Робочий цикл двотактного ДВЗ

Більш повно час, що відводиться на робочий цикл, використовується в двотактних двигунах, в яких робочий цикл здійснюється за два такти, тобто за один оберт колінчастого валу. На відміну від чотиритактних двигунів, в двохтактних очищення робочого циліндра від продуктів згорання і наповнення його свіжим зарядом, або, іншими словами, процес газообміну, відбуваються тільки при русі поршня поблизу НМТ. При цьому очищення циліндра від випускних газів здійснюється шляхом витіснення їх не поршнем, а заздалегідь стислим до певного тиску повітрям або горючою сумішшю. Попереднє стиску повітря або суміші проводиться в спеціальному продувальному насосі або компресорі, що виконується у вигляді окремого агрегату. У невеликих двигунах як продувальний насос іноді використовуються внутрішня порожнина картера (кривошипна камера) і поршень двигуна.

В процесі газообміну в двотактних двигунах деяка частина повітря або горючої суміші неминуче віддаляється з циліндра разом з випускними газами через випускні органи. Цей витік повітря або горючої суміші враховується при виборі продуктивності продувального насоса або компресора.

У двотактних двигунах застосовуються різні схеми газообміну.

Прямоточна клапанно-щілинна схема газообміну (рис. 1.8). Основними особливостями пристрою двигуна цього типу є: 1) впускні вікна (1), розташовані в нижній частині циліндра, висота яких складає близько 10–20 % ходу поршня. Відкриття і закриття впускних вікон проводиться поршнем (3) при його русі в циліндрі;2) випускні клапани (4), розміщені в кришці циліндра, з приводом від розподільного валу, частота обертання якого забезпечує відкриття клапанів один раз за один оберт колінчастого валу;

3) продувальний насос нагнітає повітря під тиском через відкриті вікна (1) для очищення циліндра від продуктів згорання і наповнення свіжим зарядом.

Рис. 1.8. Прямоточна

клапанно-щілинна схема

Петлева схема газообміну (рис. 1.9) значно спрощує конструкцію двигуна в порівнянні з клапанно-щілинною, але при цьому погіршується якість газообміну і виникають втрати повітря або суміші при наповненні.

газообміну

Петлева схема газообміну відрізняється великою різноманітністю конструктивного виконання і широко застосовується в двигунах різного призначення (від малопотужних для мопедів до великих, потужністю в декілька десятків тисяч кіловат для судів).

Рис 1.9. Петлева схема

газообміну

Для попереднього стиску горючої суміші або повітря, як було вказано вище, в двотактних двигунах може бути використана внутрішня порожнина картера (кривошипна камера).

Такі двигуни називаються двигунами з кривошипно-камерною схемою газообміну (рис. 1.11). Вони мають герметично закритий картер, який і служить продувальним насосом.

При русі поршня від НМТ до ВМТ об'єм простору під ним збільшується і тиск падає нижче атмосферного, тобто в кривошипній камері створюється розрідження.

 

Рис 1.10. Прямоточна

схема газообміну

Внаслідок цього зовнішнє повітря спрямовується в картер через впускний клапан, що автоматично діє. При зворотному русі поршня до моменту відкриття впускних вікон відбувається стиску свіжого заряду в кривошипній камері. Після відкриття впускних вікон стислий свіжий заряд витісняється з камери в циліндр.

Рис. 1.11 кривошипно-камерна схема газообміну

Перевага двотактних двигунів з кривошипно-камерною схемою газообміну – простота пристрою. Проте при даному способі газообміну очищення циліндра і наповнення його свіжим зарядом в порівнянні з іншими способами відбуваються значно гірше, внаслідок чого зменшується потужність і погіршується економічність двигуна.

На рис. 1.12 і 1.13 показана схема роботи двотактного двигуна з внутрішнім сумішоутвореням і прямоточною клапанно-щілинною схемою газообміну.

Перший такт. Перший такт відповідає ходу поршня ВМТ до НМТ (рис. 1.12). У циліндрі тільки що пройшло згорання (лінія cz на індикаторній діаграмі) і почався процес розширення газів, тобто здійснюється робочий хід. Декілька раніше моменту приходу поршня до впускних вікон відкриваються випускний клапан в кришці циліндра, і продукти згорання починають витікати з циліндра у випускний патрубок; при цьому тиск в циліндрі різко падає (ділянка тk на індикаторній діаграмі).

Рис 1.12. Перший такт двотактного ДВЗ

Впускні вікна відкриваються поршнем, коли тиск в циліндрі стає приблизно рівним тиску заздалегідь стислого повітря в ресівері або трохи вище за нього. Повітря, поступаючи в циліндр через впускні вікна, витісняє через випускні клапани продукти згорання, що залишилися в циліндрі, і заповнює циліндр (продування), тобто здійснюється газообмін. Таким чином, протягом першого такту в циліндрі відбувається згорання палива, розширення газів, випуск випускних газів, продування і наповнення циліндра.

Другий такт. Другий такт відповідає ходу поршня від НМТ до ВМТ (рис. 1.13). На початку ходу поршня продовжуються процеси видалення випускних газів, продування і наповнення циліндра свіжим зарядом. Кінець продування циліндра визначається моментом закриття впускних вікон і випускних клапанів. Останні закриваються або одночасно з впускними вікнами, або декілька раніше.

Рис 1.13. Другий такт двотактного ДВЗ

Тиск в циліндрі до кінця газообміну в двотактних двигунах декілька вище атмосферного і залежить від тиску повітря в ресівері. З моменту закінчення газообміну і повного перекриття поршнем впускних вікон починається процес стиску повітря. Коли поршень не доходить на 10–30° по куту повороту колінчастого валу до ВМТ (крапка з'), в циліндр через форсунку починає подаватися паливо. Отже, протягом другого такту в циліндрі відбувається закінчення випуску, продування і наповнення циліндра на початку ходу поршня і стиску при його подальшому ході.

На відміну від чотиритактного двигуна в двотактному двигуні відсутні такти впуску і випуску як самостійні такти, для яких потрібний один оберт колінчастого валу. У двотактних двигунах процеси випуску і впуску здійснюються на невеликих ділянках ходу поршня, відповідного основним тактам розширення і стиску.

З розгляду робочого циклу двотактного двигуна (індикаторна діаграма на рис. 1.12) видно, що на частини ходу поршня, коли відбувається газообмін, корисна робота не здійснюється. Об'єм VП, відповідний цій частині ходу поршня, називається втраченим. Тоді об'єм, що описується поршнем при русі від точки m, що визначає момент початку стиску, до ВМТ і званий дійсним робочим об'ємом, рівний

Vh = Vh- Vп

З урахуванням сказаного дійсний ступінь стиску

.

Відношення втраченого об'єму V_П до геометричного робочого об'єму Vh є часткою втраченого об'єму на процес газообміну

.

У двотактних двигунах y» 10…38%.

Порівняння робочих циклів четирьох– і двотактних двигунів показує, що при однакових розмірах циліндра і частотах обертання потужність двотактного двигуна значно більше. Враховуючи збільшення числа робочих циклів в 2 рази, слід було б чекати і збільшення потужності в 2 рази. Насправді потужність двотактного двигуна збільшується приблизно в 1.5–1.7 разу унаслідок втрати частини робочого об'єму, погіршення очищення і наповнення, а також витрати потужності на приведення в дію продувального насоса. До переваг двотактних двигунів слід також віднести велику рівномірність моменту, що крутить, оскільки повний робочий цикл здійснюється при кожному оберті колінчастого валу. Істотним недоліком двотактного процесу в порівнянні з чотиритактним є малий час, що відводиться на процес газообміну. Очищення циліндра від продуктів згорання і наповнення його свіжим зарядом більш абсолютно відбуваються в чотиритактних двигунах. Крім того, в двотактному двигуні температурне навантаження на поршень, кришки циліндра і клапана вищі, ніж в чотиритактному.

При зовнішньому смесеобразовании в результаті продування циліндра горючою сумішшю вона частково викидається через випускні вікна, тому двотактний процес застосовується частіше в дизелях. Виняток становлять мотоциклетні, човнові і інші двигуни невеликої потужності, для яких більше значення має простота і компактність конструкції, чим економічність.