лонжерону заслуживает внимания и рекомендуется для просмотра.
Вячеслав
www.airpages.ru
Главное различие между двух– и четырехтактными ДВС заключается в количестве произведенной работы за один оборот двигателя – двухтактном дизеле рабочий ход совершается на каждом обороте, а в четырехтактном – на двух оборотах. Т.е. при всех равных условиях мощность двухтактного двигателя теоретически вдвое больше по сравнению с четырехтактным. Однако, если на продувку двухтактных дизелей отводится по углу поворота коленвала менее 180°, у четырехтактных на выхлоп и продувку приходится 400–450°. Поэтому, из-за несовершенства продувки цилиндров и других недостатков выигрыш в мощности двухтактных дизелей уменьшается на 20–30% и в действительности оказывается в 1,7–1,8 раз больше.
Большое значение для судовых условий имеют массогабаритные характеристики. У двухтактных дизелей масса на единицу мощности существенно меньше по сравнению с четырехтактными, но высота существенно больше. Двухтактные дизеля не имеют клапанов (за исключением двигателей с прямоточно-клапанной продувкой, об этом ниже) и соответственно нет сложного механизма привода клапанов. Однако последние эффективно работают на более высоких частотах вращения, что в ряде случаев компенсирует их недостатки по сравнению с двухтактными двигателями.
Анализ опыта эксплуатации дизелей показывает, что каждый тип дизеля имеет свое применение на судне. В качестве главных двигателей с прямой передачей на винт, как правило, применяются двухтактные малооборотные дизели с частотой вращения 90–120 об/мин, т.к. частота вращения гребного винта обеспечивает максимальное значение пропульсивного КПД (этот КПД характеризует работу всего пропульсивного комплекса: корпус судна – гребной винт – главный двигатель) именно при этих значениях.
Четырехтактные дизели имеют n = 250–750 об/мин и используются главным образом в качестве вспомогательных двигателей (дизельгенераторов), а в случае их применения в качестве главных устанавливаются редукторы, понижающие частоту вращения до значений, показанных выше.
Анализ формулы для определения мощности показывает, что последняя зависит от тактности, количества цилиндров, частоты вращения, хода поршня, диаметра и среднего давления в цилиндре.
Тактность разобрана в предыдущем параграфе достаточно подробно. Количество цилиндров судовых малооборотных двигателей достигает 12, больше цилиндров в одном двигателе не делают.
Диаметр цилиндров превышает 1 м, а ход поршня длинноходовых двигателей превышает 2,5 м. Иными словами, увеличение мощности дизелей увеличением их геометрических характеристик достигло своего предела. Поэтому единственным способом повышения мощности является увеличение среднего давления в цилиндре.
Конечно увеличение частоты вращения повышает мощность двигателя, но обязательно пропорционально уменьшает его моторесурс. Так двигатели гоночных автомобилей, имеющие частоту вращения до 20 тыс. об/мин, обычно выдерживают до капитального ремонта одну-две гонки. Поэтому, а также по причинам, изложенным в предыдущем параграфе, главные двигатели морских судов делают малооборотными.
Очевидно, что давление в цилиндре определяется количеством сжигаемого топлива, т.е. чем больше сжечь топлива, тем выше будет давление. Но для сжигания большего количества топлива необходимо больше кислорода, который в цилиндр двигателя можно подавать либо в чистом виде (что очень дорого), либо дополнительным количеством воздуха. Для этого применяют наддув двигателей – принудительную подачу воздуха в цилиндр под избыточным давлением. Подобный результат достигается также при охлаждении воздуха перед его поступлением в цилиндр – при этом его плотность еще больше увеличивается, а следовательно увеличивается содержание кислорода.
studfiles.net
Без чувства такта. Двухтактный двухцилиндровый дизель Renault – тупик даунсайзинга? Самым удивительным экспонатом выставки инноваций, которую компания Renault устроила в декабре в Париже, стал крошечный моторчик на тяжелом топливе: два цилиндра, 730 «кубиков», турбокомпрессор плюс механический нагнетатель. И - двухтактный цикл!
Французы говорят, что в первую очередь собираются применять такой двигатель на будущих легких коммерческих автомобилях. Зачем, если французское правительство начинает проводить политику вытеснения дизельного автопарка?
Дело в том, что проект стартовал еще в 2010 году, когда Еврокомиссия включила тему разработки компактных двухтактных дизелей в программу POWERFUL (POWERtrain for FUture Light-duty vehicles, Силовая установка для легких автомобилей будущего). Цель - снизить вредные выбросы не менее чем на 10% по сравнению с нормами Евро-6, а попутно разработать новую методику оценки реальной экологичности моторов.
Из общего бюджета в 24 млн евро чуть больше половины финансирует Еврокомиссия, а остальное - подрядчики проекта, объединившиеся в консорциум из 18 фирм: Volkswagen, Fiat (вместе с подразделением Magneti Marelli), AVL, Delphi, Французский институт нефти (IFP) плюс несколько технических университетов Западной и Восточной Европы. А фирма Renault стала координатором и взяла на себя основные работы по проектированию двухтактного дизеля. Ведь у французов до сих пор нет соответствующего нормам Евро-6 мотора на тяжелом топливе для модели Twingo и для соплатформенных автомобилей smart взамен прежнего трехцилиндрового турбодизеля объемом 799 см3.
Почему именно двухтактники?
Как известно, такие двигатели имеют более высокую удельную мощность. Ведь, в отличие от четырехтактных моторов, на каждый рабочий цикл у них приходится один оборот коленвала, а не два. Но есть и недостатки: шумность, высокий удельный расход топлива, повышенные выбросы вредных веществ. Потому-то двухтактные бензиновые двигатели почти исчезли из автомобильной техники. Но дизельные двухтактники, как ни странно, экологичнее бензиновых: у них выше полнота сгорания топлива, а цилиндры продуваются не рабочей смесью, а чистым воздухом, что снижает вредные выбросы. Коэффициент полезного действия двухтактных дизелей бывает выше 50% против примерно 35% у дизелей четырехтактных.
Впрочем, широкого распространения в автоиндустрии они так и не получили. Самыми известными, пожалуй, стали грузовые довоенные дизели GMC и скопированные с них «четверки» и «шестерки» Ярославского моторного завода. Чаще двухтактники применяют в военной и горнодобывающей технике, а шире всего - как судовые двигатели (с диаметром цилиндра до 1 м и ходом поршня до 2,5 метров). В последние годы появились и легкие авиадизели: немецкие V-образные «двойки» Zoche объемом 1,3 л (55 кг и 70 л.с.) или американские моторы V4 DeltaHawk (3,3 л, 160—200 л.с.).
Однако перспективный дизель Renault рождает больше вопросов, чем надежд. Донором для него выбрали четырехцилиндровый четырехтактный дизель Renault серии К9К 1.5 dCi (1461 см3, 75-110 л.с., масса - 145 кг). «Ампутация» двух цилиндров уменьшила рабочий объем вдвое. Но подобная переделка не позволила пропорци онально уменьшить еще и массу: помимо штатного турбокомпрессора для обеспечения двухтактного цикла потребовалось установить и приводной нагнетатель типа Roots. Плюс оригинальные системы газораспределения и смазки.
Если исходная «четверка» 1.5 dCi весит 145 кг, то «двойка» легче на 40 кг - но она все равно тяжелее прежнего трехцилиндрового смартовского дизеля (87 кг).
По отдаче моторы близки: у смарта было 54 л.с., стало - от 48 до 68 л.с. Крутящий момент - 112-145 Нм против 130 Нм.
Плюсами французы считают невысокую шумность (на уровне четырехтактного дизеля), стоимость примерно как у бензинового мотора и соответствие действующим экологическим нормам. Но подчеркивают, что речь идет лишь об опытной разработке.
drive-my.ru
Современный дизельный двигатель - это эффективное устройство с высоким КПД. Если раньше дизеля ставились на сельскохозяйственную технику (тракторы, комбайны и т. п.), то в настоящее время ими оснащаются обычные городские автомобили. Конечно, у кого-то дизель ассоциируется с черным дымом из выхлопной трубы. Некоторое время так и было, но сейчас система выпуска отработавших газов модернизировалась, и такого неприятного последствия практически нет. Давайте рассмотрим двухтактные дизели и их особенности.
Ключевой особенностью дизельного двигателя является его повышенный КПД. Обусловлено это в большей степени топливом, которое на 15 % эффективнее. Если взглянуть на топливо на молекулярном уровне, то здесь мы увидим длинную цепочку углеродов. Благодаря этому на выходе КПД дизельного горючего несколько выше, нежели бензина.
Принцип действия классического дизельного мотора заключается в преобразовании возвратно-поступательных движений кривошипно-шатунного механизма (КШМ) в механическую работу. Ключевое отличие от ДВС работающего на бензине заключается в способе приготовления и воспламенения топливно-воздушной смеси.
В дизеле образование смеси происходит непосредственно в камере сгорания. Соответственно при максимальном давлении происходит воспламенение смеси. Хорошо это или плохо, мы разберемся несколько позже, а сейчас рассмотрим самое интересное.
Подобный тип мотора в настоящее время имеет небольшое распространение, как и роторно-поршневой двигатель. Состоит из газовой турбины, которая необходима для преобразования тепловой энергии в механическую и нагнетателя. Принцип действия последнего заключается в повышении мощности за счет увеличения давления. Как следствие - снижается расход горючего.
Цилиндры в двигателе располагаются напротив друг друга в горизонтальном положении. Собственно, почему двухтактные двигатели носят такое название? Обусловлено это тем, что цилиндры работают всего в один оборот коленчатого вала. То есть получается два такта.
Рабочий цикл двухтактного дизеля выглядит следующим образом. Когда поршень опускается в свою нижнюю точку, то цилиндр наполняется воздухом. В определённый момент времени открывается выпускной клапан и через него выходят газы. В это же время через нижние окна в цилиндры поступает воздух.
Примечательно то, что в подобных ДВС используется два вида продувки: оконная и клапанно-щелевая. Когда окна цилиндров используются для впуска и выпуска – то это оконная система. Если выпуск налажен через специальный клапан в цилиндре, а впуск через окна, значит система клапанно-щелевая. Такой способ продувки и очистки наиболее оптимален. Связано это с тем, что не весь воздух остается в цилиндре. Некоторая его часть выходит за пределы мотора. Так называемая прямоточная система очистки обеспечивает оптимальное удаление продуктов сгорания из цилиндров.
Двухтактный дизельный двигатель может работать довольно длительное время. Это обусловлено меньшим количеством механических действий внутри цилиндра. Так поршень начинает свое движение из нижней мертвой точки. В это время закрывается впускной клапан и окна. Следовательно, начинается процесс сжатия. Форсунка располагается у верхней мертвой точке. Топливо воспламеняется от горячего воздуха. При движении поршня вниз продукт горения расширяется.
Существенного повышения КПД мотора можно добиться только когда воздух проходит вдоль оси цилиндра. Если на первых двухтактных моторах применялась кольцевая продувка, которая не давала должного результата, то в дальнейшем использовалась только клапанно-щелевая. Благодаря такой системе удалось свести к минимуму объём не продуваемых областей в цилиндре. Система позволила немного раньше закрывать выпускной клапан. Такой подход существенно сократил потери свежего заряда и улучшил наддув. Сегодня клапанно-щелевая продувка используется на судах и военной технике.
Первый подобный двигатель был представлен миру тогда же, когда и классический дизельный 4-тактный ДВС. Относительно недавно появились 2-тактные бензиновые двигатели. Ключевая особенность - небольшая масса. Тут можно говорить о снижении веса на 40-50 % от классического дизеля с турбиной. Довольно важная характеристика для современного автомобиля, когда разработчики пытаются как можно больше снизить массу авто.
Еще одно преимущество заключается в том, что устройство двухтактного дизеля несколько проще своего собрата. Меньшее количество запчастей делают обслуживание несколько проще и дешевле. Хотя с последним можно и поспорить ведь далеко не все сталкивались с таким типом моторов. Такой силовой агрегат можно реконструировать и ремонтировать с минимальным количеством инструмента. По сути, это упрощенный вариант двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, наличие нагнетателя позволяет существенно экономить горючее. Примерно 40-50 % дизтоплива сохраняется благодаря двухтактной конструкции. Конечно, все моторы имеют свои плюсы и минусы. В некоторых случаях более важны недостатки, так как именно они ограничивают повсеместное применение.
Опять же, если перечислять все недостатки списком, то на память придет роторный ДВС. Дело в том, что тут стоит выделить следующие минусы:
Первый пункт обусловлен отсутствием мастерских, где готовы взяться за ремонт двухтактного дизеля. Это вполне естественно и логично ведь не так много производителей выпускают серийно подобные моторы, еще меньшее количество устанавливает их на автомобили. На обычной станции техобслуживания такой силовой агрегат если и сделают, то обойдется дорого.
Но обычно возникает сразу третий минус - нет необходимых запчастей. Точнее, они есть, но только под заказ. Ждать их можно как месяц, так и больше. Если в крупных городах и будет возможность отремонтировать такой ДВС и найти запчасти, то в глубинке это сделать вряд ли получится. Вот такие плюсы и минусы имеет данный дизель. Ну а сейчас рассмотрим еще несколько важных деталей.
Как мы уже разобрались, этот дизель имеет свои сильные и слабые стороны. Крайне важной деталью является система смазки. Она отвечает за эффективную работу трущихся деталей и их охлаждение, отмывание от нагара. Всем уже давно известно, что для этих целей используется моторное масло, рекомендованное производителем. В нашем случае все точно так же.
Несколько слов хотелось бы сказать о расходе смазочной жидкости. Тут экономии ждать не стоит. Обусловлено это добавлением смазки непосредственно в топливо для обеспечения нормальной работы трущихся деталей. Вполне логично, что расходоваться оно будет очень быстро, и его нужно будет регулярно добавлять. Более того, небольшое масляное голодание может вывести из строя двухтактные дизели очень быстро. По крайней мере, на порядок раньше обычного бензинового ДВС. Поэтому система смазки, скорее, слабая, нежели сильная сторона и об этом не нужно забывать.
В последние годы инженеры постоянно стараются снизить количество вредных веществ, выбрасываемых выхлопной системой в атмосферу. Вопрос экологии стоит достаточно остро. Если в европейских странах уже давно введены экологические нормы, то в России все намного хуже. Что же касается дизелей в целом, то и они уже довольно давно используют специальные сажевые фильтры и малозольные масла, которые существенно уменьшают вредные выбросы в атмосферу.
В нашем же случае было сказано о том, что масло сгорает в камере. Это уже большой минус с точки зрения экологии. Кроме того, часть топливно-воздушной смеси не воспламеняется и вырывается наружу. Все это наряду с выпускной системой наносит серьезный вред атмосфере. Поэтому двухтактные дизели наиболее целесообразно применять в военной технике и авиации.
Широкое распространение данные типы моторов получили в летной технике. Больше всего используют на легких самолетах. Высокая мощность при небольших габаритах - стали определяющими факторами при выборе силовых агрегатов для самолетов. Кроме того, наличие наддува и отсутствие зажигания сыграли только в лучшую сторону. Работа ДВС останавливается с подачей топливно-воздушной смеси.
Стоит отметить, что двухтактный судовой дизель не боится перепада температур. Более того, зачастую большой мороз является дополнительным охлаждением ДВС, что очень хорошо. Все это, наряду с использованием относительно недорогого горючего, делает этот дизель крайне популярным. Правда распространение ограничивается сложностью установки и обслуживания компрессора. Кроме того, в топливо нужно добавлять смазку, а это также обходится не дешево. В целом же для авиации это отличный вариант, что обусловлено вышеперечисленными факторами.
Мы рассмотрели ключевые особенности данного мотора. К примеру, теперь вы знаете какой вес двигателя и в чем заключаются его сильные и слабые стороны. Но хотелось бы рассмотреть еще несколько конструктивных особенностей силового агрегата. В частности, речь пойдет о системе охлаждения. Дело в том, что двухтактный дизель является более теплонагруженный, нежели 4-тактный. Обусловлено это повышенной частотой работы поршня. Получается, что существенно увеличивается температура в камере. Для её снижения необходимо эффективное охлаждение. Если речь об авиации, то тут все понятно. Высокие скорости и потоки встречного воздуха делают свое дело. Это же касается и эксплуатации в большие морозы, когда низкая температура окружающей среды является только плюсом.
В остальных же случаях необходимо жидкостное охлаждение. Обычно это классическая система. Единственное на что стоит обратить внимание, так это на исправность всех систем. Перегрев, даже кратковременный, может привести к заклиниванию или другим проблемам. В любом случае возможность такого исхода необходимо исключить.
Отдельного внимания заслуживает плановый ресурс данного мотора. Дело в том, что сам по себе дизель менее жизнеспособен, нежели бензиновый силовой агрегат. Обусловлено это использованием своеобразного топлива. Оно оставляет нагар в камере сгорания и форсунках. Все это существенно сокращает срок службы. Что же касается двухтактных ДВС на дизеле, то тут многое зависит от условий эксплуатации и своевременного обслуживания. Если масло меняется вовремя, а мотор не перегревается, то может работать 200 000 километров. Для бронетехники ресурс значительно меньше и составляет порядка 100 000 километров.
Современный двухтактный дизель характеризуется продвинутой топливной системой. Работает мотор тихо и плавно. Но так было не всегда. Механический ТНВД имел свои особенности. В частности, на каждую форсунку шла отдельная магистраль. Такой подход хоть и имел слабые стороны, но славился своей надежностью и высокой ремонтопригодностью. Позже ТНВД совершенствовались и становились значительно сложнее. Появилась система "Коммон рейл". В топливной рампе такого плана поддерживалось давление порядка 2 тысяч килограмм на сантиметр в квадрате. Форсунки стали более чувствительны к качеству топлива. Плохое горючее приводило к их быстрому выходу из строя.
В общем и целом, двухтактные дизели будут развиваться и совершенствоваться. Равно, как и роторно-поршневые ДВС, они считаются недоработанными. Однако в скором будущем они займут свою нишу в автомобилестроении. Уже сегодня они используются в авиации и на крупных промышленных и военных судах. Это надежный и относительно неприхотливый мотор, который при должном обслуживании будет работать исправно. В это же время он не лишен и проблем. К примеру, остро стоит вопрос охлаждения и смазки. Еще более важным является вопрос экологии. Необходима сложная система фильтрации для достижения экологических норм. По этой простой причине массовое производство, использование таких моторов на всех типах авто затруднительно и пока не представляется возможным. Но улучшение системы очистки отработавших газов способно решить эту проблему и приведет к тому, что двухтактные моторы будут широко распространены.
загрузка...
worldfb.ru
