Двухтактные двигатели

Лекция №2.

Двухтактные двигатели.

Четырехтактный двигатель только половину времени, затраченного на цикл, работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Остальное время (такты впуска и выпуска) двигатель работает как воздушный насос.

В двухтактном двигателе рабочий цикл совершается за два такта, т.е. за один оборот коленвала. В двухтактных двигателях очистка цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом или процесс газообмена, проходит только при движении поршня вблизи Н.М.Т.

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 продувочном насосе, выполняемом в виде отдельного агрегата.

В небольших двигателях в качестве продувочного насоса используется иногда внутренняя полость картера (кривошипная камера) и поршень двигателя.

В процессе газообмена в двухтактных двигателях некоторая часть свежего заряда неизбежно удаляется их цилиндра вместе с выпускными газами через выпускные окна. Эту систему свежего заряда при продувке компенсируют увеличенной его подачей насосом.

1. Впускные окна по высоте составляют около 10-15% хода поршня. Открытие и закрытие впускных окон производится поршнем при его движении в цилиндре.

Рекомендуемые материалы

2. Выпускные клапаны приводятся в действие от распределительного вала.

3. Продувочный насос нагнетает воздух в продувочный ресивер.

Первый такт: соответствует ходу поршня от В.М.Т. к Н.М.Т. В цилиндре только что произошло сгорание (линия cz на индикат. диаграмме) и начался процесс расширения газов, т.е. осуществляется рабочий ход. При подходе поршня к впускным окнам открываются впускные клапаны, и продукты сгорания начинают выходить из цилиндра в выпускной патрубок; при этом давление в цилиндре резко снижается (участок mn на индикаторной диаграмме). Впускные окна открываются поршнем позднее открытия клапанов, когда давление в цилиндре становится примерно равным давлению предварительно сжатого воздуха в ресивере. Воздух, поступая через впускные окна в цилиндр, вытесняет через выпускные клапаны оставшиеся в цилиндре продукты сгорания и заполняет цилиндр. Осуществляется так называемый газообмен (участок na индикаторной диаграмме). Таким образом, в течение первого такта в цилиндре происходит сгорание топлива с выделением теплоты, расширение газов, выпуск выпускных газов и продувка цилиндра.

Второй такт: соответствует ходу поршня от Н.М.Т. к В.М.Т.  В начале этого хода поршня продолжается процесс продувки и заполнения цилиндра свежим зарядом. Конец продувки цилиндра (участок ak на индикаторной диаграмме) определяется моментом закрытия впускных окон и выпускных клапанов. Последние закрываются или одновременно с впускными окнами, или несколько ранее. Давление в цилиндре к концу зарядки в двухтактных двигателях несколько выше атмосферного и зависит от давления продувного воздуха. С момента окончания зарядки и полного перекрытия поршнем впускных окон начинается процесс сжатия воздуха. Когда поршень не доходит на 10-30⁰ по углу поворота коленчатого вала до В.М.Т. (точка С’), в цилиндр через форсунку начинает подаваться топливо. Следовательно, в течение второго такта в цилиндре происходит процесс окончания выпуска и продувка, наполнение цилиндра свежим зарядом в начале хода поршня и процесс сжатия при его дальнейшем ходе.

В отличие от четырехтактного двигателя, в двухтактном отсутствуют такты впуска и выпуска как самостоятельные такты, для которых требуется один оборот коленвала. В двухтактных двигателях эти процессы осуществляются на небольших участках основных тактов расширения и сжатия.

. Рабочий объем цилиндра, описываемый поршнем при движении от точки m, определяющей момент начала сжатия, до В.М.Т.

В цилиндре двухтактного двигателя процесс сжатия начинается с момента закрытия выпускных окон (точка m), поэтому действительная степень сжатия

Геометрическая степень сжатия выражается той же формулой, что и для четырехтактных двигателей.

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

                В двухтактных двигателях

Объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в В.М.Т. называют объемом камеры сгорания и обозначают V_c.

Объем, описываемый поршнем между мертвым точками, называют рабочим объемом и обозначают V_h.

, где D – диаметр цилиндра.

                            S – ход поршня

V_h обычно измеряется в литрах.

Полный объем одного цилиндра.

; - степень сжатия, показывает, во сколько раз уменьшается объем цилиндра над поршнем, т.е. сжимается заряд в цилиндре, при перемещении поршня из Н.М.Т. в В.М.Т.

Степень наполнения цилиндра свежим зарядом оценивается коэффициентом наполнения , который показывает отношения действительного количества заряда G₃, поступившего в цилиндр, к тому количество, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра V_h при температуре t_k и давлении P_k заряда во впускном трубопроводе.

, где  - плотность заряда при давлении P_k  и температуре t_k

или

Сравнение рабочих циклов четырехтактных и двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и при том же числе оборотов мощность двухтактного двигателя значительно больше. Учитывая увеличение числа рабочих циклов, следовало бы ожидать увеличение мощности в 2 раза. На самом деле мощность двухтактного двигателя увеличивается не в 2 раза, а приблизительно в 1,5 – 1,7 раза вследствие потери части рабочего объема, ухудшения очистки и накопления, а также некоторой затраты мощности на приведение в действие продувочного насоса. К преимуществам двухтактных двигателей следует также отнести большую равномерность крутящего момента, т.к. полный рабочий цикл осуществляется при каждом обороте коленвала (вместо двух в четырехтактных двигателях). Существенным недостатком двухтактного процесса является малое время, отводимое на процесс газообмена. Очистка цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом более совершенно происходит в четырехтактных двигателях.

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 имеют простота конструкции и ее компактность, чет экономичность работы.

Топливо для двигателей.

В качестве топлива используются жидкие нефтепродукты (бензин, дизельное топливо, тяжелое дизельное топливо) и горючие газы, основную часть которых составляют углеводороды.

Углеводороды обладают высокой теплотой сгорания, легко образуют с воздухом горючую смесь, сгорающую с большой скоростью. Продукты полного сгорания углеводородов не содержат компонентов, вредно действующих на детали двигателя и отравляющих атмосферный воздух.

Твердое топливо может быть использовано только при переработке его в жидкое или горючий газ. Непосредственное применение твердого топлива в ДВС вызывает недопустимые износы деталей двигателя зольными компонентами, содержащимися в продуктах сгорания.

Важнейшим качеством любого топлива является теплота сгорания, т.е. количество теплоты, которое выделяется при его полном сгорании. Теплоту сгорания газообразного топлива относят к 1м³ при t=0⁰ C и P = 760мм. рт. ст., а жидкого – к 1 кг. при тех же условиях.

Более высокая теплота сгорания топлива обеспечивает меньшие расходы его в двигателе, что особенно важно для транспортных двигателей.

При использовании газообразных и легко испаряющихся жидких топлив (например, бензина) подготовка их к сгоранию, обычно, осуществляется вне цилиндра двигателя в специальных устройствах. Горючий газ или пары легко испаряющегося жидкого топлива поступают в цилиндр в виде горючей смеси топлива с воздухом.

В случае применения жидких топлив с недостаточной испаряемостью образование горючей смеси из паров топлива и воздуха осуществляется внутри цилиндра двигателя. Воздух поступает в цилиндр отдельно, а затем в нагретый вследствие высокого сжатия воздух вводится жидкое топливо в мелкораспыленном виде. Капельки распыленного топлива нагреваются в среде воздуха, имеющего высокую температуру, и переходят в парообразное состояние.

Газообразное топливо.

В качестве газообразного топлива в ДВС применяются природные газы, добываемые из чисто газовых месторождений, промысловые газы при добыче и переработке нефти, канализационные газы и газы, получаемые из различных твердых топлив путем их газификации.

Газообразное топливо является механической смесью различных горючих и инертных газов. В состав газообразного топлива могут входить в самых различных соотношениях метан СН₄, углеводорода вида C_nH_m, окись углерода СО, углекислый газ СО₂, водород Н₂ и инертные газы, в основном азот N₂. Главным компонентом природных и канализационных газов является метан, содержание которого достигает 85-97%. В промысловых газах содержится 30-70% метана, остальную часть составляют более тяжелые углеводороды метанового ряда.

Содержание в газообразном топливе влаги и вредных загрязняющих примесей строго ограниченно.

Жидкое топливо.

Жидкое топливо, применяемое в двигателях внутреннего сгорания, получается в основном в результате переработки нефти. Применяется также синтетическое жидкое топливо, которое производится из различных видов твердых топлив и газов.

Нефтяное жидкое топливо состоит в основном из углерода С (85-87%), водорода Н (12,5-14,7%) и относительно небольшого количества кислорода О (0-0,5%).

Иногда в топливе в незначительных количествах содержатся сера S и азот N₂.

Жидкие топлива для ДВС по основным показателям делятся на две группы:

1) топливо для карбюраторных двигателей;

2) топливо для двигателей с воспламенением от сжатия (дизель).

Испаряемость.

Важнейшим показателем качества жидкого топлива является испаряемость, т.е. способность переходить в парообразное состояние. От испаряемости топлива существенно зависит протекание всех фаз рабочего процесса (цикла), его экономичность, а также пусковые характеристики двигателя.

Испаряемость жидкого топлива характеризуется фракционным составом, который показывает процентные (по объему) содержание углеводородов топлива, выкипающих до той или иной температуры.

График зависимости объема испаряющегося топлива от температуры называется кривой фракционной разгонки.

Вязкость.

Показателем качества жидкого топлива, влияющим на процессы теплоотдачи и распыливания, служит коэффициент кинематической вязкости. Вязкость топлива возрастает по мере утяжеления его фракционного состава. С понижением температуры вязкость топлива увеличивается, что затрудняет процесс топливоотдачи. У топлив со значительной вязкостью она в большей мере зависит от температуры.

Так, например, при понижении температуры от 20 до -20⁰ С коэффициент кинематической вязкости бензинов возрастает примерно в 2 раза, а дизельных топлив – более чем в 5-10 раз.

Вам также может быть полезна лекция "69 Наблюдение".

Детонационная стойкость.

Одним из важнейших показателей качества топлива для карбюраторных двигателей является его детонационная стойкость, от которой зависит нормальное распространение пламени при сгорании. При несоответствии детонационной стойкости топлива степени сжатия двигателя нарушается нормальное протекание процесса сгорания, связанные с возникновением ударных волн в камере сгорания вследствие объемного самовоспламенения части топлива. Работа двигателя на детонационном режиме недопустима, т.к. связана с перегревом двигателя, падением мощности, появлением металлических стуков в цилиндре, сажи в выпускных газах. При длительной работе двигателя с детонацией возможно прогорание поршней, клапанов и разрушение подшипников.

Каждому топливу соответствует своя максимально допустимая степень сжатия. Для обеспечения нормального протекания процесса сгорания необходимо применять топливо, при котором двигатель на всех режимах работает без детонации.

Детонационная стойкость определяется в специальном двигателе при стандартных условиях испытания. Высокой детонационной стойкостью среди углеводородов обладает изооктан (его стойкость принимается за 100 единиц), наименьшей – нормальный гептан (его стойкость равна нулю).

Детонационная стойкость бензина характеризуется октановым числом, т.е. процентным ( по объему) содержанием изооктана в такой смеси с нормальным гептаном, которая по детонационной стойкости равноценна данному топливу. Так, например, если исследуемое топливо при испытаниях детонирует так же, как смесь, содержащая 70% изооктана и 30% нормального гептана, что октановое число такого топлива равно 70.

Чем больше октановое число топлива, тем выше максимально допустимая степень сжатия, при которой топливо будет сгорать без детонации. Различные бензины имеют октановые числа 70-100; октановое число топлив, имеющих детонационную стойкость, лучшую, чем изооктан, оценивается по условной шкале октановых чисел.