Может двухтактный двигатель работать через такт. Устройство и принцип действия двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Отличие двухтактной модели от четырехтактной

В двухтактных двигателях все рабочие циклы (процессы впуска топливной смеси, выпуска отработанных газов, продувки) происходят в течении одного оборота коленвала (а не двух, как в четырёхтактных) за два (а не четыре) основных такта. У двухтактных двигателей отсутствуют клапаны (как в четырехтактных ДВС), их роль выполняет сам пoршень, который в процессе перемещения то закрывает, то открывает впускные, выпускные и продувочные окна. Поэтому двухтактный двигатель более прост в конструкции.

Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного за счет большего в 2 раза числа рабочих тактов. Однако неполное использование хода поршня двухтактного двигателя для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на продувку приводят практически к увеличению мощности только на 60 - 70%.

Итак, рассмотрим конструкцию двухтактного ДВС , показанную на рисунке 1:

Состоит из картера, в который на подшипниках с двух сторон установлен коленчатый вал и цилиндр.

Смазка всех трущихся поверхностей и подшипников внутри двухтактных двигателей происходит за счёт топливной смеси, - смеси бензина и масла в определённой пропорции. Из рисунка 1 видно, что топливная смесь (желтый цвет) попадает и в кривошипную камеру двухтактного двигателя (полость, где закреплен и вращается коленчатый вал), и в цилиндр. Смазки там нигде нет, а если бы и была, то смылась бы топливной смесью. Вот по этой причине масло и добавляют в определенной пропорции к бензину. Тип масла используется специальный, именно для двухтактных двигателей. Оно должно быть способно выдерживать высокие температуры и, сгорая вместе с топливом, оставлять минимум зольных отложений, то есть нагара.

Теперь о принципе работы. Весь рабочий цикл в двухтактных двигателях осуществляется за два такта.

1. Такт сжатия - двухтактный двигатель

Пoршень двухтактного двигателя поднимается от НМТ поршня (в таком положении он находится на рис. 2) к ВМТ поршня (положение поршня на рис.3), перекрывая сначала продувочное 2, а затем выпускное 3 окна цилиндра двухтактного двигателя. После закрытия поршнем выпускного отверстия в цилиндре начинается сжатие ранее поступившего в него топливной смеси. Одновременно в кривошипной камере 1 вследствие ее герметичности и после того как пoршень перекрывает продувочные окна 2, под поршнем создается разряжение, под действием которого из карбюратора через впускное окно и открывающийся клапан поступает горючая смесь в кривошипную камеру двухтактного двигателя.

2. Такт рабочего хода - двухтактный двигатель

При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь (1 на рис. 3) воспламеняется электрической искрой от свечи, после этого температура и давление смеси резко подскакивают. Под действием теплового расширения газов поршень двухтактного двигателя опускается к НМТ, в это время расширяющиеся газы сгоревшей смеси совершают полезную работу, толкая поршень. В это же время, опускаясь, пoршень создает высокое давление в кривошипной камере двухтактного двигателя (сжимая топливо-воздушную смесь в ней). Под действием давления клапан закрывается, не давая таким образом горючей смеси снова попасть во впускной коллектор и затем в карбюратор.

Когда поршень двухтактного двигателя дойдет до выпускного отверстия (1 на рис. 4), оно откроется и таким образом выйдут отработавшие газы в выпускную систему, давление в цилиндре понизится. При дальнейшем перемещении пoршень открывает продувочное (впускное) окно (1 на рис. 5) и горючая смесь, сжатая в кривошипной камере, поступает по каналу (2 на рис. 5), заполняя цилиндр и одновременно продувая его от остатков отработавших газов.

Немного о принципе зажигания. Так как топливной смеси нужно время для воспламенения, искра на свече появляется чуть раньше, чем пoршень достигает ВМТ. В идеале, чем быстрей движения поршня, тем раньше должно быть зажигание, потому что пoршень от момента искры быстрее доходит до ВМТ. Существуют механические и электронные устройства, меняющие угол зажигания в зависимости от оборотов двигателя.

У большинства скутеров до 2000 г.в. таких систем не было и угол опережения зажигания был установлен в расчете на оптимальные обороты. На некоторых же скутерах, например Honda Dio ZX AF35, установлен электронный коммутатор с динамическим опережением, то есть с опережением, зависящим от оборотов коленвала. С ним расширяющаяся горючая смесь совершает работу с максимальной полезной отдачей, и двигатель развивает больше мощности.

Преимущества и недостатки двух- и четырехтактных двигателей.

Двухтактные преимущества

1. Меньший вес. Пример: 15 л.с. Двухтактный 36 кг четырёхтактный 45 кг.

2. Цена. Четырёхтактные двигатели сложнее в производстве, состоят из большего количества деталей, поэтому всегда дороже двухтактников.

3. Удобство перевозки двухтактника. Можно возить в любом положении, перед началом эксплуатации не требует отвешивания. Т.е. достал из багажника, поставил, завел, поехал.

4. Двухтактный двигатель живее реагирует на ручку газа. В четырёхтактных для совершения полного рабочего цикла поршню необходимо сделать 2 полных оборота в то время как в двухтактных только один. Частый вопрос: А правда ли что четырёхтактный 15 л.с. бежит быстрее чем такой же двухтактный? Ответ: нет не правда. У обоих этих двигателей мощность на валу 15 л.с. При прочих равных условиях почему один двигатель должен ехать быстрее второго?

Двухтактные недостатки

1. Больший расход топлива. Напомним, примерный расход можно высчитать по формуле: для двухтактного 300 грамм на одну лошадинную силу, для четырёхтактного 200 грамм.

2. Шумность. На максимальных оборотах двухтактные двигатели как правило работают немного громче четырёхтактных.

3. Комфорт. Четырёхтактные двигатели не так вибрируют на малых оборотах (Касается только двухцилинровых двигателей. Одноцилиндровые и 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 иззначительно большего числа деталей, а золотой принцип механики "Чем проще тем надежнее" еще никто не отменял.

Какой же двигатель выбрать?

Взвесь все за и против изложенные выше и сделай выбор самостоятельно. Однозначного ответа на вопрос: какой из двигателей лучше ты не найдешь ни в одной из книг ни на одном из форумов. И у тех и у других типов двигателей есть свои поклонники.

Спектр применения распространяется на моторизованные агрегаты, бензопилы, небольшие моторные лодки, мотоциклы. Двухтактный двигатель обладает небольшими габаритами, большой мощностью и малым коэффициентом полезного действия. Для данного типа агрегатов топливная экономичность принципиально не имеет значения. Ныне таковые используются как пусковые моторы для приведения во вращение крупных дизельных ДВС, например, тракторов.

Устройство

Двухтактный двигатель отличается простотой конструкции, отсутствием газораспределительного механизма, малыми габаритами. Конструктивно схема представляет собой блок цилиндра, внутри которого на подшипниках размещен коленчатый вал. На шейку вала ложится головка шатуна с вкладышами и фиксируется корончатыми гайками. Верхняя же головка шатуна соединяется с поршнем посредством металлической полой втулки (пальца). Поршень с расположенными на нем компрессионными кольцами исключает проникновение сгоревших газов в камеру сгорания.

За счет перемещения поршня вверх-вниз происходит вращение вала. Далее вращение передается к главной передаче того или иного агрегата.

Двухтактный двигатель охлаждается через наружные ребра блока.

Охлаждение происходит и за счет топлива, содержащего определенное количество масла. То есть смазка сочленений поршень–цилиндр и коленвал – шатун осуществляется смесью, которая заранее разбавлена специальным маслом. Оно, сгорая с топливом не должно оставлять выхлопных отложений под поршнем.

Принцип работы

Процесс зиждется на рабочем цикле, который происходит за оборот коленчатого вала. Принцип работы двухтактного двигателя заключается в том, что при перемещении вверх, поршень сжимает имеющуюся под поршнем смесь, попавшую туда через впускное окно. Искра от свечи зажигания как бы взрывает горючее, резко повышая температуру и давление газов. В результате такого теплового давления поршень принудительно перемещается вниз. При этом открываются выпускное и чуть позже переходное окно, впрыскивая свежую порцию топлива. Кстати, горючее в двухтактный двигатель обязательно дополняют маслом, составляя смесь бензина и масла определенной пропорции. Делается это для смазки поршня, стенки цилиндра и кривошипно–шатуного узла. Топливная смесь попадает в картер через окно, которое открывается за счет вакуума, создаваемого движением поршня от НМТ к ВМТ. Одновременно поршень открывает отверстие, выбрасывая отработанные выхлопные газы. В определенный период посредством поршня открывается продувочное окно для заполнения цилиндра свежей порцией топливной смеси.

Повышение мощности

Чтобы повысить мощность двигателя нужно:

• Повысить площадь выпускного отверстия с условием продолжительного пребывания его в открытом положении, чтобы выпустить максимальное количество газов.
• Повысить эффективность продувки. Это нужно для того, чтобы через впускные отверстия горючее успевало впрыскиваться в камеру сгорания. Иначе в картере будет наблюдаться скопление топливной смеси. Во избежание оного, рекомендуется выпускные окна увеличить, что приведет к качественной наполняемости цилиндра.
• Использовать на карбюраторе вихревой (нулевой) диффузор, который за меньший период времени подаст больше смеси.
• Установить на глушителе, так называемый резонатор, соответствующий оборотам мотора. Этот узел способствует возврату доли смеси назад в цилиндр. Подобные нюансы возникают, когда двухтактный двигатель выбрасывает часть горючего из камеры через выпускное отверстие (окно).

Для полного заполнения подпоршневого объема следует просмотреть и состояние каналов впускных, выпускных на предмет уменьшения всевозможных заусенец, рисок, шероховатостей. Эти изъяны литья способствуют торможению потока, уменьшению наполнения камеры, снижению мощности.

Эффективным увеличением мощности двигателя считается фрезерование с последующим тонким шлифованием головки блока. Трудоемкость процедуры сводится к измерению объема литража, подбору октанового числа топлива.

Ради повышения мощности мотора можно было бы уменьшить вес вращающихся деталей, например, маховика, коленвала, срезав элементы противовеса. Но горький опыт подсказывает не идти на авось, поскольку самодеятельность приведет к биению маховика, его вибрации, особенно во время низких оборотов мотора. Но если очень хочется, можно снять тонкую стружку с последующей обязательной балансировкой махового колеса. Что касается коленчатого вала, то есть риск потерять центр тяжести вала со всеми вытекающими последствиями.

Тяговые возможности

Итак, двухтактные двигатели и их тяговые возможности соотносятся с открытием заслонки дросселя. То есть с ускорением оборотов возрастает его тяговая способность, что существенно действует на разгон. Значит, чтобы нарастить разгон нужно увеличить рабочий объем цилиндра. Конечно, тяга может привести к максимальной скорости. Работая на низких скоростях, хорошая тяга обеспечивает приемистость, быстрый разгон с легким преодолением дорожных препятствий, поворотов. Все это относится к повышению тяги на низких оборотах. Одним из предпосылок увеличения тяги следует отнести установку специальных клапанов и увеличение продолжительности пребывания их в открытом состоянии.

Проблема с продувкой камеры сгорания

Однако известно, что повышенные обороты свидетельствуют о большей мощности. В двухтактных моторах из-за больших скоростей вращения, камера сгорания не может качественно и быстро продуваться, поскольку окна остаются открытыми непродолжительное время.

Использование камерной продувки предусматривает впрыскивание топлива в цилиндр из картера. Топливо всасывается и находится в картере при перемещении поршня вверх. При движении же вниз вырабатываемое избыточное давление производит продувку камеры сгорания. Такая схема целесообразна с точки зрения малого количества используемых деталей, например, отсутствие: газораспределительного вала, клапанов, продувочного насоса, узлов смазки.

Другая особенность продувки камеры связана с режимом холостого хода мотора, при котором имеет место небольшой угол открытой заслонки. Эта ситуация не обеспечивает полную очистку от выхлопных газов за оборот вала. Поэтому на холостом ходу двигатель демонстрирует неустойчивую работу. Дело в том, что вспышка смеси приводит к дополнительным холостым оборотам. Но смесь под цилиндром от искры не воспламеняется из-за бедности топлива.

В двигателях с одним поршнем нашло широкое применение контурная продувка (щелевая). Схема предусматривает газораспределение через щели в стенке внизу цилиндра. То есть впускные и продувочные отверстия при такте сжатия и рабочего хода поршня должны находиться в закрытом положении. Контурная продувка камеры сгорания (подпоршневое пространство) представляет собой своеобразный продувочный насос. Этот фактор приводит к сокращению узлов двигателя, создавая предпосылки использования их на газонокосилках, мотоблоках, лодках, прочих легких мобильных устройствах.

Двухтактный цикл

Из рассмотрения четырехтактного цикла работы сле­дует, что четырехтактный двигатель только половину времени, затраченного на цикл, работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Вторую поло­вину времени (такты впуска и выпуска) двигатель рабо­тает как воздушный насос.

Более полно время, отводимое на рабочий цикл, ис­пользуется в двухтактных двигателях, в которых рабо­чий цикл совершается за два такта, т. е. за один оборот коленчатого вала.

В отличие от четырехтактных двига­телей в двухтактных двигателях очистка рабочего цилиндра от про­дуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом происходят толь­ко при движении поршня вблизи НМТ. При этом очист­ка цилиндра от выпускных газов осуществляется путем вытеснения их не поршнем, а предварительно сжатым до определенного давления воздухом или горючей смесью. Предварительное сжатие воздуха или смеси производит­ся в специальном продувочном насосе или компрессоре, выполняемых в виде отдельного агрегата. В небольших двигателях в качестве продувочного насоса иногда ис­пользуются внутренняя полость картера (кривошипная камера) и поршень двигателя.

В процессе газообмена в двухтактных двигателях не­которая часть воздуха или горючей смеси неизбежно удаляется из цилиндра вместе с выпускными газами че­рез выпускные органы. Эта утечка воздуха или горючей смеси учитывается при выборе производительности про­дувочного насоса или компрессора.

На рис. 4 показана схема работы двухтактного дви­гателя с внутренним смесеобразованием и прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена.

Рабочий цикл в двигателе осуществляется следую­щим образом.

Первый такт. Первый такт соответствует ходу порш­ня от ВМТ к НМТ (рис. 4, а). В цилиндре только что произошло сгорание (линия cz на индикаторной диа­грамме) и начался процесс расширения газов, т. е. осу­ществляется рабочий ход. Несколько раньше момента подхода поршня к впускным окнам открываются выпуск­ные клапаны 4 в крышке цилиндра, и продукты сгорания начинают вытекать из цилиндра в выпускной патру­бок; при этом давление в цилиндре резко падает (уча­сток тп на индикаторной диаграмме). Впускные окна 8 открываются поршнем, когда давление в цилиндре становится примерно равным давлению предварительно сжатого воздуха в ресивере или немного выше его. Воз­дух, поступая в цилиндр через впускные окна, вытесняет через выпускные клапаны оставшиеся в цилиндре про­дукты сгорания и заполняет цилиндр (продувка), т. е. осуществляется газообмен (участок па на индикаторной диаграмме).

Таким образом, в течение первого такта в цилиндре происходит сгорание топлива, расширение газов, выпуск выпускных газов, продувка и наполнение цилиндра.

Второй такт. Второй такт соответствует ходу поршня от НМТ к ВМТ (рис. 4, б). В начале хода поршня продолжаются процессы удаления выпускных газов, про­дувки и наполнения цилиндра свежим зарядом. Конец продувки цилиндра (ak ) определяется моментом закры­тия впускных окон и выпускных клапанов. Последние за­крываются или одновременно с впускными окнами, или несколько ранее.

Рис. 4. Схема работы двухтактного двигателя с внутренним смесеобра­зованием и прямоточной клапанно-щелевой схе­мой газообмена и инди­каторные диаграммы:

а - первый такт (сгора­ние, расширение, выпуск, продувка и наполнение); б - второй такт (выпуск, продувка и наполнение, сжатие); 1 - впускной патрубок; 2 - продувоч­ный насос; 3 - поршень; 4 - выпускные клапаны; 5 - форсунка; 6 - вы­пускной патрубок; 7 - воздушный ресивер; 8 - впускные окна.

Давление в цилиндре к концу газооб­мена в двухтактных двигателях несколько выше атмос­ферного и зависит от давления воздуха в ресивере. С мо­мента окончания газообмена и полного перекрытия поршнем впускных окон начинается процесс сжатия воз­духа. Когда поршень не доходит на 10-30° по углу по­ворота коленчатого вала до ВМТ (точка с), в цилиндр через форсунку начинает подаваться топливо.

Следовательно, в течение второго такта в цилиндре происходит окончание выпуска, продувка и наполнение цилиндра в начале хода поршня и сжатие при его дальнейшем ходе.

В отличие от четырехтактного двигателя в двухтактном двигателе отсутствуют такты впуска и выпуска как самостоятельные такты, для которых требуется один оборот коленчатого вала. В двухтактных двигателях про­цессы выпуска и впуска осуществляются на небольших участках хода поршня, соответствующего основным так­там расширения и сжатия.

Рассмотренная выше прямоточная клапанно-щелевая схема газообмена (рис. 4) не является единствен­ной. В двухтактных двигателях применяются различные схемы газообмена.

Петлевая схема газообмена значительно упрощает конструкцию двигателя по сравнению с клапанно-щелевой, но при этом ухудшается качество газо­обмена, и возникают потери воздуха или смеси при на­полнении.

Петлевая схема газообмена отличается боль­шим разнообразием конструктивного выполнения. Например, для предварительного сжатия горючей смеси или воздуха, как было указано выше, в двухтактных двига­телях может быть использована внутренняя полость кар­тера (кривошипная камера). Такие двигатели называют­ся двигателями с кривошипно-камерной продувкой (рис. 5).

Рис. 5. Двухтактный ДВС с кривошипно-камерной продувкой:

1 – свеча зажигания; 2 – перепускной канал; 3 – выпускной канал; 4 – кривошипная камера; 5 – карбюратор; 6 – впускной клапан.

Они имеют герметически закрытый картер, который и служит продувочным насосом. При движении поршня от НМТ к ВМТ объем пространства под ним увеличивается и давление падает ниже атмосферного, т.е. в кривошипной камере создается разрежение. Вслед­ствие этого наружный воздух устремляется в смесеобразующее устройство 5 и далее в картер че­рез автоматически действующий впускной клапан 6 . При дальнейшем движении поршня до момента открытия впуск­ных окон происходит сжатие топливно-воздушной смеси в кривошип­ной камере. После открытия впускных окон топливно-воздушная смесь через перепускной канал 2 вытесняется из кривошипной камеры в цилиндр.

При обратном движении поршня от НМТ к ВМТ он последовательно перекрывает впускные и выпускные окна, после чего происходит сжатие топливно-воздушной смеси в цилиндре. При подходе поршня к ВМТ смесь поджигается от свечи зажигания. Сгорание и расширение газов в цилиндре при движении поршня вниз обуславливают рабочий ход ДВС. Далее цикл повторяется.

Преимущество двухтактных двигателей с кривошип­но-камерной схемой газообмена - простота устройства. В их конструкции отсутствует клапанный механизм газораспределения и его привод, а также система смазки. Для смазывания деталей кривошипно-шатунного механизма в топливо добавляется небольшое количество моторного масла (двухтактная смесь). Естественное охлаждение ДВС производится атмосферным воздухом за счет ребер охлаждения, размещенных на головке и цилиндре ДВС.

Однако при данном способе газообмена очистка цилинд­ра и наполнение его свежим зарядом по сравнению с другими способами происходят значительно хуже с потерей части заряда через выпускные окна, в ре­зультате чего ухудшается топливная эко­номичность двигателя. Поэтому эти простейшие и маломощные ДВС используются в основном на дешевых двухколесных транспортных средствах (легких мотоциклах, мопедах и т.п.).

Из рассмотрения рабочего цикла двухтактного двига­теля (индикаторная диаграмма на рис. 6) видно, что на части хода поршня S пот , когда происходит газообмен, по­лезная работа не совершается.

Объем V h(пот) , соответствую­щий этой части хода поршня S пот = S геом - S дейс (рис.7), называется потерянным :

.

Объем, описываемый поршнем при движении от точки 5 , характеризующий момент начала сжатия, до ВМТ, называется действительным рабочим объемом:

V h(дейс) = V h(геом) - V h(пот)

где V h (геом) - геометрический рабочий объём цилиндра:

С учетом сказанного геометрическая степень сжатия равна:

 геом = (V h(геом) + V c )/V c ,

а действительная степень сжатия:

 дейс = (V h (дейс) + V c )/ V c

Отношение потерянного объема к геометрическому рабочему объему представляет собой долю потерянного объёма  на процесс газообмена:

 = V h (пот) / V h (дейс .

Рис. 6. Индикаторная диаграмма PV для двухтактного цикла:

1 – момент открытия выпускного канала; 2 – момент открытия продувочного (перепускного) канала; 3 – НМТ; 4 – момент закрытия продувочного (перепускного) канала; 5 – момент закрытия выпускного канала.

Для двухтактных двигателей обычно  = 0,1…0,3 или 10…30%.

S геом