Устройство двухтактного двигателя и принцип его работы

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.

Принцип работы, устройство и особенности двухтактного двигателя

Всем доброго времени суток, уважаемые читатели! Несмотря на то, что большинство из Вас являются владельцами четырехколесных транспортных средств, есть среди подписчиков и ценители мотоциклов, мопедов, скутеров. Если Вы еще не знаете принцип работы двухтактного двигателя, то самое время ознакомиться с этой интересной темой.

Двухтактный двигатель- Принцип работы и отличия от четырехтактного двигателя

Сегодня невозможно представить современную жизнь без двигателя внутреннего сгорания. Передвижение на собственном авто, поездки на общественном транспорте, покупка товаров, полет на самолете и другие действия. Эти процессы, так или иначе, связаны с двигателем.

Несмотря на количество всевозможных конструкций, и разновидностей силовых установок, поршневые моторы, на сегодня, распространены больше остальных. Количество тактов для выполнения рабочего цикла, делит агрегат на двухтактный и четырёхтактный двигатель. Эти типы моторов составляют большинство, среди разнообразия выпускаемой техники.

Разница между моторами возникает с точки зрения применения. Для установки на автомобильную технику, чаще используют четырехтактный агрегат, двухтактный двигатель применяют в том случае, если габариты и вес играют решающую роль.

Мотоцикл Suzuki RM125 с одноцилиндровым двухтактным двигателем

Двухтактный двигатель: устройство и принцип работы, отличия от четырехтактного

Двигатели внутреннего сгорания построены по одному принципу – энергия сгорания топлива превращается в кинетическую энергия вращения коленвала. Существуют два типа моторов – двухтактные и четырехтактные. Оба обладают своими преимуществами и недостатками, попробуем разобраться в чем отличия.

Принцип работы 2-х тактного двигателя. И как выбрать масла для него?

Рабочий цикл двухтактного двигателя состоит из впуска и выпуска происходящего за один оборот коленчатого вала, тогда как 4-х тактный имеет следующие циклы — впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. И протекают они за два оборота маховика. В двигателе с 4 тактами впуск и выпуск осуществляются в виде разных процессов, в двухтактнике они совмещены со сжатием топливной смеси и расширением рабочих газов. Принцип действия двухтактного двигателя:

1. Первый такт – сжатие. Происходит движение поршня от нижней мертвой точки, при этом вначале закрывается продувочное окно. Отработанные выхлопные газы выводятся через выпускное отверстие. В этот момент в кривошипной камере под днищем поршня образуется область разрежения, куда поступает обогащенная топливная смесь из карбюратора (инжектора). Эта порция свежего воздуха выталкивает остатки выхлопных газов в выпускной коллектор. В момент наивысшего положения поршня происходит воспламенение смеси от свечи зажигания.
2. Второй такт – рабочий ход или расширение. Температура и давление газов в камере сгорания резко увеличивается, под его действием поршень начинает движение к нижней мертвой точке, совершая полезную работу. Повышенное давление в кривошипной камере перекрывает впускной клапан, препятствуя попаданию отработанных газов в карбюратор. Через систему выпускных окон отработавшие газы уходят в глушитель, а через продувочное окно начинает поступать свежая горючая смесь в камеру сгорания. В самой нижней точке действие второго такта заканчивается и процесс повторяется.

Двухтактный дизельный двигатель работает по такому же принципу, только у него отсутствует свеча зажигания, а воспламенение топлива происходит от сжатия. Поэтому степень сжатия в дизельных двс намного выше бензиновых.

Устройство и принцип работы двухтактного двигателя

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:

Двухтактный двигатель 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.

Возможности и преимущества двухтактных

Теоретически мощность двигателя данного типа, при одинаковых размерах цилиндра и скорости вращения вала, в два раза выше, чем у 4х-тактного благодаря увеличению числа рабочих циклов. Но в связи с неполным использованием хода поршня при расширении, худшее освобождение цилиндра от выхлопных газов и частичной затраты мощности на продувку приводят к увеличению мощности двигателя лишь на 60-70 процентов.

Основные термины и определения

Принцип работы всех поршневых двигателей заключается в превращении энергии сгорания топлива в механическую энергию. Передаточным звеном является кривошипно-шатунный механизм. Для описания их работы используются следующие понятия:

• Рабочий цикл — это определённая последовательность взаимосвязанных событий, вследствие которых происходит преобразование энергии теплового расширения сгорающего топлива в механическую энергию перемещения поршня и поворота коленчатого вала.
• Такт — последовательность изменения состояния узлов и механизмов, происходящая в течение одного хода поршня.
• Ход поршня — это расстояние, которое проходит поршень внутри цилиндра между его крайними точками.
• Верхняя мёртвая точка (ВМТ) — это наивысшее положение поршня в цилиндре, при этом объем камера сгорания имеет минимальный объем.
• Нижняя мёртвая точка (НМТ) — максимально удалённое от ВМТ положение поршня.
• Впуск — заполнение цилиндра топливовоздушной смесью.
• Сжатие — уменьшение объёма смеси и сжатие её под давлением поршня.
• Рабочий ход — перемещение поршня под давлением газов сгорающего топлива.
• Выпуск — выталкивание из цилиндра продуктов горения топлива.

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

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.

Когда поршень движется вниз, открывается выпускное окно и немного позже открывается переходное окно, через которое впрыскивается новая порция горючего.

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.

Особенности мотора с двумя тактами

Двухтактный двигатель совершает полный цикл за один оборот коленвала, это позволяет получить большую удельную литровую мощность чем у 4-х тактного движка при тех же оборотах двигателя. Однако, кпд двухтактника будет ниже из-за несовершенства механизма фаз газораспределения, неизбежных потерь топливной смеси в процессе продувки и неполного рабочего хода поршня.

Двухтактный двигатель сильно греется, потому что во время работы высвобождается большая тепловая энергия. Иногда может потребоваться дополнительное охлаждение. В мотоциклах редко используются двухтактные моторы с большим количеством цилиндров, чаще всего применяется одноцилиндровый мотор с воздушным охлаждением.

При работе по двухтактному циклу поршень совершает меньше движений за один такт, а нагрузка вспомогательных газораспределительных, смазочных и охлаждающих систем на коленвал ниже или отсутствует совсем. Поэтому износ поршневой группы у них будет ниже. Если для легкой техники это не является решающим фактором, то тихоходный двухтактный дизельный двигатель может иметь в несколько раз больший ресурс, чем все остальные двс. Поэтому они нашли широкое распространение в тепловозах, генераторах, судовых двигателях.

Двухтактный бензиновый двигатель быстрее набирает обороты максимальной мощности. Этим активно пользуются мотоспортсмены, особенно в кроссовых дисциплинах, когда необходим мгновенный отклик на рукоятку газа. Кроме того, он проще в обслуживании, дешевле и легче четырехтактного.

Расход топлива у двухтактника будет выше на 25-30 %, шумность и вибрации тоже. Двигатель невозможно вписать в жесткие экологические нормы, даже если использовать инжекторные системы впуска и наддув. Большой расход воздуха требует применения специальных воздушных фильтров.

Принцип функционирования

Рассмотрим, как на практике происходит работа такого движка (см. видео):

1. Поршень начинает двигаться от нижней точки, которая еще называется «мертвой», вверх. Одновременно с этим процессом происходит доставка топлива вместе с воздухом. Приоткрывается выпускное окно, и через него наружу беспрепятственно уходят выхлопные газы. При этом, происходит момент сжатия рабочей смеси.
2. Как только начинает осуществляться сжатие, в кривошипной камере формируется пространство на основе разреженного воздуха. Высвобождается место для поступления свежей порции топлива. При достижении верхней точки движения поршнем свечи зажигания выдают искру, которая воспламеняет рабочую смесь.
3. Вследствие возгорания рабочей смеси возникает энергия, которая вынуждает поршень двигаться уже вниз. Избыточное давление, создаваемое в кривошипной камере, заставляет сжиматься горючее. В верхней точке движения поршня выпускное окно открывается, освобождая выход отработанных газов, откуда они направляются прямиком в глушитель.
4. Дальнейшее движение поршня приводит к открытию продувочного окна. Топливо из кривошипной камеры перемещается в рабочий цилиндр. Как только поршень опустится в нижнюю точку, это означает, что полный цикл работы двигателя состоялся. И все начинается снова, но это будет уже начало нового цикла.

Как повысить мощность

Как и 4-х тактные двигатели, 2-х тактные можно усовершенствовать, сделать, так называемый, чип-тюнинг.

Для повышения мощности ДВС можно сделать следующее:

• Расточить выпускное отверстие, чтобы отработавшие газы выходили полностью.
• Улучшить эффект продувки. Продувка — это удаление отработавших газов и наполнение рабочего объема цилиндра новой порцией топливной смеси. Сделать нужно так, чтобы через впускное окно успевало впрыскиваться топливо в камеру сгорания. Если топливо не будет в нужном объеме поступать в камеру сгорания, то в картере мотора будет скапливаться топливо. Поэтому, для качественного заполнения топливом рабочей части цилиндра, требуется увеличить диаметр отверстия выпускного окна (выброса отработавших газов).
• Можно применять на карбюраторе вихревой диффузор. Вихревой диффузор называют также нулевой. За счет этого диффузора за меньший период времени будет поступать в цилиндр больше топлива.
• На глушитель вмонтировать специальный резонатор, подходящий по оборотам к конкретному двигателю. Резонатор делает так, чтобы не сгоревшая топливная смесь, возвращалась обратно в цилиндры. Это эффективно, когда в цилиндре происходит не полное сгорание смеси.

Чтобы часть цилиндра под поршнем заполнялась полностью, надо осмотреть впускные и выпускные каналы, возможно, на отверстиях есть царапины, задиры, сколы. Такие мелкие дефекты влияют на скорость движения топлива и газов.

Для лучшего эффекта повышения мощности можно отфрезеровать и затем отшлифовать головка блока цилиндров (ГБЦ).

Не рекомендуется уменьшать вес деталей двигателя, так как из-за увеличения разности противовеса, нарушения центра тяжести, может увеличиться торцевое биение маховика и коленвала.

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.

Заключение

Стоит сказать пару слов о зажигании. В связи с тем, что топливу для воспламенения необходимо время, разряд на свече зажигания должен появиться раньше, чем поршень дойдет до верхней точки, поэтому, чем быстрее двигается поршень, тем раньше должна быть искра. Бывают электронные и механические устройства, способные изменять угол зажигания, изменяющейся при разных частотах вращения.

Конструктивные особенности и различия

Двухтактный двигатель отличается от четырехтактного не только тем, за сколько тактов работы происходит газообмен.

Четырехтактный требует наличия системы газораспределения (впускные и выпускные клапаны, распределительный вал с кулачковым механизмом и т. д. ). В двухтактном такой системы нет, благодаря этому он гораздо проще.

Двигатель с четырьмя тактами работы требует полноценной системы смазки из-за большого количества движущихся и трущихся частей. Для смазки двигателя с двумя тактами работы можно использовать масло просто разводя его вместе с топливом.

Способы продувки цилиндров

Очевидно, что процесс продувки, механизм, квалифицирующийся, как сложный. Правильно выполненная продувка напрямую влияет на показатели мощности и коэффициента полезного действия. Для улучшения характеристик, конструкторы постоянно стараются усовершенствовать и довести процесс до идеала.

Как можно продуть цилиндр:

• «Контурная» продувка.Вид продувки прост и поэтому распространён. Недостаток то, что применение связано с перерасходом топлива. Разновидности контурной продувки: возвратно-петлевая, дефлекторная, высотная.

• «П-образная» продувка.Принцип «П-образной» заключается в применении только на моторах с двумя цилиндрами. При проведении, один цилиндр участвует в процессе впуска газов, второй выпускает отработку. Эффект продувки ощущается в топливной экономичности, процесс сопровождается неравномерным нагревом пары, отвечающей за выпуск.

• «Клапанно-щелевая» продувка.Отличается тем, что требует наличия газораспределительного механизма для управления клапанами. Клапан используется, как для предоставления горючего, так и для вывода отработанных паров. Продувка предусматривает отвод отработки посредством клапана в головке цилиндров и поступление горючего через отверстия. Преимущество, что продувка повышает топливную экономичность и минимизирует показатель токсичности выпускаемых паров. Недостаток, сложность конструкции и нарушения режимов, связанных с повышением температуры работы агрегата.

• «Прямоточная» продувка.Используется в силовых установках с количеством поршней равным двум. При этом расположение цилиндра находится в горизонтальном положении. Поршни двигаются, друг навстречу другу. В движении каждый поршень освобождает и перекрывает клапан: один поршень впускает порцию горючего, второй удаляет порцию отработки из цилиндра. Камера сгорания образуется в момент сближения поршней друг с другом. Эффект этого варианта продувки максимален: удаляет сгоревшие газы и экономит горючее. Минус, требуется сложный механизм кривошипов и шатунов, показатели температуры двигателя требуют применения охладителей и устойчивых материалов для изготовления деталей.

Двухтактный двигатель 5 ТДФ с прямоточной продувкой

Система смазки и приготовление топлива

Работа двухтактного двигателя требует эффективной смазки движущихся узлов. Централизованная раздельная система смазки с масляным насосом, как у четырехтактных двигателей, здесь отсутствует, поэтому масло добавляется в бензин в соотношении 1:25 – 1:50. Полученный состав, находясь в поршневой и кривошипно-шатунной камере, смазывает подшипники шатуна, стенки цилиндра и поршневые кольца. При воспламенении воздушной смеси масло сгорает и удаляется вместе с выхлопными газами.

Моторное масло должно быть специальное — для двухтактного двигателя, обычно оно имеет маркировку 2Т на канистре. Использование обычного автомобильного масла недопустимо по ряду причин:

• Масло для двухтактных двигателей обязано обладать хорошей растворимостью в бензине;
• Обладает прекрасными смазывающими свойствами, улучшая работу двигателя и уменьшая трение;
• Защита от коррозии трущихся деталей поршневой группы;
• Двухтактное масло должно сгорать без остатка, не образовывая нагар и сажу. Высокая зольность обычного масла приводит к закоксовыванию поршневых колец.

Подачу смазки в двухтактный двигатель можно осуществить двумя способами. Первый и самый простой – смешивать с топливом в нужной пропорции. Второй – это раздельная система смазки двухтактного двигателя, когда состав из топлива и масла готовится непосредственно перед попаданием внутрь в специальном патрубке. В этом случае устанавливается отдельный бачок для масла, а его подача осуществляется с помощью специального плунжерного насоса.

Эта система получила широкое распространение на современных мотоциклах и скутерах. Кроме удобства использования (теперь не нужно доливать масло в бак на глаз каждую заправку), происходит серьезная экономия масла, потому что впрыск его зависит от оборотов двигателя. На холостых оборотах пропорция масла может составлять всего 1:200.

Проблема с продувкой

Чем выше обороты коленвала, тем больше мощность. Но, конструкция двухтактных двигателей имеет такую особенность — чем быстрее начинает двигаться поршень, тем хуже продувается камера сгорания цилиндра, так как окна подачи и выпуска отработавших газов остаются открытыми очень мало времени.

Камерная продувка — это удаление газов и впрыск топлива в цилиндр из картера. Топливо начинает всасываться и находиться в картере при движении поршня вверх. Затем, когда поршень идет вниз, впускной канал закрывается и открывается продувочное окно, через которое подается новая порция топлива и выгоняются газы отработавшей предыдущей смеси топлива (смотрите рисунок выше, посередине).

Такая простая конструкция двухтактного двигателя исключает необходимость устанавливать газораспределительный механизм (ГРМ), насоса продувки, клапанов и узла смазки.

Продувка во время работы двухтактного двигателя на холостом ходу (ХХ) осуществляется по-другому. Во время работы на ХХ, продувка осуществляется открыванием на маленький угол заслонки. Такая продувка не качественная, поэтому на холостом ходу, многие наверное замечали, двигатель бензопилы или газонокосилки работает не стабильно. Что касается бензопилы, например, Echo (Эхо), то там надо наполовину вытягивать подсос.

Одноцилиндровый двухтактный двигатель имеет контурную продувку, то есть щелевую. В нижней части цилиндра в стенке есть специальная щель, через которую происходит газораспределение. В такте сжатия и рабочего хода, то есть когда поршень вверх, отверстия впуска и продувки должны быть закрытыми.

Контурная продувка — это предпоршневой объем (цилиндр под поршнем) представляет собой продувочный насос. Такая конструкция позволяет делать двигатели самых малых габаритов.

Эксплуатационные показатели в сравнении

Сопоставляя двухтактный двигатель и четырехтактный двигатель, разницу между ними можно заметить не только в устройстве, но и в эксплуатационных характеристиках. Сравнивать их можно по следующим показателям:

• литровая мощность;
• удельная мощность;
• экономичность;
• экологичность;
• шумность;
• ресурс работы;
• простота обслуживания;
• вес;
• цена.

Литровой называется мощность, снимаемая с литра объёма цилиндра. Теоретически она должна быть в два раза больше у двухтактного. Однако на деле этот показатель составляет 1,5−1,8. Сказывается неполное использование рабочего хода газов, затраты энергии на продувку, неполное сгорание и потери топлива.

Удельная мощность представляет собой величину отношения мощности мотора к его весу. Она также выше у двухтактных. Для них нужен менее тяжёлый маховик и не нужны дополнительные системы (газораспределения и смазки), утяжеляющие конструкцию. КПД у них также выше.

Экономичность (расход топлива на единицу мощности) выше у четырехтактных. Двигатели с двумя тактами часть топлива теряют впустую при продувке цилиндра.

Экологичность двухтактных ниже, опять-таки из-за потери несгоревшего топлива и масла. Убедиться в этом можно на примере двухтактного лодочного мотора. Он всегда оставляет на воде тонкую плёнку из несгоревшего топлива.

Шумность выше у двухтактных. Это связано с тем, что выхлопные газы из цилиндра вырываются с большой скоростью.

Ресурс работы выше у четырехтактных. Отдельная система смазки и меньшая оборотистость двигателя положительно сказываются на сроке его службы.

Проще обслуживать, безусловно, двухтактные моторы из-за меньшего количества вспомогательных систем. Масса больше у четырехтактных. Двухтактные дешевле.

В некоторых механизмах применение двухтактных двигателей является однозначным. Это, например, бензопилы. Высокая удельная мощность, маленький вес и простота делают его здесь безусловным фаворитом.

Двухтактные двигатели используются также в мототехнике, лодочных моторах, газонокосилках, скутерах, авиамоделировании. В большинстве самодельных машин и механизмов умельцы также используют двухтактный мотор.

Видео

На скутеры устанавливаются двухтактные двигатели 2Т или 4 Т. Какой лучше? Анимация работы двухтактного двигателя. Двухтактный двигатель Stihl (Штиль) в разрезе. В этом видео — работа двухтакного двигателя.

Однотактные и трехтактные силовые агрегаты

Существуют также одно- и трехтактные двигатели. Однотактные двигатели делают с внешней камерой сгорания. Такая схема реализует все четыре такта за один ход поршня. Трехтактный двигатель Ванкеля является роторно-поршневым. Из-за сложности конструкции и чрезвычайной требовательности к качеству обработки поверхностей такие моторы не получили широкого распространения.