Двухтактный двигатель внутреннего сгорания

04.03.2018 - 15.08.2018

3.1. Работа двухтактного двигателя

В двухтактных двигателях рабочий цикл совершается за два такта (за один оборот коленчатого вала), в то время как у четырехтактных двигателей это совершается за 4 такта (2 оборота коленчатого вала). В отличие от четырехтактных двигателей в двухтактных очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом, т. е. процессы газообмена, происходят только при движении поршня вблизи НМТ, практически одновременно. При этом очистка цилиндра от выпускных газов осуществляется путем вытеснения их не поршнем, а предварительно сжатым до определенного давления воздухом или горючей смесью. На рисунке 3.1 приведены схемы наиболее распространенных в настоящее время двухтактных двигателей.

Рисунок 3.1. Схемы двухтактных двигателей: а - петлевая; 6 - прямоточная клапанно-щелевая; в - прямоточная щелевая с противоположно движущимися поршнями; 1 - впуск свежего воздуха; 2 - выпуск отработавших газов; 3 - форсунка; 4 - поршень; 5 - поршень, управляющий впуском; 6 - поршень, управляющий выпуском; 7 - продувочный насос

Предварительное сжатие воздуха или смеси производится в специальном продувочном насосе или компрессоре, выполненном в виде отдельного агрегата. В небольших двигателях в качестве продувочного насоса иногда используют внутреннюю полость картера (кривошипная камера) и поршень двигателя. В процессе газообмена в двухтактных двигателях некоторая часть воздуха или горючей смеси неизбежно удаляется из цилиндра вместе с выпускными газами через выпускные органы. Эта утечка воздуха или горючей смеси учитывается при выборе подачи продувочного насоса или компрессора.

Петлевая схема газообмена (рисунок 3.1, а) значительно упрощает конструкцию двигателя по сравнению с клапанно-щелевой, но при этом ухудшается качество газообмена и возникают потери воздуха или смеси при наполнении. Петлевая схема газообмена отличается большим разнообразием конструктивного выполнения и применяется в двигателях различного назначения (от маломощных для мопедов и до крупных мощностью в несколько десятков тысяч киловатт для судов).

Прямоточные схемы газообмена делятся на 2 типа: прямоточно-клапанные (рисунок 3.1., б) и прямоточно-щелевые (рисунок 3.1., в). Прямоточно-клапанные схемы газообмена широко применялись на всех размерностях дизелей и в настоящее время, среди промышленных двухтактных двигателей, остались только они. Далее будет подробно описана работа двухтактного двигателя на этом типе дизеля.

Прямоточно-щелевая схема газообмена с противоположно движущимися поршнями (рисунок 3.1, в), в которой один поршень управляет впускными окнами, а другой - выпускными, обеспечивает высокое качество газообмена.

Для предварительного сжатия горючей смеси или воздуха, как было указано выше, в двухтактных двигателях может быть использована внутренняя полость картера (кривошипная камера). Такие двигатели называются двигателями с кривошипно-камерной схемой газообмена. Они имеют герметично закрытый картер, который и служит продувочным насосом. При движении поршня 1 от НМТ к ВМТ объем пространства под ним увеличивается и давление падает ниже атмосферного, т.е. в кривошипной камере 2 создается вакуум. Вследствие этого атмосферный воздух устремляется в картер через автоматически действующий впускной клапан. При обратном движении поршня до момента открытия впускных окон происходит сжатие свежего заряда в кривошипной камере. После открытия впускных окон сжатый свежий заряд вытесняется из камеры в цилиндр. Двухтактные двигатели с кривошипно-камерной схемой газообмена отличаются простотой устройства и будут подробно рассмотрены позже. Однако при данном способе газообмена очистка цилиндра и наполнение его свежим зарядом ухудшаются, в результате чего уменьшается мощность двигателя, увеличивается расход топлива.

Традиционно работа двухтактного двигателя объясняется на примере прямоточного клапанно-щелевого двигателя. На рисунке 3.2 приведена схема работы двухтактного двигателя с внутренним смесеобразованием и прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена. Основными особенностями устройства двигателя этого типа являются:

впускные окна 8, расположенные в нижней части цилиндра, высота которых составляет около 10 ... 20% хода поршня;
открытие и закрытие впускных окон производится поршнем 3 при его движении в цилиндре;
выпускные клапаны 4, размещенные в крышке цилиндра, с приводом от распределительного вала, частота вращения которого обеспечивает открытие клапанов один раз за один оборот коленчатого вала;
продувочный насос 2, нагнетающий воздух под давлением в ресивер для очистки цилиндра от продуктов сгорания и наполнения свежим зарядом.

Рисунок 3.2. Схема работы двухтактного прямоточного клапанно-щелевого двигателя: а - первый такт (сгорание, расширение, выпуск, продувка и наполнение); б - второй такт (выпуск, продувка и наполнение, сжатие); 1 — впускной патрубок; 2 — продувочный насос; 3 — поршень; 4 — выпускные клапаны; 5 — форсунка; 6 — выпускной патрубок; 7 — воздушный ресивер; 8 — впускное окно

Рабочий цикл в двигателе осуществляется следующим образом:

Первый такт соответствует ходу поршня от ВМТ к НМТ. В цилиндре только что произошло сгорание (линия cz) и начался процесс расширения газов, т. е. осуществляется рабочий ход. Перед тем, как поршень достигнет НМТ (~75° ... 65° до НМТ) в крышке цилиндра открываются выпускные клапаны, и продукты сгорания начинают вытекать из цилиндра в выпускной патрубок, при этом давление в цилиндре резко падает (линия zn). Двигаясь дальше к НМТ поршень откроет впускные окна (~65° ... 55° до НМТ), при этом давление в цилиндре становится примерно равным давлению предварительно сжатого воздуха в ресивере или немного выше его. Воздух, поступая в цилиндр через впускные окна, вытесняет через выпускные клапаны оставшиеся в цилиндре продукты сгорания и заполняет цилиндр - происходит продувка цилиндра, т.е. осуществляется газообмен (участок na на индикаторной диаграмме). Таким образом, в течение первого такта в цилиндре происходит сгорание топлива, расширение газов, выпуск газов, продувка и наполнение цилиндра.

Второй такт соответствует ходу поршня от НМТ к ВМТ. В начале хода поршня продолжаются процессы удаления выпускных газов, продувки и наполнения цилиндра свежим зарядом. Конец продувки цилиндра (линия ak) определяется моментом закрытия впускных окон и выпускных клапанов. Последние закрываются или одновременно с впускными окнами, или несколько ранее. Давление в цилиндре к концу газообмена в двухтактных двигателях несколько выше атмосферного и зависит от давления воздуха в ресивере. С момента окончания газообмена и полного перекрытия поршнем впускных окон начинается процесс сжатия воздуха. Когда поршень не доходит на 10 ... 30° по углу поворота коленчатого вала до ВМТ, в цилиндр через форсунку начинает подаваться топливо. Следовательно, в течение второго такта в цилиндре происходит окончание выпуска, продувка и наполнение цилиндра в начале хода поршня и сжатие при его дальнейшем ходе.

Следует еще раз заострить внимание, что у двухтактного двигателя большинство процессов совмещено по времени, и поэтому однозначно их отделить (как в четырехтактном двигателе) сложно, но все 4 процесса: рабочий ход, выпуск, впуск, сжатие так же как и в четырехтактном двигателе должны пройти. Без осуществления данного порядка чередования процессов осуществить рабочий цикл невозможно. Тем не менее, двигатель называется двухтактным, так как для осуществления рабочего цикла необходимо затратить 2 перемещения поршня из одной мертвой точки в другую.

Из индикаторной диаграммы рабочего цикла двухтактного двигателя видно, что на части хода поршня, когда происходит газообмен, полезная работа очень мала, т. е. практически не совершается.

Объем V_п, соответствующий этой части хода поршня, называется потерянным.

Тогда объем, описываемый поршнем при движении от точки b, определяющей момент начала сжатия, до ВМТ и называемый действительным рабочим объемом, рассчитывается по формуле

Используя действительный рабочий объем следует определить и действительную степень сжатия:

Тогда геометрическая степень сжатия выражается той же формулой, что и для четырехтактных двигателей:

Отношение потерянного объема V_п к геометрическому объему V_h представляет собой долю потерянного объема на процесс газообмена:

В двухтактных двигателях ψ = 10 ... 38 %.

Из сравнения рабочих циклов четырех- и двухтактных двигателей следует, что при одинаковых размерах цилиндра и частотах вращения мощность двухтактного двигателя значительно, больше. Поскольку число рабочих циклов больше в 2 раза, ожидаемый рост мощности двухтактного двигателя выше в 2 раза. В действительности мощность двухтактного двигателя увеличивается приблизительно в 1,5 ... 1,7 раза вследствие потери части рабочего объема, ухудшения очистки и наполнения, а также затрат мощности на приведение в действие продувочного насоса. К преимуществам двухтактных двигателей следует отнести большую равномерность крутящего момента, так как полный рабочий цикл осуществляется при каждом обороте коленчатого вала (а не за два, как в четырехтактных). Существенным недостатком двухтактного процесса по сравнению с четырехтактным является малое время, отводимое на процесс газообмена. Очистка цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом более совершенно происходят в четырехтактных двигателях. Кроме того, в двухтактном двигателе температура поршня, крышки цилиндра и клапанов выше, чем в четырехтактном.

При внешнем смесеобразовании в результате продувки цилиндра горючей смесью она частично выбрасывается через выпускные окна, поэтому двухтактный процесс чаще применяется в дизелях. Исключение составляют мотоциклетные, лодочные и другие двигатели небольшой мощности, для которых большее значение имеют простота и компактность конструкции, чем экономичность.

Как в четырехтактных, так и двухтактных двигателях, рабочие процессы осуществляются только в одной полости цилиндра, расположенной над поршнем. Такие двигатели принято называть двигателями простого действия.

Для увеличения цилиндровой мощности можно использовать также полость, расположенную под поршнем. Двигатели, в которых рабочие циклы осуществляются в полостях, расположенных с обеих сторон поршня, называются двигателями двойного действия (рисунок 3.3). Увеличение мощности двигателей двойного действия по сравнению с двигателями простого действия составляет только 80 ... 85% вследствие уменьшения рабочего объема нижней полости из-за проходящего через эту полость штока.

.
Рисунок 3.3. Схема устройства двухтактного двигателя двойного действия: а - схема; б - реальный двигатель (D=820 мм, S=1500 мм); 1, 3 - нижняя и верхняя крышки; 2 - рабочий цилиндр; 4 - поршень; 5 - шток; 6 - крейцкопф (ползун); 7 - шатун

Ввиду значительного усложнения конструкции и малой надежности двигатели двойного действия закончили производить в 50-х годах 20-ого века. Необходимое увеличение цилиндровой мощности достигается применением наддува, что проще и надежнее.

Контрольные вопросы и задания

Дайте определение верхней мертвой точке и нижней мертвой точке;
Дайте определение двигателей внутреннего сгорания и двигателей с внешним подводом теплоты;
Дайте определение рабочему циклу двигателя;
Напишите формулу для расчета рабочего объема цилиндра поршневого ДВС;
Дайте определение и напишите формулу для расчета степени сжатия поршневого ДВС, раскройте значение и смысл входящих в формулу элементов;
Дайте определение такта;
Перечислите последовательно все такты четырехтактного двигателя внутреннего сгорания;
Расскажите о процессах происходящих в каждом из тактов четырехтактного ДВС;
Дайте определение для двигателей с внешним и внутренним смесеобразоанием.

Рекомендуемая дополнительная литература

Двигатели внутреннего сгорания: устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей/ В. П. Алексеев, В. Ф. Воронин, Л. В. Грехов и др.; Под общ. ред. А. С. Орлина,М. Г. Круглова., М.: Машиностроение, 1990
Учебник для втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / Д. Н. Вырубов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин и др.; Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1983. — 372 с.
Конструирование двигателей внутреннего сгорания: Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности "Двигатели внутреннего сгорания" направления подготовки "Энергомашиностроение" / Н. Д. Чайнов, Н. А. Иващенко, А. Н. Краснокутский, Л. Л. Мягков; под. ред. Н. Д. Чайнова. М.: Машиностроение, 2008. 496 с., ил.
Jorn Dragsted. The first 50 years of turbocharged 2-stroke, crosshead, marine diesel engines. CIMAC Central Secretariat, Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, Germany. 2013. 98 pages.
Doug Woodyard. Pounder’s Marine Diesel Engines and Gas Turbines. Eighth edition. Elsevier Butterworth-Heinemann. Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP. 200 Wheeler Road, Burlington, MA 01803. 2004. pp.915