Принцип работы двухтактного дизеля

В двухтактных двигателях цикл осуществляется за один оборот коленвала, что соответствует двум тактам. Следует подчеркнуть, что двухтактные двигатели, как правило, являются не тронковыми (описано выше), а крейцкопфными (за исключением бензиновых двухтактных мотоциклетных двигателей). Принципиальная схема устройства и работы двухтактного двигателя показана на рис. 26, а его цикл – на рис. 27.

Из рис. 26 видно, что шток поршня 3 движется строго вертикально и головку поршня делают гораздо меньшей высоты.

На рисунке также показан турбокомпрессор ТК, который приводится в действие газовой турбиной ГТ, работающей на продуктах сгорания, выходящих из двигателя через выхлопные окна. По ходу сжатого в ТК воздуха расположен охладитель воздуха ОВ, который осуществляет промежуточное охлаждение воздуха перед поступлением его в цилиндры. Это позволяет увеличить весовой заряд воздуха в цилиндре, что оказывает благоприятное влияние на все тепловые и газодинамические процессы, из которых складывается рабочий цикл судового дизельного двигателя.

Рассмотрим индикаторную диаграмму двухтактного двигателя (рис. 27). Пусть поршень находится в НМТ – т. 1. В данном случае втулка двигателя имеет окна (прорези) разной высоты – окна меньшей высоты выходят в продувочный ресивер (коллектор), а окна большей высоты сообщены с выхлопным ресивером.

Таким образом, пока верхняя кромка поршня (на рисунке двигатель для удобства построения индикаторной диаграммы показан лежащим) при его движении к ВМТ не закроет все окна, процесс сжатия не начнется. В конце сжатия 3–4 в цилиндр впрыскивается топливо и происходит горение 4–5–6. В конце рабочего хода 6–7 (расширения продуктов сгорания) в т. 7 поршень откроет выхлопные окна и произойдет выхлоп, который начнется процессом 7–8 – свободным выпуском отработавших газов. После открытия продувочных окон (т. 8) будет происходить принудительная продувка цилиндра (8–1–2), которая заканчивается закрытием продувочных окон. В процессе 2–3 в данном случае будет происходить потеря части воздушного заряда цилиндра (1–2 показывает наполнение цилиндра воздухом).

Следует отметить, что параметры состояния рабочего тела в характерных точках индикаторной диаграммы мало отличаются от таковых в четырехтактных двигателях, поэтому нет смысла останавливаться на них подробно.

3.6. Индикаторные показатели работы двс

Показатели работы двигателя подразделяются на индикатор­ные (внутренние), характеризующие совершенство рабочего цикла в цилиндре и учитывающие только тепловые потери в самом цилиндре, и эффективные (внешние), учитывающие по­мимо тепловых и механические потери, которые имеются при передаче энергии расшире­ния газов через поршень и кривошипно-шатунный ме­ханизм на коленчатый вал двигателя

К индикаторным показа­телям двигателя относятся среднее индикаторное дав­ление р_i, индикаторная мощ­ность N_i, индикаторный удельный расход топлива b_i и индикаторный КПД η_i.

В результате осуществле­ния цикла тепловая энергия, выделяющаяся при сгора­нии топлива, с известной степенью совершенства (определяемой индикаторным КПД) превращается в полезную работу, развиваемую газами в цилиндре двигателя и называемую индикаторной работой цикла ℓ_i. При этом давление в цилиндре непрерывно меняется.

Для удобства ведения расчетов и сравнения разных двига­телей переменные по ходу поршня давления можно заменить постоянным (фиктивным) давлением, которое обеспечивает по­лучение той же работы, что и цикл с переменным давлением. Это среднее постоянное давление называется средним индика­торным давлением p_i. Следовательно, под средним индикатор­ным давлением подразумевается условное постоянное давление, действующее на поршень на рабочем ходе и совершающее за один цикл работу, равную индикаторной работе замкнутого цикла.

Графически среднее индии-каторное давление представ­ляет собой высоту прямоугольника, площадь которого равна пло-щади индикаторной диаграммы, а основание – длине диа­граммы (рис. 28). Среднее индикаторное давление позволяет сравнивать любые циклы и двигатели, независимо от способа осуществления рабочих процессов. Чем больше р_i, тем больше мощность двигателя при прочих равных условиях (размерах, частоте вращения и т.д.).

Рис. 28. К определению среднего индикаторного даления

Индикаторной мощностью N_i называется мощность, разви-ваемая продуктами сгорания над поршнем, т.е. такой мощностью обладал бы двигатель, не имеющий поршня, коленвала и остальных деталей группы движения.

Вспомнив, что мощность – это работа в единицу времени, а работа – это сила, умноженная на перемещение, запишем выражение для определения индикаторной мощности ДВС:

, кВт, (6)

где – диаметр цилиндра;

–ход поршня;

–частота вращения в 1/мин.;

i – количество цилиндров;

–сила продуктов сгорания;

–работа продуктов сгорания;

–мощность одного цилиндра;

–коэффициент тактности, равен 1 для двухтактных и ½ для четырехтактных ДВС;

–перевод оборотов в минуту в обороты в секунду;

1000 – перевод Вт в кВт.

Индикаторный коэффициент полезного действия η учитывает все потери теплоты, связанные с работой реального двигателя. При этом следует помнить, что потерю теплоты g₂, связанную с необходимостью выполнения 2-го закона термодинамики, учитывает термический КПД η_і. Таким образом, η_i называется отношение количества теплоты, преобразованной в работу без учета механических потерь (т.е. как будто бы у двигателя, не имеющего деталей группы движения – поршней, штоков, шатунов, коленвала), ко всему количеству подведенной теплоты:

, (7)

где – индикаторный расход топлива на двигатель;

–низшая теплота сгорания топлива;

–удельный (на 1 кВт) индикаторный расход топлива ().

Очевидно, что , и являются расчетными величинами.

Двигатели внутреннего сгорания построены по одному принципу – энергия сгорания топлива превращается в кинетическую энергия вращения коленвала. Существуют два типа моторов – двухтактные и четырехтактные. Оба обладают своими преимуществами и недостатками, попробуем разобраться в чем отличия.

Принцип работы ДВС

Рабочий цикл двухтактного двигателя состоит из впуска и выпуска происходящего за один оборот коленчатого вала, тогда как 4-х тактный имеет следующие циклы — впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. И протекают они за два оборота маховика. В двигателе с 4 тактами впуск и выпуск осуществляются в виде разных процессов, в двухтактнике они совмещены со сжатием топливной смеси и расширением рабочих газов. Принцип действия двухтактного двигателя:

1. Первый такт – сжатие. Происходит движение поршня от нижней мертвой точки, при этом вначале закрывается продувочное окно. Отработанные выхлопные газы выводятся через выпускное отверстие. В этот момент в кривошипной камере под днищем поршня образуется область разрежения, куда поступает обогащенная топливная смесь из карбюратора (инжектора). Эта порция свежего воздуха выталкивает остатки выхлопных газов в выпускной коллектор. В момент наивысшего положения поршня происходит воспламенение смеси от свечи зажигания.
2. Второй такт – рабочий ход или расширение. Температура и давление газов в камере сгорания резко увеличивается, под его действием поршень начинает движение к нижней мертвой точке, совершая полезную работу. Повышенное давление в кривошипной камере перекрывает впускной клапан, препятствуя попаданию отработанных газов в карбюратор. Через систему выпускных окон отработавшие газы уходят в глушитель, а через продувочное окно начинает поступать свежая горючая смесь в камеру сгорания. В самой нижней точке действие второго такта заканчивается и процесс повторяется.

Двухтактный дизельный двигатель работает по такому же принципу, только у него отсутствует свеча зажигания, а воспламенение топлива происходит от сжатия. Поэтому степень сжатия в дизельных двс намного выше бензиновых.

Особенности мотора с двумя тактами

Двухтактный двигатель совершает полный цикл за один оборот коленвала, это позволяет получить большую удельную литровую мощность чем у 4-х тактного движка при тех же оборотах двигателя. Однако, кпд двухтактника будет ниже из-за несовершенства механизма фаз газораспределения, неизбежных потерь топливной смеси в процессе продувки и неполного рабочего хода поршня.

Двухтактный двигатель сильно греется, потому что во время работы высвобождается большая тепловая энергия. Иногда может потребоваться дополнительное охлаждение. В мотоциклах редко используются двухтактные моторы с большим количеством цилиндров, чаще всего применяется одноцилиндровый мотор с воздушным охлаждением.

При работе по двухтактному циклу поршень совершает меньше движений за один такт, а нагрузка вспомогательных газораспределительных, смазочных и охлаждающих систем на коленвал ниже или отсутствует совсем. Поэтому износ поршневой группы у них будет ниже. Если для легкой техники это не является решающим фактором, то тихоходный двухтактный дизельный двигатель может иметь в несколько раз больший ресурс, чем все остальные двс. Поэтому они нашли широкое распространение в тепловозах, генераторах, судовых двигателях.

Двухтактный бензиновый двигатель быстрее набирает обороты максимальной мощности. Этим активно пользуются мотоспортсмены, особенно в кроссовых дисциплинах, когда необходим мгновенный отклик на рукоятку газа. Кроме того, он проще в обслуживании, дешевле и легче четырехтактного.

Расход топлива у двухтактника будет выше на 25-30 %, шумность и вибрации тоже. Двигатель невозможно вписать в жесткие экологические нормы, даже если использовать инжекторные системы впуска и наддув. Большой расход воздуха требует применения специальных воздушных фильтров.

Система смазки и приготовление топлива

Работа двухтактного двигателя требует эффективной смазки движущихся узлов. Централизованная раздельная система смазки с масляным насосом, как у четырехтактных двигателей, здесь отсутствует, поэтому масло добавляется в бензин в соотношении 1:25 – 1:50. Полученный состав, находясь в поршневой и кривошипно-шатунной камере, смазывает подшипники шатуна, стенки цилиндра и поршневые кольца. При воспламенении воздушной смеси масло сгорает и удаляется вместе с выхлопными газами.

Моторное масло должно быть специальное — для двухтактного двигателя, обычно оно имеет маркировку 2Т на канистре. Использование обычного автомобильного масла недопустимо по ряду причин:

• Масло для двухтактных двигателей обязано обладать хорошей растворимостью в бензине;
• Обладает прекрасными смазывающими свойствами, улучшая работу двигателя и уменьшая трение;
• Защита от коррозии трущихся деталей поршневой группы;
• Двухтактное масло должно сгорать без остатка, не образовывая нагар и сажу. Высокая зольность обычного масла приводит к закоксовыванию поршневых колец.

Подачу смазки в двухтактный двигатель можно осуществить двумя способами. Первый и самый простой – смешивать с топливом в нужной пропорции. Второй – это раздельная система смазки двухтактного двигателя, когда состав из топлива и масла готовится непосредственно перед попаданием внутрь в специальном патрубке. В этом случае устанавливается отдельный бачок для масла, а его подача осуществляется с помощью специального плунжерного насоса.

Эта система получила широкое распространение на современных мотоциклах и скутерах. Кроме удобства использования (теперь не нужно доливать масло в бак на глаз каждую заправку), происходит серьезная экономия масла, потому что впрыск его зависит от оборотов двигателя. На холостых оборотах пропорция масла может составлять всего 1:200.

Тюнинг двухтактного двигателя

Любой двухтактный мотор имеет возможности для форсировки. Увеличение мощности при таком же объеме оправдано в спорте, а в повседневной эксплуатации двигатель становится эластичнее и экономичнее. Основные способы доработки:

1. Увеличить диаметр выпускного отверстия и обеспечить его максимально продолжительное время открытия. Это позволяет выпустить максимальное количество газов. Таким образом повышаются тяговые возможности двигателя и его крутящий момент.
2. Обеспечить эффективную продувку. Для этого можно увеличить диаметр впускного окна, тогда горючая смесь не будет задерживаться в картере и обеспечится своевременный впрыск в камеру сгорания.
3. Применение на карбюраторе вихревого диффузора, который за то же время подает большее количество топливной смеси. Вместе с ним целесообразно применение воздушного фильтра нулевого сопротивления.
4. Установка резонатора выпуска, расчет которого произведен под конкретный объем двигателя. Такое устройство возвращает часть топливной смеси назад в цилиндр через выпускное отверстие.
5. Доработка шатунно-поршневой группы, ее облегчение и тщательная балансировка. Клапана и каналы должны быть притерты и не иметь заусенец (задиров), тормозящие и завихряющие потоки. Это уменьшает наполняемость цилиндра и снижает мощность.
6. Применение инжекторных систем впрыска и регулирование фазами газораспределения. Это позволяет точнее дозировать количество подаваемого топлива и уменьшить потери горючей смеси во время продувки цилиндра.
7. Установка систем наддува. Обычно это компрессорные нагнетатели, а на двухтактный дизельный двигатель может быть установлен традиционный турбокомпрессор. С его помощью увеличивается количество поступаемого в цилиндры воздуха, соответственно и количество горючего может быть увеличено.

Эксплуатация и причины поломки двигателей

Чаще всего двухтактные моторы встречаются в мототехнике, лодочных двигателях, газонокосилках, цепных пилах и прочих устройствах, где требуется применение легкого и надежного двигателя. Тем не менее, даже такой простой по конструкции движок может выйти из строя из-за нарушения правил эксплуатации.

• Низкое качество бензина. Плохое топливо часто приводит к появлению детонации. Чаще всего это заметно на невысоких оборотах при подгазовках. Возникающие ударные нагрузки приводят к поломке перегородок поршней, чрезмерным нагрузкам на подшипники коленвала. Детонация может возникать из-за перегрева двигателя, нагара на поршне и бедной смеси.
• Низкое качество деталей, из которых собран мотор. Особенно это актуально для китайских производителей, часто допускающих брак в производстве комплектующих. Это приводит к раннему выходу из строя поршня, коленчатого вала, цилиндра и прочих деталей, а затем и капитальному ремонту. Обычно помогает оценить состояние поршневой простой замер компрессии.
• Низкокачественное моторное масло. Топливомасляная смесь для двухтактных двигателей имеет очень важное значение. Именно от его качества будет зависеть как мягко работает мотор, чистота выхлопа, отсутствие перегрева и лишних шумов. Плохое масло приводит к образованию слоя нагара на поршне, в коренных и шатунных подшипниках, к задирам на стенках цилиндра и юбке поршня, проходное сечение глушителя уменьшается из-за нагара. Масла для двухтактных двигателей следует применять синтетические или полусинтетические, использование минералки нежелательно.
• Перегрев на двухтактном двигателе воздушного охлаждения не редкость. К этому приводит длительная работа с полностью открытым дросселем, или неисправность системы охлаждения. Перегрев может быть кратковременным, когда наблюдается потеря мощности и максимальных оборотов, после снижения нагрузки и охлаждения двигателя все приходит в норму. Клин возникает вследствие очень сильного перегрева, когда тепловой зазор между поршнем и цилиндром уменьшается настолько, что силы трения намертво прихватывают их между собой. После него требуется ремонт ЦПГ.
• Карбюратор не настроен. Топливная смесь получается слишком бедной или очень богатой. Езда на переобогащенной смеси чревата высоким расходом топлива, потерей мощности и образованию нагара. Бедная смесь может вызывать детонацию и снижение максимальной мощности двигателя.

Чтобы продлить срок службы и отсрочить капремонт, следует провести правильную обкатку двухтактного лодочного или мотоциклетного мотора. Для этого пропорция масла смешиваемого с бензином должна быть немного выше установленной для нормальной эксплуатации. На такой смеси дать двигателю поработать в режиме неполной мощности несколько часов, что эквивалентно 500-1000 км пробега для скутера и мотоцикла.

Все же из-за токсичности выхлопа двухтактные двигатели постепенно вытесняются современными четырехтактными. Они продолжают использоваться только там, где требуется высокая удельная мощность при минимальной массе и простоте конструкции – мототехника, бензопилы и триммеры, модели самолетов и многое другое.

Двухтактный дизель

Недостаток четырехтактного двигателя в том, что лишь один из четырех ходов поршня рабочий, а три подготовительные, совершающиеся с затратой энергии, выделяющейся за рабочий ход. Более удачно сочетание рабочей и подготовительной частей цикла у двухтактного двигателя.

В простейшем двухтактном дизеле нет впускных и выпускных клапанов. Вместо них цилиндр 5 снабжен впускными 9 и выпускными 3 окнами (рис. 3). Окна открывает и закрывает поршень 8, связанный шатуном 2 с кривошипом 1 коленчатого вала. Существенно, что высота выпускных окон 3 больше, чем впускных 9. Цилиндр закрыт крышкой 7, в которую вставлена форсунка 6.

Предположим, что поршень 8 движется вверх, как изображено на рис. 3, а. Поскольку окна 3 и 9 перекрыты поршнем, воздух в цилиндре сжат примерно до тех же параметров, что и у четырехтактного дизеля. При положении поршня вблизи в. м. т. в цилиндр форсунка 6 впрыскивает топливо, самовоспламеняющееся и сгорающее подобно тому, как это бывает в четырехтактном дизеле.

Рис 3 Схема работы двухтактного дизеля

Под давлением газа поршень 8 движется вниз, происходит процесс расширения, в течение которого совершается полезная работа. Расширение продолжается до открытия поршнем 8 выпускных окон 3 (рис. 3,б). С этого момента начинается выпуск отработавшего газа в выпускной (выхлопной) коллектор 4*.

Несколько позднее поршень откроет впускные окна 5, через которые из ресивера** 10) в цилиндр 5 поступит сжатый воздух. Так как давление в цилиндре двухтактного двигателя бывает всегда выше атмосферного, воздух должен находиться в ресивере 10 под давлением, равным обычно 120— 150 кПа. Этот воздух называют продувочным: поступая в цилиндр, он вытесняет из цилиндра отработавший газ, т. е. продувает цилиндр (рис. 3,в). Термин «продувочный» применяют и к окнам 9 (продувочные окна), ресиверу 10 (ресивер продувочного воздуха), к насосу, подающему воздух в ресивер 10 (продувочный насос).

Итак, после открытия продувочных окон 9 в цилиндре происходят выпуск и продувка. Эти процессы будут продолжаться в течение того времени, за которое поршень движется вниз до н. м. т. (см. рис. 3, в) и затем вверх до закрытия им продувочных окон 9 (см. рис. 3, б). Несколько позднее поршень закроет выпускные окна 3 и начнется процесс сжатия.

Как видно, рабочий цикл совершился за два хода поршня, он состоит из двух тактов, что и определяет название двигателя: двухтактный.

Теоретическая индикаторная диаграмма. В двухтактном цикле различают большее число характерных объемов, чем в четырехтактном (рис. 4). Общими для обоих циклов являются понятия:

Vc — объем пространства (камеры) сжатия;

Рис 4 Теоретическая (расчетная) индикаторная диаграмма двухтактного дизеля

V_в — рабочий объем цилиндра;

Характерными только для двухтактного цикла будут:

V_h — потерянный объем части хода поршня (он соответствует высоте выпускных окон);

V_s = V_a— V_a— полезная часть рабочего объема цилиндра;

V _а = Va— Vh — полезный объем цилиндра

Степенью сжатия (действительной) в двухтактном двигателе называют отношение

После того как движущийся вверх поршень закроет выпускные окна, начинается сжатие воздуха (линия ас). Когда поршень приходит в в. м. т. в цилиндр впрыскивается топливо, часть которого сгорает при постоянном объеме (cz’), часть — при постоянном давлении (z’z). Значения величин: степень сжатия е, давление в конце сжатия р_с и максимальное давление сгорания p_z такие, как и у четырехтактного дизеля.

Расширение рабочего газа (линия zb) заканчивается в тот момент, когда поршень открывает выпускные окна, через которые отработавший газ выходит в атмосферу. Таким образом, газ расширяется в пределах объема V_a, вследствие чего его называют полезным.

После открытия выпускных окон начинается свободный выпуск (линия Ьа), Теоретически давление в цилиндре снижается при свободном выпуске до давления р_в продувочного воздуха мгновенно. Практически это давление понижается в течение времени от открытия поршнем выпускных окон до открытия продувочных (точка е). При дальнейшем движении поршня до н. м. т. и от нее до закрытия продувочных окон происходит продувка (еа’е). Выпуск продолжается от закрытия продувочных окон до закрытия выпускных (линия еа).

Таким образом, за время, соответствующее изменению объема цилиндра V_h, происходят процессы газообмена выпуск, продувка. Таким образом, для работы газа часть хода, соответствующая высоте окон, потеряна Этим и объясняется термин: «потерянная часть хода поршня».

Из диаграммы видно, что в любой момент рабочего цикла давление в цилиндре двухтактного двигателя выше давления р окружающей среды.4

Особенности двухтактных двигателей. Частота циклов в цилиндре двухтактного двигателя вдвое больше, чем у четырехтактного: у первого цикл совершается за одно вращение вала у второго — за два. Это значит, что при тех же размерах (диаметре цилиндра, ходе поршней) и при одинаковой частоте вращения двухтактный двигатель должен развивать мощность в 2 раза больше, чем четырехтактный Однако часть хода поршня двухтактного двигателя с точки зрения работы газа является потерянной. Поэтому практически у двухтактного двигателя развиваемая мощность в 1,8 раза больше, чем мощность четырехтактного. Если же сравнивать двигатели одинаковой мощности, то размеры и, следовательно, масса меньше будут у двухтактного. Работа газа в цилиндре совершается лишь в течение части цикла, т. е. импульсами, в связи с чем вал двигателя вращается неравномерно. У двухтактных двигателей импульсы слабее, но чередуются в 2 раза чаще, чем у четырехтактных. Из этого следует, что вал двухтактного двигателя вращается равномернее, чем вал четырехтактного.

Устройство двухтактного двигателя с продувкой через окна проще четырехтактного: у первого отсутствуют клапаны и механизм их привода. По этой причине двухтактные двигателя легче обслуживать.

Недостатки двухтактных двигателей: прежде всего они менее экономичны, так как очистка цилиндров в них хуже, чем у четырехтактных, и теряется часть энергии на привод продувочного насоса. В двухтактном двигателе процесс сгорания повторяется в 2 раза чаще, чем в четырехтактном поэтому детали его испытывают более высокую тепловую нагрузку, а в сочетании с повышенными механическими напряжениями срок службы двухтактных двигателей по сравнению с четырехтактными уменьшается.

Перечисленные основные достоинства и недостатки двухтактных двигателей предопределили их применение. Много строят двухтактных двигателей малой мощности, в частности подвесных лодочных моторов. Это объясняется сравнительной простотой их устройства и обслуживания, которое могут осуществлять люди с минимальной технической подготовкой. Наиболее распространены в народном хозяйстве двигатели средней мощности, поэтому они должны быть наиболее экономичными и иметь наибольший срок службы. Такому требованию удовлетворяют четырехтактные двигатели, поэтому их чаще применяют. На судах речного флота двухтактных двигателей очень мало.

Чтобы уменьшить габаритные размеры и массу малооборотных двигателей большой мощности, их чаще всего строят двухтактными. Даже в двухтактном исполнении диаметр цилиндра дизеля достиг в настоящее время 1060 мм, ход поршня — 2000 мм, а при четырехтактном исполнении размеры этих деталей были бы больше.

Следует отметить, с повышением мощности экономичность двухтактных двигателей приближается к экономичности четырехтактных, а срок службы мощных двухтактных достаточно велик потому, что их строят малооборотными.

* Коллектором называют трубу или аналогичное устройство, служащее для сбора и отвода газа или жидкости

**Ресивером принято называть сосуд (трубу), имеющий такую вместимость, чтобы при периодических поступлениях в него и расходах из него воздуха (или другого газа) давление внутри ресивера колебалось незначительно

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ