Двухтактный дизельный двигатель: принцип работы и особенности
Двухтактный дизельный двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания. Топливо-воздушная смесь сгорает за 2 движения поршня. Цикл завершается всего за 1 оборот коленвала. Такие показатели кажутся впечатляющими, однако существует несколько особенностей работы агрегата, о которых стоит узнать подробнее.
Главным достоинством такого мотора можно считать меньший расход топлива в сравнении с бензиновыми агрегатами. Это происходит за счет одной из особенностей дизельного топлива. Оно плотнее бензина, поэтому при сгорании дает на 15% энергии больше. Это обеспечивается более длинной цепочкой углеродов. Кроме того, технические характеристики таких двигателей стоят наравне с показателями аналогичных двигателей.
Строение
В состав двухтактного дизеля входит картер, совмещенный с коленчатым валом поршень, форсунки, впускные и выпускные окна цилиндра, топливный и водяной насосы. Последний снабжается плунжерным переключателем и датчиком температуры, а также емкостями, которые наполняются водой. Агрегат обеспечивает повышение КПД и за счет улучшенного сгорания топливо-воздушной смеси. Токсичность отходов при этом снижается.
В двухтактном моторе расположена газовая турбина и нагнетатель. Последний отвечает за повышение давления в цилиндрах — это обеспечивает экономию топлива и повышение мощности. Газовая турбина запускает преобразователь энергии тепла в энергию движения.
Продувочный воздух поступает в двухтактный дизельный двигатель несколькими способами — с помощью:
Продувка может осуществляться по одной из схем — контурной или клапанно-щелевой.
Стоит отметить, что использование контурной схемы снижает как экономические, так и технические показатели агрегата. Это объясняется тем, что в цилиндрах имеются не продуваемые области.
Цилиндры монтированы вдоль. Каждый из них оснащается выпускными и вентиляционными отверстиями. Газ поступает к турбине через коллектор. Когда поршни двигаются, рабочая камера периодически открывается и закрывается. Коленчатые валы взаимодействуют друг с другом. Это обеспечивается механизмом основной передачи.Топливо при этом сгорает при достаточно высокой температуре.
Для смазки трущихся деталей и подшипников применяется смесь масла и топлива. Она подается в цилиндр и кривошипную камеру. Смазки эти узлы не имеют, поскольку она смылась бы топливом. Именно поэтому к горючему его доливают в определенном соотношении.
При этом для двухтактного дизельного двигателя используется определенное масло. Оно выдерживает продолжительное воздействие высоких температур, способно практически не оставлять после сгорания зольных отложений.
Как работает?
Принцип работы двухтактного дизеля основан на выполнении 2 тактов: сжатие и рабочий ход. Конструкция агрегата позволяет выполнять весь цикл вдвое быстрее, чем в четырехтактных моторах.
Для двухтактных дизельных двигателей принцип работы следующий:
Внизу цилиндра имеются продувочные окна. Они необходимы для процесса продувки. Когда поршень снизу, они открыты. Во время подъема поршня они закрываются. Значительное увеличение показателя мощности двухтактных моторов происходит за счет повышения числа рабочих ходов. Двухтактный дизельный двигатель, принцип работы которого достаточно прост, обладает массой преимуществ.
Мифы о двухтактных дизельных моторах
Существует несколько распространенных мифов касательно двухтактных двигателей:
Срок службы дизеля превышает бензиновые агрегаты. Он может достигать 400-600 тыс. км.
Каждый двухтактный дизельный двигатель имеет одну отличительную особенность — через окна цилиндров впускается воздух и устраняются отработавшие газы. Когда они выходят через клапан в цилиндре, а воздух поступает через окна, система такой очистки называется клапанно-щелевой.
Подобные системы очистки имеют одну особенность — в цилиндре остается только часть воздуха. Поднимаясь вверх, он частично выходит за пределы мотора. Такую очистку еще называют прямоточной. Она обеспечивает максимальную эффективность очистки двигателя от продуктов сгорания.
Помимо прямоточной продувки существует и петлевая, однако она отличается меньшим качеством очистки. Именно поэтому для современных автомобилей она используется нечасто. Рабочие ходы такого агрегата выполняются в два раза чаще, однако на мощности это сказывается незначительно (она увеличивается в 1,5-1,7 раза). Это объясняется наличием продувки, а также тем, что внутри цилиндра происходит более короткий ход.
Преимущества
Двухтактные дизельные двигатели стали производиться относительно недавно. Такие моторы на сегодняшний день имеют множество модификаций. К примеру, зажигание бывает 2 типов: контактным и бесконтактным.Также отличаются и схемы таких моторов. Применяется двухтактная система на танках, в самолетах, в тяжелой промышленной технике.
Такие преимущества выгодно выделяют двухтактные дизельные двигатели на фоне бензиновых собратьев. Имеются у таких моторов и серьезные недостатки.
Недостатки
Небольшое распространение агрегатов объясняется рядом причин. К примеру, детали на такие моторы найти получится с трудом. Именно поэтому выполнить ремонт двухтактного дизельного двигателя становится проблематично. Кроме того, специалистов по обслуживанию таких агрегатов достаточно мало.
Явным недостатком дизелей является использование мощного стартера. На морозе дизельное топливо мутнеет и застывает. Ремонт топливной аппаратуры затрудняется тем, что насосы высокого давления изготавливаются с высокой точностью.
Существенным минусом двухтактных дизелей является невозможность их применения в высокотемпературных режимах. Масло при таких условиях закоксовывается, возникает залегание поршневых колец. Кроме того, из-за недостаточной продувки топливо сгорает не полностью, что сказывается на значении КПД и уровне токсичности.
Итоги
Дизельные двигатели, имеющие два такта, изобретались с одной целью — снизить токсичность отработавших газов, а также увеличить экономичность двигателя, повысить КПД.
Стоит упомянуть о зажигании. Чтобы топливо воспламенилось, необходимо время, поэтому разряд на свече возникает заранее, перед тем, как поршень достигнет ВМТ. Чем быстрее происходит движение поршня, тем раньше должна зажигаться свеча. Существуют специальные устройства, позволяющие менять угол зажигания в зависимости от частоты вращения коленвала.
Дизели тепловозов и ГТУ газотурбовозов
Опубликовано 10.07.2020 · Обновлено 04.02.2021
Что такое двигатели внутреннего сгорания и теплосиловые установки? Это устройства (машины), которые превращают внутреннюю химическую энергию топлива в механическую работу. Мы рассмотрим двигатели тепловозов – дизели, а также двигатели с вращающимся ротором (газоурбинные), применяемые в качестве силовой установки на газотурбовозах. Существуют и комбинации этих типов двигателей – они носят название турбопоршневые двигатели.
Как работают поршневые двигатели внутреннего сгорания
Итак, поршневые двигатели внутреннего сгорания – это двигатели главным рабочим элементом которых являются поршни. В дизельных двигателях воспламенение топлива происходит от сжатия топливовоздушной смеси поршнем в цилиндре. Перед подачей в камеру сгорания дизельное топливо (солярка) поступает под поршень плунжерной пары, в этом устройстве небольшой поршень перемещается в маленьком цилиндре, причем эти детали максимально притираются друг к другу. Из плунжера топливо под очень большим давлением поступает в форсунку, в ней, проходя через микроскопические отверстия попадает уже в виде тумана в камеру сгорания, где от давления, создаваемого поршнем дизеля воспламеняется.
Вся эта система называется топливным насосом высокого давления, работает она совместно с механизмом газораспределения и регулятором числа оборотов дизеля (РЧО), но в данной статье мы ее касаться пока не будем.
Конструкция дизеля
Все дизели устроены практически одинаково: их остов состоит из рамы и цилиндров, соединенных между собой картером. Цилиндры сверху закрываются крышками, в которых установлены топливные форсунки, выпускные и впускные клапаны (на некоторых конструкциях двухтактных дизелей впускные и выпускные клапаны не устанавливаются на них применяется щелевая продувка – 10Д100, например). Отвлекся немного, поршень соединяется с коленчатым валом посредством шатуна и кривошипа. Дизели бывают двухтактными и четырехтактными.
Рассмотрим работу двухтактного дизеля
При вращении коленчатого вала поршень (через шатун) совершает возвратно-поступательные движения между, так называемыми, нижней мертвой точкой (н.м.т.) и верхней мертвой точкой (в.м.т.). Воздух поступает в цилиндр через продувочные (впускные) окна, расположенные в средней части цилиндра, а отработанные газы удаляются через выпускные клапаны.
Такая система называется клапанно-щелевой продувкой. На дизелях типа 10Д100, как я уже писал выше, клапанов нет, выпуск газов и поступление воздуха в цилиндр осуществляется через продувочные окна, это обусловлено особой конструкцией дизеля с расходящимися поршнями. При перемещении от н.м.т. вверх поршень перекрывает впускные окна, выпускные клапаны при этом закрываются, в итоге происходит процесс сжатия воздуха с повышением его давления. В момент подхода поршня к в.м.т. (камере сгорания), в цилиндр через форсунку впрыскивается топливо, которое от давления воспламеняется. В результате этого давление газов в цилиндре увеличивается и под действием давления поршень перемещается вниз, совершая полезную работу. Давление газов в этот момент падает. При подходе поршня к н.м.т. открываются выпускные клапаны и отработанные газы выходят из цилиндра. В данный момент времени поршень верхней кромкой открывает продувочные окна и через них в цилиндр поступает свежий воздух. Все процессы непрерывно повторяются.
Эти процессы, происходящие в цилиндре дизеля при каждом обороте коленчатого вала называются циклами. Каждый такой цикл состоит из двух тактов:
Поэтому в двухтактных дизелях цикл протекает за два хода поршня, что соответствует одному обороту коленчатого вала.
Рассмотрим работу четырехтактного дизеля
Конструкция данного дизеля отличается от конструкции двухтактного отсутствием продувочных окон, и тем, что один из клапанов – впускной, а другой (как и в предыдущей схеме) – выпускной.
Работа четырехтактного дизеля происходит так: при перемещении поршня от н.м.т. вверх сжатие воздуха происходит при закрытых клапанах (1 такт). Подача топлива и его сгорание происходят в момент нахождения поршня вблизи в.м.т.. Далее следует рабочий ход – расширение газов (2 такт). При следующем ходе поршня вверх открывается выпускной клапан и происходит выпуск отработанных газов (3 такт). Далее выпускной клапан закрывается, одновременно с этим открывается клапан впускной, и при ходе поршня вниз в цилиндр всасывается свежий воздух (4 такт).
Циклы в данной конструкции повторяются через каждые два оборота коленчатого вала и состоят из четырех тактов. Исходя из этого в четырехтактных дизелях циклы протекает за четыре хода поршня – два оборота коленчатого вала. Главной особенностью поршневых двигателей внутреннего сгорания можно назвать циклический рабочий процесс, позволяющий при достаточно высоких температурах сгорания топлива (1800 – 2000 градусов Цельсия) получать высокий КПД (30 – 40%) и сравнительно умеренные средние температуры рабочих деталей.
Газотурбинные установки
Но существуют, правда в небольших экземплярах, такие очень мощные локомотивы, как газотурбовозы (читайте в моих статьях на нашем сайте). В них силовая установка представлена газовой турбиной – газотурбинная установка (ГТУ).
Газотурбинные установки состоят из компрессора для сжатия воздуха, камеры сгорания и непосредственно газовой турбины. Так же как и поршневые двигатели внутреннего сгорания, ГТУ преобразовывают энергию топлива в механическую работу. Надо сказать, что ГТУ работают на всю свою мощь в авиации, для данной отрасли, это самый лучший двигатель.
Принцип работы ГТУ
Рассмотрим вкратце работу ГТУ: в компрессором засасывается воздух из атмосферы и сжимается в нем до рабочего давления. Далее сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где происходит сгорание топлива (керосина). Нагреваясь до температуры 600 – 900 градусов Цельсия смесь сжатого воздуха с продуктами горения топлива поступает в газовую турбину. В турбине, расширяясь, горячий газ вращает рабочее колесо. Отработанный в турбине газ выбрасывается в атмосферу.
Часть мощности турбины (65 – 70%) расходуется на приведение в действие лопаточного компрессора, оставшаяся часть через муфты передается на потребителя или (как в турбореактивных ГТУ ) через сопло Лавваля горячий газ выбрасывается в атмосферу под большим давлением. Для нагревания воздуха в ГТУ, после сжатия его в компрессоре, установлены камеры сгорания. Разогрев производится путем сжигания топлива при постоянном давлении. В камере сгорания температура должна быть очень высокой, это необходимо для того, чтобы реакции окисления топлива происходили достаточно быстро и максимально полно. Для этого в камеру сгорания поступает только часть воздуха, нагнетаемого компрессором (назовем его – первичным). Температура газов в камере сгорания достигает 1800˚ – 2000˚ градусов Цельсия. Остальной воздух (вторичный), который не принимает участия в процессе горения топлива, поступает в смеситель. В нём температуры воздуха и продуктов сгорания доводятся до температуры газов перед турбиной (около 600˚ – 900˚ градусов Цельсия).
Процессы сжатия воздуха, сгорания топлива в ГТУ происходят непрерывно, поэтому средние температуры рабочих органов приближаются к максимальным. Так как эти температуры существенно ограничены жаропрочностью самих материалов, то их приходится снижать. В связи с этим КПД газотурбинных установок значительно ниже КПД дизельных двигателей и составляет 20 – 25 %.
Газотурбинные установки со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ)
Существуют и комбинированные силовые установки – это газотурбинные установки со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ). Такая силовая установка состоит из свободнопоршневого генератора газа, ресивера и турбины.
Принцип ее работы прост – отработанные в генераторе газы поступают через ресивер в газовую турбину. В турбине газы расширяются и вращают ротор турбины. СПГГ вырабатывают газ для газовой турбины и являются камерой сгорания и компрессором. В средней части СПГГ расположены цилиндры двигателя внутреннего сгорания с выпускными и продувочными окнами, форсунками и коллектором продувочного воздуха. Цилиндры поршневого компрессора имеют больший диаметр, чем цилиндры двигателя внутреннего сгорания, в них установлены всасывающие и нагнетательные клапаны. С обоих концов корпуса СПГГ располагаются буферные полости. Поршни СПГГ одновременно являются как поршнями двигателя (поршни малого диаметра), так и поршнями компрессора (поршни большого диаметра).
СПГГ запускается сжатым воздухом, подаваемым в буферные полости. В этот момент оба поршня перемещаются к центру цилиндра и воздух, находящийся между ними, сжимается. В момент сближения поршней в камеру сгорания подается топливо, которое воспламеняется и поршни расходятся. В данный момент в цилиндре дизеля происходит расширение газов. Одновременно, когда поршни открывают выпускные и продувочные окна, происходит выпуск продуктов сгорания и продувка цилиндров воздухом из коллектора. Далее смесь отработанных газов с воздухом через ресивер поступает в газовую турбину.
Заполнение коллектора воздухом осуществляется через клапаны в момент сближения поршней. Когда поршни расходятся в цилиндре компрессора создается разрежение, в результате чего, цилиндр вновь наполняется свежим воздухом через всасывающий клапан, одновременно в буферных полостях происходит сжатие воздуха. В тот момент, когда давление на поршни со стороны буферных полостей станет больше, чем давление, действующее на поршни меньшего диаметра, поршни начнут снова сходиться. При этом в цилиндре дизеля снова будет происходить сжатие воздуха и цикл повторится.
Такой силовой установкой был оснащен единственный экземпляр газотурбовоза с электрической передачей ГТ101-001, который был построен в 1960 году на Луганском (Ворошиловградском) тепловозостроительном заводе, мощность его составляла 3000 л.с.
Историческая перспектива
В дальнейшем локомотивы с СПГГ не строились. Дизельные силовые установки нашли самое широкое применения на тепловозах. Газотурбинные силовые установки не нашли широкого применения на локомотивах. В настоящее время на наших стальных магистралях трудятся два газотурбовоза, работающих на сжиженном природном газе – ГТh1-001 и ГТh1-002, мощность каждого составляет 11284 л.с. в секции, за что ОАО РЖД получило диплом Книги рекордов Гиннесса. А ГТh1-001 попал еще раз в Книгу рекордов, проведя на испытательном кольце ВНИИЖТ (ст. Щербинка) грузовой состав весом 16000 тонн, длинной 170 вагонов. ОАО РЖД планирует заказ этих мощных машин, для работы в регионах с интенсивной добычей природного газа. Но пока пальма первенства конечно принадлежит тепловозам.
