2.6. Рабочий процесс двухтактного двигателя внутреннего сгорания

Процессы сжатия, сгорания и расширения в двух- и четырех­тактных двигателях принципиальных отличий не имеют. Различие рабочих процессов этих двух типов двигателей наблюдается только в различных способах организации газообмена. На рис. 2.7 показана схема двухтактного двигателя.

Действительный цикл двухтактного двигателя реализуется за два перемещения поршня между ВМТ и НМТ, что соответствует одному обороту коленчатого вала.

Рис. 2.7. Схема и индикаторная диаграмма двухтактного двигателя

Основу конструкции двухтактного двигателя составляют кривошипно-шатунный механизм 2, продувочный нагнетатель 4, выпускное 1 и про­дувочное 3 окна.

Первый такт ( = 0...180°) включает следующие процессы: с'z — часть процесса сгорания; z1 — процесс расширения. С от­крытием поршнем выпускного окна 1 начинается свободное истечение отработавших газов (точка 1 индикаторной диаграммы). При дальнейшем движении в сторону НМТ поршень открывает продувочное окно 3 (точка 2 диаграммы), после чего вплоть до достижения НМТ (точка а диаграммы) через продувочное и выпускное окна происходит продувка цилиндра свежим зарядом, а давление в цилиндре держится на уровне давления р_к , создаваемого нагнетателем (р_к > р₀).

В начале второго такта работы двигателя ( = 180...360°) продувка продолжается при движении поршня вверх до полного перекрытия поршнем продувочного окна (точка 3). После этого осуществляется вытеснение части заряда, находящегося в надпоршневом пространстве вплоть до полного закрытия выпускного окна (точка 4).

Далее следует процесс сжатия 4f. В конце процесса сжатия (точка f) в карбюраторный двигатель подается элект­рическая искра, в дизель начинается впрыскивание топлива и про­исходит процесс сгорания.

В двухтактном двигателе не весь рабочий объем цилиндра V_h используется для расширения; часть его V_n, называемая потерянным объемом, используется для организации процессов газообмена. Доля потерянного объема определяется отношением ψ = V_п / V_h называется, в зависимости от схемы продувки ψ = 0,1...0,28. В связи с этим в двухтактных двигателях различают степени сжатия: действительную ε_д = (V_c + V'_h) / V_c и геометрическую ε_д = (V_c + V_h) / V_c. Здесь V'_h = V_h- V_n — объем цилиндра, используемый для расширения рабочего те­ла. Очевидно, что ε>ε_д.

2.7. Показатели двигателя внутреннего сгорания

В качестве показателя работоспособности цикла на практике используется не индикаторная работа L_i, которая определяется не только совершенством организации рабочих процессов, но и раз­мерностью двигателя, а удельный показатель p_i, который представля­ет собой индикаторную работу цикла, снимаемую с единицы рабочего объема p_i = L_i / V_h. Объем p_i имеет размерность давления и называется средним индикаторным давлением.

Индикаторный КПД, оценивающий экономичность действительного цикла, показывает, какая доля теплоты, введенной в цикл с топливом Q₁, преобразуется в индикаторную работу η_i = L_i / Q₁.

Ин­дикаторной мощностью называется индикаторная работа, получаемая за 1 с, N_i = L_i/t_ц, где t_ц — время реализации одного рабочего цикла. Если частота вращения коленчатого вала двигателя n, мин ^-1, то величина обратная (1/n) — время одного оборота в минутах и 60/n — в секундах. В этом случае t_ц=(60/n) 0,5 τ, где τ — коэффициент тактности, равный двум для двух- и четырем для четырехтактных двигателей. С учетом того, что L_i=p_iV_h при количестве цилиндров двигателя, равном i, мощность (кВт)

N_i = p_i · n · i · V_h / (30 τ).

Экономичность двигателя оценивается параметром, называемым удельным индикаторным расходом топлива g_i. Этот параметр показывает, какое количество топ­лива расходует двигатель на производство единицы индикатор­ной работы:

g_i = q_ц / L_i.

Величина g_i обычно выражается в г/(кВт·ч), поэтому в чис­лителе этого уравнения расход топлива задают в размерности кг/ч, а в знаменателе в кВт, вследствие чего

g_i = 10³ G_т / N_i.

К эффективным показателям двигателя, учитывающим как тепловые, так и механические потери в двигателе, относятся среднее эффективное давление, эффективная мощность, литро­вая мощность, эффективный КПД и удельный эф­фективный расход топлива.

Постоянное давление, которое, дейст­вуя на поршень в течение одного рабочего хода, совершает работу, равную эффективной работе на коленчатом валу двига­теля за рабочий цикл, называют средним эффективным дав­лением р_е. Среднее эффективное давление меньше среднего индикатор­ного давления р_i на величину среднего давления механических потерь р_м, т. е. р_е = р_i – р_м.

Часть среднего индикаторного давления, расходуемого на меха­нические потери, называют средним давлением механических потерь. Исследованиями установлено, что

для четырехтактных дизельных двигателей

р_м = 1,1 + 0,13 С_п,

для четырехтактных карбюраторных двигателей

р_м = 0,42 + 0,12 С_п,

где С_п = Sn/30 — средняя скорость поршня, м/с.

Эффективной мощностью двигателя N_е называют мощность, снимаемую с коленчатого вала двига­теля для получения полезной работы. Эффективная мощность меньше индикаторной N_i на величину мощности механических потерь N_м, т.е.

N_е = N_i – N_м.

Величина механических потерь зависит от конструкции, технологии изготовления и качества материала деталей двигателя. К механическим потерям относится мощность, затрачиваемая на преодоление трения между трущимися поверхностями деталей двигателя, на приведение в действие вспомогательных механизмов приборов и агрегатов, на насосные потери (потери на всасывание и выталкивание газов при очистке и зарядке) и на вентиляционные потери.

Механические потери в двигателе характеризуются механическим КПД η_м, который представляет собой отношение эффективной мощности к индикаторной или отношение среднего эффективного давления к индикаторному, т. е.

η_м = N_e / N_i = p_e / p_i.

Для современных двигателей механический КПД составляет 0,72  0,9.

Эф­фективную мощность можно определить, зная значение механического КПД,:

N_e = η_м N_i.

Эффективная мощность двигателя N_e (кВт) аналогично инди­каторной мощности может быть выражена через среднее эффек­тивное давление:

N_e = p_e · n · i · V_h / (30 τ).

М_к = р_е I V_h / (π τ), т.е. эффективный крутящий момент двигателя М_к пропорционален р_е.

Экономичность двигателя оценивается параметром, называемым удельным эффективным расходом топлива g_e, показывающим, какое количество топлива расходует­ся на производство единицы эффективной работы:

g_e = 10³ G_т / N_e.

Номинальную эффективную мощность, снимаемую с единицы рабочего объема двигателя, называют литровой мощностью:

N_л = N_e / i · V_h = p_e · n / (30 τ).

Чем выше литровая мощность, тем меньше рабочий объем и соответственно меньшие габариты и массу имеет двигатель при одинаковой номинальной мощности.

Эффективный КПД η_е оценивает степень использования теплоты топлива с учетом всех видов потерь.

Индикаторный и эффективный КПД связаны между собой соотношением η_е = η_i η_м.

Показатели, характеризующие тепловую и ди­намическую напряженность конструкции двигателя, используют для оценки его надежности и долговечности. Основным показателем является средняя скорость поршня С_п, которая оценивает механическую напряженность, так как определяет уровень нагруженности деталей двигателя инерционными силами, пропорциональными С_п, а также косвенно характеризует износ сопряженных элементов.

Поршневая мощность (кВт/дм²) определяет комплексную напряженность (тепловую и механическую)

N_п = N_е / (i · F_п).

Параметр N_п обозначающий эффективную мощность, приходящу­юся на единицу площади всех поршней, тесно связан с литровой мощностью двигателя, так как с учетом того, что i F_п = i V_h / S,

N_п = N_л · S = p_e · C_п / τ.

где р_е характеризует тепловую и механическую, а C_п — ди­намическую напряженность конструкции двигателя.

В группу массогабаритных показателей входит удельная мас­са (кг/кВт),

g_N = M_дв / N_е,

представляющая собой массу сухого дви­гателя M_дв, отнесенную к его номинальной эффективной мощ­ности, а также литровая масса (кг/л)

g_N = M_дв / (i · V_h).

Эти показатели связаны между собой через литровую мощ­ность:

g_N = g_л / N_л.

Параметр g_л у дизелей больше, чем у карбюраторных двигателей при одинаковом рабочем объеме в основном из-за большей массы элементов конструкции вследствие более высокой их тепловой, механической и динамической напряженности. Для дизелей ха­рактерны большие, чем в двигателях с искровым зажиганием, значения удельной массы , так как ди­зели без наддува имеют, как правило, меньшую N_л.