Принцип работы двухтактного двигателя

/ Тепловоз ТЭ3 / Принцип работы двухтактного двигателя

Дизель 2Д100М двухтактный, десятицилиндровый, вертикальный, двух-вальный с противоположно движущимися поршнями, с прямоточно-щеле-вой продувкой с приводной воздуходувкой, непосредственным впрыскиванием топлива, водяным охлаждением втулок цилиндров и охлаждением поршней маслом, поступающим по каналам в шатунах. В двухтактном двигателе полный рабочий цикл - зарядка, сжатие, сгорание и выпуск - совершается за один оборот коленчатого вала, причем продолжительность процесса газообмена составляет 25-30% продолжительности цикла, в то время как у четырехтактного двигателя эти процессы во время тактов впуска и выпуска составляют приблизительно 50% продолжительности всего цикла. Высокое качество процесса газообмена одно из основных условий для получения повышенной мощности и экономичности двигателя. Газообмен непосредственно влияет на количество рабочего заряда цилиндра и эффективность очистки цилиндра от продуктов сгорания.

Как известно, показатели процесса сгорания (индикаторные показатели) связаны непосредственно с коэффициентом избытка воздуха а и степенью очистки цилиндра. Достижение минимальных затрат мощности на газообмен обусловливает необходимость работы при коэффициентах избытка воздуха а и коэффициента избытка продувочного воздуха (ро близкими к единице. В то же время в таких условиях трудно обеспечить хорошее смесеобразование и надежную работу цилиндро-поршневой группы, в связи с чем эти коэффициенты (а и фо) приходится повышать до 1,5 и более. Следует помнить, что на смесеобразование (следовательно, на степень завихрения) оказывают влияние давление воздуха на впуске, отношение хода поршня к диаметру цилиндра, форма и размеры впускных окон, система распыливания топлива и др.

Процесс газообмена схематично можно представить следующим образом. Вначале процесс протекает с преобладанием вытеснения продуктов сгорания свежим воздухом, так что в трубопровод попадают главным образом продукты сгорания. По мере течения процесса входящий в цилиндр воздух попадает в зоны, освобожденные от продуктов сгорания, соприкасается с оставшимися в цилиндре газами и перемешивается с ними. Следовательно, в выпускную систему попадает уже смесь продуктов сгорания и свежего воздуха, содержание которого по мере течения процесса газообмена возрастает.

Для оценки качества процесса газообмена различают четыре граничных случая (фазы) процесса газообмена. Первая фаза представляет собой период предварения выпуска газов с вытеснением продувочным воздухом выпускных газов без смешивания с ними. Вторая фаза - удаление выпускных газов продувочным воздухом с перемешиванием их между собой. Третья фаза - удаление выпускных газов свободным выпуском ниже линии впуска из-за разрежения, образующегося под действием инерции столба газов в выпускном трубопроводе. Четвертая фаза - дозарядка, она происходит после закрытия выпускных окон при открытых еще впускных окнах.

В зависимости от пути (траектории) движения выпускных газов и продувочного воздуха существуют различные системы продувки двухтактных двигателей. Наиболее распространенной системой продувки является петлевая поперечная и петлевая или контурная. Петлевая поперечная продувка - когда воздух из продувочных окон совершает петлевой путь от продувочных к выпускным окнам поперек втулки. При петлевой или контурной (эксцентричной) продувке поток продувочного воздуха выходит из продувоч-ных окон, проходит вдоль оси цилиндра, а затем отклоняется книзу и движется к выпускным окнам. Путь продувочного воздуха как бы делает петлю в виде контура цилиндра, отсюда и название - петлевая или контурная.

Существует также прямоточная система продувки, т. е. такая, при которой поток продувочного воздуха выходит из продувочных окон втулки и проходит прямым потоком вдоль оси втулки цилиндра к выпускным окнам или выпускным клапанам. Прямоточная продувка у одновальных конструкций двухтактных двигателей (например, у двигателя 11Д45), так называемая клапанно-щелевая, осуществляется обычно выпуском отработавших газов через клапаны, расположенные в крышке цилиндров, и поступлением продувочного воздуха из ресивера через окна в нижней части втулки. Начало выпуска отработавших газов и продолжительность продувки определяются высотой продувочных окон и профилем распределительного вала с приводом от коленчатого вала с частотой вращения, равной частоте вращения коленчатого вала.

Наиболее совершенная система продувки у двухвальных двухтактных двигателей с противоположно движущимися поршнями прямоточно-щелевая с винтообразным движением продувочного воздуха. У двигателя 2Д100 применена эта система продувки. В верхней части цилиндра расположены равномерно по окружности 16 впускных окон, через которые воздух поступает в цилиндр из продувочного ресивера. В нижней части втулки, входящей в выпускную коробку, размещены выпускные окна на дуге 255,5 мм справа и слева относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось коленчатого вала. Через эти окна отработавшие в цилиндре газы удаляются из него, поступая в выпускную коробку, охлаждаемую водой, и далее в выпускной коллектор, имеющий глушитель шума выпуска.

Как будет показано ниже, рабочий процесс двигателя 2Д100 протекает при интенсивном вихревом движении воздуха в цилиндре со снижением скорости вихря к внутренней мертвой точке (в. м. т.) кривошипа. Коэффициент остаточных газов двигателя типа Д100 на номинальном режиме, характеризующий качество продувки, у = 0,04-^-4-0,06 с некоторым ухудшением (возрастанием) его на холостом ходу, однако не достигающим значения выше 7 = 0,1. Все это обеспечивает весьма совершенный процесс продувки и хорошее наполнение цилиндра у этого двигателя.

Исследования, проведенные проф. Д. Н. Вырубовым (МВТУ имени Баумана), показали, что в дизеле 2Д100 при тангенциальной скорости вихря в конце сжатия 40 м/с топливо, впрыснутое (поданное) в цилиндр, распространяется вихрем по всей массе воздушного заряда до начала воспламенения и горения. Таким образом, вихревое движение воздушного заряда обеспечивает хорошее смесеобразование в камере сгорания.

В каждом цилиндре двигателя имеется по два поршня, двигающихся вертикально в противоположных направлениях и образующих между собой в средней части втулки общую камеру сгорания. Поршни приводят в движение верхний и нижний коленчатые валы.

Последовательность движения нижнего и верхнего поршней, определяющая моменты открытия и закрытия выпускных и продувочных окон, обеспечивается соединением нижнего и верхнего коленчатых валов механизмом вертикальной передачи таким образом, что кривошипы нижнего коленчатого вала опережают кривошипы верхнего вала на 12°. При регулировке угла опережения нижнего вала в момент соединения коленчатых валов замеряют угол опережения по первому кривошипу нижнего вала. При заданной высоте выпускных и продувочных окон нижний поршень открывает окна раньше верхнего и раньше их закрывает. Это способствует улучшению очистки цилиндра и наполнению его свежим зарядом, а также получения фазы дозарядки цилиндра воздухом на угле поворота кривошипа ~6°. Наименьший объем камеры сжатия получается в момент, когда нижний поршень перей-

Рис. 6. Круговая диаграмма полного рабочего цикла дизеля 2Д100М

дет внутреннюю мертвую точку (в. м. т.) на ~6°, а верхний поршень не дойдет до в. м. т. на такой же угол поворота кривошипа.

В конце такта сжатия, когда поршни приближаются к в. м. т., а температура сжатого до 3,0-3,5 МПа (30-35 кгс/см2) воздуха достигает примерно 600° С, в камеру сгорания за (18±1°) по углу поворота кривошипа до в. м. т. впрыскивается двумя форсунками (противоположно расположенными) топливо в мелкораспыленном состоянии. Топливо самовоспламеняется, давление газов при сгорании топлива достигает 8,0-8,8 МПа (80-88 кгс/см2) и при движении поршня от в. м. т. начинается такт расширения (производится полезная работа). Полный цикл работы дизеля 2Д100М приведен на круговой диаграмме рабочего двухтактного цикла (рис. 6).

От верхнего коленчатого вала осуществляется привод воздуходувки и привод топливных насосов, а остаток мощности передается на нижний коленчатый вал через механизм вертикальной передачи.

Мощность, передаваемая от верхнего коленчатого вала на нижний через вертикальную передачу вследствие опережения нижним коленчатым валом верхнего на 12° угла поворота, составляет ~30% мощности дизеля.

От нижнего коленчатого вала со стороны вертикальной передачи через эластичную муфту приводится во вращение вал якоря тягового генератора (отбор мощности), а со стороны отсека управления валы масляных и водяных насосов, а также регулятор частоты вращения коленчатого вала дизеля.

Основные тягово-эксплуатационные и технические характеристики тепловоза | Тепловоз ТЭ3 | Рама, блок и втулка цилиндра