Двухтактные дизели: принцип действия, устройство, плюсы и минусы

Современный дизельный двигатель — это эффективное устройство с высоким КПД. Если раньше дизеля ставились на сельскохозяйственную технику (тракторы, комбайны и т. п.), то в настоящее время ими оснащаются обычные городские автомобили. Конечно, у кого-то дизель ассоциируется с черным дымом из выхлопной трубы. Некоторое время так и было, но сейчас система выпуска отработавших газов модернизировалась, и такого неприятного последствия практически нет. Давайте рассмотрим двухтактные дизели и их особенности.

Немного общей информации

Ключевой особенностью дизельного двигателя является его повышенный КПД. Обусловлено это в большей степени топливом, которое на 15 % эффективнее. Если взглянуть на топливо на молекулярном уровне, то здесь мы увидим длинную цепочку углеродов. Благодаря этому на выходе КПД дизельного горючего несколько выше, нежели бензина.

Принцип действия классического дизельного мотора заключается в преобразовании возвратно-поступательных движений кривошипно-шатунного механизма (КШМ) в механическую работу. Ключевое отличие от ДВС работающего на бензине заключается в способе приготовления и воспламенения топливно-воздушной смеси.

В дизеле образование смеси происходит непосредственно в камере сгорания. Соответственно при максимальном давлении происходит воспламенение смеси. Хорошо это или плохо, мы разберемся несколько позже, а сейчас рассмотрим самое интересное.

Двухтактный дизельный двигатель

Подобный тип мотора в настоящее время имеет небольшое распространение, как и роторно-поршневой двигатель. Состоит из газовой турбины, которая необходима для преобразования тепловой энергии в механическую и нагнетателя. Принцип действия последнего заключается в повышении мощности за счет увеличения давления. Как следствие — снижается расход горючего.

Цилиндры в двигателе располагаются напротив друг друга в горизонтальном положении. Собственно, почему двухтактные двигатели носят такое название? Обусловлено это тем, что цилиндры работают всего в один оборот коленчатого вала. То есть получается два такта.

Рабочий цикл двухтактного дизеля выглядит следующим образом. Когда поршень опускается в свою нижнюю точку, то цилиндр наполняется воздухом. В определённый момент времени открывается выпускной клапан и через него выходят газы. В это же время через нижние окна в цилиндры поступает воздух.

Принцип действия двухтактного дизеля

Примечательно то, что в подобных ДВС используется два вида продувки: оконная и клапанно-щелевая. Когда окна цилиндров используются для впуска и выпуска – то это оконная система. Если выпуск налажен через специальный клапан в цилиндре, а впуск через окна, значит система клапанно-щелевая. Такой способ продувки и очистки наиболее оптимален. Связано это с тем, что не весь воздух остается в цилиндре. Некоторая его часть выходит за пределы мотора. Так называемая прямоточная система очистки обеспечивает оптимальное удаление продуктов сгорания из цилиндров.

Двухтактный дизельный двигатель может работать довольно длительное время. Это обусловлено меньшим количеством механических действий внутри цилиндра. Так поршень начинает свое движение из нижней мертвой точки. В это время закрывается впускной клапан и окна. Следовательно, начинается процесс сжатия. Форсунка располагается у верхней мертвой точке. Топливо воспламеняется от горячего воздуха. При движении поршня вниз продукт горения расширяется.

Клапанно-щелевая продувка

Существенного повышения КПД мотора можно добиться только когда воздух проходит вдоль оси цилиндра. Если на первых двухтактных моторах применялась кольцевая продувка, которая не давала должного результата, то в дальнейшем использовалась только клапанно-щелевая. Благодаря такой системе удалось свести к минимуму объём не продуваемых областей в цилиндре. Система позволила немного раньше закрывать выпускной клапан. Такой подход существенно сократил потери свежего заряда и улучшил наддув. Сегодня клапанно-щелевая продувка используется на судах и военной технике.

Преимущества двухтактного мотора

Первый подобный двигатель был представлен миру тогда же, когда и классический дизельный 4-тактный ДВС. Относительно недавно появились 2-тактные бензиновые двигатели. Ключевая особенность — небольшая масса. Тут можно говорить о снижении веса на 40-50 % от классического дизеля с турбиной. Довольно важная характеристика для современного автомобиля, когда разработчики пытаются как можно больше снизить массу авто.

Еще одно преимущество заключается в том, что устройство двухтактного дизеля несколько проще своего собрата. Меньшее количество запчастей делают обслуживание несколько проще и дешевле. Хотя с последним можно и поспорить ведь далеко не все сталкивались с таким типом моторов. Такой силовой агрегат можно реконструировать и ремонтировать с минимальным количеством инструмента. По сути, это упрощенный вариант двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, наличие нагнетателя позволяет существенно экономить горючее. Примерно 40-50 % дизтоплива сохраняется благодаря двухтактной конструкции. Конечно, все моторы имеют свои плюсы и минусы. В некоторых случаях более важны недостатки, так как именно они ограничивают повсеместное применение.

О слабых сторонах

Опять же, если перечислять все недостатки списком, то на память придет роторный ДВС. Дело в том, что тут стоит выделить следующие минусы:

• высокая стоимость обслуживания;
• отсутствие запасных частей;
• большая цена на двигатель.

Первый пункт обусловлен отсутствием мастерских, где готовы взяться за ремонт двухтактного дизеля. Это вполне естественно и логично ведь не так много производителей выпускают серийно подобные моторы, еще меньшее количество устанавливает их на автомобили. На обычной станции техобслуживания такой силовой агрегат если и сделают, то обойдется дорого.

Но обычно возникает сразу третий минус — нет необходимых запчастей. Точнее, они есть, но только под заказ. Ждать их можно как месяц, так и больше. Если в крупных городах и будет возможность отремонтировать такой ДВС и найти запчасти, то в глубинке это сделать вряд ли получится. Вот такие плюсы и минусы имеет данный дизель. Ну а сейчас рассмотрим еще несколько важных деталей.

Немного о системе смазки

Как мы уже разобрались, этот дизель имеет свои сильные и слабые стороны. Крайне важной деталью является система смазки. Она отвечает за эффективную работу трущихся деталей и их охлаждение, отмывание от нагара. Всем уже давно известно, что для этих целей используется моторное масло, рекомендованное производителем. В нашем случае все точно так же.

Несколько слов хотелось бы сказать о расходе смазочной жидкости. Тут экономии ждать не стоит. Обусловлено это добавлением смазки непосредственно в топливо для обеспечения нормальной работы трущихся деталей. Вполне логично, что расходоваться оно будет очень быстро, и его нужно будет регулярно добавлять. Более того, небольшое масляное голодание может вывести из строя двухтактные дизели очень быстро. По крайней мере, на порядок раньше обычного бензинового ДВС. Поэтому система смазки, скорее, слабая, нежели сильная сторона и об этом не нужно забывать.

Об экологичности

В последние годы инженеры постоянно стараются снизить количество вредных веществ, выбрасываемых выхлопной системой в атмосферу. Вопрос экологии стоит достаточно остро. Если в европейских странах уже давно введены экологические нормы, то в России все намного хуже. Что же касается дизелей в целом, то и они уже довольно давно используют специальные сажевые фильтры и малозольные масла, которые существенно уменьшают вредные выбросы в атмосферу.

В нашем же случае было сказано о том, что масло сгорает в камере. Это уже большой минус с точки зрения экологии. Кроме того, часть топливно-воздушной смеси не воспламеняется и вырывается наружу. Все это наряду с выпускной системой наносит серьезный вред атмосфере. Поэтому двухтактные дизели наиболее целесообразно применять в военной технике и авиации.

Авиационный дизель

Широкое распространение данные типы моторов получили в летной технике. Больше всего используют на легких самолетах. Высокая мощность при небольших габаритах — стали определяющими факторами при выборе силовых агрегатов для самолетов. Кроме того, наличие наддува и отсутствие зажигания сыграли только в лучшую сторону. Работа ДВС останавливается с подачей топливно-воздушной смеси.

Стоит отметить, что двухтактный судовой дизель не боится перепада температур. Более того, зачастую большой мороз является дополнительным охлаждением ДВС, что очень хорошо. Все это, наряду с использованием относительно недорогого горючего, делает этот дизель крайне популярным. Правда распространение ограничивается сложностью установки и обслуживания компрессора. Кроме того, в топливо нужно добавлять смазку, а это также обходится не дешево. В целом же для авиации это отличный вариант, что обусловлено вышеперечисленными факторами.

Повышенная тепловая нагрузка

Мы рассмотрели ключевые особенности данного мотора. К примеру, теперь вы знаете какой вес двигателя и в чем заключаются его сильные и слабые стороны. Но хотелось бы рассмотреть еще несколько конструктивных особенностей силового агрегата. В частности, речь пойдет о системе охлаждения. Дело в том, что двухтактный дизель является более теплонагруженный, нежели 4-тактный. Обусловлено это повышенной частотой работы поршня. Получается, что существенно увеличивается температура в камере. Для её снижения необходимо эффективное охлаждение. Если речь об авиации, то тут все понятно. Высокие скорости и потоки встречного воздуха делают свое дело. Это же касается и эксплуатации в большие морозы, когда низкая температура окружающей среды является только плюсом.

В остальных же случаях необходимо жидкостное охлаждение. Обычно это классическая система. Единственное на что стоит обратить внимание, так это на исправность всех систем. Перегрев, даже кратковременный, может привести к заклиниванию или другим проблемам. В любом случае возможность такого исхода необходимо исключить.

Ресурс дизеля

Отдельного внимания заслуживает плановый ресурс данного мотора. Дело в том, что сам по себе дизель менее жизнеспособен, нежели бензиновый силовой агрегат. Обусловлено это использованием своеобразного топлива. Оно оставляет нагар в камере сгорания и форсунках. Все это существенно сокращает срок службы. Что же касается двухтактных ДВС на дизеле, то тут многое зависит от условий эксплуатации и своевременного обслуживания. Если масло меняется вовремя, а мотор не перегревается, то может работать 200 000 километров. Для бронетехники ресурс значительно меньше и составляет порядка 100 000 километров.

Важные детали

Современный двухтактный дизель характеризуется продвинутой топливной системой. Работает мотор тихо и плавно. Но так было не всегда. Механический ТНВД имел свои особенности. В частности, на каждую форсунку шла отдельная магистраль. Такой подход хоть и имел слабые стороны, но славился своей надежностью и высокой ремонтопригодностью. Позже ТНВД совершенствовались и становились значительно сложнее. Появилась система «Коммон рейл». В топливной рампе такого плана поддерживалось давление порядка 2 тысяч килограмм на сантиметр в квадрате. Форсунки стали более чувствительны к качеству топлива. Плохое горючее приводило к их быстрому выходу из строя.

Подведем итоги

В общем и целом, двухтактные дизели будут развиваться и совершенствоваться. Равно, как и роторно-поршневые ДВС, они считаются недоработанными. Однако в скором будущем они займут свою нишу в автомобилестроении. Уже сегодня они используются в авиации и на крупных промышленных и военных судах. Это надежный и относительно неприхотливый мотор, который при должном обслуживании будет работать исправно. В это же время он не лишен и проблем. К примеру, остро стоит вопрос охлаждения и смазки. Еще более важным является вопрос экологии. Необходима сложная система фильтрации для достижения экологических норм. По этой простой причине массовое производство, использование таких моторов на всех типах авто затруднительно и пока не представляется возможным. Но улучшение системы очистки отработавших газов способно решить эту проблему и приведет к тому, что двухтактные моторы будут широко распространены.

Привет студент

Двухтактный дизель

Недостаток четырехтактного двигателя в том, что лишь один из четырех ходов поршня рабочий, а три подготовительные, совершающиеся с затратой энергии, выделяющейся за рабочий ход. Более удачно сочетание рабочей и подготовительной частей цикла у двухтактного двигателя.

В простейшем двухтактном дизеле нет впускных и выпускных клапанов. Вместо них цилиндр 5 снабжен впускными 9 и выпускными 3 окнами (рис. 3). Окна открывает и закрывает поршень 8, связанный шатуном 2 с кривошипом 1 коленчатого вала. Существенно, что высота выпускных окон 3 больше, чем впускных 9. Цилиндр закрыт крышкой 7, в которую вставлена форсунка 6.

Предположим, что поршень 8 движется вверх, как изображено на рис. 3, а. Поскольку окна 3 и 9 перекрыты поршнем, воздух в цилиндре сжат примерно до тех же параметров, что и у четырехтактного дизеля. При положении поршня вблизи в. м. т. в цилиндр форсунка 6 впрыскивает топливо, самовоспламеняющееся и сгорающее подобно тому, как это бывает в четырехтактном дизеле.

Рис 3 Схема работы двухтактного дизеля

Под давлением газа поршень 8 движется вниз, происходит процесс расширения, в течение которого совершается полезная работа. Расширение продолжается до открытия поршнем 8 выпускных окон 3 (рис. 3,б). С этого момента начинается выпуск отработавшего газа в выпускной (выхлопной) коллектор 4*.

Несколько позднее поршень откроет впускные окна 5, через которые из ресивера** 10) в цилиндр 5 поступит сжатый воздух. Так как давление в цилиндре двухтактного двигателя бывает всегда выше атмосферного, воздух должен находиться в ресивере 10 под давлением, равным обычно 120— 150 кПа. Этот воздух называют продувочным: поступая в цилиндр, он вытесняет из цилиндра отработавший газ, т. е. продувает цилиндр (рис. 3,в). Термин «продувочный» применяют и к окнам 9 (продувочные окна), ресиверу 10 (ресивер продувочного воздуха), к насосу, подающему воздух в ресивер 10 (продувочный насос).

Итак, после открытия продувочных окон 9 в цилиндре происходят выпуск и продувка. Эти процессы будут продолжаться в течение того времени, за которое поршень движется вниз до н. м. т. (см. рис. 3, в) и затем вверх до закрытия им продувочных окон 9 (см. рис. 3, б). Несколько позднее поршень закроет выпускные окна 3 и начнется процесс сжатия.

Как видно, рабочий цикл совершился за два хода поршня, он состоит из двух тактов, что и определяет название двигателя: двухтактный.

Теоретическая индикаторная диаграмма. В двухтактном цикле различают большее число характерных объемов, чем в четырехтактном (рис. 4). Общими для обоих циклов являются понятия:

Vc — объем пространства (камеры) сжатия;

Рис 4 Теоретическая (расчетная) индикаторная диаграмма двухтактного дизеля

V_в — рабочий объем цилиндра;

Характерными только для двухтактного цикла будут:

V_h — потерянный объем части хода поршня (он соответствует высоте выпускных окон);

V_s = V_a— V_a— полезная часть рабочего объема цилиндра;

V _а = Va— Vh — полезный объем цилиндра

Степенью сжатия (действительной) в двухтактном двигателе называют отношение

После того как движущийся вверх поршень закроет выпускные окна, начинается сжатие воздуха (линия ас). Когда поршень приходит в в. м. т. в цилиндр впрыскивается топливо, часть которого сгорает при постоянном объеме (cz’), часть — при постоянном давлении (z’z). Значения величин: степень сжатия е, давление в конце сжатия р_с и максимальное давление сгорания p_z такие, как и у четырехтактного дизеля.

Расширение рабочего газа (линия zb) заканчивается в тот момент, когда поршень открывает выпускные окна, через которые отработавший газ выходит в атмосферу. Таким образом, газ расширяется в пределах объема V_a, вследствие чего его называют полезным.

После открытия выпускных окон начинается свободный выпуск (линия Ьа), Теоретически давление в цилиндре снижается при свободном выпуске до давления р_в продувочного воздуха мгновенно. Практически это давление понижается в течение времени от открытия поршнем выпускных окон до открытия продувочных (точка е). При дальнейшем движении поршня до н. м. т. и от нее до закрытия продувочных окон происходит продувка (еа’е). Выпуск продолжается от закрытия продувочных окон до закрытия выпускных (линия еа).

Таким образом, за время, соответствующее изменению объема цилиндра V_h, происходят процессы газообмена выпуск, продувка. Таким образом, для работы газа часть хода, соответствующая высоте окон, потеряна Этим и объясняется термин: «потерянная часть хода поршня».

Из диаграммы видно, что в любой момент рабочего цикла давление в цилиндре двухтактного двигателя выше давления р₀ окружающей среды.4

Особенности двухтактных двигателей. Частота циклов в цилиндре двухтактного двигателя вдвое больше, чем у четырехтактного: у первого цикл совершается за одно вращение вала у второго — за два. Это значит, что при тех же размерах (диаметре цилиндра, ходе поршней) и при одинаковой частоте вращения двухтактный двигатель должен развивать мощность в 2 раза больше, чем четырехтактный Однако часть хода поршня двухтактного двигателя с точки зрения работы газа является потерянной. Поэтому практически у двухтактного двигателя развиваемая мощность в 1,8 раза больше, чем мощность четырехтактного. Если же сравнивать двигатели одинаковой мощности, то размеры и, следовательно, масса меньше будут у двухтактного. Работа газа в цилиндре совершается лишь в течение части цикла, т. е. импульсами, в связи с чем вал двигателя вращается неравномерно. У двухтактных двигателей импульсы слабее, но чередуются в 2 раза чаще, чем у четырехтактных. Из этого следует, что вал двухтактного двигателя вращается равномернее, чем вал четырехтактного.

Устройство двухтактного двигателя с продувкой через окна проще четырехтактного: у первого отсутствуют клапаны и механизм их привода. По этой причине двухтактные двигателя легче обслуживать.

Недостатки двухтактных двигателей: прежде всего они менее экономичны, так как очистка цилиндров в них хуже, чем у четырехтактных, и теряется часть энергии на привод продувочного насоса. В двухтактном двигателе процесс сгорания повторяется в 2 раза чаще, чем в четырехтактном поэтому детали его испытывают более высокую тепловую нагрузку, а в сочетании с повышенными механическими напряжениями срок службы двухтактных двигателей по сравнению с четырехтактными уменьшается.

Перечисленные основные достоинства и недостатки двухтактных двигателей предопределили их применение. Много строят двухтактных двигателей малой мощности, в частности подвесных лодочных моторов. Это объясняется сравнительной простотой их устройства и обслуживания, которое могут осуществлять люди с минимальной технической подготовкой. Наиболее распространены в народном хозяйстве двигатели средней мощности, поэтому они должны быть наиболее экономичными и иметь наибольший срок службы. Такому требованию удовлетворяют четырехтактные двигатели, поэтому их чаще применяют. На судах речного флота двухтактных двигателей очень мало.

Чтобы уменьшить габаритные размеры и массу малооборотных двигателей большой мощности, их чаще всего строят двухтактными. Даже в двухтактном исполнении диаметр цилиндра дизеля достиг в настоящее время 1060 мм, ход поршня — 2000 мм, а при четырехтактном исполнении размеры этих деталей были бы больше.

Следует отметить, с повышением мощности экономичность двухтактных двигателей приближается к экономичности четырехтактных, а срок службы мощных двухтактных достаточно велик потому, что их строят малооборотными.

* Коллектором называют трубу или аналогичное устройство, служащее для сбора и отвода газа или жидкости

**Ресивером принято называть сосуд (трубу), имеющий такую вместимость, чтобы при периодических поступлениях в него и расходах из него воздуха (или другого газа) давление внутри ресивера колебалось незначительно

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ