Silnik dwusuwowy

Podstawowe wiadomości

W silniku dwusuwowym cykl pracy odbywa się w czasie dwóch suwów tłoka, czyli w czasie jednego obrotu wału korbowego. Silniki dwusuwowe pracuje suw sprężenia oraz suw pracy. Czynności, które dążą się z wymianą ładunku, tzn. napełnienie cylindra oraz wylot spalin, wykonywane są równocześnie, kiedy tłok jest w okolicy DMP, a więc pod koniec suwu pracy oraz na początku suwu sprężenia. Silniki dwusuwowe na ogół nie posiadają zaworów. Wylot i dolot spalin dostosowuje w nich sam tłok, odsłaniając albo zasłaniając konkretne otwory w ściankach cylindra. W związku z tym, że w silnik dwusuwowy nie posiada suwu dolotu świeży ładunek wykorzystany do napełnienia cylindra powinien być wcześniej sprężony poza cylindrem roboczym. To na początku sprężanie wykonywane jest w specjalnie przygotowanej do tego celu dmuchawie albo sprężarce, lub w komorze korbowej silnika.

Zaletą silników dwusuwowych jest ich prosta budowa, ogromna równomierność biegu oraz formalnie dwa razy większa moc porównując z silnikami czterosuwowymi o takich samych rozmiarach cylindra, prędkości obrotowej oraz ciśnieniu w cylindrze.

Tak naprawdę zysk na mocy jest jedynie 50-70% , jest to spowodowane maleniem objętości skokowej cylindra przez szczeliny a także na wskutek niemożności całkowitego przepłukania cylindra oraz całkowitego pozbycia się z niego spalin. Sprawność silników dwusuwowych jest dużo mniejsza niż czterosuwowych, ponieważ ogromna część nie spalonej mieszaniny wychodzi przez szczelinę wylotową w czasie przepłukiwania cylindra. W dużych silnikach dwusuwowych w zastępstwie sprężania w komorze korbowej wykorzystuje się dodatkową dmuchawę tłokową albo wirową napędzaną poprzez wał korbowy silnika.

Główny wykres indykatorowy posiada tylko pracę wewnętrzną, nie bierze pod uwagę jednak pracy sprężarki czy dmuchawy ładującej (albo pracy straconej na początku sprężania w komorze korbowej). Wiadome jest, że wykresy obu pól trzeba zrobić z zachowaniem jednakowych podziałek.

Wykres indykatorowy silnika dwusuwowego

Suw sprężania

W czasie tegoż suwu obserwujemy, że ciśnienie ładunku zgromadzonego w cylindrze rośnie. Proces wykonywany jest w warunkach ciągłej wymiany ciepła pomiędzy ładunkiem a ściankami cylindra, głowicą oraz denkiem tłoka. Ta wymiana ciepła wykonywana jest z różną intensywnością, co więcej ze zmiennym kierunkiem przepływu ciepła. Na początku suwu ładunek bierze ciepło od denka tłoka oraz ścianek cylindra, natomiast przy końcu ciepło zostaje oddawane przez ładunek do ścianek przestrzeni roboczej. Na początku suwu sprężania odbywa się także proces przepłukiwania cylindra, to znaczy wymiany ładunku.

Suw rozprężenia (praca)

Proces rozprężenia zaczyna się po skończeniu spalania mieszaniny. Wysokie ciśnienie , które jest się w cylindrze silnika gazów spalinowych powoduje, iż wywierają one tłok ogromną siłę, pod wpływem, której tłok przemieszcza się ku DMP. Zatem rozprężające się spaliny wykonują pracę. Zarem suw rozprężenia nazywany jest suwem pracy. Jednakowo jak w czasie sprężania tak i tutaj następuje ciągła wymiana ciepła pomiędzy gazami a czynnikiem chłodzącym przy użyciu ścianek cylindra oraz głowicy. Pod koniec suwu zaczyna się proces przepłukiwania.

Droga przepływu czynników w silniku dwusuwowym

Droga przepływu czynnika w silniku dwusuwowym z dmuchawą ładującą

Droga przepływu czynnika w silniku dwusuwowym z wstępnym sprężaniem w komorze korbowej silnika komorze korbowej silnika

Rodzaje systemów przepłukiwania

Przepłukiwania poprzeczne

W układzie tym okna (inaczej szczeliny) dolotowe orza wylotowe ulokowane są po przeciwległych stronach cylindra. Aby nie pozwolić uciec świeżemu ładunkowi, który doprowadzany jest do cylindra jego strumień kieruje się ku górze wykorzystując nasady sterującej na tłoku (rys.a) albo pochylenie kanału dolotowego (rys.b). Sposób z nasadą sterującą na tłoku posiada bardzo dużo wad. Złożona forma denka tłoka oraz komory spalania w głowicy nie ułatwia obróbki tych elementów i zwiększa ich koszty. Niesymetryczna forma pobudza powstanie odkształceń cieplnych oraz pękaniu tłoka. Lepszą drogą byłoby pochylenie kanału dolotowego. Trzeba jednak mieć na uwadze, że pochylenie kanału dolotowego spowoduje wzrost wysokości okien, a w związku z tym zmaleje czynny skok tłoka.

Przepłukiwanie zwrotne

Wyróżniamy dwie warianty przepłukiwania zwrotnego: MAN oraz system Shnurlego.

W systemie MAS (rys.a) okna wylotowe ulokowane są nad oknami dolotowymi. W systemie tym okna wylotowe jak również okna dolotowe są po tej samej stronie cylindra. Takie ustawienie okien powoduje, iż muszą one być niższe niż w pozostałych ewentualnościach i stąd bierze się potrzeba stosowania wyższego ciśnienia czynnika przepłukującego.

W systemie Shnurlego (rys. b i c) okna dolotowe ulokowane są po obu stronach okien wylotowych, w przybliżeniu na takiej samej wysokości. Ulokowanie kanałów dolotowych po obu stronach kanału wylotowego wpływa bardzo opłacalnie na jednorodność mieszaniny ułatwiając odparowanie paliwa. System Schnurlego powoduje efektywne przepłukiwanie cylindra bez względu od sposobu tłoczenia mieszaniny palnej oraz częstotliwości obrotów silnika. Silniki z przepłukiwaniem systemem Schnurlego cechuje to, iż zużywają mało paliwa, mają dużą moc, praca ich jest cicha, posiadają dłuższe przebiegi pomiędzy naprawczymi oraz

charakteryzują się dużą elastycznością.

Przepłukiwanie wzdłużne

Główną cechą przepłukiwania wzdłużnego, nazywanego także przepłukiwaniem jednokierunkowym, jest przepływ świeżego ładunku wzdłuż osi cylindra bez zmiany kierunku. Okna a także zawory ulokowane są po obu krańcach cylindra.

Kanały dolotowe mogą mieć kierunek promieniowy. Osie tych kanałów mogą się przecinać ale również mogą być ukośne. W tej drugiej ewentualności kanały dolotowe nadają strumieniom przepłukującym ruch po torze śrubowym, co ulepsza wymieszanie paliwa z powietrzem. Jest to bardzo ważne w silnikach z wtryskiem paliwa.

Przepłukiwanie wzdłużne przy użyciu zaworu wylotowego (rys. a) pozwala na dowolne umieszczenie rozrządu wylotu, a także zapewnia dobre przepłukiwanie oraz napełnianie cylindra i ułatwia wykorzystanie doładowania. W silnikach z tłokami przeciwsobnymi jest wykorzystywana odmiana przepłukiwania wzdłużnego przedstawiona na rys. b.

W sposobie tym jeden tłok steruje otwieraniem okien dolotowych, drugi natomiast otwieraniem okien wylotowych.

Wady oraz zalety silnika dwusuwowego

Zalety

1. Nieskomplikowana , lekka budowa porównując z silnikami czterosuwowymi.

2. Ogromna równomierność biegu (możliwość wykorzystania małego koła zamachowego).

3. Duża moc silnika (0 50-70%) porównując z silnikiem czterosuwowym o takiej samej pojemności skokowej.

4. Małe koszty produkcji.

Wady

1. W tradycyjnych budowach silnika ogromna uciążliwość dla otoczenia porównując z silnikiem czterosuwowym.

2. Mała sprawność porównując z silnikiem czterosuwowym (straty w czasie przepłukiwania wysoce zwiększają zużycie paliwa).

3. Krótkie przebiegi naprawcze porównując z silnikiem czterosuwowym.