Рабочие процессы двухтактного двигателя

Действительный цикл двухтактного двигателя реализуется за два перемещения поршня между ВМТ и НМТ, что соответствует одному обороту коленчатого вала. Процессы сжатия, сгорания и расширения в двух- и четырехтактных двигателях принципиаль­ных отличий не имеют, и особенности рабочих процессов этих двух типов двигателей заключаются в различных способах ор­ганизации газообмена. На рис. 1.6 приведена схема двухтактного двигателя. Основу его конструкции составляют кривошипно-шатунный механизм 1, продувочный нагнетатель 2, выпускное 3 и продувочное 4 окна. Здесь же приведена его индикаторная диаграмма.

Рис. 1.6. Схема и индикаторная диаграмма двухтактного двига­теля

Первый такт (φ = 0...180°) состоит из следующих процессов: с' – z – часть процесса сгорания; z – 1 – процесс расширения. Точка 1 индикаторной диаграммы соответствует началу открытия порш­нем выпускного окна 3, после чего начинается свободное истечение ОГ. При дальнейшем движении поршня в сторону НМТ он от­крывает продувочное окно 4 (точка 2 диаграммы), после чего вплоть до достижения НМТ (точка а диаграммы) через проду­вочное и выпускное окна осуществляется продувка цилиндра све­жим зарядом, а давление в цилиндре устанавливается на уровне давления р„ создаваемого нагнетателем (р_к >р₀). Продувка продол­жается и в начале второго такта работы двигателя (φ = 180...360°) при движении поршня к ВМТ до полного перекрытия поршнем продувочного окна осуществляется вытеснение части заряда, находящегося в надпоршневом пространстве (точка 4). Далее следует процесс сжатия 4 – f, в конце которого (точка f) в двига­теле с искровым зажиганием подается электрическая искра, а в ди­зеле начинается впрыскивание топлива и происходит процесс сго­рания.

Отличительной особенностью двухтактного двигателя являет­ся то, что не весь рабочий объем цилиндра V_h используется для расширения; часть его V_п называемая потерянным объемом, ис­пользуется для организации процессов газообмена. Отношение φ_п = V_п/V_h называется долей потерянного объема и в зависимости от схемы продувки φ_п =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 =(V_c+V_h)/V_c.. Здесь V^/_h = V_h – V_п объем цилиндра, используемый для расширения рабочего тела. Очевидно, что ε > ε_д.

1.2.4. Энергетический баланс, экономические, энергетические и экологические показатели двигателя

Энергетический баланс, приведенный на рис. 1.7, показывает, как энергия, которая могла бы выделиться при полном сгорании всего поданного в цилиндр двигателя топлива за цикл его работы Q₁, разделяется на полезную (эффективную) работу L_е и на основные виды потерь (тепловые Q_пот и механические Q_м):

Если при совершении одного цикла двигателя в цилиндр подает­ся (G_тц топлива, то Q₁ = G_тцH_и , где Н_и – низшая теплота сгорания. Часть теплоты Q₁ идет на совершение индикаторной работы цикла L_i, которая представляет собой избыточную работу, получаемую за такты сжатия и расширения (рис. 1.8):

В соответствии с этим L_i представляется на индикаторной диаграм­ме заштрихованной площадью.

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

Рис. 1.7. Энергетический баланс ДВС

Экономичность действительного цикла оценивается индикатор­ным КПД, показывающим, какая доля теплоты, введенной в цикл с топливом Q₁, преобразуется в индикаторную работу η_i= L_i/Q₁ . Этот показатель характеризует уровень тепловых потерь в двига­теле и с учетом того, что L_i = Q₁ – Q_пот, η_i = 1 - Q_пот/ Q₁=1 – (Q_охл+Q_ог +Q_ис)/ Q₁.

Таким образом, возрастание любого вида потерь теплоты, будь то потери при теплообмене заряда с элементами, формирующими внутрицилиндровое пространство – Q_охл (потери в окружающую среду, в основном в систему охлаждения), или потери теплоты, аккумулированной рабочим телом, покидающим цилиндр в процессе выпуска – Q_ог (потери с отработавшими га­зами), либо потери, связанные с неполным сгоранием поданного в цилиндр топлива – Q_нс (потери теплоты из-за неполноты сго­рания), вызывает уменьшение η_i.

Рис. 1.8. К определению индикаторной работы цикла

Индикаторная работа, получаемая за единицу времени, называ­ется индикаторной мощностью N_i=L_i/τ_ц (τ_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 τ_ц=(60/n) 0,5τ, где τ - коэффициент тактности, равный двум для двух- и четырем для четырехтактных двигателей. С учетом того, что р_i =L_i/V_h при количестве цилиндров двигателя, равном i, мощность N_i (кВт) равна

(1.1.)

Для оценки экономичности двигателя большее практическое применение получил параметр, называемый удельным индикатор­ным расходом топлива g_i, показывающий, какое количество топлива расходует двигатель на производство единицы индикаторной ра­боты:

(1.2.)

Величина g_i обычно выражается в г/ (кВт • ч), поэтому в числителе уравнения (1.2) расход топлива задают в кг/ч, а в знаменателе работу в кВт, вследствие чего .

Индикаторная работа частично идет на преодоление внешней нагрузки (т. е. применительно к транспортным средствам передает­ся на трансмиссию), где совершает полезную работу L_e, и на ком­пенсацию потерь внутри двигателя (механические или внутренние потери) L_мп, состоящие из потерь работы на трение L_тр, на ре­ализацию процессов газообмена L_го^, на привод вспомогательных агрегатов и механизмов L_в (масляный и водяной насосы, топливоподающая аппаратура дизелей и т. д.).

Уровень механических потерь в двигателе оценивается механи­ческим КПД , показывающим, какая доля индикаторной работы преобразуется в эффективную, или с учетом того, что .

Совокупные потери в двигателе оцениваются эффективным КПД, показывающим, какая доля теплоты, введенной с топливом, преобразуется в эффективную работу:

; (1.3)

(1.4)

где р_е=L_e/V_h – среднее эффективное давление (параметр, аналогич­ный р_i). Эффективный крутящий момент двигателя М_к пропорци­онален р_е , т. е. .

Общепринятым для оценки экономичности двигателя является параметр, называемый удельным эффективным расходом топлива g_e, показывающий, какое количество топлива расходуется на произ­водство единицы эффективной работы:

(1.5)

Все одноименные индикаторные и эффективные показатели свя­заны между собой механическим КПД:

Значения индикаторных и эффективных показателей современ­ных двигателей транспортных машин приведены в табл. 4.1 и 4.2.