Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

процессы разогрева капель топлива, испарение, предпламенные

реакции уходит 0,001–0,002 с. Затем (за 3–5 ПКВ до ВМТ) начи-

нается многоочаговое воспламенение паров топлива (точка в на

рис. 1.14), сопровождающееся значительным выделением тепла,

повышением давления. Реакции окисления углеводородов топли-

ва носят цепной характер, протекают с большими скоростями, и

на участке от точки в до точки z (точка, соответствующая макси-

мальному давлению сгорания – рис. 1.14) сгорает 75–85 % посту-

пившего в цилиндр топлива.

Продолжительность подачи топлива в зависимости от ре-

жима работы дизеля составляет 10–60 ПКВ, продолжительность

сгорания – 30–90 ПКВ. На участке расширения после точки z в

цилиндре происходит догорание топлива, расширение продуктов

сгорания, теплообмен между продуктами сгорания и стенками

цилиндра. При этом 10–15 % от теплоты сгоревшего топлива те-

ряется в стенки. Процесс расширения продолжается до точки е и

затем цикл повторяется.

В случае, когда двигатель двухтактный с искровым зажига-

нием и топливовоздушная смесь образуется вне цилиндра двига-

теля (двигатели с внешним смесеобразованием) или на такте сжа-

тия при непосредственном впрыске топлива (внутреннее смесе-

образование) 4, 5, воспламенение топливовоздушной смеси

осуществляется с помощью электрического разряда на электро-

дах свечи зажигания. При этом реакции окисления углеводородов

топлива происходят во фронте пламени, перемещающегося от

электродов свечи зажигания со скоростью 10–50 м/с. Глубина зо-

ны реакций окисления (глубина фронта пламени) составляет 0,2–

1 мм. Скорость распространения фронта пламени зависит от ин-

тенсивности турбулизации смеси к концу такта сжатия, вида топ-

лива.

Процессы сжатия, воспламенения, сгорания и расширения в

двухтактных двигателях внутреннего сгорания протекают так же,

как и в четырехтактных ДВС (рис. 1.14). Индикаторные диаграм-

мы двухтактных ДВС отличаются от индикаторных диаграмм че-

тырехтактных ДВС только на участках диаграмм, соответствую-

щих процессам газообмена.

Рассмотрим в качестве примера особенности конструкции и

организации рабочих процессов нескольких типов двухтактных

двигателей. В двухтактном двигателе с петлевой продувкой,

искровым зажиганием и непосредственным впрыском топлива

(рис. 1.15), разработанном кафедрой двигателей внутреннего сго-

рания НТУ «ХПИ» совместно с ГПО ФЭД [4] на базе карбюра-

торного двигателя с S/D = 68/74, в качестве нагнетателя исполь-

зуется подпоршневая полость (кривошипная камера 1), воздух в

которую поступает через впускное окно в цилиндре 5 (на рис.

1.15 не показано). Впускное окно открывается нижней кромкой

поршня 6 при его перемещении от НМТ к ВМТ за 65 ПКВ до

ВМТ. Поскольку кривошипная камера герметична, при переме-

щении поршня к ВМТ в ней возникает разрежение и воздух через

воздушный фильтр и впускное окно поступает в кривошипную

камеру. Для смазки подшипников коленчатого вала, поршневого

пальца, сопряжения поршень–цилиндр к воздуху на впуске спе-

циальным насосом добавляется масло (1–2 % от расхода топли-

ва). Процесс заполнения кривошипной камеры продолжается до

момента достижения поршнем 6 ВМТ. В это же время в над-

поршневой полости осуществляется такт сжатия (рис. 1.14, а, б).

В начале такта сжатия с помощью механического топливно-

го насоса высокого давления 13 и клапанной форсунки 12 осу-

ществляется впрыск топлива на поверхности вытеснителя и ка-

меры сгорания 10, расположенной в головке цилиндра 9. В конце

такта сжатия пары топлива над пленкой топлива на поверхности

вытеснителя потоком воздуха из-под вытеснителя (из щели меж-

ду поршнем и поверхностью вытеснителя) оттесняются в направ-

лении свечи зажигания 11, установленной у вершины камеры

сгорания (дополнительная сферическая выемка в головке цилин-

дров). Воспламенение топливовоздушной смеси осуществляется

путем подачи высокого напряжения на электроды свечи зажига-

ния 11 за 20 ПКВ до ВМТ. Образовавшийся у очага воспламене-

ния фронт пламени перемещается навстречу потоку топливовоз-

душной смеси. Скорость выгорания топливовоздушной смеси

определяется скоростью испарения пленки топлива на поверх-

ности вытеснителя и скоростью перемещения фронта пламени.

Рисунок 1.15 – Общий вид (продольный разрез) двигателя с

кривошипно-камерной продувкой, непосредственным

впрыском и искровым зажиганием:

1 – кривошипная камера; 2 – коленчатый вал; 3 – шатун;

4 – поршневой палец; 5 – цилиндр; 6 – поршень;

7 – выпускные окна; 8 – продувочные окна; 9 – головка

цилиндра; 10 – камера сгорания; 11 – свеча зажигания;

12 – форсунка; 13 – топливный насос; 14 – регулятор;

15 – кулачковый вал; 16 – вентилятор

Данная схема организации процессов смесеобразования и

сгорания позволяет осуществить достаточно глубокое расслоение

заряда в камере сгорания и интенсивный процесс выгорания топ-

ливовоздушной смеси в ограниченном объеме, окруженном воз-

духом (на периферии надпоршневой полости находится воздух).

А поскольку время контакта паров топлива с воздухом при высо-

кой температуре незначительно (топливо испаряется с поверх-

ности пленки постепенно, в процессе сгорания), двигатель стано-

вится практически нечувствительным к детонационной стойкости

топлива (октановому числу топлива) при высоких степенях сжа-

тия (  9). Процесс сгорания происходит без детонации при ра-

боте как на керосине (октановое число 20–40), так и на бензине.

Благодаря устранению утечки топливовоздушной смеси при про-

дувке, значительному обеднению топливовоздушной смеси при

расслоении заряда, бездетонационному эффективному сгоранию

топлива переход от внешнего смесеобразования к внутреннему

позволил на 30–40 % снизить удельный эффективный расход

топлива и на 50–80 % выбросы токсичных веществ с отработав-

шими газами по сравнению с карбюраторным вариантом двига-

теля.

На такте расширения в надпоршневой полости продуктов

сгорания в кривошипной камере 1 после закрытия нижней кром-

кой поршня впускного окна (65 ПКВ после ВМТ) происходит

сжатие воздуха. За 65 ПКВ до НМТ верхняя кромка поршня 6

открывает выпускные окна 7 и продукты сгорания со скоростью

600–700 м/с уходят из надпоршневой полости в выпускную сис-

тему. Давление в надпоршневой полости снижается как вследст-

вие выхода продуктов сгорания, так и вследствие увеличения

надпоршневого объема. Через 11 ПКВ при дальнейшем переме-

щении поршня 6 к НМТ верхняя кромка поршня 6 достигает кро-

мок продувочных окон 8 по бокам цилиндра 5. К этому моменту

давление в кривошипной камере повышается до уровня давления

продуктов сгорания в надпоршневой полости и воздух по боко-

вым каналам из кривошипной камеры 1 начинает перетекать че-

рез продувочные окна в надпоршневую полость, оттесняя про-

дукты сгорания к выпускным окнам 7. Продувка надпоршневой

полости воздухом продолжается до момента закрытия верхней

кромкой поршня 6 продувочных окон 8. Площадь проходных се-

чений выпускных окон 7 в этот момент еще значительна и при

дальнейшем перемещении поршня 6 к ВМТ часть свежего заряда

(до 20 %) уходит в систему выпуска.

На рис. 1.14, а и рис. 1.14, б моментам открытия и закрытия

выпускных и продувочных окон соответствуют точки e, d, V, e.

В двухтактном двигателе с кривошипно-камерной продув-

кой, искровым зажиганием и непосредственным впрыском топ-

лива в камеру сгорания Р. Сарича (рис. 1.16, фирма Orbital Engine

Co., Австралия) [6] процессы газообмена в кривошипной каме-

ре 1 и надпоршневой полости протекают практически так же, как

и в рассмотренном выше двигателе. Для улучшения заполнения

кривошипной камеры воздухом в этом двигателе вместо впускно-

го окна в цилиндре использованы обратные пластинчатые клапа-

ны 4 в канале подвода воздуха в кривошипную камеру, а для

уменьшения потери свежего заряда через выпускное окно 8 за

выпускным окном установлен золотник 12, перекрывающий вы-

пускной канал сразу же после перекрытия поршнем 5 продувоч-

ных окон 7.

Организация же процессов смесеобразования и сгорания в

двигателе Р.Сарича существенно отличается от рассмотренных

выше и по схеме их осуществления и по конструкции. В двигате-

ле использовано объемное смесеобразование, что значительно

снижает степень расслоения топливовоздушной смеси, степень ее

обеднения. Поэтому сохраняются высокие требования к детона-

ционной стойкости топлива. Двигатель может работать без дето-

нации только на бензинах с высоким октановым числом.

Распыл топлива в двигателе Р. Сарича осуществляется сжа-

тым воздухом, подаваемым к пневматической форсунке 10 ком-

прессором при избыточном давлении 0,62 МПа. Топливо к пнев-

матической форсунке подается с помощью механического насоса

объемного типа при давлении 0,55 МПа. Управление моментом,

количеством подаваемого топлива, а также моментом подачи

сжатого воздуха осуществляется электронной системой управле-

ния. Сначала заполняется топливом смесительная камера В, рас-

положенная в распылителе А, через каналы D и С, затем к распы-

лителю подается воздух при давлении 0,62 МПа. Под действием

избыточного давления воздуха мембранные клапаны Е перекры-

вают поступление топлива в смесительную камеру В. После это-

го, с помощью электромагнитного привода открывается клапан F

и воздух начинает поступать в смесительную камеру с большой

скоростью. В смесительной камере образуется топливовоздушная

смесь, которая через обратный клапан G и сопло L начинает пе-

ретекать в камеру сгорания. Благодаря пневматическому распы-

лу, истечению топливовоздушной смеси из сопла L при крити-

ческих перепадах давления происходит интенсивный распад

струи, дробление капель топлива. Свыше 95 % капель по массе

имеют диаметр, не превышающий 10 мкм, тогда как в случае ди-

зельной топливной аппаратуры с давлением впрыска порядка

100 МПа средний диаметр капель составляет 20–40 мкм. Не-

большой диаметр капель топлива ограничивает дальнобойность

факела, обеспечивая обогащение смеси по центру надпоршневой

полости.

Рисунок 1.16 – Общий вид двигателя Р. Сарича (а) и

распылителя форсунки (б):

1 – кривошипная камера; 2 – коленчатый вал; 3 –

шатун;

4– блок пластинчатых клапанов; 5 – поршень; 6 –

цилиндр;

7 – продувочные окна; 8 – выпускное окно; 9 – головка

цилиндра; 10 – пневматическая форсунка; 11 – свеча

зажигания; 12 – камера сгорания; 13 – золотник;

14 – дожигатель

Воспламенение топливовоздушной смеси осуществляется

свечой зажигания 11. Интенсификация процесса сгорания дости-

гается, как и в предыдущем случае, за счет перетекания воздуха

из периферийной зоны надпоршневого объема при приближении

поршня 5 к ВМТ к центру камеры сгорания 12, расположенной в

головке цилиндра 9.

Исключение потерь топливовоздушной смеси при продувке,

расслоение топливовоздушной смеси, интенсификация процесса

сгорания, снижение механических потерь за рабочий цикл (рабо-

чий цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала) обес-

печивают улучшение эксплуатационной экономичности автомо-

бильного варианта двигателя Р. Сарича на 20–30 % по сравнению

с достигнутым уровнем в современных четырехтактных автомо-

бильных двигателях с искровым зажиганием. Разработки по дви-

гателю защищены более чем 800 патентами. Ряд ведущих авто-

мобилестроительных корпораций приобрело лицензии на право

производства этого двигателя, ведут эксплуатационную проверку

концепции двигателя в условиях рядовой эксплуатации автомо-

биля.

В двухтактном дизеле с противоположно движущимися

поршнями 2Д100 завода им. В.А. Малышева блок цилиндров

сварной, крепится болтами к раме 1 (рис. 1.17). Между верти-

кальными перегородками 4 расположены подвесные гильзы ци-

линдров 16 с индивидуальными рубашками охлаждения. Пере-

мещение верхних поршней 15 определяет моменты открытия и

закрытия продувочных окон 17, а перемещение нижних порш-

ней 5 – моменты открытия и закрытия выпускных окон 18. Воз-

дух под избыточным давлением, создаваемым нагнетателем 11,

по продувочным ресиверам 9 подводится к продувочным ок-

нам 17. Продукты сгорания после открытия поршнями 5 выпуск-

ных окон 18 отводятся в охлаждаемые выпускные коллектора 6.

Перемещение верхних поршней по углу поворота нижнего ко-

ленчатого вала запаздывает на 12 ПКВ, что обеспечивает сниже-

ние мощности, передаваемой от верхнего коленчатого вала 12 к

нижнему 2, до 30 % от суммарной мощности, развиваемой двига-

телем, и необходимое запаздывание открытия продувочных

окон 17 по отношению к моменту открытия выпускных окон 18.

Рисунок 1.17 – Общий вид дизеля 2Д100 (поперечный разрез

по десятому цилиндру):

1 – рама; 2 – нижний коленчатый вал; 3 – нижний шатун;

4 – вертикальная перегородка блока цилиндров; 5 – ниж-

ний поршень; 6 – выпускные ресиверы; 7 – форсунки;

8 – топливные насоси; 9 – продувочные ресиверы; 10 –

кулачковые вали; 11 – нагнетатель; 12 – верхний коленча-

тый вал; 13 – верхний шатун; 14 – ребра охлаждения ци-

линдра; 15 – верхний поршень; 16 – цилиндр; 17 – впуск-

ные окна; 18 – выпускные окна; 19 – втулка рубашки ох-

лаждения цилиндра; 20 – рубашка охлаждения цилиндра и

выпускного канала; 21 – генератор

Воздух через продувочные окна 17 поступает в цилиндр по

касательной, создавая интенсивный круговой вихрь, оттесняю-

щий продукты сгорания к выпускным окнам 18 при незначитель-

ном перемешивании воздуха и продуктов сгорания. Данная схема

продувки обеспечивает эффективную очистку рабочей полости

от продуктов сгорания, позволяет снизить коэффициент избытка

продувочного воздуха до  = 1,1–1,2 при значениях коэффициен-

та остаточных газов  = 0,02– 0,05.

Процессы сжатия, смесеобразования, сгорания и расшире-

ния в рассматриваемом двигателе принципиально не отличаются

от аналогичных процессов в четырехтактном дизеле с неразде-

ленной камерой сгорания и воспламенением топлива от сжатия.

Индикаторные и эффективные показатели двухтактного

двигателя определяются так же, как и четырехтактного (зависи-

мости 1.32–1.45) за исключением количества циклов за 1 с, так

как каждому обороту коленчатого вала соответствует цикл, т.е.

 . (1.46)

Двухтактные двигатели имеют не только ряд преимуществ

по сравнению с четырехтактными ДВС, но и ряд существенных

недостатков. Преимущества двухтактных двигателей по сравне-

нию с четырехтактными, в основном, могут быть сведены к сле-

дующим показателям.

1. При одинаковом литраже и частоте вращения коленчато-

го вала мощность двухтактного двигателя больше, чем четырех-

тактного (на 50– 60 %, несмотря на увеличение числа циклов в

два раза, так как на осуществление процессов газообмена теряет-

ся до 25 % рабочего хода поршня).

2. На 50–60 % могут быть уменьшены габариты и масса си-

ловой установки при замене четырехтактного двигателя двух-

тактным той же мощности.

3. В двухтактном двигателе ниже потери на трение, так как

цикл осуществляется только за один оборот коленчатого вала.

Поэтому механический, а зачастую и эффективный КПД двух-

тактного двигателя на частичных режимах выше, чем в четырех-

тактном двигателе той же мощности.

4. Двухтактные двигатели с кривошипно-камерной продув-

кой значительно проще по конструкции, чем четырехтактные той

же мощности, а соответственно и ниже их стоимость. Этим объ-

ясняется преимущественное применение двухтактных двигателей

с кривошипно-камерной продувкой для средств малой механиза-

ции, мототехники и т.п.

5. Более равномерное вращение коленчатого вала при том

же числе цилиндров.

Недостатки двухтактных двигателей в сравнении с четырех-

тактными обусловлены следующими факторами:

 выше тепловая напряженность деталей двигателя вслед-

ствие удвоенной частоты рабочих циклов, а соответственно, и

выше требования к материалам деталей двигателя;

 выше интенсивность износа деталей цилиндро-поршне-

вой группы, а соответственно, меньше сроки службы;

 больше потери масла с отработавшими газами;

 необходим специальный нагнетатель для принудительной

продувки цилиндра;

 значительные затраты мощности на привод нагнетателя,

что снижает механический, а соответственно и эффективный

КПД двухтактного двигателя, что требует использования слож-

ных устройств для регулирования давления наддува в зависимо-

сти от нагрузки.

Контрольные вопросы и задания

1. Объяснить принцип работы двухтактного ДВС.

2. Представить принципиальные схемы газообмена в двух-

тактных ДВС.

3. Представить индикаторные диаграммы реального цикла

двухтактного ДВС в системе координат р– и р–V.

4. Как определяются индикаторные и эффективные показа-

тели двухтактного ДВС?

5. Объясните преимущества и недостатки двухтактного

ДВС в сравнении с четырехтактным.

6. Решите следующие задачи: