Silnik z gorącą żarówką - Hot-bulb engine

Silnik żarowy (dwusuwowy). 1. Gorąca żarówka. 2. Cylinder. 3. Tłok. 4. Skrzynia korbowa
Stary szwedzki silnik na żarówkę w akcji

Silnik z gorącą żarówką to rodzaj silnika spalinowego, w którym paliwo zapala się poprzez kontakt z rozgrzaną do czerwoności metalową powierzchnią wewnątrz żarówki, po czym następuje wprowadzenie powietrza (tlenu) sprężonego do komory gorącej żarówki przez tłok. Po wprowadzeniu paliwa następuje pewien zapłon, ale szybko zużywa on dostępny w bańce tlen. Energiczny zapłon ma miejsce tylko wtedy, gdy do komory gorącej żarówki zostanie doprowadzona wystarczająca ilość tlenu podczas suwu sprężania silnika.

Większość silników z gorącymi żarówkami była produkowana jako jedno- lub dwucylindrowe, wolnoobrotowe, dwusuwowe jednostki z przedmuchem skrzyni korbowej .

Historia

Silnik olejowy Hornsby-Akroyd (1905):
Czterosuwowy, 14 KM na
Wielkich Targach Parowych Dorset w 2008 roku

Czterosuwowy silnik olejowy Hornsby-Akroyd

Koncepcję tego silnika opracował angielski wynalazca Herbert Akroyd Stuart . Pierwsze prototypy zostały zbudowane w 1886 roku, a produkcja rozpoczęła się w 1891 roku przez Richard Hornsby & Sons of Grantham, Lincolnshire, Anglia pod nazwą Hornsby Akroyd Patent Oil Engine na podstawie licencji.

Silniki dwusuwowe z gorącą żarówką

Kilka lat później projekt Akroyda-Stuarta został dalej rozwinięty w Stanach Zjednoczonych przez niemieckich emigrantów Mietza i Weissa, którzy połączyli silnik z gorącymi żarówkami z dwusuwową zasadą oczyszczania , opracowaną przez Josepha Daya, aby zapewnić prawie dwukrotnie większą moc, jak w porównaniu do silnika czterosuwowego o tej samej wielkości. Podobne silniki, do zastosowań rolniczych i morskich, zostały zbudowane przez J. V. Svensons Motorfabrik , Bolinders , Lysekils Mekaniska Verkstad , AB Pythagoras i wiele innych fabryk w Szwecji.

Porównanie do silnika Diesla

Silnik Akroyd-Stuart był pierwszym silnikiem spalinowym wykorzystującym ciśnieniowy układ wtrysku paliwa , a także pierwszym wykorzystującym oddzielną komorę spalania z parowaniem. Jest prekursorem wszystkich silników żarowych, które można uznać za poprzedników podobnego silnika Diesla , opracowanego kilka lat później.

Jednak silnik olejowy Hornsby-Akroyd i inne silniki z gorącymi żarówkami wyraźnie różnią się od konstrukcji Rudolfa Diesela , w której zapłon następuje poprzez samo ciepło sprężania: Silnik olejowy będzie miał stopień sprężania od 3:1 do 5:1. , gdzie typowy silnik wysokoprężny będzie miał znacznie wyższy stopień sprężania, zwykle między 15:1 a 20:1, co czyni go bardziej wydajnym. Również paliwo jest łatwo wtryskiwane podczas wczesnego suwu ssania, a nie w szczytowym momencie sprężania za pomocą wysokociśnieniowej pompy wtryskowej Diesel .

Cykl pracy i pracy

Silnik z gorącą żarówką dzieli swój podstawowy układ z prawie wszystkimi innymi silnikami spalinowymi wewnętrznego spalania , ponieważ ma tłok wewnątrz cylindra , połączony z kołem zamachowym za pomocą korbowodu i wału korbowego . Oryginalny silnik Akroyda-Stuarta działał w cyklu czterosuwowym (doładowanie, sprężanie, moc i wydech), a Hornsby kontynuował budowę silników według tego projektu, podobnie jak kilku innych brytyjskich producentów, takich jak Blackstone i Crossley . Producenci w Europie , Skandynawii i Stanach Zjednoczonych budowali silniki pracujące w cyklu dwusuwowym z przedmuchem skrzyni korbowej. Ten ostatni typ stanowił większość produkcji silników żarowych. Przepływ gazów przez silnik jest regulowany zaworami w silnikach czterosuwowych, a zakrywaniem i odsłanianiem tłoków w ściance cylindra w przypadku dwusuwów.

Rodzaj palnika stosowanego do uruchamiania silnika żarówkowego
Lampa lutownicza używana do podgrzewania gorącej żarówki ciągnika Lanz Bulldog

W silniku z gorącymi termometrami spalanie odbywa się w wydzielonej komorze spalania, tzw. Jest połączony z butlą wąskim kanałem i podczas pracy jest ogrzewany spalinami; do rozruchu używany jest zewnętrzny płomień, taki jak palnik lub wolnopalny knot; w późniejszych modelach czasami stosowano ogrzewanie elektryczne lub pirotechnikę. Inną metodą było włączenie świecy zapłonowej i wibratora-cewki; silnik byłby uruchamiany na benzynie (benzynie) i przełączony na olej po rozgrzaniu do temperatury roboczej.

Czas wstępnego nagrzewania zależy od konstrukcji silnika, rodzaju zastosowanego ogrzewania i temperatury otoczenia, ale w przypadku większości silników w klimacie umiarkowanym zwykle wynosi od 2 do 5 minut do nawet pół godziny w przypadku pracy w ekstremalnie niskich temperaturach lub silnik jest szczególnie duży. Silnik jest następnie obracany, zwykle ręcznie, ale czasami za pomocą sprężonego powietrza lub silnika elektrycznego.

Gdy silnik pracuje, ciepło sprężania i zapłonu utrzymuje gorącą żarówkę w wymaganej temperaturze, a żarówkę lub inne źródło ciepła można usunąć. Następnie silnik nie wymaga zewnętrznego ciepła, a do pracy wymaga jedynie doprowadzenia powietrza, oleju opałowego i smaru. Jednak przy niskiej mocy żarówka może się zbytnio ochłodzić, a przepustnica może odciąć dopływ zimnego świeżego powietrza. Wraz ze wzrostem obciążenia silnika wzrasta również temperatura żarówki, powodując wydłużenie okresu zapłonu; aby przeciwdziałać przedwczesnemu zapłonowi, do wlotu powietrza kapie woda. Podobnie, jeśli obciążenie silnika jest niskie, temperatury spalania mogą nie być wystarczające do utrzymania temperatury gorącej żarówki. Z tego powodu wielu silników z gorącymi żarówkami nie można uruchomić bez obciążenia bez dodatkowego ogrzewania.

Fakt, że silnik może być pozostawiony bez nadzoru przez długi czas podczas pracy, sprawił, że silniki z gorącymi żarówkami stały się popularnym wyborem do zastosowań wymagających stałej mocy wyjściowej, takich jak ciągniki rolnicze, generatory , pompy i napęd łodzi kanałowych .

Silniki czterosuwowe

Powietrze jest wciągane do cylindra przez zawór wlotowy w miarę opadania tłoka (suw ssania). Podczas tego samego skoku paliwo jest wtryskiwane do parownika przez mechaniczną (szarpniętą) pompę paliwową przez dyszę. Powietrze w cylindrze jest następnie przetłaczane przez górną część cylindra wraz z podnoszeniem się tłoka (suw sprężania), przez otwór do parownika, gdzie jest sprężane i wzrasta jego temperatura. Odparowane paliwo miesza się ze sprężonym powietrzem i zapala się głównie z powodu ciepła gorącej żarówki wytwarzanego podczas pracy lub ciepła doprowadzonego do gorącej żarówki przed uruchomieniem. Poprzez zwężenie bańki do bardzo wąskiej szyjki, gdzie jest ona przymocowana do cylindra, powstaje wysoki stopień turbulencji, gdy zapalone gazy przelatują przez szyjkę do cylindra, gdzie spalanie jest zakończone. Powstające ciśnienie powoduje ruch tłoka w dół (skok mocy). Działanie tłoka jest przekształcane w ruch obrotowy przez zespół wału korbowego z kołem zamachowym, do którego można przymocować sprzęt w celu wykonania pracy. Koło zamachowe przechowuje pęd, którego część jest wykorzystywana do obracania silnika, gdy nie jest wytwarzana moc. Tłok unosi się, wyrzucając spaliny przez zawór wydechowy (suw wydechu). Cykl zaczyna się od nowa.


Silniki dwusuwowe

Cykl rozpoczyna się, gdy tłok znajduje się w dolnej części suwu. Gdy się podnosi, wciąga powietrze do skrzyni korbowej przez otwór wlotowy. W tym samym czasie do parownika wtryskiwane jest paliwo. Powietrze na górze tłoka jest sprężane do parownika, gdzie miesza się z rozpylonym paliwem i zapala. Tłok jest przesuwany w dół cylindra. Podczas opadania tłok najpierw odsłania otwór wydechowy. Spaliny pod ciśnieniem wypływają z cylindra. Ułamek po odkryciu portu wydechowego opadający tłok odsłania port transferu. Tłok wytwarza teraz ciśnienie powietrza w skrzyni korbowej, które jest wtłaczane przez port transferowy do przestrzeni nad tłokiem. Część dopływającego powietrza jest tracona z wciąż otwartego otworu wylotowego, aby zapewnić usunięcie wszystkich gazów wydechowych z cylindra, proces znany jako „oczyszczanie”. Następnie tłok osiąga dno skoku i zaczyna ponownie się podnosić, wciągając świeży ładunek powietrza do skrzyni korbowej i kończąc cykl. Indukcja i sprężanie są realizowane podczas suwu w górę, podczas gdy moc i wydech występują podczas suwu w dół.

Do skrzyni korbowej musi być doprowadzony zapas oleju smarującego, aby zasilić łożyska wału korbowego . Ponieważ skrzynia korbowa służy również do dostarczania powietrza do silnika, olej smarujący silnik jest przenoszony do cylindra z ładunkiem powietrza, spalany podczas spalania i odprowadzany z układu wydechowego. Olej transportowany ze skrzyni korbowej do cylindra służy do smarowania tłoka . Oznacza to, że dwusuwowy silnik z gorącymi żarówkami będzie stopniowo spalał zapas oleju smarującego, co jest znane jako układ smarowania „total-loss”. Były również konstrukcje, które wykorzystywały pompę oczyszczającą lub podobną do usuwania oleju ze skrzyni korbowej i zawracania go do zbiornika oleju smarującego. Tę cechę posiadały ciągniki żarówkowe Lanza i ich wielu naśladowców. To znacznie zmniejszyło zużycie oleju.

Ponadto, jeśli podczas rozruchu pojawi się nadmiar oleju w skrzyni korbowej, istnieje ryzyko niekontrolowanego rozruchu i przyspieszenia silnika, znacznie przekraczając ograniczenia prędkości elementów wirujących i posuwisto-zwrotnych. Może to spowodować zniszczenie silnika. Zwykle przed uruchomieniem znajduje się korek lub zawór odcinający, który umożliwia opróżnienie skrzyni korbowej.

Brak zaworów i podwojony cykl pracy oznaczają również, że dwusuwowy silnik żarowy może pracować równie dobrze w obu kierunkach. Powszechną techniką rozruchu dla mniejszych silników dwusuwowych jest obrót silnika w kierunku przeciwnym do normalnego kierunku obrotów. Tłok „odbije się” od fazy sprężania z siłą wystarczającą do prawidłowego zakręcenia silnika i uruchomienia go. Ta dwukierunkowa praca była zaletą w zastosowaniach morskich, ponieważ silnik mógł, podobnie jak silnik parowy , napędzać statek do przodu lub do tyłu bez konieczności stosowania skrzyni biegów . Kierunek można odwrócić albo przez zatrzymanie silnika i ponowne uruchomienie go w innym kierunku, albo, przy odpowiednich umiejętnościach i wyczuciem czasu ze strony operatora, spowolnienie silnika do momentu, w którym będzie miał wystarczający pęd, aby odbić się od własnego sprężania i uruchomić inna droga. Była to niepożądana cecha w ciągnikach napędzanych gorącymi żarówkami wyposażonymi w skrzynie biegów. Przy bardzo niskich prędkościach obrotowych silnik mógł się cofać prawie bez zmiany dźwięku lub jakości pracy, a kierowca nie zauważał, dopóki ciągnik nie pojechał w kierunku przeciwnym do zamierzonego. Ciągniki Lanz Bulldog były wyposażone w tarczę, mechanicznie napędzaną silnikiem, która pokazywała obracającą się strzałę. Strzałka wskazywała w kierunku normalnego obrotu silnika; jeśli tarcza obróciła się w drugą stronę, silnik się cofnął.

Zalety

W momencie wynalezienia silnika żarówkowego jego wielką atrakcją była wydajność, prostota i łatwość obsługi w porównaniu do silnika parowego , który był wówczas dominującym źródłem energii w przemyśle. Bezskraplaczowe silniki parowe osiągały średnią sprawność cieplną (ułamek wytworzonego ciepła, który faktycznie zamienia się na pracę użyteczną) na poziomie około 6%. Silniki z gorącymi żarówkami mogą z łatwością osiągnąć 12% sprawność cieplną.

Od 1910 do 1950 roku silniki z gorącymi żarówkami były bardziej ekonomiczne w produkcji dzięki niskociśnieniowemu wtryskowi surowego paliwa i miały niższy stopień sprężania niż silniki wysokoprężne Diesla.

Silnik żarówkowy jest znacznie prostszy w budowie i obsłudze niż silnik parowy. Kotły wymagają co najmniej jednej osoby do uzupełniania wody i paliwa w razie potrzeby oraz monitorowania ciśnienia, aby zapobiec nadciśnieniu i wynikającemu z tego wybuchowi. Jeśli jest wyposażony w automatyczne systemy smarowania i regulator do kontroli prędkości silnika, silnik z gorącą żarówką może być pozostawiony bez nadzoru przez wiele godzin.

Kolejną atrakcją było ich bezpieczeństwo. Maszyna parowa z odsłoniętym ogniem i gorącym kotłem, rurami parowymi i cylindrem roboczym nie mogła być używana w warunkach palnych, takich jak fabryki amunicji czy rafinerie paliw. Silniki z gorącymi żarówkami również wytwarzały czystsze spaliny. Dużym niebezpieczeństwem związanym z silnikiem parowym było to, że jeśli ciśnienie w kotle wzrosło zbyt wysoko, a zawór bezpieczeństwa ulegnie awarii, może dojść do bardzo niebezpiecznej eksplozji, chociaż do czasu wynalezienia silnika żarówkowego było to stosunkowo rzadkie zdarzenie. Częstszym problemem było to, że jeśli poziom wody w kotle silnika parowego spadnie zbyt nisko, to ołowiana wtyczka w koronie pieca stopi się, gasząc pożar. Jeśli w silniku z gorącą żarówką skończy się paliwo, po prostu zatrzyma się i będzie można go natychmiast ponownie uruchomić z większą ilością paliwa. Chłodzenie wodą odbywało się zwykle w obiegu zamkniętym, więc nie doszłoby do utraty wody, chyba że wystąpiła nieszczelność. Jeśli woda chłodząca się skończy, silnik zablokuje się z powodu przegrzania — poważny problem, ale nie niesie ze sobą niebezpieczeństwa wybuchu.

W porównaniu z silnikami parowymi, benzynowymi (w cyklu otto) i wysokoprężnymi (w cyklu Diesla), silniki z gorącymi żarówkami są prostsze i dlatego mają mniej potencjalnych problemów. Nie ma instalacji elektrycznej jak w silniku benzynowym, ani zewnętrznego kotła i instalacji parowej jak w silniku parowym.

Kolejną dużą atrakcją związaną z silnikiem na żarówkę była możliwość pracy na szerokiej gamie paliw. Można było stosować nawet słabo palne paliwa, ponieważ połączenie parownika i zapłonu samoczynnego oznaczało, że takie paliwa mogą być spalane. Zwykłym paliwem był olej opałowy, podobny do współczesnego oleju napędowego , ale można było również używać gazu ziemnego , nafty , ropy naftowej , oleju roślinnego lub kreozotu . To sprawiło, że silnik z gorącymi żarówkami był bardzo tani w eksploatacji, ponieważ mógł być zasilany łatwo dostępnymi paliwami. Niektórzy operatorzy zasilali nawet zużyty olej silnikowy, zapewniając w ten sposób prawie darmową moc. Ostatnio ta wielopaliwowa zdolność doprowadziła do zainteresowania silnikami z gorącymi żarówkami w krajach rozwijających się, gdzie mogą być zasilane lokalnie produkowanym biopaliwem.

Ze względu na długi czas wstępnego nagrzewania, silniki z gorącymi żarówkami zwykle łatwo się uruchamiają, nawet w ekstremalnie zimnych warunkach. To sprawiło, że stały się popularnym wyborem w zimnych regionach, takich jak Kanada i Skandynawia , gdzie silniki parowe nie były opłacalne i nie można było polegać na wczesnych silnikach benzynowych i wysokoprężnych. Jednak sprawia to również, że nie nadają się do krótkotrwałego użytkowania, zwłaszcza w samochodzie.

Zastosowania

1939 Lanz Bulldog , traktor zbudowany wokół silnika z gorącymi żarówkami.
Bolinder-Munktell BM-10 z dwucylindrowym silnikiem żarowym, rok produkcji 1947-1952
Hornsby-Akroyd „Lachesis”, lokomotywa napędzana silnikiem żarowym

Niezawodność silników z gorącymi termometrami, ich zdolność do pracy na wielu paliwach oraz fakt, że mogą pracować przez wiele godzin lub dni, sprawiły, że stały się niezwykle popularne wśród użytkowników rolnictwa, leśnictwa i statków, gdzie były używane do pompowania i do zasilania maszyn do frezowania, piłowania i omłotu. Silniki z gorącymi żarówkami były również stosowane w walcach drogowych i ciągnikach .

JV Svenssons Motorfabrik , i Augustendal w Sztokholmie Szwecja używali silników na gorące żarniki w swoich pługach silnikowych Typ 1 , produkowanych od 1912 do 1925 roku. Munktells Mekaniska Verkstads AB , w Eskilstuna , Szwecja , od 1913 roku produkowała ciągniki rolnicze z silnikami na gorące żarniki . Heinrich Lanz AG w Mannheim , Niemcy , zaczęli używać silników gorące żarówki w 1921 roku, w Lanz Bulldog ciągnika HL. Innymi znanymi producentami ciągników, którzy używali silników żarówkowych , byli Bubba , Gambino , Landini i Orsi we Włoszech , HSCS na Węgrzech , SFV we Francji i Ursus w Polsce (który wyprodukował Ursusa C-45 , bezpośrednią kopię Lanz Bulldog D z 1934 roku). 9506 , po II wojnie światowej).

Ciągnik Lanz Bulldog z 1928 roku.
„Gorąca żarówka” znajduje się bezpośrednio nad przednią osią, zamontowana z przodu bloku cylindrów.

Na początku XX wieku istniało kilkuset europejskich producentów silników z gorącymi żarówkami do użytku morskiego. W samej Szwecji było ponad 70 producentów, z których Bolinder jest najbardziej znany; w latach dwudziestych mieli około 80% rynku światowego. Norweski Sabb był bardzo popularny gorący silnik żarówka dla małych łodzi rybackich, a wiele z nich nadal są sprawne. W Ameryce Standard, Weber, Reid, Stickney, Oil City i Fairbanks Morse budowały silniki na gorące żarówki.

Pionowy, dwucylindrowy silnik na gorące żarówki, rozwijający 70 koni mechanicznych. Ten silnik ma maksymalną prędkość 325 obrotów na minutę .

Ograniczeniem konstrukcji silnika było to, że mógł pracować tylko w dość wąskim (i niskim) zakresie prędkości, zwykle od 50 do 300 obr./min . To sprawiało, że silnik z gorącymi żarówkami był trudny do przystosowania do zastosowań motoryzacyjnych, innych niż pojazdy takie jak ciągniki, w których prędkość nie była głównym wymogiem. Ograniczenie to nie miało większego znaczenia w zastosowaniach stacjonarnych, w których silnik z gorącymi żarówkami był bardzo popularny.

Ze względu na długi czas wstępnego nagrzewania, silniki z gorącymi termometrami znalazły uznanie tylko wśród użytkowników, którzy musieli uruchamiać silniki przez długi czas, gdzie proces wstępnego nagrzewania stanowił tylko niewielki procent całkowitego czasu pracy. Obejmowało to zastosowanie morskie — zwłaszcza na łodziach rybackich — oraz pompowanie lub odwadnianie.

Silnik z gorącymi żarówkami został wynaleziony w tym samym czasie, w którym udoskonalono dynama i elektryczne systemy oświetleniowe , a wytwarzanie energii elektrycznej było jednym z głównych zastosowań silnika z gorącymi żarówkami. Silnik mógł osiągać wyższe obroty niż standardowy silnik parowy tłokowy, chociaż silniki parowe o dużej prędkości zostały opracowane w latach 90. XIX wieku, a jego niskie wymagania w zakresie paliwa i konserwacji, w tym możliwość obsługi i konserwacji tylko przez jedną osobę, czyniły go idealnym do wytwarzanie energii na małą skalę. Agregaty prądotwórcze napędzane silnikami z gorącymi żarówkami były instalowane w wielu dużych domach w Europie , zwłaszcza na obszarach wiejskich, a także w fabrykach, teatrach, latarniach morskich , stacjach radiowych i wielu innych miejscach, w których nie było scentralizowanej sieci elektrycznej. Zwykle dynamo lub alternator byłyby odpędzane od koła zamachowego silnika za pomocą płaskiego paska, aby umożliwić niezbędne „przełożenie” – powodując, że generator obraca się z większą prędkością niż silnik. Firmy takie jak Armstrong Whitworth i Boulton Paul produkowały i dostarczały kompletne zespoły prądotwórcze, zarówno silnik, jak i generator, od 1900 do późnych lat 20. XX wieku, kiedy to na całym świecie powstały krajowe systemy sieciowe i zastąpiono silnik z gorącymi żarówkami przez diesla silnik spowodował spadek popytu.

Silniki były również używane w miejscach, gdzie pożar silnika parowego byłby niedopuszczalnym zagrożeniem pożarowym. Akroyd-Stuart opracował pierwszą na świecie lokomotywę napędzaną silnikiem olejowym „Lachesis” dla Royal Arsenal w Woolwich , gdzie użycie lokomotyw było wcześniej niemożliwe ze względu na ryzyko. Silniki z gorącymi żarówkami okazały się bardzo popularne w silnikach przemysłowych na początku XX wieku, ale brakowało im mocy, aby można je było zastosować w czymś większym.

Wymiana

4-cylindrowy silnik Gardner 4T5 z gorącą żarówką na wystawie w Anson Engine Museum w Stockport, Wielka Brytania

Od około 1910 roku silnik wysokoprężny został radykalnie ulepszony, przy czym przy większej wydajności dostępna była większa moc niż silnik z żarówkami gorącymi. Silniki Diesla mogą osiągnąć ponad 50% sprawność, jeśli są zaprojektowane z myślą o maksymalnej oszczędności, a dzięki bardziej wydajnej metodzie spalania oferują większą moc dla danego rozmiaru silnika. Nie miały gorącej żarówki, opierały się wyłącznie na zapłonie samoczynnym i oferowały większą łatwość użytkowania, ponieważ nie wymagały wstępnego podgrzewania.

Silnik z gorącą żarówką miał ograniczony zakres pod względem prędkości i ogólnego stosunku mocy do rozmiaru. Aby stworzyć silnik z gorącymi żarówkami zdolny do napędzania statku lub lokomotywy, byłby on zbyt duży i ciężki. Silniki z gorącymi żarówkami stosowane w ciągnikach Landini miały aż 20 litrów pojemności przy stosunkowo małej mocy. Głównym ograniczeniem mocy i prędkości silnika gorącej żarówki była jego metoda spalania. W silniku wysokoprężnym spalanie jest kontrolowane przez wtryskiwanie paliwa do sprężonego powietrza; ponieważ spalanie nie może mieć miejsca przed wtryskiem paliwa, czas i czas trwania spalania można ściśle kontrolować. W silniku z gorącym termometrem paliwo było wtryskiwane do cylindra przed rozpoczęciem sprężania, a spalanie rozpoczynało się, gdy ładunek powietrza napotkał odparowane paliwo w gorącym termometrze podczas suwu sprężania. Oznaczało to, że spalanie było trudne do kontrolowania w jakimkolwiek stopniu precyzji. Części ładunku paliwa w gorącej bańce zapalały się w różnym czasie, często przed zakończeniem suwu sprężania przez tłok. Jest to identyczne jak zapłon w konwencjonalnym silniku o zapłonie iskrowym i prowadzi do nierównomiernych sił oraz wysokich naprężeń termicznych i fizycznych wewnętrznych części silnika, zwłaszcza tłoka. W silniku z gorącymi termometrami problem ten można było rozwiązać jedynie poprzez utrzymywanie niskich ogólnych prędkości obrotowych silnika, małą ilość paliwa wtryskiwaną w każdym cyklu oraz bardzo mocno zabudowane podzespoły silnika. Zaowocowało to bardzo wytrzymałym silnikiem, który był jednocześnie duży i ciężki przy stosunkowo niskiej mocy wyjściowej. Pomysły, takie jak wtrysk wody (w celu zmniejszenia przedwczesnego zapłonu) i silnik „ gorąca rurka ” (który pozwolił na zmianę objętości parownika wraz z prędkością silnika, zmieniając w ten sposób ogólny stopień sprężania) zwiększyły złożoność i koszty, a mimo to nie mogły zapewnić mocy- w stosunku do masy w tej samej lidze, co szybko rozwijający się silnik wysokoprężny .

Stworzenie równomiernego spalania w wielu gorących żarówkach w silnikach wielocylindrowych jest trudne. Niski stopień sprężania silnika z gorącymi termometrami w porównaniu z silnikami wysokoprężnymi ograniczał jego sprawność, moc i prędkość. Większość silników z gorącymi żarówkami mogła pracować z maksymalną prędkością około 100 obr./min, podczas gdy w latach 30. XX wieku budowano szybkie silniki wysokoprężne o prędkości 2000 obr./min. Ponadto, ze względu na konstrukcję gorącego termometru i ograniczenia obecnej technologii w odniesieniu do układu wtryskiwaczy, większość silników z gorącymi termometrami to silniki jednobiegowe, pracujące ze stałą prędkością lub w bardzo wąskim zakresie prędkości. Silniki Diesla mogą być zaprojektowane do pracy w znacznie szerszym zakresie prędkości, co czyni je bardziej wszechstronnymi. To sprawiło, że te średniej wielkości diesle stały się bardzo popularnym wyborem do stosowania w agregatach prądotwórczych, zastępując silnik z gorącą żarówką jako silnik z wyboru do wytwarzania energii na małą skalę.

Rozwój szybkoobrotowych silników wysokoprężnych o małej pojemności w latach 30. i 40. XX wieku doprowadził do dramatycznego wypadnięcia silników z gorącymi żarówkami. Ostatni wielkoskalowy producent silników z gorącymi żarówkami zaprzestał ich produkcji w latach 50. XX wieku, a obecnie praktycznie wymarły w zastosowaniach komercyjnych, z wyjątkiem bardzo odległych obszarów świata rozwijającego się. Wyjątkiem od tego jest wykorzystanie morskie; silniki z gorącymi żarówkami były szeroko montowane na barkach śródlądowych i łodziach wąskotorowych w Europie. Pierwsze dwa wąskie łodzie w Wielkiej Brytanii z własnym napędem - Cadbury's Bournville  I i Bournville II w 1911 roku - były napędzane 15-konnymi jednocylindrowymi silnikami Bolinder na gorące żarówki, a ten typ stał się powszechny w latach 20. i 50. XX wieku. Ponieważ silniki z gorącą żarówką są ogólnie długowieczne i idealnie nadają się do takiego zastosowania, nierzadko dziś można znaleźć statki, które nadal są wyposażone w oryginalne silniki z gorącą żarówką.

Chociaż istnieje powszechne błędne przekonanie, że modele silników ze świecami żarowymi są odmianą silnika z gorącymi żarówkami, tak nie jest. Modelowe silniki żarowe to silniki z zapłonem katalitycznym. Wykorzystują one reakcję pomiędzy platyną w cewce świecy żarowej a parami alkoholu metylowego, dzięki której w określonych temperaturach i ciśnieniach platyna będzie się żarzyć w kontakcie z parami.

Rozwój pseudodiesla z gorącą żarówką

1890-1910

Silnik z gorącymi żarówkami jest często mylony z silnikiem wysokoprężnym i prawdą jest, że oba silniki są bardzo podobne. Silnik z gorącą żarówką posiada wydatny parownik z gorącą żarówką; silnik wysokoprężny nie. Inne istotne różnice to:

  • Silnik z gorącymi termometrami głównie ponownie wykorzystuje ciepło zatrzymane w parowniku do zapłonu paliwa, osiągając około 12% wydajności.
  • Silnik wysokoprężny wykorzystuje tylko kompresję do zapłonu paliwa. Działa przy ciśnieniu wielokrotnie wyższym niż silnik z gorącymi termometrami, co skutkuje ponad 50% wydajnością w przypadku dużych silników wysokoprężnych.
  • Silnik gorącej żarówki wymaga wstępnego podgrzania gorącej żarówki, często palnikiem, przez około 15 minut przed uruchomieniem.

Istnieje również zasadnicza różnica w czasie procesu wtrysku paliwa:

  • W silniku z gorącymi żarówkami, przed rokiem 1910 paliwo było wtryskiwane wcześniej do parownika (podczas suwu ssania). Powoduje to, że początek spalania nie jest zsynchronizowany z kątem obrotu korby, co oznacza, że ​​silnik pracowałby płynnie tylko przy jednej niskiej prędkości lub obciążeniu. Jeśli obciążenie silnika wzrosło, wzrosłaby też temperatura żarówki, powodując wydłużenie okresu zapłonu, powodując przedwczesny zapłon. Aby przeciwdziałać przedwczesnemu zapłonowi, do wlotu powietrza wlewałaby się woda, co zapewniałoby pewną elastyczność.
  • W silniku wysokoprężnym paliwo jest wtryskiwane do cylindra z regulacją czasową w stosunku do prędkości obrotowej i obciążenia silnika na krótko przed osiągnięciem górnego martwego punktu suwu sprężania.

Jest jeszcze jedna, szczegółowa różnica w sposobie wtrysku paliwa:

  • Silnik z gorącym termometrem wykorzystuje pompę średniociśnieniową do dostarczania paliwa do cylindra przez prostą dyszę.
  • W oryginalnym silniku wysokoprężnym paliwo było wtryskiwane do cylindra za pomocą sprężonego powietrza pod wysokim ciśnieniem przez wtryskiwacz. Wałek rozrządu uniósł kołek sprężynowy, aby zainicjować dostarczanie paliwa przez dyszę.

Przed I wojną światową technologia nie rozwinęła się do tego stopnia, że ​​silniki olejowe mogły pracować szybciej niż 150 obr./min. Konstrukcja tych silników była podobna do silników parowych i nie zawierała smarowania ciśnieniowego.

W silnikach z gorącymi termometrami paliwo jest wtryskiwane pod niskim ciśnieniem, przy zastosowaniu bardziej ekonomicznej i bardziej niezawodnej oraz prostszej konfiguracji. Jednak niestosowanie wtrysku sprężonego powietrza jest mniej wydajne.

W tym okresie silniki wysokoprężne i żarowe były czterosuwowe . W 1902 roku F. Rundlof wynalazł dwusuwowy silnik z oczyszczaniem skrzyni korbowej, który stał się powszechnie stosowanym silnikiem typu gorącej żarówki.

1910-1950

Małe silniki wysokoprężne z wtryskiem bezpośrednim nadal nie były praktyczne i wynaleziono silnik z wtryskiem pośrednim z komorą wstępną , wraz z wymogiem stosowania świec żarowych do rozruchu. Dzięki technologii opracowanej przez Robert Bosch GmbH systemy pomp i wtryskiwaczy mogą być skonstruowane do pracy przy znacznie wyższym ciśnieniu. W połączeniu z precyzyjnymi wtryskiwaczami, od 1927 roku produkowano szybkie diesle.

Gorące żarówki zaczęły pękać i pękać i zostały stopniowo zastąpione przez chłodzone wodą głowice cylindrów z płaskim gorącym punktem. Z biegiem czasu współczynniki kompresji zwiększono z 3:1 do 14:1. Wtrysk paliwa rozpoczął się od 135 stopni przed górnym martwym punktem przy niskim stopniu sprężania do 20 stopni przed górnym martwym punktem, a później silniki o wyższym stopniu sprężania zwiększały współczynnik gorącego powietrza do zapłonu i zwiększały wydajność paliwową. Świece żarowe w końcu zastąpiły wstępne podgrzewanie metodami palnikowymi i zwiększono prędkość obrotową silnika, co dało obecnie klasyfikowany jako olej napędowy z wtryskiem pośrednim.

Silniki z gorącymi żarówkami lub z komorą wstępną były zawsze łatwiejsze do wyprodukowania, bardziej niezawodne i mogły obsługiwać mniejsze ilości paliwa w mniejszych silnikach niż „czyste” silniki wysokoprężne z bezpośrednim wtryskiem.

Produkcja

Silnik żarówkowy firmy Drott , wyprodukowany w Muzeum Warsztatu Mechanicznego Pitagorasa w Norrtälje , Szwecja, według oryginalnych rysunków z Fabryki Silników Pitagorasa

Silniki żarowe były budowane przez wielu producentów, zwykle w skromnych seriach. Były to silniki wolnoobrotowe (300-400 obr/min) i przeważnie z częściami żeliwnymi, w tym tłokami. Pompa paliwowa była zwykle wykonana z mosiężną obudową i stalowym nurnikiem, pracującym ze zmienną długością skoku. Zaowocowało to prostym, wytrzymałym, ciężkim silnikiem. Dzięki temu mogły być obrabiane w przeciętnym warsztacie bez specjalnych narzędzi.

Fabryka Silników Pitagorasa w Norrtälje w Szwecji jest przechowywana jako muzeum ( Muzeum Warsztatu Mechanicznego Pitagorasa ) i posiada sprawną linię produkcyjną oraz obszerne archiwum fabryczne.

Zobacz też

Bibliografia

Patenty

  • Patent USA 845140 Silnik spalinowy z dnia 26 lutego 1907 r.
  • Patent USA 502837 Silnik napędzany wybuchem mieszaniny gazu lub oparów węglowodorów i powietrza, z dnia 8 sierpnia 1893 r.
  • Patent USA 439702 Silnik naftowy lub silnik z dnia 4 listopada 1890 r.

Zewnętrzne linki