Меню

Двухтактный дизельный двигатель мощность



Двухтактный дизель — будущее лёгкой авиации

Двухтактный дизель — будущее лёгкой авиации

Дмитрий Алемасов (Dmitry_A)

В авиации к двигателям подход особый. Самая, пожалуй, важная характеристика — это удельная мощность (или удельная тяга), то есть количество киловатт или лошадиных сил (или ньютонов) на единицу массы. Оно и понятно. Если мы установим на автомобиль тяжёлый двигатель, автомобиль всё равно поедет. А вот самолёт с тяжёлым двигателем может просто не взлететь. Из коммерчески выпускаемых ныне авиационных двигателей самыми лучшими по этому показателю являются турбореактивные (ТРД). Однако они выдают желаемые показатели при весьма высоких оборотах, поэтому требуют очень высокой культуры производства и, следовательно, дороги. Газотурбинные (ГТД), или турбовальные (ТВД), двигатели несколько тяжелее, так как в них турбина вращает не только компрессор, но и понижающий редуктор — дополнительный механизм, обладающий немалой массой. Они тоже очень дороги, но имеют свои преимущества. Например, они экономичны в диапазоне скоростей до 600 км/ч, и ещё могут устанавливаться на вертолёты. Тем не менее, в классе мощностей до 200-250 л.с. ГТД фактически отсутствуют, по причине дороговизны. Это по-прежнему царство поршневых двигателей.

В лёгкой авиации самым массовым типом ДВС является 4-тактный карбюраторный оппозитный воздушного охлаждения. Конструкция таких двигателей отработана десятилетиями — например, оппозитный Лайкоминг был разработан ещё до Второй мировой войны. Однако в последнее время обнаружилась угроза дальнейшему существованию этих двигателей. Дело в том, что они рассчитаны на применение специального авиационного бензина. А нынешний мировой авиапарк в основном потребляет реактивные топлива, базирующиеся на керосине, производство авиационного бензина сократилось, и он перешёл в разряд дефицита. Энтузиасты лёгкой авиации пробуют разные пути выхода из бензинового тупика. Кто-то пытается конвертировать имеющиеся конструкции под доступный автомобильный бензин, а кто-то предлагает новую (то есть хорошо забытую старую) альтернативу — 2-тактный авиационный дизель.

Маленькая квази-теоретическая лекция

Тактом рабочего цикла ДВС является ход поршня от одной мёртвой точки до другой. Один такт соответствует 180-градусному повороту (полуобороту) коленчатого вала. При 4-тактном процессе рабочий цикл осуществляется за два оборота вала, при 2-тактном — за один.

Что касается 4-тактного рабочего цикла, то между схемами Дизеля и Отто различий немного. Присутствуют те же 4 такта: впуск — сжатие — расширение — выпуск. Сначала открывается впускной клапан, поршень идёт вниз, под действием создающегося разрежения в цилиндр поступает свежая топливовоздушная смесь или воздух — это такт впуска. Затем клапан закрывается, поршень идёт вверх — происходит сжатие. Следующий такт: сжатая смесь воспламеняется искрой или в сжатый воздух форсунка впрыскивает топливо, которое самовоспламеняется, поршень под действием этого идёт вниз — это расширение, или рабочий ход поршня. Двигатель совершает полезную работу именно в течение такта расширения. Потом поршень идёт вверх, открывается выпускной клапан, через который продукты сгорания топлива выходят в атмосферу — это такт выпуска.

В случае с двухтактным процессом всё уже не так просто. Такты условно называются сжатие и расширение. Как видно, места отдельным тактам впуска и выпуска здесь не нашлось. Это не случайно. Хотя в двухтактном двигателе процессы впуска и выпуска присутствуют, для их осуществления необходимо, чтобы давление на входе в цилиндр было выше атмосферного. То есть нужен принудительный наддув. Те, кто знаком с двухтактными мотоциклетными бензиновыми двигателями, могут возразить: на мотоциклах нет никаких турбо- или механических компрессоров. Отдельного компрессора в мотоциклетном двухтактнике действительно нет. Функция компрессора возложена на картер двигателя.

В простых мотоциклетных моторах нет клапанов в головке цилиндра, вместо них существуют впускные и выпускные окна в стенках цилиндра, перекрываемые телом поршня. Впускные окна связаны с карбюратором не напрямую, а через перепускные каналы, выходящие в картер. В течение хода поршня вверх нижний край открывает окно, на котором находится карбюратор, рабочая смесь под действием разрежения, создаваемого идущим вверх поршнем, устремляется в картер. Когда поршень идёт вниз, он перекрывает это окно, рабочая смесь начинает сжиматься. Поршень идёт далее вниз, открывая перепускные окна, рабочая смесь под давлением подаётся в цилиндр, где вытесняет отработанные газы в выпускное окно. Поршень идёт снова вверх, и процессы под его днищем повторяются, а в это время в цилиндре происходит сжатие рабочей смеси. Затем сжатая смесь воспламеняется свечой, и поршень идёт вниз, совершая такт расширения, или рабочий ход.

Читайте также:  Крымэнерго личный кабинет увеличение мощности

Дизель, подобный мотоциклетному мотору, не сделаешь. В цилиндр надо подавать чистый воздух, которому в картере делать нечего — он там будет выдавливать имеющуюся смазку из трущихся узлов. Поэтому двухтактные дизельные двигатели (танковые и судовые) больше похожи на четырёхтактные. У них также есть масло в картере и клапана в головке блока цилиндров. Однако кроме клапанов, у них ещё есть окна в стенках цилиндров. Обычно через боковые окна нагнетается воздух, а выпуск производится через клапаны.

Цикл происходит так: поршень идёт вниз и открывает впускное окно, через которое внешним нагнетателем подаётся воздух; затем поршень начинает движение вверх; пока впускное окно не закрылось полностью, открывается выпускной клапан в головке, и отработанные газы вытесняются в выпускной тракт; закрывается клапан, перекрывается впускное окно, воздух сжимается движением поршня к верхней мёртвой точке и от сжатия нагревается; в верхней мёртвой точке форсунка впрыскивает в цилиндр топливо, которое от соприкосновения с горячим воздухом воспламеняется; поршень идёт вниз, совершая рабочий ход, пока не откроет впускное окно; далее см. начало абзаца.

Преимущества дизелей как таковых: использование в качестве топлива более дешёвых и более энергоёмких фракций нефти; больший крутящий момент на валу; отсутствие системы зажигания (тут к месту афоризм, приписываемый конструкторам дизеля В-2: «Самая надёжная деталь — та, которой нет»).

Недостатки дизелей как таковых: низкая удельная мощность, что обусловлено необходимостью усиления конструкции (сгорание топлива не такое плавное, как в бензиновом двигателе, плюс в 2 раза большая степень сжатия — а иначе откуда большой крутящий момент возьмётся?); наличие куда более сложной и привередливой системы питания, нежели у бензинового двигателя.

Преимущества двухтактных дизелей: вдвое большая частота рабочих ходов, что решает проблему удельной мощности; более плавная работа двигателя.

Недостатки двухтактных дизелей: обязательность механического компрессора или турбонаддува.

Хорошо забытое старое

Первые работоспособные авиационные дизели были сконструированы до Второй мировой войны моторостроительным подразделением Юнкерса — ЮМО. Планировалось ставить их на трансатлантические авиалайнеры и дальние бомбардировщики.

Конструировались они и у нас — А. Д. Чаромским специально для бомбардировщика Ер-2. Однако довести их до беспроблемной эксплуатации не удалось — в войну было не до изысканий. А после войны началась реактивная эра, и потенциальную нишу моторов для сверхдальних перелётов заняли ТВД; потом и турбореактивные двигатели, обзаведясь вторым контуром, стали достаточно экономичными. Об авиационных дизелях забыли. До 90-х годов.

В последнее время по крайней мере две фирмы — немецкая Zoche и британская DeltaHawk — предпринимают усилия по сертификации и выводу на рынок авиационных двухтактных дизелей в диапазоне мощностей до 300 л.с. Общее между ними — бесклапанное (то есть через окна в цилиндре) газораспределение; наличие двух нагнетателей — механического компрессора и турбокомпрессора. Гамма продукции Zoche включает звездообразные 2-х(70 л.с.), 4-х(150 л.с.) и 8-цилиндровые(300 л.с.) двигатели воздушного охлаждения. Цилиндро-поршневые группы одинаковы для всех вариантов. Механический нагнетатель является также пневмостартером, что позволяет надёжно пускать двигатель при любой температуре. Система смазки обеспечивает работу двигателя при любом положении в пространстве.

Двухтактный дизельный цикл — удачный вариант для моторов лёгкой авиации. За счёт вдвое большего числа рабочих ходов и использования наддува они могут превзойти по удельной мощности традиционные оппозитники, которые плохо переносят турбонаддув. Наличие наддува также благоприятно сказывается на высотности двигателя. Системы зажигания (которая на бензиновых двигателях нередко дублируется для надёжности) у дизелей просто нет. То есть заглушить дизель можно лишь прервав подачу топлива (бензиновый двигатель этим способом тоже глушится). Дизель не боится низких температур, чреватых обледенением карбюратора (в том числе и за отсутствием карбюратора как такового) — наоборот, ему холодный воздух даже идёт на пользу. Топливо для дизеля дешевле и доступнее.

Читайте также:  Методы измерения поглощаемой мощности

Правда, при эксплуатации на авиакеросине есть свои сложности. Дело в том, что самый сложный и точный агрегат дизеля — топливный насос высокого давления — смазывается маслянистыми фракциями дизельного топлива. А керосин от этих фракций очищен. Поэтому в реактивное топливо необходимо добавлять специальную смазывающую присадку.

У дизелей в лёгкой авиации неплохие перспективы. Если кто-либо из крупных мировых моторостроителей проявит к ним интерес, и сможет предложить массовый недорогой сертифицированный дизель, то ситуация несомненно изменится в их пользу. До тех пор, пока не появится массовый недорогой сертифицированный ГТД.

Источник

Двухтактный дизельный двигатель: принцип работы и особенности

Двухтактный дизельный двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания. Топливо-воздушная смесь сгорает за 2 движения поршня. Цикл завершается всего за 1 оборот коленвала. Такие показатели кажутся впечатляющими, однако существует несколько особенностей работы агрегата, о которых стоит узнать подробнее.

Главным достоинством такого мотора можно считать меньший расход топлива в сравнении с бензиновыми агрегатами. Это происходит за счет одной из особенностей дизельного топлива. Оно плотнее бензина, поэтому при сгорании дает на 15% энергии больше. Это обеспечивается более длинной цепочкой углеродов. Кроме того, технические характеристики таких двигателей стоят наравне с показателями аналогичных двигателей.

Двухтактный дизельный двигатель

Строение

В состав двухтактного дизеля входит картер, совмещенный с коленчатым валом поршень, форсунки, впускные и выпускные окна цилиндра, топливный и водяной насосы. Последний снабжается плунжерным переключателем и датчиком температуры, а также емкостями, которые наполняются водой. Агрегат обеспечивает повышение КПД и за счет улучшенного сгорания топливо-воздушной смеси. Токсичность отходов при этом снижается.

В двухтактном моторе расположена газовая турбина и нагнетатель. Последний отвечает за повышение давления в цилиндрах — это обеспечивает экономию топлива и повышение мощности. Газовая турбина запускает преобразователь энергии тепла в энергию движения.

Продувочный воздух поступает в двухтактный дизельный двигатель несколькими способами — с помощью:

  • насосов;
  • продувочных камер;
  • компрессоров.

Продувка может осуществляться по одной из схем — контурной или клапанно-щелевой.

Стоит отметить, что использование контурной схемы снижает как экономические, так и технические показатели агрегата. Это объясняется тем, что в цилиндрах имеются не продуваемые области.

Двухтактный дизельный двигатель

Цилиндры монтированы вдоль. Каждый из них оснащается выпускными и вентиляционными отверстиями. Газ поступает к турбине через коллектор. Когда поршни двигаются, рабочая камера периодически открывается и закрывается. Коленчатые валы взаимодействуют друг с другом. Это обеспечивается механизмом основной передачи.Топливо при этом сгорает при достаточно высокой температуре.

Для смазки трущихся деталей и подшипников применяется смесь масла и топлива. Она подается в цилиндр и кривошипную камеру. Смазки эти узлы не имеют, поскольку она смылась бы топливом. Именно поэтому к горючему его доливают в определенном соотношении.

При этом для двухтактного дизельного двигателя используется определенное масло. Оно выдерживает продолжительное воздействие высоких температур, способно практически не оставлять после сгорания зольных отложений.

Как работает?

Принцип работы двухтактного дизеля основан на выполнении 2 тактов: сжатие и рабочий ход. Конструкция агрегата позволяет выполнять весь цикл вдвое быстрее, чем в четырехтактных моторах.

Для двухтактных дизельных двигателей принцип работы следующий:

  1. Поршень из НМТ начинает двигаться вверх. В цилиндре имеется воздух. Приходе поршня вверх он сжимается, а когда поршень подходит к ВМТ, впрыскивается порция свежего топлива. При этом горючее самовоспламеняется и осуществляется рабочий ход.
  2. Продукты сгорания толкают поршень, вследствие чего тот движется вниз. Когда поршень доходит до НМТ, осуществляется продувка —воздух замещает продукты сгорания. Это является завершением цикла.

Двухтактный дизельный двигатель

Внизу цилиндра имеются продувочные окна. Они необходимы для процесса продувки. Когда поршень снизу, они открыты. Во время подъема поршня они закрываются. Значительное увеличение показателя мощности двухтактных моторов происходит за счет повышения числа рабочих ходов. Двухтактный дизельный двигатель, принцип работы которого достаточно прост, обладает массой преимуществ.

Читайте также:  Установленная мощность электростанций крыма

Мифы о двухтактных дизельных моторах

Существует несколько распространенных мифов касательно двухтактных двигателей:

  1. Слишком медленная работа. В действительности современные моторы с турбонаддувом гораздо эффективнее предыдущих моделей.
  2. Такие моторы слишком громкие. Чтобы этого избежать, необходима правильная настройка двигателя. При правильном выполнении всех настроек работа мотора происходит немногим громче бензинового аналога. Высокий уровень шума свидетельствует о неправильной настройке мотора или его неисправности. Для старых моделей высокий уровень шума — характерная черта, создание появление аккумуляторных систем с высоким давлением существенно снизило уровень шума.
  3. Покупать дизель выгоднее бензина. Это так, но лишь отчасти. Несколько лет назад дизельное топливо стоило намного дешевле бензина, однако сегодня разница составляет всего 10-20%. Основная экономичность заключается в способности теплотворной способности горючего.
  4. Такие моторы плохо заводятся зимой. Раньше проблемы с ними действительно возникали. Однако современные автомобили с дизельными двигателями оснащены быстрым запуском, что снижает время на ежедневные подготовки к поездкам.

Дорога в лесу

Срок службы дизеля превышает бензиновые агрегаты. Он может достигать 400-600 тыс. км.

Каждый двухтактный дизельный двигатель имеет одну отличительную особенность — через окна цилиндров впускается воздух и устраняются отработавшие газы. Когда они выходят через клапан в цилиндре, а воздух поступает через окна, система такой очистки называется клапанно-щелевой.

Подобные системы очистки имеют одну особенность — в цилиндре остается только часть воздуха. Поднимаясь вверх, он частично выходит за пределы мотора. Такую очистку еще называют прямоточной. Она обеспечивает максимальную эффективность очистки двигателя от продуктов сгорания.

Помимо прямоточной продувки существует и петлевая, однако она отличается меньшим качеством очистки. Именно поэтому для современных автомобилей она используется нечасто. Рабочие ходы такого агрегата выполняются в два раза чаще, однако на мощности это сказывается незначительно (она увеличивается в 1,5-1,7 раза). Это объясняется наличием продувки, а также тем, что внутри цилиндра происходит более короткий ход.

Преимущества

Двухтактные дизельные двигатели стали производиться относительно недавно. Такие моторы на сегодняшний день имеют множество модификаций. К примеру, зажигание бывает 2 типов: контактным и бесконтактным.Также отличаются и схемы таких моторов. Применяется двухтактная система на танках, в самолетах, в тяжелой промышленной технике.

Танк на полигоне

  1. Небольшой размер. Для установки агрегата требуется совсем немного места. Такие моторы легко умещаются под капотом транспортных средств.
  2. Небольшая масса. Стандартный турбодизель весит почти в 2 раза больше, чем двухтактный дизельный двигатель.
  3. Значительная экономия топлива. Расход горючего снижен практически в 2 раза по сравнению с обычным дизельным агрегатом.
  4. Простая конструкция. При обслуживании таких двигателей нет необходимости применять специальные технологии.

Такие преимущества выгодно выделяют двухтактные дизельные двигатели на фоне бензиновых собратьев. Имеются у таких моторов и серьезные недостатки.

Недостатки

Небольшое распространение агрегатов объясняется рядом причин. К примеру, детали на такие моторы найти получится с трудом. Именно поэтому выполнить ремонт двухтактного дизельного двигателя становится проблематично. Кроме того, специалистов по обслуживанию таких агрегатов достаточно мало.

Автомеханик

  • высокая цена дизельных двигателей и малый выбор моделей;
  • увеличенный расход масла;
  • необходимость установки воздушных фильтров.

Явным недостатком дизелей является использование мощного стартера. На морозе дизельное топливо мутнеет и застывает. Ремонт топливной аппаратуры затрудняется тем, что насосы высокого давления изготавливаются с высокой точностью.

Существенным минусом двухтактных дизелей является невозможность их применения в высокотемпературных режимах. Масло при таких условиях закоксовывается, возникает залегание поршневых колец. Кроме того, из-за недостаточной продувки топливо сгорает не полностью, что сказывается на значении КПД и уровне токсичности.

Итоги

Дизельные двигатели, имеющие два такта, изобретались с одной целью — снизить токсичность отработавших газов, а также увеличить экономичность двигателя, повысить КПД.

Стоит упомянуть о зажигании. Чтобы топливо воспламенилось, необходимо время, поэтому разряд на свече возникает заранее, перед тем, как поршень достигнет ВМТ. Чем быстрее происходит движение поршня, тем раньше должна зажигаться свеча. Существуют специальные устройства, позволяющие менять угол зажигания в зависимости от частоты вращения коленвала.

Источник