Prawdopodobnie znasz czterosuwowy silnik wysokoprężny. To koń pociągowy pod maską pickupa lub blok silnika sedana. Zasysa powietrze, spręża je i zapala spaliny w rytmicznym, czteroczęściowym cyklu. Jest też silnik dwusuwowy, który można rozpoznać po wysokim pisku guru piły łańcuchowej lub skutera wodnego. Te małe silniki są prostsze, lżejsze i mają skok mocy przy każdym obrocie.
Ale co się stanie, gdy przeskalujesz wydajność dwusuwową do wielkości domu?
Dostajesz gigantów, którzy napędzają światowy handel. Ogromne silniki wysokoprężne napędzające lokomotywy, kontenerowce, a nawet duże elektrownie zużywają więcej niż tylko olej napędowy. Często łączą wydajność spalania oleju napędowego z szybkim cyklem silnika dwusuwowego. Dzięki temu hybrydowemu podejściu powstają jedne z najpotężniejszych urządzeń mechanicznych, jakie kiedykolwiek zbudowano.
Przyjrzymy się bliżej temu, jak faktycznie działają te gigantyczne dwusuwowe silniki wysokoprężne. To nie tylko większa wersja silnika Twojego samochodu. Fizyka, inżynieria i sama skala to zupełnie inna liga.
Mechanika gigantycznych cykli
Aby zrozumieć, czym różnią się te silniki, należy spojrzeć na sam cykl. W standardowym czterosuwowym silniku wysokoprężnym tłok wykonuje dwa skoki w górę i w dół na każdy skok mocy. Dolot, kompresja, skok, wydech. To niezawodne. To dojrzała technologia. Ale jest to również ograniczone tym, ile razy możesz poruszyć tłokiem w ciągu godziny.
Silnik dwusuwowy zmniejsza to o połowę. Jeden ruch w górę, jeden ruch w dół. Skok mocy przy każdym obrocie.
W przypadku piły łańcuchowej oznacza to większą moc przy mniejszej wadze. W przypadku 60-tonowego silnika okrętowego oznacza to ciągły, niesłabnący moment obrotowy bez konieczności stosowania tradycyjnych wałków rozrządu i zaworów. Ale jest niuans. Jak wpompować świeże powietrze i usunąć spaliny, jeśli tłok wykonuje całą pracę?
Odpowiedź leży w oczyszczeniu.
„Oczyszczanie to proces usuwania gazów spalinowych z cylindra i zastępowania ich świeżym powietrzem.”
W małych silnikach dwusuwowych często odbywa się to przez okienka w ściance cylindra. Sam tłok działa jak zawór. Poruszając się w dół, otwiera okno wylotowe. Kiedy porusza się w górę, zamyka okno wlotowe. To niegrzeczne. To nieskuteczne. Część paliwa zostaje utracona. Ale w przypadku masywnych silników prostota przewyższa nieefektywność.
Nie są to jednak tylko duże piły łańcuchowe. Są to instrumenty precyzyjne. Rozmiar zmienia wszystko. Dwusuwowy silnik wysokoprężny z 9 cylindrami może mieć wysokość trzypiętrowego domu. Sam tłok może ważyć kilka ton. Pracują przy znacznie niższych prędkościach niż silnik samochodu, często wirując z prędkością mniejszą niż 100 obr./min.
Dlaczego dwusuw? Dlaczego teraz?
Można się zastanawiać, dlaczego producenci nie pozostali przy silnikach czterosuwowych do wszystkiego. W końcu silniki czterosuwowe są bardziej wydajne pod względem zużycia paliwa w mniejszych zastosowaniach. Zapewniają lepszą kontrolę emisji. Łatwiej je dostosować.
Dlaczego więc wybrać dwusuw dla gigantów?
Moment obrotowy.
Silniki morskie nie wymagają dużych prędkości. Nie muszą zmieniać biegów. Muszą pchać
Dlaczego olej napędowy jest lepszy od benzyny w silnikach dwusuwowych
Jeśli znasz już podstawy silników dwusuwowych, prawdopodobnie znasz główny fakt: uruchamiają one świecę zapłonową dwa razy częściej niż silniki czterosuwowe. Raz na obrót wału korbowego. Ta teoretyczna możliwość oznacza, że silnik dwusuwowy może wytwarzać dwukrotnie większą moc niż równoważny silnik czterosuwowy. Ale jest jedno zastrzeżenie.
W tradycyjnym dwusuwowym silniku benzynowym zasysana jest wstępnie wymieszana mieszanka paliwowo-powietrzna. Proces ten jest nieczysty. Przy każdym ładowaniu cylindra wypływa część niespalonego paliwa. Prowadzi to do zużycia paliwa i zanieczyszczenia środowiska.
Pojawia się podejście do silników Diesla.
Silniki wysokoprężne w pierwszej kolejności sprężają czyste powietrze. Następnie wtryskują paliwo bezpośrednio do gorącego sprężonego powietrza. Ta metoda jest znacznie lepiej dostosowana do cyklu push-pull. Ponieważ nie pompujesz surowego paliwa przez układ wydechowy, wydajność znacznie wzrasta. Emisje spadają. Dlatego wielcy producenci dużych silników Diesla wykorzystują tę konstrukcję do tworzenia potężnych potworów.
Anatomia dwusuwowego silnika wysokoprężnego
Spójrz na konstrukcję typowego dwusuwowego silnika wysokoprężnego. Nie przypomina niczego, co można znaleźć pod maską samochodu.
W górnej części cylindra znajdują się dwa lub cztery zawory wydechowe. Wszystkie otwierają się w tym samym czasie. Jest też wtryskiwacz oleju napędowego (zaznaczony na schematach na żółto). Tłok ma wydłużony kształt. Ta dodatkowa długość pozwala samemu tłokowi działać jak zawór wlotowy. W dolnej części skoku tłok otwiera okna wlotu powietrza.
Powietrze dolotowe jest sprężane przez turbosprężarkę lub sprężarkę doładowującą. Skrzynia korbowa jest uszczelniona i zawiera olej, podobnie jak standardowy silnik czterosuwowy.
Oto jak działa dwusuwowy cykl diesla :
- Tłok znajduje się w górnej części skoku. Cylinder zawiera silnie sprężone powietrze. Wtryskiwacz diesla wtryskuje paliwo do komory. Ciepło i ciśnienie natychmiast go zapalają. Fizyka zapłonu jest taka sama jak w przypadku standardowego silnika wysokoprężnego.
- Ciśnienie spalania popycha tłok w dół. To jest posunięcie robocze.
- W dolnej części skoku otwierają się wszystkie zawory wydechowe. Gazy spalinowe wydostają się na zewnątrz, zmniejszając ciśnienie.
- W najniższym punkcie tłok otwiera otwory wlotowe. Sprężone powietrze będzie napływać do środka, wypierając pozostałe spaliny.
- Zawory wydechowe zamykają się. Tłok cofa się do góry, zamykając otwory wlotowe i sprężając świeże powietrze. To jest suw kompresyjny.
- W pobliżu najwyższego punktu cykl się powtarza.
Różnica w porównaniu z dwusuwowym silnikiem benzynowym jest oczywista. Do cylindra dostaje się tylko powietrze. Niespalone paliwo nie wycieka. Żadnych katastrof ekologicznych. Ale jest kompromis. Dwusuwowy silnik wysokoprężny wymaga turbosprężarki lub doładowania. Zwiększa to koszty i złożoność. W pile łańcuchowej nigdy nie znajdziesz dwusuwowego silnika wysokoprężnego. Byłoby to zbędne. I za drogie.
Silniki General Motors EMD
Linia silników General Motors EMD definiuje rasę dwusuwowych silników wysokoprężnych. Wprowadzone w latach trzydziestych XX wieku giganty te napędzają ogromną część lokomotyw spalinowych kursujących po torach w USA.
Były trzy kolejne serie: 567, 645 i 710. Liczby oznaczają objętość w calach sześciennych na cylinder. Typowa konfiguracja ma 16 cylindrów. Całkowita objętość robocza? Około 10 000 cali sześciennych. Należy pamiętać, że silnik o pojemności 5 litrów (305 cali sześciennych) jest uważany za masywny jak na samochód. Silnik EMD to zupełnie inna rasa.
Weźmy na przykład EMD 645E3. Oto jego charakterystyka:
- Średnica cylindra: 9-1/16 cali
- Skok: 10 cali
- Pojemność skokowa na cylinder: 654 cale sześcienne
- Cylindry: 16 lub 20
- Stosunek kompresji: 14,5:1
- Zawory wydechowe na cylinder: 4
- Masa (16 cylindrów): 15 661 kg (34 526 funtów)
- Masa (20-cylindrowa): 18 209 kg (40 144 funtów). Uwaga: sama miska olejowa waży ponad tonę.
- Prędkość biegu jałowego: 315 obr./min
- Pełna prędkość: 900 obr./min
- Moc: ~4300 KM
To nie jest samochód. To mobilna elektrownia.
Więcej informacji na temat dwusuwowych silników wysokoprężnych i innych konstrukcji silników można znaleźć pod łączami na następnej stronie.
