1.3 Рабочий цикл двухтактного двс

Более полно время, отводимое на рабочий цикл, используется в двухтактных двигателях, в которых рабочий цикл совершается за два такта, т.е. за один оборот коленчатого вала. В отличие от четырехтактных двигателей, в двухтактных очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом, или, другими словами, процесс газообмена, происходят только при движении поршня вблизи НМТ. При этом очистка цилиндра от выпускных газов осуществляется путем вытеснения их не поршнем, а предварительно сжатым до определенного давления воздухом или горючей смесью. Предварительное сжатие воздуха или смеси производится в специальном продувочном насосе или компрессоре, исполняемом в виде отдельного агрегата. В небольших двигателях в качестве продувочного насоса иногда используются внутренняя 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 производительности продувочного насоса или компрессора.

В двухтактных двигателях применяются различные схемы газообмена.

Прямоточная клапанно-щелевая схема газообмена (рисунок 1.8). Основными особенностями устройства двигателя этого типа являются: 1) впускные окна (1), расположенные в нижней части цилиндра, высота которых составляет около 10–20% хода поршня. Открытие и закрытие впускных окон производится поршнем (2) при его движении в цилиндре;

2) выпускные клапаны (3), размещенные в крышке цилиндра, с приводом от распределительного вала, частота вращения которого обеспечивает открытие клапанов один раз за один оборот коленчатого вала;

Рисунок 1.8- Прямоточная клапанно-щелевая схема газообмена

3) продувочный насос нагнетает воздух под давлением через открытые окна (1) для очистки цилиндра от продуктов сгорания и наполнения свежим зарядом.

Петлевая схема газообмена (рисунок 1.9) значительно упрощает конструкцию двигателя по сравнению с клапанно-щелевой, но при этом ухудшается качество газообмена и возникают потери воздуха или смеси при наполнении.

Рисунок 1.9- Петлевая схема газообмена

Петлевая схема газообмена отличается большим разнообразием конструктивного выполнения и широко применяется в двигателях различного назначения (от маломощных для мопедов до крупных, мощностью в несколько десятков тысяч киловатт для судов).

Прямоточная схема газообмена с противоположно движущимися поршнями (рисунок 1.10), в которой один поршень (3) управляет впускными окнами, а другой – выпускными, обеспечивает высокое качество газообмена.

Рисунок 1.10- Прямоточная схема 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 (рисунок 1.11). Они имеют герметически закрытый картер, который и служит продувочным насосом.

При движении поршня от НМТ к ВМТ объем пространства под ним увеличивается и давление падает ниже атмосферного, т.е. в кривошипной камере создается разрежение.

Вследствие этого наружный 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.

Рисунок 1.11- Кривошипно-камерная схема газообмена

Преимущество двухтактных двигателей с кривошипно-камерной схемой газообмена – простота устройства. Однако при данном способе газообмена очистка цилиндра и наполнение его свежим зарядом по сравнению с другими способами происходят значительно хуже, в результате чего уменьшается мощность и ухудшается экономичность двигателя.

На рисунок 1.12 и 1.13 показана схема работы двухтактного двигателя с внутренним смесеобразованием и прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена.

Первый такт. Первый такт соответствует ходу поршня ВМТ к НМТ (рисунок 1.12). В цилиндре только что прошло сгорание (линия cz на индикаторной диаграмме) и начался процесс расширения газов, т.е. осуществляется рабочий ход. Несколько раньше момента прихода поршня к впускным окнам открываются выпускной клапан в крышке цилиндра, и продукты сгорания начинают вытекать из цилиндра в выпускной патрубок; при этом давление в цилиндре резко падает (участок тk на индикаторной диаграмме).

Рисунок 1.12- Первый такт двухтактного ДВС

Впускные окна открываются поршнем, когда 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 (продувка), т.е. осуществляется газообмен. Таким образом, в течение первого такта в цилиндре происходит сгорание топлива, расширение газов, выпуск выпускных газов, продувка и наполнение цилиндра.

Второй такт. Второй такт соответствует ходу поршня от НМТ к ВМТ (рисунок 1.13). В начале хода поршня продолжаются процессы удаления выпускных газов, продувки и наполнения цилиндра свежим зарядом. Конец продувки цилиндра определяется моментом закрытия впускных окон и выпускных клапанов. Последние закрываются или одновременно с впускными окнами, или несколько ранее.

Рисунок 1.13- Второй такт двухтактного ДВС

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 (точка с'), 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.

В отличие от четырехтактного двигателя в двухтактном двигателе отсутствуют такты впуска и выпуска как самостоятельные такты, для которых требуется один оборот коленчатого вала. В двухтактных двигателях процессы выпуска и впуска осуществляются на небольших участках хода поршня, соответствующего основным тактам расширения и сжатия.

Из рассмотрения рабочего цикла двухтактного двигателя (индикаторная диаграмма на рисунке 1.12) видно, что на части хода поршня, когда происходит газообмен, полезная работа не совершается. Объем V_П, соответствующий этой части хода поршня, называется потерянным. Тогда объем, описываемый поршнем при движении от точки m, определяющей момент начала сжатия, до ВМТ и называемый действительным рабочим объемом, равен

(1.4)

С учетом сказанного действительная степень сжатия

(1.5)

Отношение потерянного объема V_П к геометрическому рабочему объему V_h представляет собой долю потерянного объема на процесс газообмена

(1.6)

В двухтактных двигателях = 10…38%.

Сравнение рабочих циклов четырех– и двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и частотах вращения мощность двухтактного двигателя значительно больше. Учитывая увеличение числа рабочих циклов в 2 раза, следовало бы ожидать и увеличения мощности 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 затраты мощности на приведение в действие продувочного насоса. К преимуществам двухтактных двигателей следует также отнести большую равномерность крутящего момента, так как полный рабочий цикл осуществляется при каждом обороте коленчатого вала. 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 температурная нагрузка на поршень, крышки цилиндра и клапана выше, чем в четырехтактном.

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