5. Двухтактный цикл двигателя

В двухтактных двигателях (рис.5.1.) рабочий цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала. Вспомогательные процессы, связанные с впуском свежего заряда и выпуском отработавших газов, осуществляются путем продувки цилиндра, заключающейся в том, что рабочее тело вводится в цилиндр под давлением, превышающим атмосферное. Для создания такого давления служит продувочный насос. В двухтактных двигателях с невысокой мощностью функции продувочного насоса обычно выполняет поршень, а продувка называется кривошипно-камерной. Так как часть хода поршня теряется на перекрытие продувочных окон, то мощность двигателя при переходе на двухтактный цикл увеличивается не в два раза, как следовало ожидать, а в 1,5 – 1,7 раза.

Из-за сокращения времени, отводимого на очистку цилиндра от отработавших газов и поступления свежего заряда, качество очистки в двухтактных двигателях невысокое, что негативно сказывается на экономичности двухтактных двигателей и токсичности в сравнении с четырехтактными. В основном область их применения – крупные тихоходные судовые двигатели с частотой вращения вала 100-120 мин^-1., в которых из-за малой скорости поршня оказывается достаточно времени на проведение качественной очистки цилиндра от отработавших газов и наполнения цилиндра свежим зарядом. Осуществление рабочего цикла в двухтактных двигателях можно представить в таком виде.

Ι такт соответствует перемещению от НМТ к ВМТ. При положении поршня в НМТ продувочные и выпускные окна открыты. Свежий заряд под давлением 0,11 – 0,14 МПа подается в цилиндр через продувочные окна, перемешивается с отработавшими газами и вместе с ними покидает цилиндр. Совместное протекание процессов наполнения и принудительного вытеснения отработавших газов продолжается до тех пор, пока своим движением в сторону ВМТ поршень не перекроет продувочное окно. При дальнейшем перемещении поршня к ВМТ в цилиндре происходит обычный процесс сжатия. Процесс сгорания протекает так же, как и в четырехтактных циклах.

1

2

4

5

6 цитату из документа или краткое описание интересного события. Надпись можно поместить в любое место документа. Для изменения форматирования надписи, содержащей броские цитаты, используйте вкладку "Работа с надписями".]

3

7

Рис. 5.1. Схема устройства 2-тактного двигателя с прямоточно-клапанной продувкой: 1 – продувочный насос; 2 – продувочный ресивер;

3 – выпускные клапаны; 4 – цилиндр; 5 – продувочные окна; 6 – поршень;

7 – шатун

ΙΙ такт – соответствует перемещению поршня от ВМТ к НМТ. Происходит догорание, расширение, совершается полезная работа. При перемещении поршня температура и давление газов понижается, и когда кромка поршня откроет продувочные окна, в цилиндр начинает поступать свежий заряд. Однако основным процессом рассматриваемого второго такта поршня является процесс расширения, поэтому заключительный второй этап носит название такта расширения.

6. Показатели двигателей

6.1. Индикаторная и эффективные показатели

Мощность, развиваемая газами в цилиндрах двигателя, называется индикаторной и характеризует работу, совершаемую газами в цилиндрах двигателя за единицу времени. Эффективность процессов, протекающих в цилиндре ДВС, можно оценить по записи процессов в цилиндре двигателя при помощи индикатора. Поэтому диаграмма, показывающая изменение давления в цилиндре, носит название индикаторной. Виды индикаторных диаграмм, построенных в координатах p-V, приведены на рис. 4. 1рис. 4.2 .Каждый элемент площади индикаторной диаграммы выражает вполне определенную работу. Площадь, заключенная между линиями сжатия а-с и расширения z-b эквивалента положительной работе газов за цикл L_i. Площадь, заключенная между линиями выпуска и b-r и наполнения r-a, определяет работу, затраченную на впуск свежего заряда и выталкивание отработавших газов L_r. Если полезную индикаторную работу L_i отнести к единице рабочего объема цилиндра V_h, то в результате получим некоторое условное постоянное давление, которое, действуя на поршень, совершает работу за ход поршня, равную работе, совершаемой переменным давлением за весь цикл, т.е. р_i= L_i / V_h . Условное давление р_i называют средним индикаторным давлением. При наличии значения р_i можно определить мощность, получаемую в цилиндре N_i , индикаторную мощность.

Не вся мощность, получаемая в цилиндре, отдается потребителю. Часть этой мощности N_м используется в самом двигателе – на приведение различных насосов (масляного, топливного, насоса для циркуляции охлаждающей жидкости и др.), преодоление трения между трущимися поверхностями, совершение насосных ходов (впуск свежего заряда и выпуск отработавших газов). Величина этой мощности зависит от совершенства конструкции двигателя и навешенных на двигатель вспомогательных агрегатов, оптимальной регулировки температуры масла, воды, качества обработки трущихся поверхностей, способов изготовления деталей, применения для изготовления деталей материалов с заранее заданными свойствами. Так, к примеру, замена штампованного стального вентилятора на пластмассовый литой позволяет уменьшить затраты мощности на привод вентилятора.

Штампованные поршни из алюминиевых сплавов по сравнению с отлитыми при одинаковых показателях прочности имеют меньшие конструктивные массы и являются более долговечными.

Мощность, снимаемая на выходном фланце коленчатого вала двигателя, называется эффективной мощностью. Она определяется из соотношения

N_е = N_i – N_м .

Показателем экономичности двигателя служит удельный эффективный расход топлива g_е =G_т /N_е (г/кВт ч.), где G_т – часовой расход топлива, кг/ч.

Таблица 6.1

Значения удельных эффективных расходов топлива

Тип двигателей	Удельный эффективный расход (г/кВт ч)
Двигатели с электронным управлением впрыском бензина	200-290
Карбюраторные двигатели	230-310
Дизели	200-235

Для современных автомобильных и тракторных двигателей значения эффективного удельного расхода топлива при номинальной нагрузке приведены в табл. 6.1.

Вторым показателем экономичности служит эффективный КПД η_е = = η_i η_м. Здесь η_i и η_м соответственно индикаторный и механический кпд. Из последней зависимости следует, что высокая экономичность может быть получена в тех двигателях, в которых реализованы высокоэффективные тепловые процессы (η_i) и которые по конструктивному исполнению выполнены на самом высоком уровне (η_м).

Значения эффективного КПД для выполненных двигателей на номинальном режиме приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Значения эффективного КПД

Тип двигателя	Эффективный КПД
Четырехтактные двигатели с воспламенением от искры	0,28 – 0,38
Четырехтактные дизели: без наддува с наддувом	0,36 – 0,42 0.30 – 0,45

Более высокие значения эффективного КПД у дизелей по сравнению с η_е бензиновых двигателей является в основном следствием повышенных значений у них коэффициента избытка воздуха а следовательно, и более полного сгорания топлива.

Повышение показателей двигателей по токсичности и экономичности требует все большего применения электроники к управлению работой систем питания двигателей, призванных приготавливать горючую смесь по составу и количеству соответствующую режиму работы двигателя. Системы, обеспечивающие управление подачей искры, должны осуществлять подачу искры по углу поворота коленчатого вала таким образом, чтобы сгорания в цилиндрах протекало в сроки, наиболее выгодные с точки зрения наилучшего превращения теплоты, выделяемой при сгорании топлива, в полезную работу.

Применение в дизелях электроники призвано передать функции более тонкого управления подачей топлива от механики к электронике. Так, система с электронным управлением подачи топлива позволяет формировать как величину цикловой подачи, так и момент подачи в зависимости от таких важных факторов, как температуры и давления окружающей среды, самого двигателя, скоростного и нагрузочного режимов, величины давления наддува и др. Это позволит исключить дымление при работе дизелей на таких режимах, как пуск дизеля, работе при неустановившихся режимах. Итогом такого управления работой дизеля является улучшение топливной экономичности и снижения вредных выбросов с отработавшими газами.

Для оценки эффективности использования рабочего объема двигателя и его степени совершенства служит литровая мощность.

Одним из важнейших средств снижения массы и уменьшения габаритных размеров двигателя является его форсирование по удельной мощности.

Предпочтительные способы форсирования по удельной мощности дизелей и бензиновых двигателей несколько различаются. Для дизелей предпочтительным является повышение удельной мощности за счет подачи воздуха под повышенным давлением и увеличения сжигания в цилиндре количества топлива. Схема наиболее распространенного двигателя с газотурбонаддувом представлена на рис. 6.1.

Отработавшие

газы

ГТ

Выпуск

Двигатель

К

воздух

Рис. 6.1. Схема двигателя с газотурбинным наддувом:

ГТ – газовая турбина; К – компрессор

Воздух, после сжатия в компрессоре, поступает в цилиндры двигателя. Для приведения во вращение колеса турбины и расположенного с ней на одной оси колеса компрессора, используется мощность, отбираемая от коленчатого вала двигателя (механический наддув), либо энергия выхлопных газов. Следует принимать во внимание, что с повышением давления поступающего в цилиндры воздуха возрастают тепловые и силовые нагрузки на детали цилиндро-поршневой группы, так как повышается количество сжигаемого топлива.

Применение наддува бензиновых двигателей повышает вероятность нарушения нормального протекания процесса сгорания из-за роста температуры конца сжатия, т.е. появление детонационного сгорания. Применение электроники для управления системой зажигания значительно расширило возможности применения наддува для увеличения удельных мощностей и улучшения топливной экономичности бензиновых двигателей.

С повышением величины наддува растет температура воздуха после компрессора, растут температуры деталей, т.е. повышается их тепловая напряженность, снижается массовое наполнение цилиндра свежим зарядом. Для снижений указанных отрицательных факторов при величине давления наддува превышающей 0,17 МПа, как правило, применяют дополнительное охлаждение воздуха перед поступлением его в двигатель. Опытные данные показывают, что мощность двигателя с промежуточным охлаждением воздуха увеличивается примерно на 2 – 4  на каждые 10⁰С снижения температуры воздуха. В современных установках с двигателями внутреннего сгорания уменьшение температуры воздуха перед поступлением его в двигатель достигает 50-70⁰С при одноступенчатом охлаждении и 100 - 120⁰С и более при двухступенчатом охлаждении.

Для охлаждения воздуха после компрессора применяют как газовые, так и газожидкостные рекуперативные теплообменники. Наиболее распространены газожидкостные теплообменники с трубчатыми теплопередающими поверхностями. Они отличаются простотой конструкции и высокой надежностью в эксплуатации. Теплообменники с пластинчатыми охладительными поверхностями компактны, но на транспортных силовых установках недостаточно надежны в эксплуатации из-за возникновения трещин в местах соединений листовых элементов. При нарушении герметичности газожидкостного охладителя охлаждающая жидкость может попасть в воздушную полость, а затем в цилиндры двигателя, и в результате гидравлического удара двигатель будет выведен из строя. В транспортных двигателях нашли применение воздухо-воздушные теплообменники, в которых наддувочный воздух охлаждается встречным потоком воздуха.

Для автомобильных бензиновых двигателей основными способами увеличения удельной мощности являются:

1. Повышение степени сжатия, обеспечивающее увеличение индикаторного КПД.

2. Повышение частоты вращения вала двигателя.

3. Применение непосредственного впрыска в бензиновых двигателях вместо карбюратора.

4. Использование газодинамических явлений во впускной и выпускных системах двигателя.

5. Применение принудительной подачи заряда.

Экономичность бензиновых двигателей заметно ухудшается при переходе на частичные нагрузки вследствие необходимого обогащения для устойчивого горения, поступающей в цилиндры двигателя смеси. Повышение степени сжатия бензинового двигателя дает возможность увеличить коэффициент избытка воздуха при работе на частичных нагрузках и расширить диапазон изменения нагрузки, в котором двигатель работает при  1.0. При обеднении смеси уменьшается неполнота сгорания в двигателе, и, таким образом, с увеличением степени сжатия улучшается экономичность и снижается токсичность выпускных газов двигателя при работе на частичных нагрузках. Особенно интенсивно улучшается экономичность и снижается токсичность выпускных газов при работе двигателя на малых нагрузках, что особенно важно для автомобильных двигателей, которые большую часть времени работают на таких режимах.

Повышение частоты вращения вала двигателя приводит к увеличению числа рабочих циклов в единицу времени и росту удельной мощности двигателя. В дизелях и в бензиновых двигателях с повышением частоты вращения улучшается качество распыливания топлива вследствие более высоких скоростей движения заряда в карбюраторе, а в дизелях и повышения давления впрыска топлива. С увеличением частоты вращения сокращается продолжительность цикла, что приводит к уменьшению потерь теплоты в стенки цилиндра, увеличиваются температура и давление в конце сжатия. Последнее благоприятно сказывается на протекании процесса сгорания. В дизелях вследствие этого сокращается период задержки воспламенения, сгорание протекает с меньшим шумом (более “мягко”). В бензиновых двигателях с увеличением частоты вращения вала уменьшается склонность к воспламенению (детонации), что дает возможность несколько повысить степень сжатия, а, следовательно, мощность и снизить расход топлива.

При форсировании двигателей повышением частоты вращения необходимо учитывать, что с ростом частоты вращения увеличивается скорость движения свежего заряда во впускной системе, растут потери на преодоление сопротивлений, и наполнение цилиндра свежим зарядом уменьшается. Чтобы не допустить снижения наполнения цилиндра и увеличения механических потерь с ростом частоты вращения, принимают следующие меры:

- уменьшение отношения хода поршня к диаметру цилиндра;

- увеличение КПД компрессоров и турбин и вспомогательных агрегатов (топливного, масляного и водяного насосов), вентилятора;

- поддержка оптимальной регулировки температуры охлаждающей жидкости, масла;

- повышение качества обработки трущихся поверхностей и т.д.;

- рациональный подбор смазочных масел, вязкость которых мало изменяется с изменением температур.

- увеличение проходных сечений впускных и выпускных органов;

- изменение соответствующим образом фазы газораспределения, применение переменных фаз газораспределения, конструкции впускных систем с изменяемой длиной впускного трубопровода.