Что такое двухтактный двигатель внутреннего сгорания

Устройство и принцип действия двухтактного двигателя внутреннего сгорания

В настоящее время активно используются два основных типа двигателей внутреннего сгорания: двухтактные и четырехтактные. В двухтактных двигателях все рабочие циклы (процессы впуска готовой топливной смеси, выпуска отработанных газов, продувки) происходят в течении одного оборота коленчатого вала за два основных такта. У двигателей такого типа отсутствуют клапаны газораспределительного механизма, их роль выполняет пара поршень/гильза. Поршень при своем перемещении закрывает своим телом впускные, выпускные и продувочные окна. Поэтому такие двигаетли более просты в конструкции.
Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах, ёмкости цилиндра и частоте вращения вала (теоретически) в два раза больше четырехтактного за счет большего числа рабочих циклов в единицу времени. Однако неполное использование хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на продувку приводят практически к увеличению мощности только на 60. 70 % по сравнению с четырехтактным ДВС.

Двигатель двухтактного рабочего цикла состоит из картера (основной его части — базы), в который на шариковых подшипниках установлен коленчатый вал. Цилиндр крепится к блоку через винты или шпильки, которые проходят через все тело гильзы. Внутри цилиндра движется поршень — металлический стакан (чаще из алюминиевого сплава), опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне ниже жарового пояса. Во время сжатия или рабочего хода поршневые кольца не пропускают газы и запирают в промежутке между днищем поршня и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем — пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Смазка всех трущихся поверхностей и подшипников внутри двухтактных двигателей происходит с помощью топливной смеси, в которое подмешано необходимое количество масла. Из рисунка видно, что топливная смесь (голубой цвет) попадает и в кривошипную камеру двигателя (это та полость, где закреплен и вращается коленчатый вал), и в цилиндр. Смазки там нигде нет, а если бы и была, то смылась топливной смесью. Вот по этой причине масло и добавляют в определенной пропорции к бензину. Тип масла используется специальный, именно для двухтактных двигателей. Оно должно выдерживать высокие температуры и сгорая вместе с топливом оставлять минимум зольных отложений.

Организация процессов в двухтактной схеме

В двухтактном двигателе отсутствует газораспределительный механизм. Точнее, его роль выполняется поршнем и особым образом конфигурированными впускными и выпускными каналами. А чтобы одновременно выполнять процессы впуска свежей смеси и её сжатие, а также очистки цилиндра от отработанных газов, используется не только надпоршневое пространство, но и объём картера двигателя, повышение и понижение давления в котором осуществляется нижней стороной поршня.

Во время первого такта поршень перекрывает продувочное окно в стенке цилиндра и начинает вытеснять продукты выхлопа через выпускное. По мере дальнейшего движения вверх выпуск также закрывается тем же поршнем, надпоршневой объём герметизируется, и начинается сжатие смеси. Заканчивается такт её поджиганием искрой в свече или самопроизвольно от нагрева при сжатии, если это двухтактный дизель (бывают и такие, например, в старых грузовиках, судовых двигателях или авиамоделях).

Второй такт сопровождается расширением горячих продуктов сгорания топлива, которые давят на поршень, совершая полезную работу. Давление под поршнем растёт, поскольку впускной клапан или золотник от карбюратора закрывается. Свежая смесь, набранная в картер при первом такте, сжимается, подготавливаясь к впрыску под давлением через продувочное окно в цилиндр.

Важную роль играет момент одновременного открытия выпускного окна и продувочного. Свежая смесь поступает в цилиндр, вытесняя отработанную. Этот процесс называется продувкой, и от её правильной организации во многом зависит отдача двигателя, его расход топлива и моментная характеристика.

Схем продувки несколько, их применяемость зависит от назначения двигателя, сейчас в основном применяется петлевая трёхканальная продувка, изобретённая немецким инженером Шнюрле, когда поступающая смесь выходит вертикально из двух каналов, отклоняется потоком из третьего, описывает петлю и выталкивает отработанные газы в глушитель. Это наиболее быстрый и эффективный способ очистки цилиндра.

В цилиндре неизбежно или остаётся часть бесполезных газов, или, наоборот, на выхлоп уходит какая-то доля несгоревшей смеси топлива с воздухом. Из-за этого падает топливная экономичность, с чем сражаются разработчики, настраивая схему продувки под все режимы. Особую роль при этом играет объём картера и конструкция клапана на впуске.

Принцип работы

Один оборот коленчатого вала является одним циклом рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания.

Топливо (бензин+масло) с воздухом подается в рабочую камеру сгорания цилиндра, после чего за счет образования искры свечи зажигания, происходит взрыв горючей смеси, энергия которой резко отталкивает поршень вниз.

В картер двигателя топливная смесь попадает через окно, открывающееся за счет вакуума при движении поршня вверх от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней (ВМТ). При этом движении также открывается окно для выброса газов сгоревшей смеси. Через милисекунды открывается продувочное окно. Через продувочное окно подается новая порция топлива.

Тюнинг двухтактного двигателя

Любой двухтактный мотор имеет возможности для форсировки. Увеличение мощности при таком же объеме оправдано в спорте, а в повседневной эксплуатации двигатель становится эластичнее и экономичнее. Основные способы доработки:

1. Увеличить диаметр выпускного отверстия и обеспечить его максимально продолжительное время открытия. Это позволяет выпустить максимальное количество газов. Таким образом повышаются тяговые возможности двигателя и его крутящий момент.
2. Обеспечить эффективную продувку. Для этого можно увеличить диаметр впускного окна, тогда горючая смесь не будет задерживаться в картере и обеспечится своевременный впрыск в камеру сгорания.
3. Применение на карбюраторе вихревого диффузора, который за то же время подает большее количество топливной смеси. Вместе с ним целесообразно применение воздушного фильтра нулевого сопротивления.
4. Установка резонатора выпуска, расчет которого произведен под конкретный объем двигателя. Такое устройство возвращает часть топливной смеси назад в цилиндр через выпускное отверстие.
5. Доработка шатунно-поршневой группы, ее облегчение и тщательная балансировка. Клапана и каналы должны быть притерты и не иметь заусенец (задиров), тормозящие и завихряющие потоки. Это уменьшает наполняемость цилиндра и снижает мощность.
6. Применение инжекторных систем впрыска и регулирование фазами газораспределения. Это позволяет точнее дозировать количество подаваемого топлива и уменьшить потери горючей смеси во время продувки цилиндра.
7. Установка систем наддува. Обычно это компрессорные нагнетатели, а на двухтактный дизельный двигатель может быть установлен традиционный турбокомпрессор. С его помощью увеличивается количество поступаемого в цилиндры воздуха, соответственно и количество горючего может быть увеличено.

Принцип работы 2-х тактного двигателя

1. Чаще всего разница главным образом также заключена в назначении устройства и его топливной общей эффективности. В двигателе двухтактного типа процесс зажигания воспроизводится при каждом совершении оборота коленчатого вала, именно по этой причине по показателю мощности они в несколько раз превосходят четырёхтактные, в которых имеется особая смесь, идущая главным образом через обороты.
2. Четырёхтактные моторы намного тяжелее и тратят наибольшее количество энергии. В большинстве случаев их используют на автомобилях и особой технике, в то время как на остальном оборудовании таком, как мотороллеры, газонокосилки, а также лёгкие разновидности катеров, в большинстве случаев можно заметить более компактные двухтактные разновидности устройств.
3. А вот бензиновый генератор, к примеру, можно легко найти как двухтактной, так и четырёхтактной разновидности. Двигатель в скутере также может заключать в себе совершенно любой двигатель. Принцип функционирования такого оборудования главным образом заключает в себя одни и те же процессы, отличие будет заключено лишь в способе и эффективности общего преобразования энергии.

Что означает такт?

Процесс переработки топлива в обеих моделях моторов может происходить при помощи последовательного выполнения всех четырёх разновидностей процессов, которые по-другому именуются тактами. Скорость, с который производится главная работа двигателя через три такта проходит — это именно то, в чём состоит главное отличие двухтактного двигателя от четырёхтактного.

Первый такт —это осуществление впрыска. В это время поршень начинает совершать движение по примеру цилиндра, а впускной клапан начинает открываться, чтобы запустить в себя воздушно-топливную смесь и доставить её в саму камеру сгорания. После будет происходить процесс сжигания. В это время выпускной клапан закрывается обратно, а поршень продолжает двигаться по цилиндру вверх, сжимая в это все газы, которые имеются внутри. Такт рабочего хода происходит тогда, когда зажигается вся смесь.

В это время искра от свечи начинает восполнять все сжатые в себе газы, что провоцирует взрыв, энергия которого производит выталкивание поршня вниз в начальную позицию. Последним тактом будет считаться выпуск: поршень будет достигать верхней точки по цилиндру, а выпускной клапан открываться снова, позволяя всем выхлопным газам выйти из общей камеры сгорания, чтобы можно было осуществить процесс ещё раз. Возвратно-поступательные движения в поршне вращают коленчатый вал, крутящий момент в это время передаётся на рабочие детали в оборудовании. Так может происходить процесс преобразования энергии сгорания топлива в поступательное движение.

Процесс работы четырёхтактного двигателя

В обычном четырёхтактном устройстве зажигание смеси начинается при каждом втором обороте вала. Процесс вращение вала может привести к воздействию более сложной формы механизмов, которые помогут пользователю добиться выполнения последовательных тактов.

Открытие как впускных, так и выпускных клапанов может происходить благодаря кулачковому валу, который раз за разом нажимает на коромысла. Процесс возвращения клапана в закрытое начальное положение выполняется под воздействием пружины. Чтобы не потерять компрессии, стоит сделать так, чтобы клапан начал как можно плотнее прилегать к головке блока цилиндров.

Как происходит процесс функционирования двухтактного устройства

Теперь стоит более подробно рассмотреть процесс работы двигателя с двумя тактами, а также различить его особенности от четырёхтактного. В двухтактном двигателе все четыре действия происходят за один оборот вала, в процессе хода поршня от верхней мёртвой точки к нижней, а после снова вверх. Выпуск лишних газов (то есть продувка) и впрыск горючего интегрированы в один такт, в конечном счёте этого процесс происходит воспламенение всей смеси, а полученная энергия производит толчок поршня вниз. Такое строение устраняет особую нужду в использовании клапанов в самом устройстве.

На месте клапанов можно найти сразу несколько отверстий камеры сгорания. В тот момент когда поршень при помощи движения сгорания будет перемещён в нижнюю точку, то выпускной клапан откроется, позволяя при этом устраниться всем отработанным газам, таким действием камера станет снова полностью пустой. Во время движения вниз в цилиндре происходит образование разряжения, при помощи которого через расположенный в нижней области выпускной клапан внутрь втягивается определённая смесь воздуха, а также дополнительного воздуха.

Во время движения поршня вверх он начинает перекрывать все каналы и способен сжимать находящиеся внутри цилиндра газы. В это время срабатывается свеча зажигания, а после весь охарактеризованный выше процесс происходит по-новому. Важно отметить то, что в двигателях такого формата процесс зажигания смеси может происходить во время каждого последующего оборота. Что помогает извлекать из них большее количество мощности, по крайней мере, за определённый отрезок времени.

Отличие двухтактного двигателя от четырёхтактного

Двухтактные двигатели лучше всего будут использовать в устройствах, в которых нужны быстрые и резкие всплески всей энергии, а не равномерный процесс работы на протяжении всего долго времени. К примеру, гидроцикл разгоняется намного быстрее, чем в простом грузовике с четырёхтактным. Но при этом он нужен для совершения кратковременных поездок, в то время как сам грузовик способен проехать расстояние равное сотням километров, до того времени, как ему понадобится отдохнуть.

Невысокая длительность функционирования двухтактного механизма будет компенсироваться низким соотношением его веса к показателю мощности: такие разновидности двигателей в большинстве случаев весят намного меньше, именно по этой причине могут быстрее запускаться и достигают наивысшего показателя своей эффективности, а также могут достигнуть максимального показателя рабочей температуры. Для осуществления их перемещения в другую точку также затрачивается намного меньшее значение энергии.

Какой тип мотора стоит покупать?

В большинстве случаев четырёхтактные двигатели способны работать лишь в одном положении. Это может быть связано со сложностью двигающихся механизмов, а также конструкций масляного поддона.

Такой тип поддона, который обеспечивает дальнейшую смазку двигателя, чаще всего имеется лишь в четырёхтактных устройствах и обладает наибольшим показателем важности для рабочего процесса. У двухтактного двигателя чаще всего не имеется никакого дополнительного поддона, именно по этой причине их можно использовать почти в любом положении без возможности выплёскивания масляной жидкости либо прерывания процессов смазки оборудования. Для таких типов оборудования, как бензопилы, циркулярные пилы, а также другие инструменты персонального назначения, такой показатель гибкости считается довольно важным.

Топливная результативность, а также значение для окружающей среды. В большинстве случаев становится понятно, что компактные, а также быстрые двигатели в приборах намного быстрее загрязняют окружающее пространство и потребляют большой показатель топлива. В нижней точки движения поршня, когда камера сгорания полностью наполняется горючей смесью, некоторое число топлива полностью теряется, попадая при этом в пустой канал.

Это можно легко увидеть, если рассмотреть подвесной лодочный мотор. Можно увидеть вокруг него разноцветные масляные пятна. Именно по этой причине двигатели такого типа считаются не очень эффективными и загрязняют окружающий воздух. И хотя четырёхтактные модели обладают большим весом и медленной производительностью, но при этом в них топливо сжигается полноценно.

Сколь стоит ремонт оборудования и замена комплектующих?

Меньшие по габаритам устройства в большинстве случаев считаются наиболее дешёвыми, как с точки зрения первоначального приобретения, так и при дальнейшем техническом обслуживании. Но при этом они рассчитываются на более длительное время работы. Хотя существуют и некоторые выходы за рамки, но чаще всего они не предназначены для долгой эксплуатации в течение больше чем двух часов и рассчитаны на очень небольшой отрезок времени использования.

Отсутствие разделённой системы смазки также может привести к тому. Что даже в наиболее качественном моторе такого вида будет очень быстро происходить износ, а после он придёт в негодность по причине повреждения движущейся детали.

Отчасти по причине отсутствия смазки в бензин, который нужен для осуществления заливки в двухтактный двигатель скутера, к примеру, стоит добавить некоторое количество специализированного масла. Это может привести к дополнительной затрате времени и денег, а также может стать причиной выхода из строя оборудования (если вы когда-нибудь забудете подлить новую порцию масла). Мотор четырёхтактного типа чаще всего требует от потребителя минимального ухода и обслуживания.

Какой мотор стоит выбрать

Четырёхтактный двигатель основные особенности:

1. Совершается один ход рабочего на каждые два оборота коленчатого вала.
2. Для его работы потребителю приходится применять тяжёлые маховики для компенсации вибрации, которая может развиваться во время работы двигателя по причине неравномерного процесса распределения крутящегося момента, так как процесс воспламенения горючей смесью будет происходить лишь при каждом втором обороте.
3. Большая масса двигателя.
4. Строение всего двигателя будет наиболее сложным по причине усложнения механизма клапаном.
5. Высока цена за прибор.
6. Невысокий показатель механического КПД по причине совершения сильного трения между несколькими деталями.
7. Более высокий показатель работы при помощи полного удаления отобранных газов и процессу впрыскивания наиболее свежего раствора.
8. Более низкий показатель рабочей амплитуды.
9. Совершение водяного охлаждения.
10. Меньшее количество расхода энергии и полноценный процесс горения топлива.
11. Занимает значительное место на рабочей зоне.
12. Сложная система осуществления смазки.
13. Низкий уровень шума.
14. Процесс распределения газа при помощи клапанного механизма.
15. Высокий показатель тепловой эффективности.
16. Низкий уровень потребления масла.
17. Наименьший процесс износа движущихся и взаимодействующих друг с другом деталей и механизмов
18. Может быть установлен в автобусах, грузовиках и другом автотранспорте.

Отличие двухтактного двигателя от четырёхтактного

Авто владельцы задаются вопросом: что лучше двухтактный или четырехтактный двигатель. Однозначного ответа нет, у каждого механизма положительные и отрицательные стороны, зависящие от предъявляемых к мотору требований.

Казалось бы, мощность мотора выполняющего два такта, в сравнении с равнозначным мотором, выполняющим четыре такта, больше, а значит он лучше. Однако, реальность сложней. На практике, возникают дополнительные утраты: частичное попадание и смешивание газовой отработки со свежим горючим, выброс части топлива при продувке. Результат, при выполнении одинакового цикла, агрегат, выполняющий два такта, по показателю экономичности уступает агрегату с четырьмя тактами.

Различен способ смазки силовых установок на четыре и два такта. Установка на два такта смазывается посредством смешивания масла для мотора и бензина. В четырёхтактном агрегате предусмотрен механизм смазки с использованием насоса, который расходует масла столько, сколько требует эксплуатация установки.

Двухтактные моторы не имеют клапанов, роль детали играет поршень, он открывает и закрывает отверстия впуска и выпуска. Отсутствие механизмов газораспределения упрощает силовой агрегат, делая обслуживание простым. Мощность установки, выполняющей два такта, считается выше, так как её цикличность выше. Однако, не полностью используя поршневой ход, потери мощности при продувке и остатках отработанных газов снижают показатель мощности.

Что бы было легче определить, какой двигатель лучше, двухтактный или четырёхтактный, представим краткое описание обоих силовых установок в виде таблицы:

Применять двигатель, выполняющий два такта при работе, целесообразно в моменты, когда речь не идёт об экономии топлива и смазки, а на первом месте стоят габариты и вес установки.

В то же время, в конструкции двухтактного двигателя кроется потенциал, который никак не удается реализовать на практике. Расчетный показатель мощности и экономичности в этом агрегате высок, сложность реализовать возникает из-за тонкости настроек. Возможно, в скором будущем благодаря применению электронных датчиков и механизмов контроля и настроек, двухтактным агрегатам удастся занять лидирующие позиции на автомобильном рынке.

Как работает двухтактный ДВС

Рабочий цикл двухтактного двигателя состоит из двух движений поршня внутри цилиндра: вверх и вниз, которые и называются тактами. В отличие от четырехтактного агрегата, впуск топливной смеси и вывод отработки совмещены с рабочими процессами сжатия и расширения рабочих газов.

Мотор Honda AF18E для скутеров и мопедов.

Устройство двухтактного двигателя

Перед тем, как подробно разобрать принцип работы 2х тактного двигателя, остановимся на его строении. Агрегат состоит из:

• картера и кривошипной камеры, внутри которой находится цилиндр и коленвал с подшипниками;
• поршня, установленного на коленчатый вал и двигающегося внутри цилиндра;
• свечи зажигания (в моторах, работающих на бензине);
• впускного и выпускного коллекторов.

Силовые агрегаты обычно конструируют так, чтобы они получали максимальное воздушное охлаждение, но модели, установленные на сложной технике, могут иметь дополнительный водный контур.

Определить тип мотора легко: если агрегат имеет одно заливное отверстие для масла и бензина — значит, он двухтактный, а если раздельные — четырехтактный. Но есть и исключения: например, на некоторых скутерах устанавливается отдельный бачок.

Принцип работы 2-тактного ДВС

Первый такт (подъем поршня) вызывает сжатие газов:

• Поршень движется к верхней мертвой точке (ВМТ), выталкивая выхлопные газы.
• Когда элемент перекроет выпускное отверстие, начинается сжатие топливовоздушной смеси. Одновременно с этим открывается впускное окно и в кривошипную камеру поступает новая порция горючего.
• По достижении поршнем ВМТ (когда смесь в камере сгорания сжата до максимально возможной степени) свеча зажигания подает искру, воспламеняя горючее.
• За счет давления расширяющихся газов, деталь отбрасывается вниз, к нижней мертвой точке (НМТ).

Второй такт (опускание и вывод отработки), который также называется рабочим ходом:

• Поршень движется по направлению к нижней мертвой точке придавая вращение кривошипу, по ходу следования он открывает выпускное отверстие и освобождает кривошипную камеру от отработанных газов.
• Впускное окно закрывается, предотвращая попадание отработки в систему подачи топлива.
• Когда откроется продувочное окно, из кривошипной камеры в надпоршневую область поднимается топливовоздушная смесь. Цилиндр заполняется, и одновременно продувается от ненужных более газов.
• Такт заканчивается, когда поршень достигает НМТ. Далее деталь по инерции снова поднимается и цикл повторяется.

Анимированная схема работы двухтактного двигателя:

Отличия в работе дизельного силового агрегата

Входное окно, подающее кислород, необходимый для сгорания топлива расположено в нижней части камеры дизельного ДВС. Поднимаясь от НМТ, поршень сначала закрывает впускное окно, останавливая забор воздуха, а потом и выпускное — прекращая процесс выхлопа.

Далее деталь продолжает двигаться вверх, сжимая и нагревая находящийся в камере кислород, когда поршень доходит до ВМТ, форсунки впрыскивают в камеру сгорания раскаленное и распыленное на мельчайшие капли дизтопливо. Происходит взрыв, и поршень отбрасывается вниз, по пути открывая входное и выходное окна, аналогично бензиновому ДВС, далее цикл повторяется.

Двухтактный двигатель на дизтопливе.

Выводы

Из вышесказанного можно сделать вывод, что двухтактные двигатели можно использовать в тех случаях, когда расход топлива не имеет значения, а важны такие характеристики, как небольшая масса и простота конструкции. Это идеальные варианты для переносных агрегатов, небольших автомобилей, а также мотоциклов и мопедов. Компактные размеры двухтактных двигателей позволило им основательно занять место в сфере, казалось бы совершенно далекой от той сферы, для которой были созданы ДВСы — в моделировании.

В конструкции двухтактных двигателей заложены огромные резервы по мощности и экономичности. Но из-за конструктивных особенностей их не удавалось реализовать в механическом виде. Вполне возможно электронные системы помогут «двухтактникам» занять лидирующую позицию среди двигателей внутреннего сгорания в ближайшее время.