Двухтактный двигатель внутреннего сгорания
Во многих источниках создание первого двигателя внутреннего сгорания приписывают Готтлибу Даймлеру, другие считают изобретателем Николаса Отто. Однако существует версия, что и те, и другие ошибаются. Еще в 1858 году бельгиец Жан Жозеф Этьен Ленуар создал двухтактный двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе.
В отличии от паровой машины он был проще и экономичнее. Однако двигатель бельгийского инженера был далек от совершенства. Это доказал Николас Отто, представив свой четырехтактный мотор. Его КПД был гораздо выше, чем у мотора Ленуара, а сам двигатель имел меньшие габариты. Двухтактный двигатель резко потерял популярность, и до начала ХХ века почти полностью исчез.
В России хорошо известны мотоциклы ИЖ «Планета» и «Юпитер» с двухтактными двигателями. В Германии в период Второй мировой двухтактные двигатели активно применялись в самолетостроении. В наше время, к примеру, моторы марки Rotax, широко используются в малой авиации.
С ужесточением норм токсичности двухтактные двигатели перестали рассматриваться в качестве силовых установок для гражданского транспорта, но на скутерах, снегоходах, катерах и в авиамодельном спорте, то есть там, где требуются моторы малого объема и веса, конкурентов им по-прежнему нет.
Устройство двухтактного двигателя
Конструктивно двухтактный и четырехтактный двигатели схожи. Основное различие между ними заключено в принципе газораспределения и в том, что рабочий цикл в двухтактном двигателе совершается за один оборот коленчатого вала.
Отдельного газораспределительного механизма в двухтактном двигателе нет. Роль впускных и выпускных клапанов выполняют отверстия в стенках цилиндра, а выталкивает выхлопные газы наружу и втягивает внутрь очередную порцию рабочей смеси сам поршень. В процессе газообмена участвует и кривошипная камера.
Для наполнения цилиндра топливовоздушной смесью используется впускное окно, которое также называют продувочным. Второе, выпускное окно, служит для удаления отработавших газов из цилиндра. Оно расположено выше впускного.
В течение первого такта поршень движется вверх, перекрывая продувочное окно, а затем и выпускное. Происходит сжатие топливовоздушной смеси. В это время в кривошипной камере создается разрежение, которое используется для всасывания топливо-воздушной смеси из карбюратора в полость картера.
Далее начинается второй такт. Свеча зажигания воспламеняет сжатую топливовоздушную смесь. Расширяясь, газы толкают поршень вниз. По мере движения поршня вниз открывается выпускное окно, и часть газов удаляется из цилиндра. При движении поршня вниз в кривошипной камере создается избыточное давление. Поршень продолжает двигаться вниз, к нижней мертвой точке, и открывает продувочное отверстие. Начинается наполнение цилиндра топливовоздушной смесью из кривошипной камеры. Свежая смесь выталкивает из цилиндра остатки отработавших газов.
Описанная схема работы характерна для карбюраторных моторов. Схема работы дизельных и инжекторных бензиновых двухтактных моторов отличается тем, что топливо впрыскивается в камеру сгорания через форсунку, а в полость кривошипной камеры засасывается чистый воздух.
Преимущества и недостатки двухтактных двигателей
Самое главное преимущество двухтактных двигателей – более высокая, по сравнению с четырехтактными, литровая мощность. Дело здесь в том, что при равном количестве цилиндров и количестве оборотов коленчатого вала в минуту, каждый цилиндр совершает рабочий ход вдвое чаще. При этом, за счет того, что фактический рабочий ход двухтактного двигателя короче (он укорочен за счет процессов газообмена), реально объем двигателя увеличивается на 50-60%.
Не менее важное преимущество — компактность. Благодаря этому качеству двухтактные двигатели нашли широкое применение не только в небольших транспортных средствах наподобие снегоходов, но и в садовой технике, а также инструментах (к примеру, в бензопилах). Кроме того, отсутствие газораспределительного механизма заметно делает конструкцию проще и дешевле в производстве.
Есть у двухтактных ДВС и существенные недостатки. Они расходуют больше топлива впустую, так как при открытии выпускного окна в систему выхлопа попадает часть несгоревшей смеси. Система смазки классического двухтактного мотора крайне примитивна – бензин смешивается с маслом заранее, и оба эти вещества попадают в камеру сгорания одновременно. Обусловлено это тем, что организовать масляную ванну в картере невозможно – картер участвует в процессе газообмена. В результате масло, не пошедшее на смазывания стенок цилиндра, сгорает вместе с топливом. Ресурс двухтактного двигателя также значительно меньше, главным образом, за счет высоких оборотов коленвала. По этой причине в двигателях этого типа применяется только специальное высококачественное масло, разработанное для применения в двухтактных двигателях. Экологические параметры также оставляют желать лучшего: в выхлопе, из-за особенностей газораспределения, содержится большое количество СО и СН.
Эксплуатация двухтактного двигателя
Для смазывания поршневой группы двухтактного двигателя необходимо добавлять масло непосредственно в топливо. Причем, бензин и масло, перед тем как залить в бак, нужно предварительно смешать. Правда, некоторые производители избавляют владельцев от этой проблемы установкой отдельного бачка для масла. В этом случае оно добавляется в топливо автоматически в нужной пропорции.
Не следует забывать, что картер мотора также участвует в газораспределении и должен быть герметичен. Поэтому необходимо тщательно следить за состоянием прокладок.
Принцип работы 2 х тактного двигателя
Устройство двухтактного двигателя и принцип его работы
Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) широко используются в разных сферах человеческой жизни. Однако не все они работают одинаково. Между ними есть одно принципиальное отличие. В зависимости от конструкции рабочий цикл двигателя может состоять из двух или четырёх тактов. Поэтому и называется он соответственно двухтактным двигателем или четырехтактным. Это справедливо как для бензинового мотора, так и для дизеля.
Рабочий цикл из двух тактов
Одноцилиндровый двухтактный двигатель работает по-другому. Здесь все четыре действия происходят за один полный оборот коленвала. При этом поршень делает только два такта (расширения и сжатия), двигаясь от ВМТ к НМТ и обратно. А впуск и выпуск являются частью этих двух тактов. Подробней принцип работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания можно описать следующим образом.
Газы от сгорания топливной смеси толкают поршень вниз от ВМТ. Примерно на середине хода поршня в гильзе цилиндра открывается выпускное отверстие, через которое часть газов выбрасывается в патрубок глушителя. Продолжая двигаться вниз, поршень создаёт давление, благодаря которому в цилиндр поступает новая порция топлива, одновременно продувая его от остатков сгоревших газов. Подходя к ВМТ, поршень сжимает смесь и система зажигания воспламеняет её. Снова начинается такт расширения.
В авиамоделестроении широко используется двухтактный дизельный двигатель, его принцип работы тот же, что и у бензинового. Разница в том, что смесь топлива с воздухом самостоятельно воспламеняется в конце цикла сжатия. Горючим для таких моторов служит смесь эфира с авиационным керосином. Воспламенение этого горючего происходит при гораздо меньшей степени сжатия, чем у двигателей на традиционном дизельном топливе.
Двухтактный двигатель: принцип работы
- 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.
- 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.
- 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.
Работа двухтактного двигателя внутреннего сагорания
Как уже понятно из названия, такой двигатель имеет всего два рабочих такта, которые будут описаны ниже.
Принцип работы 2х тактных и 4х тактных двигателей
При выборе силового оборудования необходимо уделить особое внимание типу двигателя. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания: 2-х тактный и 4-х тактный.
Принцип действия двигателя внутреннего сгорания основан на использовании такого свойства газов, как расширение при нагревании, которое осуществляется за счет принудительного воспламенения горючей смеси, впрыскиваемой в воздушное пространство цилиндра.
Зачастую можно услышать, что 4-х тактный двигатель лучше, но чтобы понять, почему, необходимо более подробно разобрать принципы работы каждого.
Основными частями двигателя внутреннего сгорания, независимо от его типа, являются кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, а также системы, отвечающие за охлаждение, питание, зажигание и смазку деталей.
Передача полезной работы расширяющегося газа осуществляется через кривошипно-шатунный механизм, а за своевременный впрыск топливной смеси в цилиндр отвечает механизм газораспре6деления.
Четырехтактные двигатели — выбор компании Honda
Четырехтактные двигатели экономичные, при этом их работа сопровождается более низким уровнем шума, а выхлоп не содержит горючей смеси и значительно экологичней чем у двухтактного двигателя. Именно поэтому компания Honda при изготовлении силовой техники использует только четырехтактные двигатели. Компания Honda уже многие годы представляет свои четырехтактные двигатели на рынке силовой техники и добилась высочайших результатов, при этом их качество и надежность ни разу не подвергались сомнению. Но всё же, давайте рассмотрим принцип работы 2х и 4х тактных двигателей.
Принцип работы двухтактного двигателя
Рабочий цикл 2-х тактного двигателя состоит из двух этапов: сжатие и рабочий ход.
Сжатие. Основными положениями поршня являются верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ). Двигаясь от НМТ к ВМТ, поршень поочередно перекрывает сначала продувочное, а затем выпускное окно, после чего газ, находящийся в цилиндре, начинает сжиматься. При этом через впускное окно в кривошипную камеру поступает свежая горючая смесь, которая будет использована в последующем сжатии.
Рабочий ход. После того, как горючая смесь максимально сжата, она воспламеняется при помощи электрической искры, образуемой свечой. При этом температура газовой смеси резко возрастает и объем газа стремительно растет, осуществляя давление, при котором поршень начинает движение к НМТ. Опускаясь, поршень открывает выпускное окно, при этом продукты горения горючей смеси выбрасываются в атмосферу. Дальнейшее движение поршня приводит к сжатию свежей горючей смеси и открытию продувочного отверстия, через которое горючая смесь поступает в камеру сгорания.
Основным недостатком двухтактного двигателя является большой расход топлива, причем часть топлива не успевает принести пользу. Это связано с наличием момента, при котором продувочное и выпускное отверстие одновременно открыты, что приводит к частичному выбросу горючей смеси в атмосферу. Еще идёт постоянный расход масла, так как 2х тактные двигатели работают на смеси бензина и масла. Очередное неудобство — в необходимости постоянно готовить топливную смесь. Главными преимуществами двухтактного двигателя остаются его меньшие размеры и вес по сравнению с 4х тактным аналогом, но размеры силовой техники позволяют использовать на них 4х тактные двигатели и испытывать намного меньше хлопот в ходе эксплуатации. Так что уделом 2х тактных моторов осталось различное моделирование, в частности, авиамоделирование, где даже лишних 100г имеют значение.
Принцип работы четырехтактного двигателя
Работа четырехтактного двигателя значительно отличается от работы двухтактного. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех этапов: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск, что стало возможным за счет применения системы клапанов.
Во время впускного этапа поршень двигается вниз, открывается впускной клапан, и в полость цилиндра поступает горючая смесь, которая при смешении с остатками отработанной смеси образует рабочую смесь.
При сжатии поршень движется от НМТ к ВМТ, оба клапана закрыты. Чем выше поднимается поршень, тем выше давление и температура рабочей смеси.
Рабочий ход четырехтактного двигателя представляет собой принудительное движение поршня от ВМТ к НМТ за счет воздействия резко расширяющейся рабочей смеси, воспламененной искрой от свечи. Как только поршень достигает НМТ, открывается выпускной клапан.
Во время выпускного этапа продукты сгорания, вытесняемые поршнем, движущимся от НМТ к ВМТ, выбрасываются в атмосферу через выпускной клапан.
За счет применения системы клапанов четырехтактные двигатели внутреннего сгорания более экономичны и экологичны — ведь выброс неиспользованной топливной смеси исключен. В работе они значительно тише, чем 2х тактные аналоги, и в эксплуатации намного проще, ведь работают на обычном АИ-92, которым вы заправляете свою машину. Нет необходимости в постоянном приготовлении смеси масла и бензина, ведь масло в данных двигателях заливается отдельно в масляный картер, что значительно уменьшает его потребление. Вот именно поэтому компания Honda производит только 4х тактные двигатели и достигла в их производстве колоссальных успехов.
Устройство и принцип действия двухтактного двигателя внутреннего сгорания
В настоящее время активно используются два основных типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): двухтактные и четырехтактные. В двухтактных двигателях все рабочие циклы: впуск готовой топливной смеси, выпуск отработанных газов и 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 и гильза. Поршень при своем перемещении закрывает собой впускные, выпускные и продувочные окна. Поэтому такие двигатели более просты в конструкции и надежны, а при определенных условиях и более мощные, ранее существовали и грузовые автомобили на двухтактной тяге, но их задавили экологическими требованиями.
Двухтактные дизели
Мало кто знает, что не так давно существовали и двухтактные дизели с сухим картером, которые успешно эксплуатировались в СССР до самых 90-х годов. Отличительной особенностью такого двухтактного двигателя являлось наличие газораспределительного механизма, который имел всего пару (или один) выпускных клапанов, а вот впуск осуществлялся классическим способом для двух тактов — через продувочные окна. К таким двигателям относятся ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206 [1] , танковые двигатели 5ТДФ (700 л.с) и 6ТДФ-2 (1200 л.с.) [2] . Еще одно привлекательное отличие от бензинового собрата — продувка дизеля осуществлялась воздухом, а не рабочей смесью, как у бензинового варианта, поэтому экономичность дизельного двухтактника была сравнима с четырехтактным вариантом.
Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах литровой ёмкости и частоте вращения вала примерно на 50-70% 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.
Общее краткое устройство двигателя
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 анимации 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.
Принцип действия
1. Такт сжатия.
Поршень перемещается от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ), перекрывая сначала продувочное, а затем и выпускное окно. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере вследствие её герметичности, и после того как поршень перекрывает продувочные окна, под поршнем создается разряжение, под действием которого из впускного коллектора через впускное окно и приоткрытый клапан поступает готовая горючая смесь в кривошипную камеру.
2. Такт рабочего хода.
При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ (при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу). Одновременно, опускаясь вниз, поршень создает избыточное давление в кривошипной камере. Под действием этого давления клапан закрывается, не давая таким образом горючей смеси вернуться во впускной коллектор и карбюратор.
Когда поршень дойдет до выпускного окна, оно открывается и начнется выпуск отработавших газов в атмосферу нашей любимой Земли — давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно и сжатая в кривошипной камере горючая смесь поступает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов.
Принцип зажигания. Так как топливной смеси нужно время для воспламенения, искра на свече появляется чуть раньше, чем поршень достигает ВМТ. В идеале, чем быстрей движется поршень, тем раньше должно быть зажигание — поршень от момента искры быстрее доходит до ВМТ. Существуют механические и электронные устройства, меняющие угол зажигания в зависимости от оборотов двигателя. Практически у мотороллеров до 2000 г.в. таких систем не было и угол опережения зажигания был установлен в расчете на оптимальные обороты статично.
Ремонт двухтактных двигателей внутреннего сгорания
Ремонт двухтактных ДВС осуществляется только квалифицированными рабочими по технологическим и маршрутным картам, которые разрабатывают инженеры и проектировщики. Эти инструкции дают рабочему понять, где и когда использовать ту или иную операцию, как и каким порядком устанавливать детали, а также в какой последовательности и с усилием их затягивать.
Сами «двухтактники» устанавливаются в специальные стенды-кантователи, которые позволяют с большим удобством и правильно, доступно визуально осуществить правильную сборку и протяжку его узлов.
Разработка процесса ремонта ДВС включает в себя не только визуальный осмотр и мойку всего узла в моечной машине, но и разработку карт дефектов деталей, маршрутные карты восстановления и т.д.
Именно таким образом осуществляет ремонт двухтактных ДВС в производственных условиях АТП.
Недостатки двухтактных двигателей:
1. Больший расход топлива. Напомним, примерный расход можно высчитать по формуле: для двухтактного 300 грамм на одну лошадиную силу, для четырёхтактного 200 грамм.
2. Шумность. На максимальных оборотах двухтактные двигатели как правило работают немного громче четырёхтактных.
3. Комфорт. Четырёхтактные двигатели внутреннего сгорания не так вибрируют на малых оборотах (касается только двухцилиндровых двигателей — одноцилиндровые двух и четырёхтактные вибрируют примерно одинаково) и не так дымят как двухтактные.
4. Долговечность. Довольно спорный пункт. Бытует мнение, что двухтактные двигатели менее долговечны. С одной стороны это понятно, потому как масло для смазки трущихся элементов двигателя подается вместе с бензином, а значит работает не так эффективно в отличие от четырёхтактных двигателей где трущиеся элементы буквально плавают в масле. Но с другой стороны четырёхтактный двигатель по конструкции намного сложнее конкурента, состоит значительно большего числа деталей, а золотой принцип механики “Чем проще тем надежнее” еще никто не отменял.
5. Высокая температура и перегрев отдельных деталей, за счет более частой вспышки рабочей смеси в цилиндрах. Требуется более интенсивное охлаждение.
6. Повышенный расход воздуха (двухкратный), что приводит к быстрому выходу из строя фильтров системы очистки воздуха. Такая проблема была у танков Т-64 и Т-80УД (Т-84).
Преимущества 2-х тактных ДВС:
1. Более высокая мощность на единицу рабочего объёма, примерно на 50-70%.
2. Более простая конструкция с отсутствием (у дизеля частично) газораспределительного механизма.
3. Более плавная работа с минимум вибраций по сравнению с 4-х тактами.
4. Большая равномерность хода, за счет крутящего момента по углу поворота коленчатого вала, который изменяется более плавно.
Вывод
Двигатели вполне себе работоспособны и имеют высокую мощность и ремонтопригодность, просты в эксплуатации и более надежны за счет меньшего количества деталей. Однако работы над этим типом двигателя практически прекращены из-за экологической повестки ООН. Двигатель плохо изучен, осталось множество нерешенных задач, кто знает каким бы он был сейчас, если бы не игры с «углеродным следом».
