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.

Чертежи двигателей тут

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.

История и область применения двухтактного ДВС

Суть ДВС в том, что поршень движется вниз, передавая импульс на маховик и придавая ему вращение, которое и движет привод устройства. Для того, чтобы толкнуть деталь, необходим взрыв, а он может произойти только под воздействием трех компонентов, которые соединяются одновременно: горючего, кислорода и искры (или тепла). Поэтому все работы над созданием двигателя внутреннего сгорания сводятся к тому, чтобы максимально эффективно объединить эти элементы в одной системе.

Кто и когда создал первый двухтактный двигатель

Несколько изобретателей в различных странах одновременно поняли, как работает двухтактный двигатель внутреннего сгорания, поэтому установить первооткрывателя невозможно:

• Первый патент на 2 тактный двигатель был получен в 1881 году Дугладом Клерком из Шотландии.
• Через 10 лет его английский коллега Джозеф Дей представил модель с камерной продувкой.
• Немец Карл Бенц независимо от них в 1880 году получил патент на свой газовый 2-тактный ДВС.
• В 1907 году был запатентован мотор русского инженера Корейво, с двумя коленчатыми валами.
• В 1908 году еще один англичанин — Альфред Скотт построил мотоцикл на базе силового агрегата с водной рубашкой охлаждения.

С 1907 года на базе дизелей Корейво производились теплоходы.

Где используется двухтактный ДВС

Поскольку устройство двухтактного двигателя достаточно простое, и сам агрегат отличается небольшими размерами, его устанавливают на бензопилы, триммеры и другие садовые и строительные бензоинструменты, а также на небольшие транспортные средства: моторные лодки, скутеры, маломощные мотоциклы и квадроциклы.

Мнение эксперта

Александр Субботин

Автожурналист, редактор сайта autodvs.ru.

Задать вопрос

Принцип работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания имеет высокий потенциал, но его пока не удается полностью реализовать на практике. При правильной и тонкой настройке агрегат способен выдавать хорошие показатели как мощности, так и экономичности, так что, с развитием технологий возможно появление датчиков и механизмов контроля, которые помогут мотору занять лидирующую позицию в автомобилестроении.

Одна из проблем 2-тактного автомобильного мотора — вывод отработки. Поскольку выхлопные газы содержали большое количество масляных паров, глушители быстро выходили из строя, тем не менее на заправках Европы топливо для подобных авто продавалось до конца 80-х.

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.

Порядок работы

Описанные этапы составляют рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя. Нужно понимать, что каких-либо строгих соответствий между тактами и процессами в поршневых двигателях нет. Это легко объяснить тем, что при эксплуатации силового агрегата фазы газораспределительного механизма и то, в каком состоянии находятся клапаны, будет накладываться на движения поршней в различных моторах совершенно по-разному.

В любом цилиндре рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя протекает именно таким образом. Каждая камера сгорания в двигателе нужна для вращения единственного коленчатого вала, воспринимающего усилие от поршней.

Это чередование называют порядком работы. Такой порядок задается на этапе конструирования силового агрегата через особенности распределительного и коленчатого валов. Он не изменяется в процессе эксплуатации механизма.

Реализация порядка работы осуществляется чередованием искр, которые поступают на свечи от системы зажигания. Так, четырехцилиндровый мотор может работать в следующих порядках – 1, 3, 4, 2 и 1, 2, 4, 3.

Смотреть галерею

Узнать порядок, в котором работают цилиндры двигателя, можно из инструкции к автомобилю. Иногда порядок работы указан на корпусе блока.

Вот как протекает рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя или любого другого. Система питания никак не влияет на принцип действия агрегата. Разница лишь в том, что карбюратор – это механическая система питания, имеющая определенные недостатки, а в случае с инжекторами этих недостатков в системе нет.

Принцип действия

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.

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.

Тепловой и динамический расчет двигателей внутреннего сгорания

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.

Цикл работы двигателя

Основные элементы конструкции двигателя определены, теперь можно разобраться в работе двигателя, как упоминалось ранее цикл его работы состоит из четырех тактов, рассмотрим подробнее каждый из них.

Такт 1

Чтобы двигатель мог, что то сжечь, надо сначала этим чем-то его заправить. В ДВС это смесь воздуха и топлива. При движении поршня вниз объем рабочей камеры увеличивается, значит давление в ней падает. Клапаны соединяющие рабочую камеры с впускным коллектором открываются и воздух заполняет ее. Топливо распыляется с помощью форсунки.

Такт 2

Полученную смесь надо сжать, чтобы при воспламенении она расширилась и переместила поршень. Для осуществления сжатия поршень нужно переместить вверх, клапаны в этот момент должны быть закрыты.

Такт 3

На третьем этапе свеча дает искру, которая воспламеняет смесь, она нагревается и расширяется, толкая поршень вниз. Поршень вращает коленвал.

Такт 4

От продуктов горения нужно избавиться. Для этого открываются клапаны со стороны выпускного коллектора, поршень движется вверх вытесняя газы в выхлопную систему.

После 4 такта вновь наступает первый.

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.

Отличие двухтактного от четырехтактного

Главное различия двухтактных и четырехтактных двигателей обуславливается отличием устройств их газообмена — подачи топливно-воздушной смеси в цилиндр и удалении отработаных газов. В двигателе 4т процессы очищения и наполнения цилиндра выполнялняются с помощью особого газораспределительного механизма (ГРМ), какой закрывает и открывает в конкретное время рабочего цикла впускной и выпускной клапаны. В двигателе 2т заполнение и очистка цилиндра производятся параллельно с тактами сжатия и расширения — в то время, когда поршень располагаться поблизости НМТ (нижняя мертвая точка). Для этого в стенках цилиндра есть два отверстия — впускное (продувочное) и выпускное, через какие выполняется подача топливной смеси и выпуск отработанных газов. Распределительный механизм с клапанами у двухтактного двигателя отсутствует, что делает его существенно легче и проще.

Работа двигателя 2т

Работа 4т двигателя

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).

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.

Чтобы продлить срок службы и отсрочить капремонт, следует провести правильную обкатку двухтактного лодочного или мотоциклетного мотора. Для этого пропорция масла смешиваемого с бензином должна быть немного выше установленной для нормальной эксплуатации. На такой смеси дать двигателю поработать в режиме неполной мощности несколько часов, что эквивалентно 500-1000 км пробега для скутера и мотоцикла.

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.

Смазка 4 т и 2 т

Двухтактные и четырехтактные двигатели обладают различной по конструкции и принципу действия системой смазки двигателя. В 2-х тактных скутерах она осуществляется смешиванием в установленных пропорциях (обычно 1:25 … 1:50) моторного масла с топливом. Топливно-воздушно-масляная смесь, циркулируя в кривошипной и поршневой камерах, смазывает подшипники шатуна и коленвала, а также зеркало цилиндра. При возгорании топливной смеси масло, сгорает совместно с бензином. Продукты его сгорания удаляются вместе с отработанными газами.

Используются 2 метода смешивания масла с бензином. Обычное смешивание перед заливкой горючего в бак и отдельная подача, при которой топливно-масляная смесь сформируется во впускном патрубке, находящемся между карбюратором и цилиндром.

Раздельная система смазки двухтактного двигателя

1. масляный бак
2. карбюратор
3. разделитель троса газа
4. ручка газа
5. трос управления подачей масла
6. плунжерный насос-дозатор
7. шланг, подводящий масло во впускной патрубок

Во всех современных скутерах 2т используется отдельная подача масла (мы заливаем масло 2т отдельно от бензина). В двухтактном скутере двигатель имеет масляный бак, трубопровод какого связан с маслонасосом, подающим масло во впускной патрубок в том количестве, какое необходимо в зависимости от количества воздушно-бензинной смеси. Продуктивность насоса находится в зависимости от положения ручки «газа». Чем больше подается горючего, тем больше поступает масла, и напротив. Отдельная система смазки двухтактных движков считается более безупречной. При ней отношение масла к бензину при небольших нагрузках может досягать 1:200, что приводит к сокращению дымности, уменьшению образования нагара и расхода масла. Эта конструкция применяется, на современных скутерах с двухтактными моторами.

В четырехтактном двигателе масло не смешивается с топливом, а подается раздельно. Для этого двигатели обустроены традиционной системой смазки, складывающейся из масляного насоса, фильтра, клапанов, трубопроводов. Роль масляного бачка может выполнять картер двигателя (система смазки с мокрым картером) или отдельный бачок (система с сухим картером).

Система смазки четырехтактного двигателя с мокрым и сухим картером

1. поддон картера
2. маслозаборник
3. масляный насос
4. масляный фильтр
5. предохранительный клапан

При смазке с «мокрым» картером насос 3 вбирает масло из поддона, нагнетает его в выходящую полость и дальше по каналам подает к подшипникам коленчастого вала, деталям КШМ и ГРМ. При смазке с «сухим» картером масло заливается в бак, откуда насосом подается к трущимся плоскостям. Та часть масла, которая стекает в картер, откачивается вспомогательным насосом, отдающем ее назад в бачок. Для очищения масла от продуктов износа деталей мотора имеется фильтр. При потребности устанавливается и охлаждающий радиатор, так как в процессе работы температура масла может подыматься до больших температур.