Двухтактный двигатель: принцип работы. Отличия двухтактного двигателя от четырехтактного Двухтактный двигатель где применяется

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.

На данный момент существует два основных вида двигателей внутреннего сгорания — двухтактные и четырехтактные. По своему внешнему виду они практически не отличаются, однако двухтактные двигатели работают по совсем другому принципу. Попробуем разобраться в чем основные различия этих двух типов ДВС, и как работает двухтактный двигатель.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Для того, чтобы ваша машина могла выполнять свою прямую функцию — возить вас, ее нужно заправлять топливом: бензином, дизелем, пропан-бутаном. По топливопроводу бензин поступает в двигатель, основную работу в нем выполняют поршни и кривошипно-шатунный механизм. Бензин смешивается с воздухом, образуется смесь, которая взрывается и приводит поршни в движение, этот момент движения передается на коленчатый вал, а от него на трансмиссию.

Разница между 2-х и 4-х тактными двигателями, как видно из названия, состоит в количестве тактов, то есть в рабочем цикле двигателя. Рабочий цикл любого ДВС — это последовательность таких процессов:

• заполнение цилиндра горючей смесью;
• ее воспламенение;
• расширение газов;
• вытеснение продуктов сгорания.

В 4-тактном двигателе вся эта последовательность осуществляется за 4 такта, то есть за два оборота коленвала, в двухтактном — за один оборот. Из этого можно сделать вывод, что 2-тактные двигатели обладают большей мощностью, и это действительно так, не зря ведь их используют не только для мотоциклов, мопедов, различных квадроциклов, снегоходов и гидроциклов, но и для приведения в движение огромных морских кораблей.

Теоретически мощность должна быть выше в два раза. Например, небольшой по размерам двигатель мотоцикла может легко выдавать мощность в сто и больше лошадей, тогда как гораздо более массивный и объемный мотор какого-нибудь автомобиля класса «В» или «С» выдает 70-100 л.с.

Устройство двухтактного двигателя

Основное преимущество двухтактных двигателей состоит в простоте их конструкции. Поскольку все процессы рабочего цикла завершаются за один оборот кривошипа, отпадает необходимость в наличии сложного газораспределительного механизма, который контролирует движение впускных и выпускных клапанов. Впускной клапан закрывается и открывается из-за разницы давления, а отработанные газы выходят через выпускное окно к глушителю.

Также 2-тактный двигатель охлаждается с помощью топлива, в которое подмешан определенный процент масла. Масло нужно подбирать именно двухтактное, поскольку оно приспособлено к высоким температурам и при сгорании оставляет меньшее количество шлака и золы.

Поршень движется от нижней мертвой точки к верхней — НМТ и ВМТ. Во время движения вверх поршень сжимает поступившую воздушно-топливную смесь. В ВМТ происходит взрыв смеси и поршень начинает движение вниз, в этот момент поступает новая порция смеси. Получается, что поршень сам же и выталкивает отработанные газы, а это и является основным недостатком двухтактных двигателей, влияющим на их КПД.

Недостатки двухтактных двигателей

Несмотря на то, что инженеры пытаются их решить, недостатки все же есть и они существенные.

Самый главный из них — неэффективное использование топлива и повышенные выбросы СО2.

Если в четырехтактных двигателях на отвод отработанных газов и продуктов сгорания отводится отдельный такт, то здесь этот такт совмещается с заполнением цилиндра новой порцией горючей смеси, и как бы не старались инженеры, избежать смешивания ее с отработанными газами не удается.

Кроме того необходимо постоянно добавлять в бензин масло, причем оно довольно дорогостоящее и расходуется быстрее.

Из-за этих проблем снижается и мощность двигателя. Теоретически она должна быть в два раза выше, чем у 4-тактных ДВС, но на деле этот показатель не превышает 50-70 процентов. После 2000 года многие производители отказались от двухтактных ДВС. Однако работы по их совершенствованию постоянно ведутся.

Видео принципа работы данного типа двигателей.

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