Принцип работы двухтактного двигателя, есть ли преимущества перед четырехтактным?

Впуск

Итак, в камере сгорания силового агрегата циклы преобразований энергии начинаются с реакции горения топливной смеси. При этом поршень находится в самой верхней своей точке (положение ВМТ), а затем движется вниз. В результате в камере сгорания двигателя возникает разрежение. Под его воздействием горючая жидкость всасывает топливо. Впускной клапан при этом находится в открытом положении, а выпускной закрыт.

Когда поршень начинает движение вниз, то над ним увеличивается объем. Это и вызывает разрежение. Оно составляет примерно 0,071-0,093 МПа. Таким образом, в камеру сгорания попадает бензин. В инжекторных двигателях топливо впрыскивается форсункой. После поступления смеси в цилиндр ее температура может составлять 75 до 125 градусов.

То, как сильно цилиндр будет заполнен топливной смесью, определяют по коэффициентам заполнения. Для двигателей с карбюраторной системой питания данный показатель составит от 0,64 до 0,74. Чем выше значение коэффициента, тем более мощный мотор.

Эксплуатация и причины поломки двигателей

Чаще всего двухтактные моторы встречаются в мототехнике, лодочных двигателях, газонокосилках, цепных пилах и прочих устройствах, где требуется применение легкого и надежного двигателя. Тем не менее, даже такой простой по конструкции движок может выйти из строя из-за нарушения правил эксплуатации.

Низкое качество бензина. Плохое топливо часто приводит к появлению детонации. Чаще всего это заметно на невысоких оборотах при подгазовках. Возникающие ударные нагрузки приводят к поломке перегородок поршней, чрезмерным нагрузкам на подшипники коленвала. Детонация может возникать из-за перегрева двигателя, нагара на поршне и бедной смеси.
Низкое качество деталей, из которых собран мотор. Особенно это актуально для китайских производителей, часто допускающих брак в производстве комплектующих. Это приводит к раннему выходу из строя поршня, коленчатого вала, цилиндра и прочих деталей, а затем и капитальному ремонту. Обычно помогает оценить состояние поршневой простой замер компрессии.
Низкокачественное моторное масло

Топливомасляная смесь для двухтактных двигателей имеет очень важное значение. Именно от его качества будет зависеть как мягко работает мотор, чистота выхлопа, отсутствие перегрева и лишних шумов

Плохое масло приводит к образованию слоя нагара на поршне, в коренных и шатунных подшипниках, к задирам на стенках цилиндра и юбке поршня, проходное сечение глушителя уменьшается из-за нагара. Масла для двухтактных двигателей следует применять синтетические или полусинтетические, использование минералки нежелательно.
Перегрев на двухтактном двигателе воздушного охлаждения не редкость. К этому приводит длительная работа с полностью открытым дросселем, или неисправность системы охлаждения. Перегрев может быть кратковременным, когда наблюдается потеря мощности и максимальных оборотов, после снижения нагрузки и охлаждения двигателя все приходит в норму. Клин возникает вследствие очень сильного перегрева, когда тепловой зазор между поршнем и цилиндром уменьшается настолько, что силы трения намертво прихватывают их между собой. После него требуется ремонт ЦПГ.
Карбюратор не настроен. Топливная смесь получается слишком бедной или очень богатой. Езда на переобогащенной смеси чревата высоким расходом топлива, потерей мощности и образованию нагара. Бедная смесь может вызывать детонацию и снижение максимальной мощности двигателя.

Все же из-за токсичности выхлопа двухтактные двигатели постепенно вытесняются современными четырехтактными. Они продолжают использоваться только там, где требуется высокая удельная мощность при минимальной массе и простоте конструкции – мототехника, бензопилы и триммеры, модели самолетов и многое другое.

Пути развития

Инновации дизельного двигателя заключаются в эволюции топливной аппаратуры. Усилия конструкторов направлены на то, чтобы добиться точного момента впрыска и максимального распыления топлива.

Создание топливного «тумана» и деление процесса впрыска на фазы позволило достигнуть большей экономичности и повышения мощности.

Наиболее архаичные экземпляры имели механический ТНВД и отдельную топливную магистраль к каждой форсунке. Устройство двигателя и ТА такого типа обладали большой надежностью и ремонтопригодностью.

Дальнейший путь развития заключался в усложнении ТНВД дизельного двигателя. В нем появились изменяемые моменты впрыска, множество датчиков и электронное управление процессами. При этом использовались все те же механические форсунки. В таком типе конструкции давление впрыскиваемого топлива было от 100 до 200 кг/см².

Основная конструктивная сложность заключается в форсунках. Именно с их помощью регулируется момент, давление и количество ступеней впрыска. Форсунки системы аккумуляторного типа очень требовательны к качеству топлива. Завоздушивание такой системы приводит к быстрому выходу из строя ее основных элементов. Дизельный двигатель с Common rail работает тихо, потребляет меньше топлива и имеет большую мощность. За все это приходится платить меньшим ресурсом и более высокой стоимостью ремонта.

Еще более высокотехнологичной является система с применением насос-форсунок. В ТА такого типа форсунка соединяет в себе функции нагнетания давления и распыления топлива. Параметры дизельного двигателя с насос-форсунками на порядок выше аналоговых систем. Впрочем, как и стоимость обслуживания и требования к качеству топлива.

Одноцилиндровые двигателиПравить

Типичный одноцилиндровый двухтактный двигатель

Типичный четырехтактный одноцилиндровый двигатель

Однако он обладает множеством недостатков с точки зрения характеристик двигателя.
Поскольку воспламенение смеси в одноцилиндровом четырехтактном двигателе происходит один раз за каждые 720 градусов поворота коленчатого вала, для поддержания вращения двигателя до его следующего рабочего хода необходимы большие маховики.

Для того чтобы избежать чрезмерного увеличения веса, маховики должны обладать большим диаметром и небольшой толщиной. Приходится максимально облегчать поршень, также необходим длинный шатун, и в итоге получается двигатель, называемый длинноходным. Характеристики такого двигателя хороши до определенного момента: он экономичен, обладает хорошей кривой мощности и характеристики момента таковы, что он может относительно легко обеспечивать динамичный разгон с низких частот вращения двигателя. Для использования великолепной характеристики мощности передаточные числа коробки передач могут быть «растянуты», за счет этого управление машиной становится не столь напряженным. Действительно, влияние вибрации двигателя до определенной степени субъективно и, как правило, довольно высокие уровни низкочастотных колебаний предпочтительнее менее интенсивного, но более раздражающего «дребезжания».

Однако если попытаться заставить такой двигатель работать при больших частотах вращения, его недостатки станут очевидными. Наличие массивных маховиков означает большое количество накопленной энергии или инерции, и ускорение, по сегодняшним меркам, будет ограничиваться медленным набором скорости. Маленький диаметр цилиндра и большой ход поршня означают высокие скорости линейного перемещения поршня, а следовательно, высокий уровень износа этих узлов. При попытке уменьшить ход поршня сглаживающий эффект больших маховиков теряется, а неуравновешенные силы увеличиваются. Это плохо сказывается на комфортабельности мотоцикла — покладистый одноцилиндровый двигатель превращает его в «дрель, передвигающуюся по дороге».

Другая проблема двигателей большого объема связана с затруднением запуска, даже если для этого применяется электрический стартер. Но, поскольку большинство одноцилиндровых двигателей большого объема используются для соревнований в условиях бездорожья и не оснащаются электрическим запуском, то каждый раз коленчатый вал приходится устанавливать в положение, когда он чуть не доходит до ВМТ на такте сжатия, затем давать ему здоровенный пинок, чтобы заставить его вращаться. Кроме того, есть проблема отдачи, которая проявляется, когда коленчатый вал установлен неправильно или когда на кик-стартер нажали недостаточно сильно. При этом усилия для того, чтобы поршень миновал такт сжатия, недостаточно, и он резко отскакивает назад из-за воздействия компрессии. При этом рычаг кик-стартера отпрыгивает назад и перекидывает вас через руль или ломает вам ногу. Некоторые одноцилиндровые двигатели оснащаются декомпрессором, предназначенным для облегчения запуска и уменьшения отдачи. Компания Honda разработала систему, в которой при нажатии на кик- стартер небольшой кулачок воздействует на выпускной клапан с целью немного приоткрыть его в ВМТ на такте сжатия. Это снижает усилие, необходимое для прокручивания коленчатого вала двигателя. Второй кулачок начинает работать, когда происходит отдача, также слегка приоткрывая выпускной клапан и снижая силу отдачи.

Конструктивные и эксплуатационные отличия четырехтактных двухтактных бензиновых двигателей

Главное отличие четырехтактного двигателя от двухтактного обусловлено разными механизмами газообмена, а именно: удалением отработанных газов и подачей топливно-воздушной смеси в цилиндр.

Процессы заполнения цилиндра и его очистки в четырехтактном двигателе происходят с помощью газораспределительного специального механизма, который в определенное время открывает и закрывает рабочий цикл.

Очистка цилиндра и его заполнение в двухтактном двигателе выполняется в одно время с с расширением и сжатием при нахождении поршня поблизости мертвой нижней точки. В стенках цилиндра для этого имеется два отверстия: продувочное или впускное и выпускное. Через выпускное отверстие поступает топливная смесь, и выходят отработанные газы.

Основные отличия двухтактных и четырехтактных двигателей:

1. Литровая мощность. В четырехтактном двигателе на два оборота коленчатого вала приходится один рабочий ход. Поэтому теоретически двухтактный двигатель должен иметь литровую мощность вдвое больше, чем четырехтактный. Но на практике превышение составляет около 1,8 раза, благодаря использованию поршня при расширении хода, а также наличия худшего механизма освобождения цилиндра от отработанных газов и больших затрат на продувку части мощности.
2. Потребление топлива. Двухтактный двигатель превосходит четырехтактный в удельной и литровой мощности, но уступает в экономичности. Отработанные газы вытесняются воздушно — топливной смесью, которая поступает в цилиндр из шатунно-кривошипной камеры. Часть топливной смеси при этом поступает в выхлопные каналы и удаляется с отработанными газами.
3. У двухтактного и четырехтактного двигателей принцип смазки двигателя существенно отличается. Двухтактные модели характеризуются необходимостью смешивания бензина с моторным маслом в определенных пропорциях. Масляная воздушно-топливная смесь циркулирует в поршневой и кривошипной камерах, смазывая подшипники коленчатого вала и шатуна. Мельчайшие капли масла при возгорании топливной смеси сгорают вместе с бензином. Продукты сгорания уходят вместе с отработанными газами.

Смешивают бензин с маслом двумя способами. Это может быть простое перемешивание, которое проводится перед тем, как залить в бак топливо и раздельная передача. Во втором случае масляно-топливная смесь образуется во впускном патрубке, расположенном между цилиндром и карбюратором.

Двигатель в последнем случае оснащен масляным бачком с трубопроводом, соединенным с плунжерным насосом. Насос подает масло во впускной патрубок в том количестве, которое необходимо. Производительность насоса зависит от того, как расположена ручка подачи «газа». Поступление масла тем больше, чем больше подается топливо. Более совершенной является раздельная система смазки двухтактного двигателя. Отношение бензина к маслу при ней может достигать 200:1. Это приводит к снижению расхода масла и к уменьшению дымности. Такую систему используют, например, на современных скутерах.

В четырехтактных двигателях бензин с маслом не смешивают, а подают отдельно, для чего двигатели имеют классическую систему смазки, которая состоит из фильтра, масляного насоса, трубопроводной магистрали и клапанов. В качестве масляного бачка может выступать картер двигателя (смазка с «мокрым «картером) либо отдельный бачок («сухой» картер).

В первом случае насос всасывает из поддона масло, направляет его во входную полость, а затем по каналам -к деталям шатунно-кривошипной группы, к подшипникам коленвала и газораспределительному механизму.

В случае смазки с «сухим» картером масло заливают в бочок. Оттуда оно при помощи насоса попадает к трущимся поверхностям. Стекающую в картер часть масла откачивают дополнительным насосом и возвращают в бачок.

Для очищения масла от разных продуктов износа двигатель имеет фильтр. Кроме того при необходимости устанавливают охлаждающие фильтра, потому как температура масла в процессе работы может очень сильно подниматься.

Двухтактный дизельный двигатель и принцип его работы

Двухтактный дизельный двигатель был создан в эпоху активного развития двигателестроение, а это период 30-х годов 20 века. Именно это изобретение стало прорывным и революционным, которое используется в автомобилестроении до сих пор. По сравнению со своим старшим двигательным собратом четырехтактником он имеет ряд преимуществ, как в бензиновом так и в дизельном вариантах.

Хотя в массовом понимании двухтактный двигатель очень шумный, дымящий и загрязняющий окружающую среду, с бешенным расходом топлива, и обязательным смешиванием бензина и масла. Соответственно, только те водители, что еще могут терпеть двухтактники смогут его поставить на мотороллер или же подвесной мотор со спокойной душой, а как же быть с автомобилем? Место ли ему там? Справедливо ли? Скорее да, а именно для карбюраторных двигателей старых образцов. С дизелями дела обстоят немного иначе.

Двухтактный дизельный двигатель с внутренним типом сгорание включает в себя такие детали, как: коленчатый вал и картер, поршень, цилиндр с крышкой, поршень, впускные окна в цилиндре что соединены с компрессором, так же два форсунки, один из которых соединяется с топливным насосом высокого давления, а другой с водяным насосом так же высокого давления.

Да, двухтактная система до наших дней осталась хорошей альтернативой четырехтактной, особенно в тех случаях когда мы обсуждаем значимую мощность при этом с небольшими габаритами силовых установок. Так, двухтактный дизельный двигатель удачно используется в судах, стационарные, тепловозные двигатели неплохо работают на танках, встречаются на маленьких самолетах, преимущественно в американских грузовиках старых образцов.

Достоинства и недостатки двухтактного дизельного двигателя

Такой двигатель стал одним из самых используемых в мире потому что имеет самый высокий уровень КПД среди иных двигателей и сниженный уровень выброса в окружающую среду отработанного топлива. Двигатель показывает положительный уровень использования топлива, его конструкция дает возможность полностью использовать и сжигать топливо при гораздо меньшим отбором мощностей на систему охлаждения с коленвала.

Разумеется существуют достаточно весомые недостатки двухтактного дизельного двигателя, а именно сложность и громоздкость конструкции систем охлаждения, также использование рабочего пара для дополнительного двигателя. Еще один весомый недостаток является невозможность использовать высокотемпературный режим, ведь высокая температура обязательно закоксует масло – соответственно в поршневых кольцах будет происходить залегание.

Другой недостаток – это весьма большой расход топлива, более токсичные выхлопы. Да, это свойственно старым карбюраторным движкам, где продувка проходила топливно-воздушной смесью, да еще и с добавлением масла. Соответственно масла используется больше. Для тех двухтактных двигателей где продувка происходит с помощью воздуха, все не так плачевно и критично.

Чем отличается двухтактный двигатель от четырехтактного?

За каждый поворот коленвала на 180° совершается два такта (разные, в зависимости от типа двигателя). Отработка процесса двухтактного ДВС осуществляется за один оборот, а четырехтактного – за два оборота коленвала. Непонятно? Рассмотрим вопрос подробнее.

Важно! Есть пассивные и активные такты. Точнее активный цикл один – рабочий ход

Остальные движения цилиндра происходят по инерции маховика, закрепленного на оси мотора. Это касается одноцилиндрового мотора, каждый следующий цилиндр работает со сдвигом по фазе, и тяжелый маховик более не нужен. Поэтому его роль выполняет шестерня, за которую цепляется стартер.

Современный мотор достаточно сложен с инженерной точки зрения. Процессы обеспечиваются различными вспомогательными механизмами, их работа должна быть синхронизирована. Кроме того, компоненты двигателя имеют определенную массу, соответственно присутствует инерция.

Трущиеся детали замедляются сопротивлением. Это замедляет процесс и отбирает дополнительную мощность. Все поправки надо учитывать при проектировании мотора.

Запрограммировать алгоритм управления сложно, условия эксплуатации постоянно меняются. Если последовательность смены циклов даст сбой – произойдет потеря мощности или остановка двигателя. Поэтому для бесперебойной работы нужно так много приспособлений вокруг пары: поршень, цилиндр.

Логика подсказывает, что при меньшем количестве тактов, управление можно сделать проще. Именно поэтому инженеры по-прежнему развивают направление двухтактных ДВС.

Чтобы понять разницу между двухтактным и четырехтактным двигателем, рассмотрим организацию работы последнего.

Особенностью конструкции четырехтактных моторов является разделение клапанов на входе и выходе.

Впуск

По инерции, поршень движется вниз, создавая вакуум в камере сгорания. В этот момент через открытый впускной клапан в полость проникает готовая топливовоздушная смесь.

Сжатие

Поршень (опять же по инерции) движется к высшей точке. Оба клапана герметичны, горючая смесь сжимается. Это первое применение хорошей компрессии. Смесь не проникает в картер.

Рабочий ход

Искра свечи, происходит взрыв. Стремительно расширяющиеся газы толкают поршень вниз. Это второе применение компрессии. Чем она выше, тем больше энергии от взрыва будет передано на коленвал.

Важно! После прохождения верхней мертвой точки, шатун поршня занимает опережающее положение на коленвале, поэтому не происходит обратного вращения. Сила давления ускоряет вал мотора, сообщая полезный крутящий момент.

Выпуск

Поршень (снова по инерции) движется к верхней мертвой точке. В открытый выпускной клапан выдавливаются отработанные газы. При достижении максимальной высоты, поршень готов к всасыванию очередной порции воздушной смеси.

Эта схема работы двигателя характерна для одноцилиндрового мотора. При многоцилиндровой компоновке (собственно, другой на автомобилях практически нет), каждый следующий поршень сообщает крутящий момент, замещая инерцию маховика.

Поэтому коленвал вращается более равномерно. А в каждом отдельно взятом цилиндре, рабочий цикл происходит именно так. Четырехтактный двигатель работает тише, ровнее. Система смазки отделена от топливной системы – улучшена экология. При этом мотор уступает в мощности двухтактнику аналогичного объема, поскольку на один рабочий цикл приходится два оборота коленвала.

Особенности конструкции

Дизельные двигатели, разумеется, не имеют таких колоссальных отличий как роторно-поршневой двигатель Ванкеля, устройство которого абсолютно не похоже на «анатомию» традиционного ДВС, но у него имеется ряд особенностей, которые проводят между ним и бензиновыми моторами черту.

У дизеля также есть кривошипно-шатунный механизм, но его степень сжатия существенно выше – 19-24 единицы против 9-11 единиц соответственно. Принципиальное отличие дизельного двигателя от бензинового заключается в том, как формируется, воспламеняется и сгорает топливно-воздушная смесь.

У дизельного ДВС отсутствуют свечи зажигания и, соответственно, воспламенение топливно-воздушной смеси происходит от сжатия. При этом, воздух и солярка подаются раздельно. Также следует отметить, что практически ни один современный дизель не обходится без системы наддува, которая используется для повышения рабочих характеристик агрегата. Для оптимизации наддува в максимально широком диапазоне оборотов используются турбонагнетатели с изменяемой геометрией. Дизельный агрегат имеет более высокий коэффициент полезного действия, но он тяжелее и выдает больший крутящий момент при низких оборотах, нежели бензиновый ДВС.

Немного общей информации

Ключевой особенностью дизельного двигателя является его повышенный КПД. Обусловлено это в большей степени топливом, которое на 15 % эффективнее. Если взглянуть на топливо на молекулярном уровне, то здесь мы увидим длинную цепочку углеродов. Благодаря этому на выходе КПД дизельного горючего несколько выше, нежели бензина.

Принцип действия классического дизельного мотора заключается в преобразовании возвратно-поступательных движений кривошипно-шатунного механизма (КШМ) в механическую работу. Ключевое отличие от ДВС работающего на бензине заключается в способе приготовления и воспламенения топливно-воздушной смеси.

В дизеле образование смеси происходит непосредственно в камере сгорания. Соответственно при максимальном давлении происходит воспламенение смеси. Хорошо это или плохо, мы разберемся несколько позже, а сейчас рассмотрим самое интересное.