Ймовірно, ви знайомі із чотиритактним дизельним двигуном. Це “робоча конячка” під капотом вашого пікапа або блок циліндрів вашого седана. Він всмоктує повітря, стискає його, займає і вихлопні гази, виконуючи ритмічний чотиричастковий цикл. Потім є двотактний двигун, який ви, можливо, дізнаєтеся по пронизливому воюванню бензопили або гуру гідроциклу. Ці невеликі двигуни простіше, легше та роблять робочий хід через кожний оборот.
Але що відбувається, коли ви масштабуєте цю ефективність двотактного двигуна до розмірів будинку?
Ви отримуєте гігантів, які забезпечують рух світової торгівлі. Величезні дизельні двигуни, що надають руху локомотиви, контейнеровози і навіть великі електростанції, використовують не тільки дизельне паливо. Вони часто поєднують ефективність згоряння дизеля зі швидким циклом двотактного двигуна. Цей гібридний підхід створює одні з найпотужніших механічних пристроїв, які колись були побудовані.
Ми заглибимося в те, як насправді працюють ці величезні двотактні дизелі. Це не просто збільшена версія двигуна вашого автомобіля. Фізика, інженерія та сам масштаб знаходяться зовсім в іншій лізі.
Механіка гігантського циклу
Щоб зрозуміти, чим ці двигуни відрізняються, потрібно поглянути на цикл. У стандартному чотиритактному дизельному двигуні поршень робить два ходи вгору-вниз для кожного робочого ходу. Впуск, стискування, робочий хід, випуск. Це надійно. Це зріла розробка. Але вона також обмежена тим, скільки разів ви можете перемістити цей поршень за годину.
Двотактний двигун скорочує це вдвічі. Один хід, один вниз. Робочий хід кожному обороті.
Для бензопили це означає більше потужності при меншій вазі. Для 60-тонного суднового двигуна це означає безперервний, невблаганний момент, що крутить, без складності у вигляді розподільчих валів і клапанів у традиційному сенсі. Але є нюанс. Як закачати свіже повітря та вивести вихлопні гази, якщо поршень виконує всю роботу?
Відповідь у продувці.
«Продування — це процес видалення вихлопних газів з циліндра та заміни їх свіжим повітрям».
У невеликих двотактних двигунах часто здійснюється через вікна в стінці циліндра. Сам поршень діє як клапан. Коли він рухається донизу, він відкриває випускне вікно. Коли він рухається нагору, він закриває впускне вікно. Це брутально. Це неефективно. Частина палива губиться. Але для потужних двигунів простота переважує неефективність.
Однак це не просто великі бензопили. Це прецизійні інструменти. Розмір змінює все. Двотактний дизельний двигун із 9 циліндрами може бути висотою з триповерховий будинок. Сам поршень може важити кілька тонн. І вони працюють на швидкостях значно нижчих, ніж у автомобільного двигуна, часто обертаючись зі швидкістю менше 100 об/хв.
Чому двотактний? Чому зараз?
Ви можете поставити запитання, чому виробники не залишилися на чотиритактних двигунах для всього. Адже чотиритактні двигуни ефективніші з погляду витрати палива на милю в невеликих додатках. Вони забезпечують найкращий контроль викидів. Їх легше налаштовувати.
То чому ж варто вибрати двотактний для гігантів?
Крутний момент.
Суднові двигуни не потребують високих оборотів. Їм не потрібно перемикати передачі. Їм треба штовхати
Чому дизель перевершує бензин у двотактних двигунах
Якщо ви вже знаєте основи роботи двотактних двигунів, то, ймовірно, знаєте головний факт: вони спалахують свічки запалювання вдвічі частіше, ніж чотиритактні. Один раз за оборот колінчастого валу. Ця теоретична можливість означає, що двотактний двигун може видавати вдвічі більше потужності, порівняно з аналогічним чотиритактним. Але є один нюанс.
У традиційному бензиновому двотактному двигуні всмоктується попередньо змішана паливоповітряна суміш. Цей процес нечистий. Щоразу, коли циліндр перезаряджається, частина незгорілого палива витікає назовні. Це призводить до витрати палива та забруднення навколишнього середовища.
На сцену виходить дизельний підхід.
Дизельні двигуни спочатку стискають чисте повітря. Потім вони впорскують паливо безпосередньо в це гаряче стиснене повітря. Цей метод краще підходить для двотактного циклу. Оскільки ви не викачуєте сире паливо через систему вихлопу, ефективність різко зростає. Викиди знижуються. Саме тому великі виробники великих дизельних двигунів використовують цю схему створення потужних монстрів.
Анатомія двотактного дизеля
Подивіться на конструкцію типового двотактного дизельного двигуна. Вона нічим не нагадує те, що ви знайдете під капотом автомобіля.
У верхній частині циліндра розташовані два або чотири випускні клапани. Вони всі одночасно відкриваються. Там же знаходиться дизельний паливний форсунка (виділена жовтим кольором на схемах). Поршень має видовжену форму. Ця додаткова довжина дозволяє самому поршню діяти як впускний клапан. У нижній точці свого ходу поршень відкриває вікна для впуску повітря.
Повітря для впуску стискається турбокомпресором або нагнітачем. Картер герметичний і містить олію, як і в стандартному чотиритактному двигуні.
Ось як працює цикл двотактного дизеля :
- Поршень знаходиться у верхній точці свого ходу. У циліндрі міститься сильно стиснене повітря. Дизельна форсунка розпорошує паливо в камеру. Тепло і тиск миттєво спалахують його. Фізика займання така сама, як у стандартного дизеля.
- Тиск згоряння штовхає поршень донизу. Це робочий хід.
- Поблизу нижньої точки ходу всі випускні клапани відкриваються. Вихлопні гази спрямовуються назовні, скидаючи тиск.
- У нижній точці поршень відкриває впускні вікна. Стиснене повітря хлине всередину, витісняючи вихлопні пари, що залишилися.
- Випускні клапани закриваються. Поршень рухається назад, закриваючи впускні вікна і стискаючи свіже повітря. Це такт стиснення.
- Поблизу верхньої точки цикл повторюється.
Різниця з бензиновим двотактним двигуном очевидна. У циліндр потрапляє лише повітря. Паливо, що не згоріло, не витікає. Жодних екологічних катастроф. Але є компроміс. Двотактному дизелю потрібен турбокомпресор чи нагнітач. Це збільшує вартість та складність. Ви ніколи не знайдете двотактний дизель у бензопилі. Це було б надмірно. І надто дорого.
Двигуни General Motors EMD
Лінія двигунів General Motors EMD визначає породу двотактних дизелів. Представлені в 1930-х роках, ці гіганти надають руху величезну частину дизельних локомотивів, що курсують шляхами США.
Існували три послідовні серії: 567, 645 і 710. Числа позначають об’єм у кубічних дюймах на циліндр. Типова конфігурація має 16 циліндрів. Загальний робочий об’єм? Близько 10000 кубічних дюймів. Врахуйте, що двигун об’ємом 5 літрів (305 кубічних дюймів) вважається потужним для автомобіля. Двигун EMD – це зовсім інший вигляд.
Візьмемо, наприклад, EMD 645E3. Ось його характеристики:
- Діаметр циліндра: 9-1/16 дюйма
- Хід поршня: 10 дюймів
- Робочий об’єм на циліндр: 654 кубічних дюйми
- Циліндри: 16 або 20
- Ступінь стиснення: 14,5:1
- Випускні клапани на циліндр: 4
- Вага (16-цил.): 34 526 фунтів (15 661 кг)
- Вага (20-ціл.): 40 144 фунти (18 209 кг). Тільки масляний піддон важить більше тонни.
- Оберти холостого ходу: 315 об/хв
- Повні обороти: 900 об/хв
- Потужність: ~4 300 к.с.
Це не автомобіль. Це пересувна електростанція.
Для отримання додаткової інформації про двотактні дизелі та інші архітектури двигунів перейдіть за посиланнями на наступній сторінці.
