Особенности рабочего цикла и теплового расчета двухтактных двигателей

Двухтактные двигатели обладают по сравнению с четырехтактными следующими преимуществами:

• Мощность двухтактных двигателей при прочих равных условиях значительно выше мощности четырехтактных двигателей. Теоретическая мощность двухтактного двигателя должна в два раза превышать мощность четырехтактного двигателя, так как рабочий цикл двухтактного двигателя совершается не за два, а за один оборот коленчатого вала. Однако из-за уноса части горючей смеси вместе с продуктами сгорания и несовершенной очистки цилиндров фактическое увеличение мощности составляет только 50 – 70%.
• Двухтактные двигатели обеспечивают большую равномерность хода, так как каждый рабочий ход у них совершается за один оборот вала.
• Двухтактные двигатели имеют меньшие габариты и вес.

Основные недостатки двухтактных двигателей по сравнению с четырехтактными заключаются в следующем:

• Неизбежные потери топлива в период продувки (очистки) цилиндров резко ухудшают экономичность и КПД двигателя. Эти потери топлива наиболее значительны у карбюраторных двигателей с кривошипно-камерной продувкой, что в значительной мере и ограничивает сферу их применения.
• Двухтактные двигатели в процессе работы отличаются большей тепловой напряженностью деталей кривошипно-шатунного механизма, что является следствием удвоенной частоты рабочих ходов; в более напряженных условиях работает и топливоподающая аппаратура (дизельные двигатели).

Указанные недостатки в значительной мере уменьшаются у двухтактных дизельных двигателей с прямоточно-клапанной продувкой при помощи нагнетателя. Это объясняется тем, что по сравнению с кривошипно-камерной продувкой при прямоточно-клапанной продувке происходит в основном замещение отработавших газов свежим зарядом (продувочный воздух), при этом перемешивание отработавших газов и воздуха незначительно и достигается хорошая очистка цилиндров от продуктов сгорания. Потери топлива в процессе прямоточно-клапанной продувки практически исключаются, экономичность двигателя значительно возрастает, днище поршня и выпускные клапаны в конце продувки охлаждаются воздухом, что снижает их температуру.

Однако двухтактные дизельные двигатели с прямоточно-клапанной продувкой при помощи нагнетателя довольно сложны по конструкции и недостаточно долговечны.

Двигатель с бесклапанной продувкой (в том числе с петлевой) прост по конструкции, так как не имеет клапанного механизма. Нагнетатель двигателя работает при невысоком давлении продувочного воздуха и поэтому не требует значительных затрат мощности на привод. Его экономичность находится в близком соответствии с экономичностью современных четырехтактных дизелей, но среднее эффективное давление меньше (до 0.5 МПа), а габариты и вес значительно больше.

Основные особенности рабочего цикла двухтактных двигателей по сравнению с четырехтактными заключаются в следующем:

1. Рабочий цикл у них осуществляется за один оборот коленчатого вала, т. е. за два хода поршня.

2. Часть хода поршня используется для перезарядки цилиндра. Этот процесс осуществляется в конце такта расширения (выпуск продуктов сгорания) и начале такта сжатия (впуск свежего воздуха).

3. Время, отводимое на впуск свежего заряда и выпуск продуктов сгорания, крайне ограничено.

4. Процесс удаления продуктов сгорания из цилиндра двигателя (продувка) производится путем замещения их свежим зарядом – горючей смесью у карбюраторных двигателей и воздухом у дизельных двигателей.

5. Индикаторная диаграмма отличается иной конфигурацией части линии расширения и части линии сжатия, характеризующих процесс перезарядки (см. рис. 1.12, 1.13).

Все величины теплового расчета двухтактных двигателей, за исключением параметров процессов выпуска и продувки, определяются так же, как и у четырехтактных дизельных двигателей.

Порядок расчета следующий.

Для расчета принимаются:

• коэффициенты: избытка воздуха, использования тепла, остаточных газов, неполноты диаграммы;
• температура окружающей среды;
• температура остаточных газов;
• приращение температуры вследствие подогрева воздуха о стенки цилиндра;
• давления: окружающей среды, продувки;
• показатели: политропный сжатия, политропный расширения, политропный сжатия воздуха в нагнетателе;
• степень повышения давления.

Коэффициент остаточных газов у карбюраторных двигателей с кривошипной камерной продувкой составляет от 0.25 до 0.35. У дизельных двигателей с прямоточной продувкой при помощи нагнетателя – от 0.02 до 0.10.

Коэффициент наполнения у карбюраторных двигателей с кривошипно-камерной продувкой равен 0.5–0.7, а у дизельных двигателей с прямоточной продувкой при помощи нагнетателя – 0.8–0.85.

Коэффициент избытка воздуха принимается: для двигателя без наддува 1.2–1.7, с наддувом 1.7–2.2.

Коэффициент неполноты диаграммы составляет 0.98–1. Среднее индикаторное давление у карбюраторных двигателей с кривошипно-камерной продувкой не превышает 0.45–0.5 МПа. У дизельных двигателей с прямоточной продувкой при помощи нагнетателя – 0.65–0.8 МПа.

Механический КПД двигателя без наддува 0.7–0.8; с наддувом (без учета затраты мощности на привод нагнетателя) 0.75–0.85; с наддувом с учетом мощности, затрачиваемой на привод нагнетателя, 0.65–0.75.

Все другие величины определяются, по формулам, применяемым для четырехтактных двигателей.

Удельный эффективный расход топлива составляет: для карбюраторных двигателей с кривошипно-камерной продувкой 260–370 г/кВт · ч; для дизельных двигателей с прямоточной продувкой при помощи нагнетателя 130–170 г/кВт · ч.

 

 

ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Тепловой баланс двигателей

Тепловой баланс двигателя дает представление о распределении теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. Тепловой баланс может быть составлен на основании данных испытаний двигателя или со значительными допущениями подсчитан аналитическим методом.

Уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

,

где: Q – количество теплоты, заключенное в сгоревшем топливе;

Q_Е – количество теплоты, эквивалентное эффективной работе двигателя;

Q_В – часть полных тепловых потерь, соответствующая количеству теплоты, отводимое системой охлаждения и смазки;

Q_Г – часть полных тепловых потерь, соответствующая количеству теплоты, отводимое с отработавшими газами;

Q_Н – часть полных тепловых потерь, обусловленная неполным или несовершенным сгоранием топлива в цилиндре двигателя;

Q_ОСТ – остаточный член теплового баланса, учитывающий количество теплоты, теряемое вследствие теплового излучения в окружающую среду, количество теплоты, соответствующее неиспользованной кинетической энергии отработавших газов, количество теплоты, соответствующее потерям на трение и на привод вспомогательных механизмов, а также другие неучтенные потери.

Тепловой баланс карбюраторного двигателя показан на рис. 3.1а, дизельного – на рис. 3.1б.

Количество теплоты, преобразованное в эффективную работу у карбюраторного ДВС, составляет 23–30%, у дизельного ДВС – 36–38 %.

а) б)

Рис. 3.1. Тепловой баланс карбюраторного и дизельного двигателя

Остальная часть теплоты, выделяющаяся при сгорании топлива, поглощается различными тепловыми потерями.

Тепловой баланс в значительной мере зависит от конструктивных особенностей двигателя (тип, основные размеры, степень сжатия, система охлаждения, смазки и др.), а также от ряда эксплуатационных факторов (условия окружающей среды, число оборотов, нагрузка и др.).