Рабочий цикл двухтактного двигателя

Рассмотрим работу двухтактного двигателя с принудительным воспламенением с кривошипно-камерной продувкой.

В процессе первого такта (рис. 4, а) при движении поршня от НМТ к ВМТ закрываются продувочное 7 и выпускное 2 окна и в надпоршневом пространстве сжимается рабочая смесь, а в кривошипной камере создается разрежение. Как только нижняя кромка поршня откроет впускное окно 3, горючая смесь через него поступит в кривошипную камеру. При подходе поршня к ВМТ (рис. 4, б) над ним находится сжатая рабочая смесь, а под ним, в кривошипной камере картера, свежий заряд горючей смеси при небольшом разрежении. В конце первого такта сжатая рабочая смесь в надпоршневом пространстве воспламеняется искрой запальной свечи 8.

Рис.4. Схема работы двухтактного с принудительным зажиганием двигателя: а – сжатие; б – расширение; в – выпуск; г – продувка; 1 – цилиндр; 2, 3 и 7 – выпускное, впускное и продувочное окна; 4 – кривошипная камера картера; 5 – шатун; 6 – поршень; 8 – свеча

Начинается второй такт (рис. 4, в). Под действием расширяющихся газов поршень движется к НМТ и воздействует на коленчатый вал через шатун 5, т. е. совершается механическая работа. При движении к НМТ поршень закрывает впускное окно своей нижней кромкой, а верхней открывает выпускное окно. При этом в кривошипной камере картера происходит сжатие горючей смеси, давление которой повышается до 0,15…0,17 МПа. Через выпускное окно под давлением 0,4…0,5 МПа и с большой скоростью отработавшие газы выходят наружу. Давление отработавших газов в цилиндре быстро падает до 0,10… 0,12 МПа и верхняя кромка поршня открывает продувочное окно (рис. 4, г). Горючая смесь под давлением поступает в цилиндр, вытесняя из него остатки отработавших газов. Процесс заполнения цилиндра горючей смесью с одновременным удалением из него отработавших газов называется продувкой цилиндра.

При движении поршня к ВМТ закрывается продувочное окно и продувка заканчивается. После этого в цилиндре начинается сжатие и рабочий цикл повторяется снова.

Таким образом, в двухтактном двигателе рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала, которому соответствуют два хода поршня. Основным процессом в первом такте является сжатие рабочей смеси, а во втором рабочий ход.

На рис. 5 показана схема работы двухтактного дизеля со щелевым газораспределением и контурной продувкой.

Первый такт соответствует перемещению поршня от НМТ к ВМТ. При движении поршня вверх (рис. 5, а) воздух, заключенный в цилиндре, сжимается. В конце такта сжатия в цилиндр впрыскивается топливо, которое благодаря высокой температуре воздуха самовоспламеняется и сгорает.

Рис. 5. Схема работы двухтактного дизеля: а – сжатие; б – расширение; в – выпуск; г – продувка

Второй такт соответствует перемещению поршня от ВМТ к НМТ. Под давлением газов поршень движется вниз, совершая рабочий ход (рис. 5, б). В конце рабочего хода (за 65…70° угла поворота кривошипа до НМТ) поршень своей верхней кромкой открывает выпускные (выхлопные) окна и отработавшие газы выходят из цилиндра в выпускной коллектор (рис 5, в). Давление в цилиндре при этом быстро падает.

Продолжая движение вниз, поршень за 45…50° угла поворота кривошипа до НМТ начинает открывать продувочные окна (рис. 5, г). К этому моменту давление в цилиндре приблизительно равно давлению продувочного воздуха, который поступает в цилиндр и вытесняет отработавшие газы. Процесс продувки продолжается до тех пор, пока поршень, пройдя НМТ, при обратном ходе не закроет продувочные окна.

При дальнейшем движении поршня к в.м.т. часть воздуха вытал­кивается из цилиндра через открытые выпускные окна. После закрытия выпускных окон начинается сжатие, в конце которого в камеру сгорания впрыскивается топливо, и затем рабочий цикл повторяется снова в той же последовательности.

Рассмотрим схемы различных типов продувки в двухтактных дизелях (рис. 6). Все существующие типы продувок в зависимости от характера движения продувочного воздуха подразделяют на две основные системы – контурную и прямоточную.

Контурные системы продувки. Эти системы характеризуются тем, что поступающий через впускные окна воздух движется по определенному контуру, вытесняя отработавшие газы через выпускные окна. Воздух поднимается сначала снизу вверх по контуру рабочего цилиндра, затем поворачивает на 180° и движется в обратном направлении. Контурные системы продувки могут быть разбиты в зависимости от расположения окон в цилиндре на группы. Рассмотрим их.

При поперечной щелевой продувке (рис. 6, а) выпускные окна 2 расположены против продувочных 3, но немного выше их для более полной очистки цилиндра от отработавших газов. Недостатком этой продувки является потеря части воздушного заряда, который вытесняется поршнем 1 через выпускные окна после закрытия продувочных окон, что снижает мощность дизеля. Поперечная щелевая продувка надежна в работе, проста по конструктивному выполнению и поэтому широко применяется в современных дизелях.

Рис. 6. Схема различных типов продувки: а – поперечная щелевая, б – петлевая, в – клапанная поперечная, г – прямоточная бесклапанная; 1 – поршень, 2 и 3 – выпускные и продувочные окна, 4 – автоматический клапан, 5 – ресивер

При петлевой продувке (рис. 6, б) выпускные 2 и продувочные 3 окна расположены в два ряда, одни над другими. При движении поршня к НМТ сначала открываются выпускные окна и отработавшие газы начинают выходить наружу, затем – продувочные окна и воздух, поступающий в цилиндр, направляется вниз благодаря особой конструкции сечений продувочных окон. Воздух обтекает вогнутую поверхность поршня и двигается вверх, описывая таким образом петлю. При своем движении воздух вытесняет продукты сгорания через выпускные окна.

Во время движения к ВМТ поршень сначала закрывает продувочные окна, а затем выпускные. Преимущества и недостатки петлевой продувки те же, что и поперечной щелевой. Петлевая продувка применяется у дизелей большой мощности.

При клапанной поперечной продувке (рис. 6, в) продувочные и выпускные окна расположены друг против друга на одной высоте. Продувочные окна 3 выполнены наклонными вверх и соединены с автоматическим клапаном 4, который регулирует впуск воздуха в цилиндр. При движении поршня к НМТ одновременно открываются оба типа окон и через выпускные начинается выпуск отработавших газов.

Однако воздух в цилиндр пойдет только тогда, когда давление в нем снизится, станет ниже давления в ресивере 5 и автоматический клапан откроет окна 3 При движении поршня к ВМТ продувка прекратится одновременно с выпуском, так как поршень перекрывает все окна. После этого начинается процесс сжатия воздуха.

Основным преимуществом этого способа является малый общий расход воздуха при продувке и большое количество свежего заряда воздуха, поступающего за цикл в цилиндр, в связи с чем несколько возрастает мощность дизеля.

Прямоточная система продувки. Особенность этой системы состоит в том, что в процессе продувки поток воздуха движется только в одном направлении. Рассмотрим прямоточную бесклапанную продувку (рис. 6, г). Этот способ продувки применяют в дизелях с противоположно движущимися поршнями. Выпускные и продувочные окна располагают по всей окружности цилиндра. Нижний поршень открывает выпускные окна, а верхний – продувочные. Выпускные окна располагают выше, чем продувочные, поэтому выпуск отработавших газов начинается несколько раньше начала продувки.

Двухтактные двигатели внутреннего сгорания по сравнению с четырехтактными имеют ряд преимуществ: упрощенную конструкцию (отсутствие клапанного механизма газораспределения), большую мощность (при одинаковых диаметре цилиндра, ходе поршня и частоте вращения коленчатого вала) из-за вдвое большего количества рабочих ходов. Кроме того, в двухтактном двигателе коленчатый вал вращается более равномерно, поскольку на каждый его оборот приходится один рабочий ход. Это позволяет обходиться без утяжеленных маховиков.

Недостатками двухтактных двигателей являются повышенный удельный расход топлива (часть топлива уходит с отработавшими газами во время продувки) и плохая очистка цилиндра от продуктов сгорания, что ведет к уменьшению наполнения его горючей смесью и снижению мощности двигателя. Кроме того, высокая частота рабочих ходов двигателей приводит к повышенному нагреву деталей кривошипно-шатунного механизма и их ускоренному износу.