題:
為什麼在航空中聞所未聞的二衝程發動機?
Sean
2019-09-15 05:18:59 UTC
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幾乎所有的飛機活塞發動機都是四衝程發動機,每個活塞每曲軸旋轉一圈便會產生一個動力衝程,而且還有很多複雜的運動部件,這些部件實在令人難以忍受。相比之下,二衝程發動機具有許多功能,似乎使其成為航空用途的絕佳選擇:

  • 每個活塞每個活塞具有一個動力衝程曲軸轉數是四衝程發動機的兩倍,並且運動部件也少得多,因此它們比相同活塞尺寸和數量的四衝程發動機更小,更輕;這兩個因素加起來使它們具有驚人的高功率重量比,比同類四衝程發動機要好得多。
  • 相同的機械簡單性也使其具有很高的功率重量比。重量比也使它們的製造和銷售便宜,並且(在所有其他方面都相等)比四衝程更可靠。
  • 大多數二衝程發動機都是通過將潤滑劑混合到燃料中而不是使用傳統的方法來潤滑的。油底殼;

二衝程的唯一缺點是油耗和排放量增加,但是:

  • 好的設計可以將這個問題減少到很小的比例;
  • 更高的燃油成本很容易被更可靠的發動機 1 sup>降低的維護成本和能力所抵消(由於引擎的功率更大),而每架飛機使用更少的引擎;並且
  • 在涉及活塞發動機的飛機排放時,存在更糟糕的擔憂

儘管有這些優勢,據我所知,只有一台兩衝程飛機發動機進入量產(極不尋常的 Junkers Jumo 204 / 205/207系列),而在靜態射擊測試中取消了第二個( Rolls-RoyceCrécy)。

為什麼二衝程基本上不存在作為飛機發動機?


1 sup>:尤其是考慮到維護成本通常(儘管並不總是) 比起初的燃料成本更大的支出(滾動到第20頁);鏈接文件正在討論噴氣客機,但是對於活塞發動機飛機而言,維護成本的優勢將更為明顯,因為活塞發動機比活塞發動機效率更高可靠性大大降低渦輪發動機(後者主要是由於其巨大的機械複雜性)。

您能否介紹一些“使它們……(在其他所有方面都相等)比四衝程更可靠”的資料。,因為我對它的印像是相反的。
實際上,已經有/已經大量生產了2衝程飛機發動機。 Rotax:https://en.wikipedia.org/wiki/Rotax#Aircraft_engines
大多數模型活塞發動機都是二衝程的,而最高效的活塞發動機又是二衝程的,但是對於飛機使用來說太重了。
不要忘了Wankel發電廠:[Aircraft Wankel Power Rotary Engines](飛機Wankel Power旋轉發動機)。他們有望取代水平對置的四衝程發動機。 Wankels可以強大,特別是當體重不重要時。我曾經看到Wankel在汽車上剪切驅動軸。
大多數動力滑翔機(帶有可伸縮發動機,非TMG)都使用二衝程發動機,特別是由於您列出了這些優點。請注意,這裡的發動機主要是為全功率起飛或爬升而設計的,很少會持續15分鐘以上。
@PeterKämpf:為什麼二衝程較重? [Wikipedia](https://zh.wikipedia.org/wiki/Two-stroke_engine)表示它們“明顯更輕”並且“通常具有較高的功率重量比”。當涉及航空用途時,本文必定缺少某些內容。
實際上,二衝程發動機在早期飛機中相當普遍。
@ymb1:只有非常高效的船用柴油才重。他們使用了類似兩部分活塞桿的技巧來消除作用在活塞上的側向力。這導致曲軸箱非常大和沈重。記錄持有人的[功率/重量比] vo / 33777#33777)為每公斤0.042 kW!作為比較:Jumo 205的每公斤功率為1 kW。
眾所周知,兩衝程發動機的扭矩輸出也很差。它們之所以能獲得高功率輸出,是因為運動部件較少,可以使它們以更高的速度(RPM)運行。不幸的是,在高轉速下效率會受到影響,磨損的火箭飛漲……
六 答案:
John K
2019-09-15 06:08:31 UTC
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幾個問題:

您提到過,高單位油耗。與渦輪螺旋槳飛機差不多,但可靠性不足。如果要使用該SFC,則不如使用渦輪機。

可靠性差。他們對調音和定時非常敏感。 4衝程活塞飛機發動機將在運行時出現各種錯誤。凸輪裂片幾乎磨損到小塊。氣門導管鬆動。可怕的壓縮。它們可能具有壓縮讀數,這會使大多數機械師將其接地,但它們仍將具有額定的功率(Continental已進行測試以找到該功率)。它們非常“低調”,例如拖拉機或工業發動機。您想在航空業中做到這一點。唯一會令您的四衝程飛機發動機炸毀的東西是旋轉軸承拋出的連桿或氣缸破裂的裂紋,並且在大多數情況下都需要不良維護或無視法律。在廣泛使用的超輕型世界中,2衝程具有隨時放開的聲譽(Rotax 582甚至是接近4衝程可靠性的唯一2衝程飛機發動機,但只有它可以接近)只能可靠地運行幾百小時。)

2個衝程需要用滾珠軸承將曲柄壓在一起,因為它們必須依靠混入燃油中的機油的潤滑。因此,您不能擁有鍛造的一體式曲柄(徑向滾珠與主軸承分離,但是只有一到兩個曲柄拋出,並且它們仍具有專用的油潤滑)。在2衝程中,由於唯一的油來自燃料中被稀釋的油,因此活塞環的潤滑作用微不足道,並且環的壽命很短。

這使我們長壽。儘管它的官方TBO為2000小時,但是如果您妥善保管,Lycoming O-320將運行3-4000小時。滑動行程為4的滑動軸承僅在啟動時出現磨損。一旦加壓,磨損就為零,因為沒有金屬與金屬的接觸,而且如果您永遠不關閉它並在旅途中更換機油,從理論上講,軸承將永遠持續下去。用稀油潤滑的滾珠軸承具有有限的壽命,而僅有潤滑環的壽命有限。您永遠都不會夢想在整個宇宙的任何星系中持續進行如此長的2衝程。

2衝程在超輕量級世界中幾乎廣為流行,因為它們便宜且具有超強的功率重量比。您幾乎可以得到渦輪機的重量,而且成本最低,而值得一提的是可靠性低。 Ultralights擺脫了它的困擾,因為它們以30 mph的速度而不是70 mph的速度崩潰。

問題是,很多問題都被植入配置中,無法設計出來。結合需要保守的業務,因為您的生活取決於保守主義,這不足為奇。

感謝您的出色總結,它非常有用。可以設計帶有加壓潤滑和密封油底殼的二衝程發動機(所謂的“底特律柴油”發動機就是這樣),但這需要一個掃氣鼓風機-我經常想知道這樣做是否可行汽油發動機。
是的2衝程柴油機是另一種動物,我對它們的評論還不夠多。我知道要使4衝程柴油飛機發動機達到可行的極限,冶金學已經取得了進步,它允許氣缸足夠輕,也可以承受瘋狂的多級助推水平,以達到等於重量的功率。通常吸入的等效氣體活塞發動機。
我還要提到的是,Rotax 912系列發動機為4衝程,帶有2衝程樣式的壓力曲柄和球軸承以及常壓潤滑系統。它們非常可靠,我相信壓曲柄可以工作,因為它們通過阻尼耦合器以高rpm的轉速通過齒輪箱旋轉,因此曲柄不必忍受低轉速直驅發動機所能承受的扭矩脈衝。
@JohnK但是,與4衝程柴油發動機輸出相同的功率時,2衝程柴油發動機的氣缸尺寸不是一半嗎?
我是否認為一個簡單的2衝程在零油門時失去所有潤滑性是對的嗎?螺旋槳將是風車,無需潤滑即可驅動發動機。對於割草機來說,這不是問題,因為割草機會在切斷燃料後停止運轉,但在Trabant之類的汽車中,則需要單獨的潤滑系統以允許下坡滑行。
怠速燃油進入時空轉,因此它變得足夠小,足以在最小的環和軸承負載下完成工作。球軸承只需要很少的油即可起作用,因為唯一的滑動動作是球在保持架中旋轉。它們的主要缺點是它們確實具有金屬之間的滾動接觸,並且不可避免地會逐漸磨損。
@John K:但是,大多數現代汽車四衝程發動機都具有減速燃油切斷功能,因此在零節氣門滑行時,它們不使用燃油。
@jamesqf不確定如何以2衝程完成操作,因為如果是風車運動,則零件將在沒有潤滑油的情況下往復運動。無論如何,在航空中您都不會看到這種情況,因為只要您降低怠速功率就可以有效地關閉發動機,即使四衝程,也會造成問題。您可能長時間閒置,然後留下死機。從理論上講,如果需要,您可以使用任何普通飛機發動機來執行此操作,因為它們都具有您手動設置的空轉截止混合氣設置,但是沒有人願意這樣做。
@nielsnielsen“所謂的“底特律柴油”發動機”為什麼要“所謂”? “底特律柴油機公司”是專門生產柴油發動機的公司,特別是在北美的重型卡車市場。他們現在是梅賽德斯-奔馳的一部分。他們曾經有一個非常受歡迎的二衝程發動機,但是要達到二衝程排放標準是不可能的。 (來源,我曾經在一家為他們開發引擎控制器的公司工作。)
我之所以說@MartinBonner,之所以這麼稱呼是因為,並不是所有鼓風機掃氣的二衝程柴油機都是由它們製造的,即使這樣的發動機通常被稱為底特律柴油機,無論由誰製造。在被MBZ收購之前,它們已成為Allison企業的一部分,並被稱為Detroit Diesel Allison,但這並沒有導致人們將鼓風機清除的二衝程柴油機稱為Detroit Disen Allison發動機。
-1
@John K:但是,當冬天在大約4500英尺的山坡上行駛時,您可以在現代汽車中獲得相同(幾乎)的死冷發動機-我經常這樣做。使用計算機燃油噴射,這似乎根本不是問題,除非您真的想為除霜器等加熱。
@nielsnielsen啊!我還沒有意識到這也是一個通用術語。謝謝。
Level River St
2019-09-16 05:43:01 UTC
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2衝程飛機發動機很少的主要原因可能是總體上125cc以上的汽油2衝程發動機很少的原因:它們的燃油效率低且排放差。您注意到飛機發動機仍然使用含鉛燃料,這表明這是一個更大的問題,但是由於更高的燃料需求和未燃燒燃料的排放,上述問題加劇了鉛污染。您說這可以通過良好的設計來解決,但這會帶來成本和復雜性。經過一段時間後,嘗試設計一個不會從進氣口到排氣口旁通燃油/空氣混合物的2衝程氣缸,您放棄了而設計了4衝程。它的重量更大,但是減少的燃油消耗抵消了飛行距離比超輕型飛機更長的任何事物的重量損失。

柴油2衝程發動機的功率/重量比對於航空而言通常太差,但是非常成功在其他領域。僅當活塞處於升高位置時才噴射燃料,因此發動機僅在進氣歧管中吸收新鮮空氣,並且如果有一些旁通排氣裝置,則不會浪費任何燃料。

https://en.wikipedia.org/wiki/Category:Aircraft_piston_engines列出了79架兩衝程發動機,超過了146架徑向發動機的一半,因此很明顯,並且由於某種原因,您提到的Junkers發動機被列為柴油,但未列出2衝程。

Phil Sweet
2019-09-16 08:12:50 UTC
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OP和其他響應者提到的問題是一些特定的引擎所特有的,它們彼此之間不具有可比性,並且大多與傳動系統應用無關。沒有人會像描述的那樣設計Lycoming的2衝程替代品。它看起來非常非常相似,並且配置與第4筆非常相似。問題是在給定的資本支出和運營支出下,傳動裝置的比功率和比燃料消耗。功率密度並不是驅動因素,它可以比例如汽車領域所需的功率密度低得多。

2衝程要復雜一些,因為它需要鼓風機來管理充氣。它的油系統和燃油系統與4衝程基本相同。它可能使用頭部的提升閥進行進氣和排氣,或者可能使用端口。至少有10種基本的變化形式,包括如何吸入空氣,點燃空氣以及排出2衝程廢氣。但是這裡只有三四個值得認真考慮。就此問題而言,它們之間可能沒有足夠的差異要擔心,因此,讓我們假設羅茨鼓風機將增壓空氣供給到提升閥式發動機。可能是直接噴射,也可能是間接噴射。它可能像Lycoming一樣大。內部摩擦的節省超過了較大氣缸尺寸時鼓風機的損失。但是對於一架輕型飛機來說,鼓風機並不是那麼完美。以可比的轉速運轉的發電機組仍然偏愛四衝程。

影響體重的最大因素之一是壓縮比。由於我們可以將功率密度換成特定功率,因此我們可以選擇大而低的CR和薄壁。這樣可以減輕重量,特別是當您不能以高轉速開始時。這可能是第二桿失去優勢的地方。當您需要強大,輕便和小型的設備時,這是很好的選擇,但是如果您不需要一小部分,則沒有太多優勢。

所需的氣缸設計和引擎架構幾乎完全由應用程序決定,而不是由您是否決定。正在運行2衝程或4衝程。在大多數情況下,您可以進行任何4衝程並將其轉換為2衝程,而不會遇到太多麻煩。我的一個夥伴在他14歲時就開始將垃圾的Cadillac 500 cid電動機轉換為2衝程。他16歲那年買了房子,建了一個機械車間。有關這兩種類型之間差異的概念與此應用程序有關。我認為與4衝程相比,2衝程的進氣動力學可能更難管理(讀取起來更昂貴,而且需要大量維護)。鑑於充電條件變化很大,以合理的穩定rpm轉速保持合理的固定功率的需求與面臨穩定充電條件且功率和rpm需求變化很大的汽車行業所面臨的問題截然不同。

Koyovis
2019-09-22 11:45:02 UTC
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二衝程發動機在本質上不會遜色於禁止在汽車或飛機上使用的。

如OP所述,二衝程發動機在飛機上應具有許多有價值的特性,尤其是每轉產生動力衝程的動力重量比更高。它們也可以設計用於簡化和減少割草機,例如割草機:沒有閥門而是只有端口,沒有單獨的油泵就可以預混合燃料和機油,從而導致發動機的比重差油耗和高污染計數。但是,當然對於現代汽車和飛機,將不會使用該設計。例如,來自本文(第二個答案):

在兩個衝程中,傳輸端口和排氣端口同時打開。在某些發動機轉速下,部分燃油混合物會從換氣口直接排出排氣,而不會燃燒。這導致高燃料消耗和未燃燒的碳氫化合物的噴射。一種解決方案是使用直接噴射,其中僅在端口關閉後才將燃料噴射到氣缸中。這大大減少了這兩個問題。

另一種污染源來自全損耗潤滑,其中未燃燒的二衝程機油直接從排氣口流出。一種解決方案是用四衝程發動機中的完全曲軸箱潤滑代替總失油系統。為此,曲軸箱不能再用於掃氣,因此需要使用增壓器來提供掃氣。

因此,二衝程發動機不是為簡化和低成本而設計,不會有未燃燃料,也不會浪費油。它的動力衝程仍將是四衝程的兩倍。而且它的零件數仍比帶有油底殼和增壓器的四衝程小。一些示例:

From the NY Times article

  1. 上面的圖片來自《紐約時報》的文章,該文章採用的是兩衝程汽車發動機的現代設計。用閥門代替端口。壓縮比可以變化:防止爆震可降低汽油壓縮率,柴油可提高壓縮率以提高卡諾循環效率。
  2. OP中提到的Junkers Jumo 205是帶進氣的2衝程柴油機排氣口和巧妙的佈置可以更好地控制燃油/排氣循環的時間。在1930年代設計和製造(!)。根據本文的描述,由於兩個曲軸連接到一個螺旋槳上而造成了複雜性,因此不得不將其廢棄,此外,它還必須垂直安裝以容納掃油系統。
  3. 海上2-幾十年來一直使用和操作的帶有噴射器,閥門和雙活塞佈局的衝程柴油機。
  4. ol>

    那麼為什麼不再將二衝程飛機用於飛機推進呢?

  • 航空業是超級保守的,新的發展需要很長時間和投資才能被主流接受。正如 Thielert破產所說明的那樣-如果將成熟的柴油發動機技術應用於通用航空飛機會導致破產,那麼公司將在哪裡開發新的2衝程技術呢?新開發的二衝程活塞發動機將用於較小型的飛機,這根本無法產生可觀的投資收益和收入。幾十年前,汽車/通用航空飛機大小的汽油機2衝程的開發就被停止了,而4衝程仍在繼續改進。
  • 的二衝程技術有一個固有的局限性:因為每個衝程都是一個動力衝程,所以排出廢氣和吸入燃料的時間要少得多。這會限制氣缸容積或最大氣缸容積。 RPM。對於柴油來說不是問題,船用柴油以非常悠閒的150 RPM運行。四衝程汽油沒有此限制。柴油可以超高壓縮比運行,每衝程產生大量扭矩,汽油則不能。因此,汽油2衝程遇到了每個氣缸的功率限制。另一項Thielert傳奇也可以通過新技術解決?
JimHorn
2019-12-18 03:04:47 UTC
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由於重量輕,輸出功率高,許多無人機使用兩衝程發動機。所產生的高RPM與相對較小直徑的螺旋槳相匹配,這對於所涉及的功率,速度和尺寸限制都很好。例如波音/原位掃描鷹和RQ-21A二十一點/積分器。它們的比油耗比經過良好調校的汽車四衝程發動機要低33%至50%,但與原本要使用的較小的四衝程發動機相似。

Harper - Reinstate Monica
2019-09-16 09:22:04 UTC
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因為1汽缸發動機的動力不足

2衝程發動機在汽缸處於下死點時發生了一些事情。排氣通過進氣被主動地從氣缸中排出,而進氣被主動泵入氣缸中。這稱為清除

二衝程發動機,您想像中的,使用曲軸箱作為氣泵。下降的活塞壓縮曲軸箱中的空氣,並且當進氣口暴露時,會發生掃氣。

猜想您的2衝程發動機可以有多少個氣缸。 一個

因為如果有2個氣缸,則曲軸箱的風量不會改變,因此不能用作泵。 (如果正好是兩個,則可以進行180度曲柄搖動,因此它們都可以一次達到最高水平,但這幾乎抵消了兩個氣缸的所有優勢。)

2 +氣缸需要吹氣

在2個或更多氣缸的情況下,曲軸箱不能用作泵,因為曲軸箱的體積不變。 (從好的方面來說,您可以使用常規的注油系統,並且不再需要混合2週期的機油;當然,現在更加複雜了。)

您必須使用 air泵來完成清除工作。所以現在您增加了很多複雜性。更糟糕的是,鼓風機在高海拔地區的性能會很差。

“哦,我們知道解決方法了!我們只使用渦輪增壓器”。太好了,但是您將如何啟動它?即使在起動過程中,發動機也需要以全速吹氣-因此渦輪在低功率設置下是無用的。您需要一個超速離合器,發動機才能以低速/起動方式機械驅動渦輪增壓器。更加複雜。

此外,如果進氣口和排氣口均為汽缸側端口,則會造成一些嚴重的環磨損和碳化問題。此外,有趣的活塞形狀(使空氣以正確的方式流動)大大增加了燃油消耗,並限制了最大壓縮率。很快就可以知道,隨著您的2衝程發動機變得更大,您需要將進氣口或排氣口移至閥門,並且由於環和碳化,排氣門比進氣口更有意義。因此,現在您回到了氣缸蓋氣門嘴的起點。

但是,進氣口端口有其自身的問題:燃料/空氣混合物將直接與活塞環接觸,而未蒸發的燃料將趨於沖刷活塞環中的油。 ,增加環磨損並稀釋機油。 對於柴油機來說這不是問題,因為它們直接噴射到汽缸中

恭喜。您的引擎足夠強大,可以應付大陸或Lycoming,並且您有

  • 油泵
  • 凸輪和排氣門
  • 鼓風機
  • 直接注射解決環洗問題

所以這是簡單的失敗。

並非如此:在2衝程舷外發動機的時代,Mercury進行了6缸直列2衝程,額定功率為120HP,Evinrude和Johnson均使75HP V-4上升了2衝程。最初的Saab 93汽車擁有3缸2衝程。在每種情況下,每個氣缸的曲柄行程均與其他氣缸密封,因此其底端可用作充氣泵。還有大量的2衝程和3缸2衝程的摩托車發動機,也具有獨立的曲柄行程。 McCulloch平四缸無人駕駛發動機也是2衝程發動機。
絕對不正確,-1。例如,請查看[Yamaha RD350](https://en.wikipedia.org/wiki/Yamaha_RD350)的維基頁面,這是70年代的雙缸2衝程摩托車。


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