Вероятно, вы знакомы с четырехтактным дизельным двигателем. Это «рабочая лошадка» под капотом вашего пикапа или блок цилиндров вашего седана. Он всасывает воздух, сжимает его, воспламеняет и выхлопные газы, выполняя ритмичный четырехчастный цикл. Затем есть двухтактный двигатель, который вы, возможно, узнаете по пронзительному вою бензопилы или гуру гидроцикла. Эти небольшие двигатели проще, легче и совершают рабочий ход через каждый оборот.
Но что происходит, когда вы масштабируете эту эффективность двухтактного двигателя до размеров дома?
Вы получаете гигантов, которые обеспечивают движение мировой торговли. Огромные дизельные двигатели, приводящие в движение локомотивы, контейнеровозы и даже крупные электростанции, используют не только дизельное топливо. Они часто сочетают в себе эффективность сгорания дизеля с быстрым циклом двухтактного двигателя. Этот гибридный подход создает одни из самых мощных механических устройств, когда-либо построенных.
Мы углубимся в то, как на самом деле работают эти гигантские двухтактные дизели. Это не просто увеличенная версия двигателя вашего автомобиля. Физика, инженерия и сам масштаб находятся совершенно в другой лиге.
Механика гигантского цикла
Чтобы понять, чем эти двигатели отличаются, нужно взглянуть на сам цикл. В стандартном четырехтактном дизельном двигателе поршень совершает два хода вверх-вниз для каждого рабочего хода. Впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Это надежно. Это зрелая технология. Но она также ограничена тем, сколько раз вы можете переместить этот поршень за час.
Двухтактный двигатель сокращает это вдвое. Один ход вверх, один вниз. Рабочий ход на каждом обороте.
Для бензопилы это означает больше мощности при меньшем весе. Для 60-тонного судового двигателя это означает непрерывный, неумолимый крутящий момент без сложности в виде распределительных валов и клапанов в традиционном смысле. Но есть нюанс. Как закачать свежий воздух и вывести выхлопные газы, если поршень выполняет всю работу?
Ответ кроется в продувке.
«Продувка — это процесс удаления выхлопных газов из цилиндра и замены их свежим воздухом».
В небольших двухтактных двигателях это часто осуществляется через окна в стенке цилиндра. Сам поршень действует как клапан. Когда он движется вниз, он открывает выпускное окно. Когда он движется вверх, он закрывает впускное окно. Это грубо. Это неэффективно. Часть топлива теряется. Но для массивных двигателей простота перевешивает неэффективность.
Однако это не просто большие бензопилы. Это прецизионные инструменты. Размер меняет все. Двухтактный дизельный двигатель с 9 цилиндрами может быть высотой с трехэтажный дом. Сам поршень может весить несколько тонн. И они работают на скоростях, значительно более низких, чем у автомобильного двигателя, часто вращаясь со скоростью менее 100 об/мин.
Почему двухтактный? Почему сейчас?
Вы можете задаться вопросом, почему производители не остались на четырехтактных двигателях для всего. Ведь четырехтактные двигатели более эффективны с точки зрения расхода топлива на милю в небольших приложениях. Они обеспечивают лучший контроль выбросов. Их легче настраивать.
Так почему же стоит выбрать двухтактный для гигантов?
Крутящий момент.
Судовые двигатели не нуждаются в высоких оборотах. Им не нужно переключать передачи. Им нужно толкать
Почему дизель превосходит бензин в двухтактных двигателях
Если вы уже знаете основы работы двухтактных двигателей, то, вероятно, знаете главный факт: они совершают вспышку свечи зажигания в два раза чаще, чем четырехтактные. Один раз за оборот коленчатого вала. Эта теоретическая возможность означает, что двухтактный двигатель может выдавать вдвое больше мощности по сравнению с аналогичным четырехтактным. Но есть один нюанс.
В традиционном бензиновом двухтактном двигателе всасывается предварительно смешанная топливовоздушная смесь. Этот процесс нечист. Каждый раз, когда цилиндр перезаряжается, часть несгоревшего топлива вытекает наружу. Это приводит к расходу топлива и загрязнению окружающей среды.
На сцену выходит дизельный подход.
Дизельные двигатели сначала сжимают чистый воздух. Затем они впрыскивают топливо непосредственно в этот горячий сжатый воздух. Этот метод гораздо лучше подходит для двухтактного цикла. Поскольку вы не выкачиваете сырое топливо через выхлопную систему, эффективность резко возрастает. Выбросы снижаются. Именно поэтому крупные производители больших дизельных двигателей используют эту схему для создания мощных монстров.
Анатомия двухтактного дизеля
Посмотрите на конструкцию типичного двухтактного дизельного двигателя. Она ничем не напоминает то, что вы найдете под капотом автомобиля.
В верхней части цилиндра расположены два или четыре выпускных клапана. Они все одновременно открываются. Там же находится дизельный топливный форсунка (выделена желтым цветом на схемах). Поршень имеет удлиненную форму. Эта дополнительная длина позволяет самому поршню действовать как впускной клапан. В нижней точке своего хода поршень открывает окна для впуска воздуха.
Воздух для впуска сжимается турбокомпрессором или нагнетателем. Картер герметичен и содержит масло, как и в стандартном четырехтактном двигателе.
Вот как работает цикл двухтактного дизеля :
- Поршень находится в верхней точке своего хода. В цилиндре содержится сильно сжатый воздух. Дизельная форсунка распыляет топливо в камеру. Тепло и давление мгновенно воспламеняют его. Физика воспламенения такая же, как у стандартного дизеля.
- Давление сгорания толкает поршень вниз. Это рабочий ход.
- Вблизи нижней точки хода все выпускные клапаны открываются. Выхлопные газы устремляются наружу, сбрасывая давление.
- В нижней точке поршень открывает впускные окна. Сжатый воздух хлынет внутрь, вытесняя оставшиеся выхлопные пары.
- Выпускные клапаны закрываются. Поршень движется обратно вверх, закрывая впускные окна и сжимая свежий воздух. Это такт сжатия.
- Вблизи верхней точки цикл повторяется.
Разница с бензиновым двухтактным двигателем очевидна. В цилиндр попадает только воздух. Несгоревшее топливо не вытекает. Никаких экологических катастроф. Но есть компромисс. Двухтактному дизелю нужен турбокомпрессор или нагнетатель. Это увеличивает стоимость и сложность. Вы никогда не найдете двухтактный дизель в бензопиле. Это было бы избыточно. И слишком дорого.
Двигатели General Motors EMD
Линия двигателей General Motors EMD определяет породу двухтактных дизелей. Представленные в 1930-х годах, эти гиганты приводят в движение огромную часть дизельных локомотивов, курсирующих по путям США.
Существовало три последовательные серии: 567, 645 и 710. Числа обозначают объем в кубических дюймах на цилиндр. Типичная конфигурация имеет 16 цилиндров. Общий рабочий объем? Около 10 000 кубических дюймов. Учтите, что двигатель объемом 5 литров (305 кубических дюймов) считается массивным для автомобиля. Двигатель EMD — это совершенно другой вид.
Возьмем, к примеру, EMD 645E3. Вот его характеристики:
- Диаметр цилиндра: 9-1/16 дюйма
- Ход поршня: 10 дюймов
- Рабочий объем на цилиндр: 654 кубических дюйма
- Цилиндры: 16 или 20
- Степень сжатия: 14,5:1
- Выпускные клапаны на цилиндр: 4
- Вес (16-цил.): 34 526 фунтов (15 661 кг)
- Вес (20-цил.): 40 144 фунта (18 209 кг). Примечание: Только масляный поддон весит более тонны.
- Обороты холостого хода: 315 об/мин
- Полные обороты: 900 об/мин
- Мощность: ~4 300 л.с.
Это не автомобиль. Это передвижная электростанция.
Для получения дополнительной информации о двухтактных дизелях и других архитектурах двигателей перейдите по ссылкам на следующей странице.
