محرك ديزل ثنائي الأشواط

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
محرك ديزل شعاعي ثنائي الأشواط من نوع نوردبيرج، كان يُستخدم سابقًا في محطة ضخ في بحيرة أوكيشوبي

محرك الديزل ثنائي الأشواط هو محرك ديزل يستخدم الاشتعال بالضغط في دورة احتراق ثنائية الأشواط . وقد اخترعه هوغو غولدنر عام 1899. [ 1 ]

في الاشتعال بالضغط، يُضغط الهواء أولاً ويُسخن؛ ثم يُحقن الوقود في الأسطوانة، مما يؤدي إلى اشتعاله ذاتياً . ينتج عن ذلك شوط قدرة في كل مرة يرتفع فيها المكبس وينخفض، دون الحاجة إلى شوطي العادم والسحب الإضافيين لدورة الأشواط الأربعة .

تاريخ

بحسب المهندس إيمانويل لاوستر ، الذي وضع تصميم رودولف ديزل لأحد أوائل محركات الديزل العاملة ، وهو المحرك 250/400 ، لم يكن ديزل ينوي في الأصل استخدام مبدأ الشوطين في محرك الديزل. صمّم هوغو غولدنر ما يُعتقد أنه أول محرك ديزل عامل يعمل بنظام الشوطين عام 1899، وأقنع شركات مان وكوروب وديزل بتمويل بناء هذا المحرك بمبلغ 10,000 جنيه إسترليني لكل منها. [ 2 ] كان لمحرك غولدنر أسطوانة عمل بقطر 175 مم ، وأسطوانة تنظيف بقطر 185 مم؛ وكان شوط كل منهما 210 مم. وبلغت القدرة الناتجة 12 حصانًا (9 كيلوواط ) . [ 3 ] في فبراير 1900، عمل هذا المحرك بقوته الذاتية لأول مرة. ومع ذلك، وبقدرة إنتاجية فعلية تبلغ 6.95 حصانًا (5 كيلوواط؛ 7 حصان) واستهلاك وقود مرتفع يبلغ 380 غرامًا لكل حصان في الساعة ( 517 غرامًا لكل كيلوواط في الساعة ) ، لم يثبت نجاحه؛ [ 4 ] تم التخلي عن مشروع محرك الديزل ثنائي الأشواط الخاص بجولدنر في عام 1901. [ 5 ]           

في عام 1908، قدمت شركة مان نورنبيرغ محركات ديزل ثنائية الأشواط ذات مكبس أحادي الفعل للاستخدام البحري، [ 6 ] وصُنعت أول محرك مكبس مزدوج الفعل من مان نورنبيرغ في عام 1912 لمحطة توليد طاقة كهربائية. [ 7 ] وبالتعاون مع شركة بلوهم + فوس في هامبورغ ، صنعت مان نورنبيرغ أول محرك مكبس مزدوج الفعل ثنائي الأشواط للاستخدام البحري في عامي 1913/1914. [ 8 ] ويرى بول هنري شفايتزر أن محرك الديزل ثنائي الأشواط ذو المكبسين المتقابلين هو من اخترعه في الأصل هوغو يونكرز . [ 9 ] وخلال الحرب العالمية الأولى، صنعت مان نورنبيرغ محرك ديزل سداسي الأسطوانات، مزدوج الفعل، ثنائي الأشواط، بقدرة اسمية تبلغ 12400 حصان (9120 كيلوواط؛ 12230 حصانًا بخاريًا) . [ 6 ] نقلت شركة MAN قسم محركات الديزل ثنائية الأشواط من نورنبرغ إلى أوغسبورغ في عام 1919. [ 10 ]   

بحلول عام 1939، كانت عدة أنواع من محركات الديزل ثنائية الأشواط شائعة الاستخدام، وكان يجري تطوير أنواع أخرى لتطبيقات الطاقة العالية. [ 11 ]

من بين العديد من مفاهيم محركات الديزل ثنائية الأشواط للطائرات، كان محرك يونكرز جومو 205 هو النوع الوحيد الذي تم إنتاجه بكميات كبيرة، حيث بلغ إجمالي إنتاجه حوالي 900 وحدة. [ 12 ] وقد طُرح تصميم هذا المحرك لأول مرة عام 1914، وتم تقديمه عام 1939. [ 13 ] [ 14 ] وتم تصنيعه بموجب ترخيص في عدة دول. إلا أن التطورات اللاحقة في تقنية حقن وقود البنزين جعلت محرك الطائرات ثنائي الأشواط قديمًا. [ 15 ] وعلى الرغم من أن محرك نابيير كولفرين ، وهو نسخة مرخصة من محرك جومو 204 الأكبر حجمًا ، لم يُطرح للإنتاج، إلا أن محرك نابيير ديلتيك اللاحق تضمن تصميمًا مثلثيًا مُعاد تصميمه بثلاث أسطوانات لكل صف، وقد تم اعتماده بنجاح في تطبيقات القاطرات والسفن، حتى بعد الحرب العالمية الثانية. [ 16 ]

منذ عام 1923 وحتى عام 1982، استخدمت شركة مان نظام كنس الغازات بالتدفق العكسي لمحركاتها البحرية ثنائية الأشواط. ومنذ عام 1945، تم تركيب صمام منزلق لتأثير السحب بالضغط، ومنذ عام 1954، تم استخدام الشحن الفائق بتدفق غاز ثابت مع التبريد البيني. [ 17 ] وقد تم تحقيق الشحن الفائق من خلال الجمع بين أربع طرق: شاحن فائق من نوع روتس يعمل بواسطة عمود المرفق، وشاحن توربيني، والجانب السفلي لمكابس المحرك، وشاحن فائق يعمل بمحرك كهربائي. [ 18 ] إلا أن الصمام المنزلق لتأثير السحب بالضغط أثبت في النهاية أنه عرضة للتلف، وأصبح غير مستخدم مع ازدياد معدلات الشحن الفائق في أوائل الستينيات. [ 10 ] في أوائل ثمانينيات القرن العشرين، تحولت جميع الشركات المصنعة الرئيسية لمحركات الديزل ثنائية الأشواط من نظام التنظيف العكسي إلى نظام التنظيف أحادي التدفق، لأن الأخير، على الرغم من كونه أكثر تعقيدًا، يسمح بكفاءة أعلى للمحرك وبالتالي استهلاك أقل للوقود. [ 6 ]

قام تشارلز إف. كيتيرينج وزملاؤه، العاملون في شركة جنرال موتورز للأبحاث وشركة وينتون إنجن التابعة لها خلال ثلاثينيات القرن العشرين، بتصميم محركات ديزل ثنائية الأشواط للاستخدام على الطرق، تتميز بنسب قدرة إلى وزن أعلى بكثير ونطاق خرج أوسع من محركات الديزل رباعية الأشواط المعاصرة . وكان أول استخدام متنقل لمحرك الديزل ثنائي الأشواط في قطارات الديزل الانسيابية في منتصف ثلاثينيات القرن العشرين. وأسفرت أعمال التطوير المستمرة عن محركات ديزل ثنائية الأشواط محسّنة لتطبيقات القاطرات والسفن في أواخر ثلاثينيات القرن العشرين. وقد أرست هذه الأعمال الأساس لتحويل خطوط السكك الحديدية إلى محركات ديزل في أربعينيات وخمسينيات القرن العشرين في الولايات المتحدة. [ 19 ]

مع اقتراب نهاية القرن العشرين، انتعش الاهتمام بمحركات الديزل للطائرات ، [ 20 ] مع وجود أمثلة ثنائية الأشواط مثل محرك Superior Air Parts Gemini Diesel 100 قيد التطوير اعتبارًا من عام 2015.

صفات

محركات الديزل أو محركات النفط

السمة المميزة لمحرك الديزل هي اعتماده على الاشتعال بالضغط . فعند ضغط الهواء، يسخن، ثم يُحقن الوقود فيه، فيشتعل تلقائيًا. وهذا ما يسمح له بالعمل بخليط وقود فقير يتكون أساسًا من الهواء. وبالإضافة إلى نسبة الانضغاط العالية، يجعل هذا المحرك أكثر اقتصادية من محرك البنزين أو محرك أوتو . كما أنه لا يحتاج إلى مكربن ​​لخلط الهواء والوقود قبل الضخ، ولا إلى شمعة احتراق أو أي نظام إشعال آخر. ومن النتائج الأخرى، أنه للتحكم في السرعة وقوة المحرك، لا يتم التحكم في تدفق الهواء، بل يتم تغيير كمية الوقود المحقونة في كل دورة فقط.

دورة ثنائية الأشواط

نموذج مقطعي لمحرك ديزل بحري ثنائي الأشواط من طراز MAN B&W مع قضيب المكبس المتصل برأس متقاطع

في دورة الشوطين، تحدث المراحل الأربع لتشغيل محرك الاحتراق الداخلي (السحب، والضغط، والاشتعال، والعادم) خلال دورة كاملة (360 درجة) لعمود المرفق، بينما في محرك الأشواط الأربعة، تستغرق هذه المراحل دورتين كاملتين. ونتيجةً لذلك، تتداخل المراحل في دورة الشوطين خلال معظم فترة تشغيل المحرك، مما يجعل عملياته الديناميكية الحرارية والهوائية أكثر تعقيدًا. ولأن أسطوانة محرك الأشواط الأربعة تُشعل الشرارة مرة واحدة كل دورتين، فإن القدرة الناتجة عن دورة الشوطين نظريًا تبلغ ضعف قدرة دورة الشوطين. إلا أن خسائر الاحتراق تجعل تحقيق هذه الميزة عمليًا أمرًا صعبًا.

  • يبدأ سحب الهواء عندما يكون المكبس قريبًا من النقطة الميتة السفلى . يدخل الهواء إلى الأسطوانة عبر منافذ في جدارها (لا توجد صمامات سحب ). تتطلب جميع محركات الديزل ثنائية الأشواط سحبًا اصطناعيًا للتشغيل، وتستخدم إما منفاخًا ميكانيكيًا أو ضاغطًا توربينيًا لشحن الأسطوانة بالهواء. في المرحلة الأولى من السحب، يُستخدم شحن الهواء أيضًا لطرد أي غازات احتراق متبقية من شوط القدرة السابق، وهي عملية تُعرف باسم الكنس .
  • مع ارتفاع المكبس، ينضغط الهواء الداخل إلى الأسطوانة. وقرب نقطة المركز الميت العلوي، يُحقن الوقود، مما يؤدي إلى الاحتراق نتيجة الضغط العالي للغاية والحرارة الناتجة عن الانضغاط، والتي تدفع المكبس إلى الأسفل. ومع تحرك المكبس لأسفل داخل الأسطوانة، يصل إلى نقطة يُفتح عندها منفذ العادم لطرد غازات الاحتراق عالية الضغط. إلا أن معظم محركات الديزل ثنائية الأشواط الحديثة تستخدم صمامات علوية ونظام كنس أحادي التدفق . ومع استمرار حركة المكبس لأسفل، تنكشف منافذ سحب الهواء في جدار الأسطوانة، لتبدأ الدورة من جديد.

محركات الديزل ثنائية الأشواط

في معظم محركات EMD و GM (مثل ديترويت ديزل ) ثنائية الأشواط، لا يمكن تعديل سوى عدد قليل جدًا من المعايير، بينما تُحدد جميع المعايير المتبقية بالتصميم الميكانيكي للمحركات. تُفتح منافذ التكسير من 45 درجة قبل النقطة الميتة السفلى (BDC) إلى 45 درجة بعدها. مع ذلك، يقوم بعض المصنّعين بجعل توقيت منافذ التكسير غير متماثل عن طريق إزاحة عمود المرفق. أما المعايير المتبقية القابلة للتعديل فتتعلق بتوقيت صمام العادم وحقن الوقود (هذان المعياران ليسا بالضرورة متماثلين حول النقطة الميتة العليا (TDC) أو النقطة الميتة السفلى (BDC))، ويتم ضبطهما لزيادة عادم غازات الاحتراق وزيادة مدخل هواء الشحن. يقوم عمود كامات واحد بتشغيل صمامات العادم من نوع الصمام ذي الصمام المخروطية وحاقن الوقود، باستخدام ثلاثة فصوص: فصان لصمامات العادم (صمامان في أصغر المحركات أو أربعة صمامات في أكبرها)، وفص ثالث لحاقن الوقود.

خاص بمحركات EMD ثنائية الأشواط ( 567 و 645 و 710 ):

  • تبدأ شوط القدرة عند النقطة الميتة العليا ([0°]؛ يتقدم حقن الوقود على النقطة الميتة العليا بمقدار 4° [356°]، بحيث يكتمل حقن الوقود عند النقطة الميتة العليا أو بعدها بفترة وجيزة جدًا؛ يشتعل الوقود بالسرعة التي يتم حقنه بها)، وبعد شوط القدرة يتم فتح صمامات العادم، مما يقلل بشكل كبير من ضغط غاز الاحتراق ودرجة حرارته، ويجهز الأسطوانة لعملية التنظيف، لمدة شوط قدرة تبلغ 103°.
  • يبدأ التنظيف بعد 32 درجة، عند النقطة الميتة السفلى -45 درجة [135 درجة]، وينتهي عند النقطة الميتة السفلى +45 درجة [225 درجة]، لمدة تنظيف تبلغ 90 درجة؛ إن التأخير بمقدار 32 درجة في فتح منافذ التنظيف (مما يحد من طول شوط القدرة)، والتأخير بمقدار 16 درجة بعد إغلاق منافذ التنظيف (وبالتالي بدء شوط الضغط)، يزيد من فعالية التنظيف، وبالتالي يزيد من إنتاج طاقة المحرك، مع تقليل استهلاك وقود المحرك.
  • مع اقتراب نهاية عملية التنظيف، يتم إخراج جميع نواتج الاحتراق من الأسطوانة، ولا يتبقى سوى "هواء الشحن" (يمكن إنجاز عملية التنظيف بواسطة منفاخات روتس، لحث هواء الشحن عند درجة حرارة أعلى بقليل من درجة الحرارة المحيطة، أو ضاغط التوربو الخاص بشركة EMD، والذي يعمل كمنفاخ أثناء بدء التشغيل وكشاحن توربيني في ظل ظروف التشغيل العادية، ولحث هواء الشحن عند درجة حرارة أعلى بكثير من درجة الحرارة المحيطة، [ i ] والذي يوفر الشحن التوربيني زيادة قصوى في الطاقة المقدرة بنسبة 50% مقارنة بمحركات روتس ذات نفس الإزاحة).
  • تبدأ شوط الضغط بعد 16 درجة، عند النقطة الميتة السفلى + 61 درجة [241 درجة]، لمدة شوط ضغط تبلغ 119 درجة.
  • في المحركات المجهزة بنظام حقن الوقود الإلكتروني ، لا يزال يتم تشغيل حاقن الوحدة الذي يتم التحكم فيه إلكترونيًا ميكانيكيًا؛ وتخضع كمية الوقود التي يتم تغذيتها إلى مضخة الحقن من نوع المكبس لسيطرة وحدة التحكم في المحرك (في القاطرات، وحدة التحكم في القاطرة)، بدلاً من منظم وودوارد PGE التقليدي، أو منظم المحرك المكافئ، كما هو الحال مع حاقنات الوحدة التقليدية.

خاص بمحركات جنرال موتورز ثنائية الأشواط ( 6-71 ) والمحركات ثنائية الأشواط ذات الصلة المستخدمة على الطرق المعبدة/الوعرة/البحرية:

  • يتم استخدام نفس الاعتبارات الأساسية (تم تصميم وتطوير محركي GM/EMD 567 و GM/Detroit Diesel 6-71 في نفس الوقت، ومن قبل نفس فريق المهندسين ومديري الهندسة).
  • بينما تستخدم جميع محركات EMD و Detroit Diesel ثنائية الأشواط نظام الشحن التوربيني، فإن بعض محركات EMD فقط تستخدم نظام الضاغط التوربيني. وتستخدم بعض محركات Detroit Diesel شاحنًا توربينيًا تقليديًا، وفي بعض الحالات مع نظام تبريد داخلي، متبوعًا بشاحن Roots المعتاد، لأن نظام الضاغط التوربيني سيكون مكلفًا للغاية بالنسبة لبعض التطبيقات الحساسة جدًا للتكلفة والتي تتسم بتنافسية عالية.

الوقود

يمكن أن تتكون أنواع الوقود المستخدمة في محركات الديزل من زيوت هيدروكربونية أثقل من تلك المستخدمة في البنزين أو الجازولين في محركات الاحتراق الداخلي، مما يجعلها أقل تطايرًا وذات نقطة اشتعال أعلى، وبالتالي تتمتع بكثافة طاقة أعلى . [ 21 ] ولذلك، فهي أسهل وأكثر أمانًا في التعامل، وتشغل حجمًا أقل لكمية معينة من الطاقة. وعادةً ما تحرق محركات الديزل ثنائية الأشواط أنواعًا أثقل من زيت الوقود مقارنةً بوقود الديزل القياسي .

في محركات الديزل البحرية ثنائية الأشواط للسفن، تُعد زيوت الوقود المُستعملة من أكثر أنواع الوقود شيوعًا . [ 22 ] يرى غونتر ماو أنه لا توجد معايير موحدة لهذا النوع من الوقود، ولهذا السبب يُطلق عليه عدة أسماء شائعة، منها الوقود الوسيط البحري ، وزيت الوقود الثقيل ، ووقود السفن ، ووقود السفن من الفئة C. [ 23 ] كما استُخدمت زيوت الوقود الثقيلة في محرك الطائرات Jumo 205 ثنائي الأشواط الذي يعمل بالديزل. [ 15 ] [ 24 ] في ستينيات القرن الماضي، كانت زيوت الوقود المُستعملة تُصنع من مخلفات المصافي. [ 25 ] تتميز هذه الزيوت بجودتها المنخفضة جدًا ولزوجتها العالية ورقم السيتان المنخفض ، ولكنها رخيصة الثمن، وبالتالي فهي اقتصادية الاستخدام. [ 26 ]

المصنعين

محرك ديزل برونز ثنائي الأشواط V8 يقوم بتشغيل مولد هيماف

ملحوظات

  1. ↑ عادةً ما يتم تخفيض قدرة المحركات ذات السحب الطبيعي (بما في ذلك محركات ثنائية الأشواط المزودة بشاحن توربيني) بنسبة 2.5% لكل 300 متر فوق مستوى سطح البحر، وهو ما يمثل خسارة كبيرة عند الارتفاعات التي تبلغ 3000 متر أو أكثر، والتي تعمل عليها العديد من خطوط السكك الحديدية في غرب الولايات المتحدة وكندا، وقد تصل هذه الخسارة إلى 25% من القدرة. يُزيل الشحن التوربيني هذا التخفيض في القدرة بشكل فعال.

مراجع

الاقتباسات

  1. ↑ ماو (1984) ص 7
  2. ↑ ساس (1962)، ص 502
  3. ↑ ساس (1962)، ص 503
  4. ↑ ساس (1962)، ص 504
  5. ↑ ساس (1962)، ص 505
  6. 1 2 3 ماو (1984) ص. 16
  7. ↑ ماو (1984) ص. 9
  8. ↑ ماو (1984) ص 10
  9. ↑ بول هنري شفايتزر: تنظيف محركات الديزل ثنائية الأشواط، ماكميلان، نيويورك 1949، ص 8
  10. 1 2 ماو (1984) ص. 17
  11. ↑ هيلدت، بي إم (1939)، "التطورات الأوروبية الحديثة في محركات الديزل عالية السرعة"، معاملات جمعية مهندسي السيارات ، المجلد 34، فبراير 1939، ص 77-84.
  12. ^ كلاوس مولينهاور، هيلموت تشوكي (محرر): دليل محركات الديزل، سبرينغر، هايدلبرغ 2010، ISBN 978-3-540-89082-9، ص. 300
  13. ↑ ريتشارد فان باشويسن (محرر): Ottomotor mit Direkteinspritzung und Direkteinblasung: Ottokraftstoffe · Erdgas · Methan · Wasserstoff. الطبعة الرابعة، سبرينغر، فيسبادن 2017، ISBN 978-3-658-12215-7. ص. 6
  14. ^ كارل أ. زينر: Aufladung von Verbrennungsmotoren – Grundlagen · Berechnungen · Ausführungen، Springer، Berlin/Heidelberg 1985، ISBN 978-3-540-15902-5، ص. 17
  15. 1 2 كونراد ريف: إدارة محرك الديزل – Systeme, Komponenten, Steuerung und Regelung (إدارة محرك الديزل – الأنظمة والمكونات والتحكم والتنظيم)، الطبعة الخامسة، Springer، Wiesbaden 2012، ISBN 978-3-8348-1715-0، ص. 102
  16. ↑ ويلسون، سي إتش وريدر، دبليو جيه (1958). الرجال والآلات: دي نابير وأبناؤه 1808-1958 . وايدنفيلد ونيكلسون. لندن.
  17. ↑ ماو (1984) ص 151
  18. ↑ ماو (1984) ص 23
  19. ↑ سلون، ألفريد ب. (1964)، ماكدونالد، جون (محرر)، سنواتي مع جنرال موتورز ، جاردن سيتي، نيويورك، الولايات المتحدة: دابلداي، LCCN 64011306 ، OCLC 802024 .  أُعيد نشرها عام 1990 مع مقدمة جديدة بقلم بيتر دراكر ( ISBN) 978-0385042352الصفحات 341-353
  20. ↑ ماكلاناهان، ج. كريج. "محركات الطائرات التي تعمل بالديزل: وعد متأخر من ثلاثينيات القرن العشرين." معاملات SAE، المجلد 108، 1999، الصفحات 1103-1112.
  21. ↑ مقارنة خصائص الوقود ، مركز بيانات الوقود البديل. (تم الاطلاع عليه في 26 يوليو 2021).
  22. ↑ ماو (1984) ص 311
  23. ↑ ماو (1984) ص 309
  24. ↑ بيل غانستون (1995). رسومات مقطعية كلاسيكية لطائرات الحرب العالمية الثانية . الطبعة الثانية، باونتي بوكس، لندن، 2011. الصفحات 46-47.
  25. ↑ فيرجيل ب. غوثري (محرر) : دليل منتجات البترول ، ماكجرو هيل، نيويورك/تورنتو/لندن 1960، القسم 6-25
  26. ↑ فيرجيل ب. جوثري (محرر) : كتيب منتجات البترول ، ماكجرو هيل، نيويورك/تورنتو/لندن 1960، القسم 6-26.
  27. ↑ شركة MTU، محركات ديترويت ديزل ثنائية الأشواط ، مؤرشفة من الأصل في 2018-01-01 ، تم استرجاعها في 2017-12-30 .

فهرس

  • ماو، غونتر (1984)، Handbuch Dieselmotoren im Kraftwerks- und Schiffsbetrieb ، Springer-Vieweg، Braunschweig / Wiesbaden 1984، ISBN 978-3-528-14889-8.
  • ساس ، فريدريش (1962)، Geschichte des deutschen Verbrennungsmotorenbaus von 1860 bis 1918 ، Springer، Berlin / Heidelberg 1962، ISBN 978-3-662-11843-6.

للمزيد من القراءة