Totakts dieselmotor - Two-stroke diesel engine

Nordberg totakts radial dieselmotor som tidligere ble brukt i en pumpestasjon ved Lake Okeechobee

En totakts dieselmotor er en forbrenningsmotor som bruker kompresjonsantennelse , med en totakts forbrenningssyklus. Den ble oppfunnet av Hugo Güldner i 1899.

Ved kompresjonsantennelse blir luft først komprimert og oppvarmet; drivstoff sprøytes deretter inn i sylinderen, noe som får det til å antennes selv . Totaktsyklusen tenner drivstoffet for å levere et kraftslag hver gang stemplet stiger og faller i sylinderen, uten behov for ekstra eksos- og induksjonsslag i [firetakts] syklusen.

Historie

Ifølge designeren av den første operative dieselmotoren, Imanuel Lauster , hadde Diesel aldri tenkt å bruke totaktsprinsippet for dieselmotoren. Det antas at Hugo Güldner oppfant totaktsdieselmotoren. Han designet den første operative totakts dieselmotoren i 1899, og han overbeviste MAN , Krupp og Diesel om å finansiere byggingen av denne motoren med ℳ 10.000 hver. Güldners motor hadde en 175 mm arbeidssylinder og en 185 mm rensesylinder; begge hadde et slag på 210 mm. Den angitte effekt var 12 PS (9 kW; 12 hk). I februar 1900 gikk denne motoren for egen gang under egen kraft. Med sin faktiske effekt på bare 6,95 PS (5 kW; 7 hk) og høyt drivstofforbruk på 380 g · PS −1 · h −1 (517 g · kW −1 · h −1 ), beviste det imidlertid ikke å være suksessfull; Güldners totakts dieselmotorprosjekt ble forlatt i 1901.

I 1908 tilbød MAN Nürnberg enkeltvirkende stempel totakts dieselmotorer for marint bruk, den første dobbeltvirkende stempelmotoren fra MAN Nürnberg ble laget i 1912 for et elektrisk kraftverk. I samarbeid med Blohm + Voss i Hamburg bygde MAN Nürnberg den første dobbeltvirkende stemplet totaktsmotor for marin bruk i 1913/1914. Paul Henry Schweitzer argumenterer for at de motstående stemplet totakts dieselmotorer opprinnelig ble oppfunnet av Hugo Junkers . Under første verdenskrig bygde MAN Nürnberg en sekssylindret, dobbeltvirkende stempel, totakts dieselmotor med en nominell effekt på 12 400 PS (9 120 kW; 12 230 hk). MAN flyttet sin totakts dieselmotoravdeling fra Nürnberg til Augsburg i 1919.

I 1939 var flere totakts dieseltyper i utbredt bruk, og andre ble utviklet for applikasjoner med høy effekt.

Av flere totakts flymotordieselmotorkonsepter var Junkers Jumo 205 den eneste typen som ble produsert i betydelige mengder, med omtrent 900 enheter i alt. Designkonseptet ble introdusert i 1939 og ble først foreslått i 1914. Designet ble lisensprodusert i flere land. Påfølgende fremskritt innen bensininnsprøytingsteknologi gjorde totaktsflymotoren foreldet. Selv om Napier Culverin , en lisensiert versjon av den større Jumo 204 , ikke ble satt i produksjon, innlemmet den senere Napier Deltic et redesignet trekantet arrangement med tre sylindere per bank, og ble vellykket vedtatt i lokomotiv og marine applikasjoner, godt inn i etterkrigstiden .

Fra 1923 til 1982 hadde MAN brukt omvendt strømning for sine marine totaktsmotorer. Fra 1945 ble en glideventil for raminduksjonseffekten installert, og fra 1954 ble konstant gassstrømoverlading med mellomkjøling brukt. Overladningen ble oppnådd med en kombinasjon av fire overladningsmetoder: en veivaksel-drevet root-type superlader, en turbolader, motorens stemplers undersider og en kompressor som drives av en elektrisk motor. Glideventilen for raminduksjonseffekten viste seg etter hvert å være utsatt for svikt og ble gjort foreldet ved å øke overladingshastigheten på begynnelsen av 1960 -tallet. På begynnelsen av 1980-tallet byttet alle de store totakts dieselmotorprodusentene fra reversering til uniflow-rensing, fordi sistnevnte, til tross for å være mer komplisert, tillater høyere motoreffektivitet og dermed lavere drivstofforbruk.

Charles F. Kettering og kolleger, som jobbet i General Motors Research Corporation og GMs datterselskap Winton Engine Corporation i løpet av 1930-årene, designet totakts dieselmotorer for bruk på veien med mye høyere effekt / vekt-forhold og effektområde enn dagens fire -slag diesler. Den første mobile applikasjonen av totaktsdieselmotoren var med dieselstrømlinjene på midten av 1930-tallet. Fortsatt utviklingsarbeid resulterte i forbedrede totaktsdieseler for lokomotiver og marine applikasjoner på slutten av 1930-tallet. Dette arbeidet la grunnlaget for dieselisering av jernbaner på 1940- og 1950 -tallet i USA.

Mot slutten av det tjuende århundre gjenoppsto interessen for flymotordieselmotorer , med totaktseksempler som Superior Air Parts Gemini Diesel 100 under utvikling fra 2015.

Kjennetegn

Diesel- eller oljemotorer

Hovedartikkel: Dieselmotor

Den definerende egenskapen til dieselmotoren er at den er avhengig av kompresjonsantennelse . Når luften komprimeres, varmes den opp. Drivstoff injiseres deretter i den varme, komprimerte luften og antennes spontant. Dette gjør at den kan operere med en mager blanding som hovedsakelig består av luft. Sammen med det høye kompresjonsforholdet gjør dette den mer økonomisk enn bensin- eller bensin Otto -motoren . Det krever heller ikke at en forgasser blander luft og drivstoff før levering, eller tennplugg eller annet tenningssystem. En annen konsekvens er at for å kontrollere hastighet og effekt, blir luftstrømmen ikke strupet, men bare mengden drivstoff som injiseres i hver syklus varieres.

Totaktsyklus

Hovedartikkel: Totaktsmotor
Cutaway- modell av en MAN B&W totakts marin dieselmotor med stempelstangen festet til et krysshode

I totaktsyklusen skjer de fire trinnene i forbrenningsmotordriften (inntak, kompresjon, tenning, eksos) i en 360 ° omdreining av veivakselen, mens de i en firetaktsmotor tar to komplette omdreininger. Følgelig overlapper trinnene i totaktssyklusen gjennom det meste av motorens drift. Dette gjør de termodynamiske og aerodynamiske prosessene mer komplekse. Fordi firetaktsylinderen bare utløser annenhver omdreining, er effekten på totaktssyklusen teoretisk sett dobbelt så mye. Imidlertid gjør tapene som gjør det vanskelig å oppnå denne fordelen i praksis.

  • Inntaket begynner når stempelet er nær det nedre dødpunktet (BDC). Luft slippes inn i sylinderen gjennom porter i sylinderveggen (det er ingen inntaksventiler ). Alle totakts dieselmotorer krever kunstig aspirasjon for å operere, og vil enten bruke en mekanisk drevet vifte eller en turbo-kompressor for å lade sylinderen med luft. I den tidlige fasen av inntaket brukes luftladningen også til å tvinge ut eventuelle gjenværende forbrenningsgasser fra det foregående kraftslaget, en prosess som kalles rensing .
  • Når stemplet stiger, blir inntaksladningen for luft komprimert. Nær topp dødpunkt injiseres drivstoff, noe som resulterer i forbrenning på grunn av ladningens ekstremt høye trykk og varme som oppstår ved kompresjon, som driver stempelet nedover. Når stempelet beveger seg nedover i sylinderen, vil det nå et punkt der eksosporten åpnes for å fjerne høytrykks forbrenningsgasser. De fleste nåværende totakts dieselmotorer bruker imidlertid toppmonterte ventiler og uniflow- rensing. Fortsatt nedadgående bevegelse av stempelet vil eksponere luftinntakene i sylinderveggen, og syklusen starter på nytt.

Totakts diesel

I de fleste EMD og GM (dvs. Detroit Diesel ) totaktsmotorer er det svært få parametere som kan justeres, og alle de resterende blir fikset av motorenes mekaniske design. Renseportene er åpne fra 45 grader før BDC, til 45 grader etter BDC (denne parameteren er nødvendigvis symmetrisk om BDC i stempelportede motorer). De resterende, justerbare parametrene har å gjøre med avtrekksventil og injeksjonstidspunkt (disse to parameterne er ikke nødvendigvis symmetriske om TDC eller for den saks skyld BDC), de er etablert for å maksimere avgassutslipp fra forbrenningsgasser og maksimere inntak av ladeluft. En enkelt kamaksel driver eksosventiler av poppetypen og enhetsinjektoren ved hjelp av tre fliker: to fliker for eksosventiler (enten to ventiler på de minste motorene eller fire ventiler på den største og en tredje lap for enhetsinjektoren).

Spesifikk for EMD totaktsmotorer ( 567 , 645 og 710 ):

  • Kraftslaget begynner ved TDC ([0 °]; injeksjon av drivstoff fører TDC med 4 ° [356 °], slik at injeksjon av drivstoff vil bli fullført av TDC eller veldig kort tid etter; drivstoffet antennes like raskt som det injiseres) etter at arbeidsslaget eksosventilene er åpnet, og dermed i stor grad redusere forbrenningsgasstrykk og temperatur, og forbereder sylinderen for utblåsning, for et arbeidsslag varighet på 103 °.
  • Rensing begynner 32 ° senere, ved BDC – 45 ° [135 °], og slutter ved BDC+45 ° [225 °], i en rensetid på 90 grader; 32 ° forsinkelse ved åpning av renseportene (begrensning av lengden på effektlengden) og 16 ° forsinkelsen etter at renseportene er lukket (og dermed starte kompresjonsslaget), maksimerer rensingseffektiviteten, og maksimerer dermed motoreffekten mens den minimeres motorens drivstofforbruk.
  • Mot slutten av rensing har alle forbrenningsprodukter blitt presset ut av sylinderen, og bare "ladeluft" gjenstår (rensing kan utføres av rotblåsere, for lufttilførsel ved litt over omgivelsene, eller EMDs proprietære turbo-kompressor, som fungerer som en vifte under oppstart og som en turbolader under normale driftsforhold, og for lufttilførsel ved betydelig over omgivelsene, og som turboladning gir en maksimal effektøkning på 50 prosent over rotteblåste motorer med samme slagvolum) .
  • Kompresjonsslaget begynner 16 ° senere, ved BDC+61 ° [241 °], for en varighet av kompresjonsslag på 119 °.
  • I EFI -utstyrte motorer aktiveres den elektronisk styrte enhetsinjektoren fremdeles mekanisk; mengden drivstoff som mates inn i injeksjonspumpen av stempeltypen er under kontroll av motorstyringsenheten (i lokomotiver, lokomotivstyringsenhet), i stedet for den tradisjonelle Woodward PGE-guvernøren eller tilsvarende motorregulator, som med konvensjonelle enhetsinjektorer.

Spesifikk for GM totakts ( 6-71 ) og relaterte terreng- /off-road/marine totaktsmotorer:

  • De samme grunnleggende hensynene brukes (GM/EMD 567 og GM/Detroit Diesel 6-71 motorene ble designet og utviklet samtidig, og av det samme teamet av ingeniører og ingeniørledere).
  • Mens alle EMD- og Detroit-dieselmotorer bruker turboladning, er det bare noen EMD-motorer som bruker et turbo-kompressorsystem; noen Detroit-dieselmotorer bruker en konvensjonell turbolader, i noen tilfeller med intercooling, etterfulgt av den vanlige Roots-viften, et turbo-kompressorsystem ville være for dyrt for visse svært kostnadssensitive og svært konkurransedyktige applikasjoner.

Drivstoff

Drivstoff som brukes i dieselmotorer består av tyngre hydrokarbonoljer enn bensinen eller bensinen som brukes i gnisttenningsmotorer, noe som gjør dem mindre flyktige med et høyere flammepunkt og gir dem høyere energitetthet . De er derfor lettere og tryggere å håndtere og opptar mindre volum for en gitt mengde energi. To -takts diesler brenner vanligvis enda tyngre drivstoffoljer enn standard diesel .

I totakts marine dieselmotorer for sjøgående fartøyer er de vanligste drivstoffene restoljer . Günter Mau argumenterer for at det ikke eksisterer ensartede standarder for slike drivstoff, og derfor har de flere forskjellige daglig navn, inkludert Marine Intermediate Fuel , Heavy Fuel Oil , Marine Bunker Fuel og Bunker C Fuel . Tunge fyringsoljer ble også brukt i Jumo 205 totakts dieselflymotor. På 1960 -tallet ble restoljer "kokt på grunnlag av raffineriavfall". Restoljer er av svært lav kvalitet med høy viskositet og lave cetantall , men billige og dermed økonomiske å bruke.

Bemerkelsesverdige produsenter

Brons totakts V8-dieselmotor som kjører en Heemaf- generator

Merknader

Referanser

Sitater

Bibliografi

  • Mau, Günter (1984), Handbuch Dieselmotoren im Kraftwerks- und Schiffsbetrieb , Springer-Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden 1984, ISBN  978-3-528-14889-8 .
  • Sass, Friedrich (1962), Geschichte des deutschen Verbrennungsmotorenbaus von 1860 bis 1918 , Springer, Berlin/Heidelberg 1962, ISBN  978-3-662-11843-6 .

Videre lesning