Silnik dwusuwowy – budowa i zasada działania

Informacje ogólne

W silniku dwusuwowym cykl pracy przebiega podczas dwóch suwów tłoka, tzn. podczas jednego obrotu wału korbowego. Silniki dwusuwowe wykonują tylko suw sprężenia i suw pracy. Czynności związane z wymianą ładunku, tj. napełnienie cylindra i wylot spalin, odbywają się tu prawie jednocześnie, kiedy tłok znajduje się w okolicy DMP, a więc pod koniec suwu pracy i na początku suwu sprężenia. Silniki dwusuwowe zazwyczaj nie mają zaworów. Wylot i dolot spalin reguluje w nich sam tłok, odsłaniając lub zasłaniając odpowiednie otwory w ściankach cylindra. Ponieważ w silniku dwusuwowym nie ma suwu dolotu świeży ładunek przeznaczony do napełnienia cylindra musi być uprzednio sprężony poza cylindrem roboczym. To wstępne sprężanie odbywa się w specjalnie przystosowanej do tego celu dmuchawie lub sprężarce, albo w komorze korbowej silnika.
Zaletą silników dwusuwowych jest znacznie prostsza konstrukcja, duża równomierność biegu i teoretycznie dwa razy większa moc w porównaniu z silnikami czterosuwowymi o tych samych wymiarach cylindra, prędkości obrotowej i ciśnieniu w cylindrze.
W rzeczywistości jednak zysk na mocy wynosi zaledwie 50-70% z powodu zmniejszenia objętości skokowej cylindra przez szczeliny oraz wskutek niemożności zupełnego przepłukania cylindra i usunięcia z niego spalin.
Sprawność silników dwusuwowych jest znacznie mniejsza niż czterosuwowych, gdyż duża ilość nie spalonej mieszanki uchodzi przez szczelinę wylotową podczas przepłukiwania cylindra. W większych silnikach dwusuwowych zamiast sprężania w komorze korbowej stosuje się osobną dmuchawę tłokową lub wirową napędzaną przez wał korbowy silnika.
Przedstawiony wykres indykatorowy zawiera tylko pracę wewnętrzną, nie uwzględniając pracy sprężarki czy dmuchawy ładującej (lub pracy straconej na wstępne sprężanie w komorze korbowej). Oczywiście wykresy obu pól należy wykonać z zachowaniem jednakowych podziałek.



Suw sprężania

Podczas tego suwu następuje wzrost ciśnienia ładunku zgromadzonego w cylindrze. Proces ten odbywa się w warunkach ciągłej wymiany ciepła między ładunkiem a ściankami cylindra, głowicą i denkiem tłoka. Ta wymiana ciepła odbywa się ze zmienna intensywnością, a nawet ze zmiennym kierunkiem przepływu ciepła. Na początku suwu ładunek pobiera ciepło od denka tłoka i ścianek cylindra, przy końcu zaś następuje oddawanie ciepła przez ładunek do ścianek przestrzeni roboczej. Na początku suwu sprężania trwa jeszcze proces przepłukiwania cylindra, czyli wymiany ładunku.

Suw rozprężenia (praca)

Proces rozprężenia rozpoczyna się po ukończeniu spalania mieszanki. Wysokie ciśnienie znajdujących się w cylindrze silnika gazów spalinowych sprawia, że wywierają one tłok znaczną siłę, pod wpływem, której tłok przesuwa się ku DMP. Rozprężające się spaliny wykonują pracę. Stąd suw rozprężenia nazywa się suwem pracy. Podobnie jak podczas sprężania tak i tu występuje ciągła wymiana ciepła między gazami a czynnikiem chłodzącym za pośrednictwem ścianek cylindra i głowicy. Pod koniec suwu rozpoczyna się proces przepłukiwania.


W tym systemie okna (szczeliny) dolotowe i wylotowe umieszczone są po przeciwległych stronach cylindra. W celu zapobieżenia ucieczce świeżego ładunku dopływającego do cylindra jego strumień skierowuję się ku górze przez zastosowanie nasady sterującej na tłoku (rys.a) lub pochylenie kanału dolotowego (rys.b). rozwiązanie z nasadą sterującą na tłoku ma wiele wad. Skomplikowany kształt denka tłoka i komory spalania w głowicy utrudnia obróbkę tych elementów i zwiększa ich koszty. Niesymetryczny kształt sprzyja powstaniu odkształceń cieplnych i pękaniu tłoka. Korzystniejszym rozwiązaniem jest pochylenie kanału dolotowego. Należy jednak pamiętać, że pochylenie kanału dolotowego powoduje wzrost wysokości okien, a tym samym zmniejszenie czynnego skoku tłoka.



Istnieją dwie odmiany przepłukiwania zwrotnego: MAN i system Shnurlego.
W systemie MAS (rys.a) okna wylotowe są umieszczone nad oknami dolotowymi. W systemie tym zarówno okna wylotowe jak i dolotowe znajdują się po tej samej stronie cylindra. Takie usytuowanie okien sprawia, że muszą one być niższe niż w innych przypadkach i stąd konieczność stosowania wyższego ciśnienia czynnika przepłukującego.
W systemie Shnurlego (rys. b i c) okna dolotowe rozmieszczone są po obu stronach okien wylotowych, mniej więcej na takiej samej wysokości. Umieszczenie kanałów dolotowych po obu stronach kanału wylotowego wpływa korzystnie na jednorodność mieszanki ułatwiając odparowanie paliwa.
System Schnurlego zapewnia skuteczne przepłukiwanie cylindra niezależnie od sposobu tłoczenia mieszanki palnej i częstotliwości obrotów silnika. Silniki z przepłukiwaniem systemem Schnurlego charakteryzują się mniejszym zużyciem paliwa, większą mocą, cichszą pracą, dłuższymi przebiegami między naprawczymi i większą elastycznością


Cechą charakterystyczną przepłukiwania wzdłużnego, zwanego również przepłukiwaniem jednokierunkowym, jest przepływ świeżego ładunku wzdłuż osi cylindra bez zmiany kierunku. Okna lub zawory są rozmieszczone po obu krańcach cylindra.
Kanały dolotowe mogą mieć kierunek promieniowy. Osie tych kanałów mogą się przecinać lub mogą być ukośne. W tym drugim przypadku kanały dolotowe nadają strumieniom przepłukującym ruch po torze śrubowym, co polepsza wymieszanie paliwa z powietrzem. Jest to bardzo ważne w silnikach z wtryskiem paliwa.
Przepłukiwanie wzdłużne przy użyciu zaworu wylotowego (rys. a) umożliwia dowolne ustawienie rozrządu wylotu, a przy tym samym zapewnia dobre przepłukiwanie i napełnianie cylindra oraz ułatwia zastosowanie doładowania. W silnikach z tłokami przeciwsobnymi jest stosowana odmiana przepłukiwania wzdłużnego przedstawiona na rys. b. W rozwiązaniu tym jeden tłok steruje otwieraniem okien dolotowych, drugi zaś otwieraniem okien wylotowych.



Wady i zalety silnika dwusuwowego

Zalety

1. Prostsza i lżejsza konstrukcja w porównaniu z silnikami czterosuwowymi.
2. Duża równomierność biegu (możliwość zastosowania mniejszego koła zamachowego).
3. Większa moc silnika (0 50-70%) w porównaniu z silnikiem czterosuwowym z tej samej pojemności skokowej.
4. Mniejsze koszty produkcji.

Wady

1. W tradycyjnych konstrukcjach silnika duża uciążliwość dla środowiska w porównaniu z silnikiem czterosuwowym.
2. Mniejsza sprawność w porównaniu do silnika czterosuwowego (straty podczas przepłukiwania znacznie zwiększają zużycie paliwa).
3. Krótsze przebiegi między naprawcze w porównaniu z silnikiem czterosuwowym.