Loading article…
2ストロークディーゼルエンジンは、 2ストローク燃焼サイクルで圧縮着火を使用するディーゼルエンジンです。 1899年にヒューゴ・ギュルドナーによって発明されました。[1]
圧縮着火では、まず空気が圧縮され、加熱されます。次に、燃料がシリンダー内に噴射され、シリンダーが自己着火します。これにより、 4 ストロークサイクルの追加の排気および吸気ストロークを必要とせずに、ピストンが上下するたびにパワー ストロークが実現します。
歴史
ルドルフ・ディーゼルによる初の実用ディーゼルエンジン、モーター250/400の設計を手がけた技術者イマヌエル・ラウスターによると、ディーゼルは当初、ディーゼルエンジンに2ストローク原理を採用するつもりはなかったという。 1899年にヒューゴ・ギュルドナーが初の実用2ストロークディーゼルエンジンと思われるものを設計し、MAN、クルップ、ディーゼルにそれぞれ1万ポンドを出資してこのエンジンの製造に資金提供するよう説得した。[2]ギュルドナーのエンジンは175 mmの作業シリンダーと185 mmの掃気シリンダーを持ち、どちらもストロークは210 mmだった。示された出力は12 PS (9 kW; 12 hp) だった。[3] 1900年2月、このエンジンは初めて自力で作動した。しかし、実際の出力はわずか6.95 PS (5 kW; 7 hp)で、燃料消費量は380 g·PS −1 ·h −1 (517 g·kW −1 ·h −1 )と高かったため、成功とはならず、[4]ギュルドナーの2ストロークディーゼルエンジンプロジェクトは1901年に中止されました。[5]
1908年、MANニュルンベルクは船舶用の単動ピストン2ストロークディーゼルエンジンを提供しました。[6] MANニュルンベルクの最初の複動ピストン[明確化]エンジンは1912年に発電所向けに作られました。[7]ハンブルクのブローム+フォスと共同で、MANニュルンベルクは1913/1914年に船舶用の最初の複動ピストン2ストロークエンジンを製造しました。[8]パウル・ヘンリー・シュバイツァーは、対向ピストン2ストロークディーゼルエンジンはもともとヒューゴ・ユンカースによって発明されたと主張しています。[9]第一次世界大戦中、MANニュルンベルクは定格出力12,400 PS (9,120 kW; 12,230 hp)の6気筒複動ピストン2ストロークディーゼルエンジンを製造しました。[6] MANは1919年に2ストロークディーゼルエンジン部門をニュルンベルクからアウクスブルクに移転した。[10]
1939年までに、いくつかの2ストロークディーゼルエンジンが広く使用されるようになり、高出力用途向けに他のエンジンも開発されました。[11]
2ストローク航空機ディーゼルエンジンのコンセプトはいくつかあったが、ユンカース ユモ 205は唯一大量に生産され、合計で約900台が製造された。[12] 1939年に発表されたこのエンジンの設計コンセプトは、1914年に初めて提案された。 [13] [14]この設計は、いくつかの国でライセンス生産された。その後、ガソリン燃料噴射技術が進歩したため、2ストローク航空機エンジンは時代遅れとなった。[15]大型のユモ 204のライセンス版であるネイピア カルヴァリンは生産されなかったが、後のネイピア デルティックは、1バンクあたり3つのシリンダーを備えた再設計された三角形の配置を採用し、戦後も機関車や船舶用途で採用され成功した。[16]
1923年から1982年まで、MANは船舶用2ストロークエンジンに逆流掃気を採用していた。1945年からはラムインダクション効果用のスライドバルブが設置され、1954年からは中間冷却による定常ガス流量過給が採用された。[17]過給は、クランクシャフト駆動のルーツ型過給機、ターボ過給機、エンジンピストンの下側、電動モーター駆動の過給機の4つの過給方法を組み合わせて実現された。 [18]ラムインダクション効果用のスライドバルブは最終的に故障しやすいことが判明し、1960年代初頭の過給率の増加により廃止された。[10] 1980年代初頭、すべての主要な2ストロークディーゼルエンジンメーカーは逆流掃気からユニフロー掃気へ切り替えた。ユニフロー掃気は、より複雑であるにもかかわらず、エンジン効率が高く、したがって燃料消費量が少ないためである。[6]
1930年代にゼネラルモーターズリサーチコーポレーションとGMの子会社であるウィントンエンジンコーポレーションで働いていたチャールズF.ケタリングとその同僚は、当時の4ストロークディーゼルよりもはるかに高いパワーウェイトレシオと出力範囲を備えた路上用2ストロークディーゼルエンジンを設計しました。2ストロークディーゼルエンジンの最初の移動用途は、1930年代半ばのディーゼルストリームライナーでした。継続的な開発作業の結果、1930年代後半には機関車や船舶用途向けに改良された2ストロークディーゼルが誕生しました。この作業は、1940年代と1950年代の米国における鉄道のディーゼル化の基礎を築きました。 [19]
20世紀末にかけて、航空機用ディーゼルエンジンへの関心が再燃し、[20] 2015年現在、 Superior Air Parts Gemini Diesel 100などの2ストロークエンジンが開発中である。
特徴
ディーゼルまたはオイルエンジン
ディーゼルエンジンの特徴は、圧縮着火を利用することです。空気は圧縮されると熱くなります。次に、圧縮された高温の空気に燃料が噴射され、自然発火します。これにより、主に空気からなる希薄混合気で作動できます。高圧縮比と相まって、これはガソリンまたはガソリンオットーエンジンよりも経済的です。また、空気と燃料を供給前に混合するためのキャブレターも、スパークプラグまたは他の点火システムも必要ありません。もう1つの結果は、速度と出力を制御するために、空気の流れを絞るのではなく、各サイクルで噴射される燃料の量のみを変えることです。
2ストロークサイクル
2 ストローク サイクルでは、内燃機関の 4 つの動作段階 (吸気、圧縮、点火、排気) がクランク シャフトの 360 度 1 回転で発生しますが、4 ストローク エンジンでは 2 回転で発生します。その結果、2 ストローク サイクルでは、エンジンの動作の大部分で各段階が重複します。これにより、熱力学および空気力学のプロセスがより複雑になります。4 ストローク シリンダーは 1 回転おきに点火するため、2 ストローク サイクルの出力は理論上 2 倍になります。ただし、掃気損失があるため、この利点を実際に実現するのは困難です。
- ピストンが下死点(BDC)付近にあるときに、吸気が始まります。空気はシリンダー壁のポートからシリンダーに取り込まれます(吸気バルブはありません)。すべての 2 ストローク ディーゼル エンジンは、作動するために人工吸引を必要とし、機械駆動のブロワーまたはターボ コンプレッサーを使用してシリンダーに空気を充填します。吸気の初期段階では、空気充填は、前のパワー ストロークから残っている燃焼ガスを強制的に排出するためにも使用されます。このプロセスは掃気と呼ばれます。
- ピストンが上昇すると、吸入空気が圧縮されます。上死点付近で燃料が噴射され、圧縮によって生じた非常に高い圧力と熱によって燃焼が起こり、ピストンが下方に押し下げられます。ピストンがシリンダー内で下方に移動すると、排気ポートが開いて高圧燃焼ガスが排出される地点に到達します。ただし、現在のほとんどの 2 ストローク ディーゼル エンジンでは、上部に取り付けられたポペット バルブとユニフロー掃気が使用されます。ピストンが下方に動き続けると、シリンダー壁の空気吸入ポートが露出し、サイクルが再び開始されます。
2ストロークディーゼル
EMDおよびGM (つまりデトロイト ディーゼル)のほとんどの2 ストローク エンジンでは、調整可能なパラメータはごくわずかで、残りのパラメータはすべてエンジンの機械設計によって固定されています。掃気ポートは、BDC の 45 度前から BDC の 45 度後まで開いています。ただし、一部のメーカーは、クランクシャフトをオフセットして掃気ポートのタイミングを非対称にしています。残りの調整可能なパラメータは、排気バルブと噴射タイミングに関係しています (これらの 2 つのパラメータは、必ずしも TDC または BDC を中心に対称ではありません)。これらは、燃焼ガスの排気を最大化し、給気量を最大化するように設定されます。1 本のカムシャフトがポペット型排気バルブとユニット インジェクターを操作します。ユニット インジェクターは、3 つのローブを使用します。2 つのローブは排気バルブ用 (最小のエンジンでは 2 つのバルブ、最大のエンジンでは 4 つのバルブ、および 3 つ目のローブはユニット インジェクター用) です。
EMD 2ストロークエンジン（567、645、710 ）に特有 の事項：
- パワーストロークはTDC（[0°]; 燃料の噴射はTDCより4° [356°]先行するため、燃料の噴射はTDCまたはその直後に完了します。[要出典]燃料は噴射されるとすぐに点火します）で始まります。パワーストローク後、排気バルブが開き、燃焼ガスの圧力と温度が大幅に低下し、シリンダーが掃気の準備を整えます。パワーストロークの持続時間は103°です。
- 掃気は32°遅れてBDC-45°[135°]で始まり、BDC+45°[225°]で終了し、掃気持続時間は90°です。掃気ポートを開く際の32°の遅延（パワーストロークの長さを制限）と、掃気ポートが閉じた後の16°の遅延（これにより圧縮ストロークが開始される）により、掃気効果が最大化され、エンジン出力が最大化されるとともに、エンジンの燃料消費が最小化されます。
- 掃気の終わりに近づくと、燃焼生成物はすべてシリンダーから排出され、「チャージエア」のみが残ります (掃気は、周囲温度よりわずかに高い温度でチャージエアを導入するルーツブロワー、または始動時にはブロワーとして、通常の動作状態ではターボチャージャーとして機能し、周囲温度より大幅に高い温度でチャージエアを導入する EMD 独自のターボコンプレッサーによって実行できます。[i]このターボチャージャーにより、同じ排気量のルーツブロウエンジンよりも最大定格出力が 50 パーセント増加します)。
- 圧縮行程は16°後のBDC+61°[241°]で始まり、圧縮行程の持続時間は119°になります。
- EFI を装備したエンジンでは、電子制御ユニット インジェクターは依然として機械的に作動します。プランジャー型インジェクター ポンプに供給される燃料の量は、従来のユニット インジェクターの場合のような従来のWoodward PGE ガバナーまたは同等のエンジン ガバナーではなく、エンジン コントロール ユニット (機関車では機関車コントロール ユニット) によって制御されます。
GM 2 ストローク ( 6-71 ) および関連するオンロード/オフロード/マリン 2 ストローク エンジンに特有の事項:
- 同じ基本的な考慮事項が採用されています (GM/EMD 567 エンジンと GM/Detroit Diesel 6-71 エンジンは、同じエンジニア チームとエンジニアリング マネージャーによって同時に設計および開発されました)。
- EMD および Detroit Diesel の 2 ストローク エンジンはすべて強制吸気を採用していますが、一部の EMD エンジンのみがターボ コンプレッサー システムを採用しています。一部の Detroit Diesel エンジンは、従来のターボチャージャー (場合によってはインタークーラー付き) を採用し、その後に通常のルーツ ブロワーが続きます。これは、ターボ コンプレッサー システムは、コストに敏感で競争の激しい特定の用途にはコストがかかりすぎるためです。
燃料
ディーゼルエンジンで使用される燃料は、火花点火エンジンで使用されるガソリンよりも重い炭化水素油で構成されている可能性があり、揮発性が低く、引火点が高く、エネルギー密度が高くなります。[21]そのため、取り扱いが容易で安全であり、一定のエネルギー量に対して占める体積が少なくなります。2ストロークディーゼルは通常、標準的なディーゼル燃料よりもさらに重いグレードの燃料油を燃焼します。
外洋船舶用の2ストロークディーゼルエンジンでは、最も一般的な燃料は残留油です。[22]ギュンター・マウは、そのような燃料には統一された基準が存在しないと主張しており、そのため、マリン中間燃料、重質燃料油、マリンバンカー燃料、バンカーC燃料など、いくつかの異なる俗称があります。[23]重質燃料油は、ユモ205 2ストロークディーゼル航空機エンジンにも使用されていました。[15] [24] 1960年代には、残留油は「製油所の廃棄物に基づいて調合されました」。[25]残留油は、粘度が高くセタン価が低いため品質が非常に低いですが、安価で経済的です。[26]
メーカー
- 航空機推進用のDeltaHawk DHK180エンジンは、ジェットAおよびジェットA-1、JP5、JP8、ディーゼル（D1およびD2）、JP-8-100、およびF-24燃料を燃焼します。
- Burmeister & Wain（ 1980年からMAN Dieselの一部）、1930年以降船舶推進用の複動ディーゼルエンジン。ライセンスを受けて造船会社でも製造。
- デトロイトディーゼル、オンロードおよびオフロードトラック、オンロードバス、定置型アプリケーション用のユニフロー[27]エンジン
- Doxford対向ピストン低速船舶用ディーゼル エンジン。
- エレクトロ・モーティブ・ディーゼル、船舶、鉄道、定置用途向けユニフローディーゼルエンジン
- フェアバンクス・モース、船舶および定置用途向け対向ピストンディーゼル エンジン。ユンカース Jumo 205航空エンジンの拡大版無許可コピー。
- Foden FD シリーズの商用車、船舶、産業用動力用ディーゼル エンジン。
- ユンカース、1892年の特許、固定式、船舶用、自動車用（シングルクランクシャフト）エンジン用の反対ピストン設計、後にデュアルクランクシャフトレイアウト（ユンカース ユモ 205）で航空機に使用。
- グレイマリン、6-71ユニフロー ディーゼル エンジン。
- MAN Diesel & Turbo、船舶推進用クロスヘッドディーゼルエンジン
- 三菱重工業、船舶推進用クロスヘッドディーゼルエンジン
- Napier & Son、Napier Deltic、Napier Culverin対向ピストン バルブレス、スーパーチャージャー付きユニフロー掃気 2 ストローク ディーゼル エンジン。ライセンスを受けたJunkers Jumo 205派生型からスタート。
- ルーツグループ、トラック用コマーTS3エンジン
- バルチラ、船舶推進用クロスヘッドディーゼルエンジン
- Waukesha Engine、INNIO Waukesha Gas Engines が製造する大型固定式レシプロエンジン
注記
- ^ 自然吸気エンジン（ルーツブロー2ストロークエンジンを含む）の馬力は、通常、海抜1,000フィート（300メートル）ごとに2.5％低下する。これは、米国西部やカナダの鉄道会社が運行する標高10,000フィート（3,000メートル）以上の地域では大きなペナルティであり、25％のパワーロスにつながる可能性がある。ターボチャージャーは、この低下を効果的に排除する。
参考文献
引用
- ^ マウ（1984）p.7
- ^ サス（1962年）、502ページ
- ^ サス（1962年）、503ページ
- ^ サス（1962年）、504ページ
- ^ サス（1962年）、505ページ
- ^ abc マウ (1984) p. 16
- ^ マウ（1984）9ページ
- ^ マウ（1984）p.10
- ^ ポール・ヘンリー・シュバイツァー：2ストロークサイクルディーゼルエンジンの清掃、マクミラン、ニューヨーク、1949年、8ページ
- ^ マウ（1984）17ページ
- ^ Heldt, PM (1939)、「ヨーロッパにおける高速ディーゼルエンジンの最近の開発」、SAE Transactions、第34巻、1939年2月、77-84ページ。[1]
- ^ クラウス モーレンハウアー、ヘルムート チョーケ (編): ディーゼル エンジンのハンドブック、シュプリンガー、ハイデルベルク、2010 年、ISBN 978-3-540-89082-9、p. 300
- ^ Richard van Basshuysen (編): Ottomotor mit Direkteinspritzung und Direkteinblasung: Ottokraftstoffe · Erdgas · Methan · Wasserstoff.第 4 版、シュプリンガー、ヴィースバーデン、2017 年、ISBN 978-3-658-12215-7。 p. 6
- ^ Karl A. Zinner: Aufladung von Verbrennungsmotoren – Grundlagen · Berechnunge · Ausführungen、Springer、ベルリン/ハイデルベルク、1985 年、ISBN 978-3-540-15902-5、p. 17
- ^ ab Konrad Reif: Dieselmotor Management – Systeme, Komponenten, Steuerung und Regelung (ディーゼル エンジン管理 – システム、コンポーネント、制御および規制)、第 5 版、Springer、ヴィースバーデン、2012 年、ISBN 978-3-8348-1715-0、p. 102
- ^ Wilson, CH および Reader, WJ (1958)。人間と機械: D Napier & Son 1808-1958。Weidenfeld & Nicolson。ロンドン。
- ^ マウ（1984）151ページ
- ^ マウ（1984）23ページ
- ^ スローン、アルフレッド P. (1964)、マクドナルド、ジョン (編)、My Years with General Motors、ガーデンシティ、ニューヨーク、米国: ダブルデイ、LCCN 64011306、OCLC 802024。 1990年にピーター・ドラッカーによる新しい序文をつけて再出版（ISBN 978-0385042352） 。pp.341-353
- ^ McLanahan, J. Craig. 「ディーゼル航空機エンジン：1930年代から遅れた約束」SAE Transactions、vol. 108、1999年、pp. 1103–1112。
- ^ 燃料特性の比較、代替燃料データセンター。（2021年7月26日閲覧）。
- ^ マウ（1984）311ページ
- ^ マウ（1984）309ページ
- ^ ビル・ガンストン (1995)。『クラシック第二次世界大戦航空機カットアウェイ』第2版、バウンティ・ブックス、ロンドン、2011年、pp.46-47。
- ^ ヴァージル・B・ガスリー（編）：石油製品ハンドブック、マグロウヒル、ニューヨーク/トロント/ロンドン、1960年、セクション6-25
- ^ Virgil B. Guthrie（編）：石油製品ハンドブック、McGraw-Hill、ニューヨーク/トロント/ロンドン、1960年、セクション6～26。
- ^ MTU Inc、Detroit Diesel 2サイクルエンジン、2018年1月1日時点のオリジナルよりアーカイブ、 2017年12月30日閲覧。
文献
- Mau, Günter (1984)、Handbuch Dieselmotoren im Kraftwerks- und Schiffsbetrieb、Springer-Vieweg、ブラウンシュヴァイク/ヴィースバーデン、1984 年、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。
さらに読む
- Walshaw, TD (1953)、「ディーゼルエンジン設計（第2版）」、ロンドン、イギリス：George Newnes Ltd、LCCN 54029678。