Как работает двухтактный двигатель?

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания

Современное машиностроение готово представить различные виды двигателей и механизмов, которые, так или иначе, облегчают жизнь человека. Одним из таких силовых агрегатов считается двухтактный двигатель внутреннего сгорания. В этой статье мы рассмотрим его подробный принцип действия, устройство, достоинства и недостатки, а также применение.

Устройство и принцип работы двухтактного двигателя

Двухтактный ДВС – это поршневой мотор, в котором сгорание топливовоздушной происходит не в камере сгорания, как в четырехтактных, а непосредственно в самом рабочем цилиндре. Устройство такого двигателя мало чем отличается от конструкции четырехтактного. В своем составе он имеет все те же детали, что и обычный, поршневой ДВС – это поршень, цилиндр и кривошипно-шатунный механизм.

В блоке цилиндров устанавливается поршень, внутрь которого посредством специальной втулки вмонтирован шатун. в нижней части шатуна также располагается коленчатый вал. Коленвал подвешивается посредством двух подшипников и погружается в специальный картер. Главное особенностью такого двигателя можно называть то, что смазывающий компонент и топливо смешиваются в одну смесь и подаются наравне с воздухом в камеру сгорания.

Принято считать, что мощность двухтактного двигателя значительно выше, чем у четырехтактного, однако если учесть, какую работу двигатель совершает на такой короткий ход поршня, то можно сделать вывод о его слишком низком коэффициенте полезного действия.

Работа двухтактного двигателя внутреннего сагорания

Как уже понятно из названия, такой двигатель имеет всего два рабочих такта, которые будут описаны ниже.

• Первый такт (сжатие). Поршень находится в нижней мертвой точке двигателя и начинает движение вверх. В процессе подъема через продувное отверстие в цилиндр попадает определенное количество топлива, которое смешано с маслом и воздухом. Как только поршень достигает отверстия, оно перекрывается и подача смеси прекращается. На этом же этапе перекрывается и выпускное отверстие. Поршень движется в верхнюю мертвую точку и сжимает смесь.
• Второй такт (рабочего хода поршня). В верхней мертвой точке происходит сжатие и воспламенение смеси. В результате небольшого взрыва, поршень под действием высокого давления начинает движение вниз, тем самым, открывает выпускное отверстие и дает возможность освободить цилиндр от отработавших газов. Часть масла, находящаяся в смеси остается на стенках цилиндра, а другая часть попросту выходит вместе с отработавшими газами. Поршень достигается самой нижней мертвой точки, и цикл начинается сначала.

Стоит отметить, что для более удачного искрообразования искра должна возникать чуть раньше, чем поршень достигнет верхней мертвой точки. Идеальным зажиганием можно назвать то, которое с увеличением числа оборотов двигателя дает искру еще раньше. Такая система напрочь отсутствовала до 2000-х годов. В те времена искрообразование было настроено под оптимальные обороты, а потому двигатель работал малоэффективно. В настоящее же время применяются специальные электронные коммутаторы, в которых имеется динамическое опережение в момент зажигания. Оно изменяется с увеличением или уменьшением числа оборотов двигателя.

Преимущества двухтактного двигателя от четырехтактного

• Небольшие габариты силовой установки. Для такого двигателя нужно совсем мало место, что легко объясняет их применение на мотоциклах.
• Меньшая масса, по сравнению с обычным четырехтактным двигателем.
• Экономичный расход топлива. Это относится только к дизельному двигателю, когда расход топлива составляет всего 50% от среднего.
• Простота и эргономичность установки. Конструкция двухтактного двигателя не представляет собой ничего сложного, а потому поддается легкому обслуживанию и ремонту.

Недостатки двухтактных моторов

• С уменьшением расхода топлива существенно увеличивается расход масла, так как заливается он наравне с топливом в бензобак двигателя. Дело в том, что конструкция подобной силовой установки не позволяет иметь специальный резервуар для хранения смазывающего вещества. В связи с чем, возникает необходимость добавления масло в  топливовоздушную смесь.
• Так как потребление воздуха в таких двигателях серьезно возрастает, то возникает необходимость применение воздушных фильтров особой конструкции.
• Из-за особенностей впускной и выпускной системы есть огромная вероятность непреднамеренной смеси отработанных газов со свежей смесью.
• Выбор двухтактных двигателей на рынке серьезно ограничен. Это делает их стоимость достаточно высокую.
• Неэффективная работа двигателя. Данная конструкция не позволяет создавать высокий коэффициент полезного действия.

Применение двухтактных двигателей

Наибольшее применение двухтактные двигатели нашли в мототранспорте. Имея весьма небольшие размеры, такой мотор можно применять на мопедах, мотоциклах и мотороллерах. Кроме того, двигатели таких габаритов нашли широкое применение в бензиновых пилах. Дело в том, что для приведения цепи в действия совсем не нужны высокие характеристики, главное создать определенную частоту вращения, при которой бензопила будет способна справиться со своими основными обязанностями.

Помимо мотоциклетной техники, двухтактными двигателями малоактивно оснащали и автомобили. Как правило, это были небольшие малолитражки, предназначенные для поездок на небольшие расстояния по городу. Двухтактные двигатели применяются и по сей день на многих моторных лодках.

Это все, что необходимо знать о двухтактных двигателях внутреннего сгорания. При всех преимуществах и недостатках данного мотора, многие конструкторы отдают предпочтение именно четырехтактным двигателям, поэтому малообъемный мотор не нашел широкого распространения.

Источник: https://vipwash.ru/dvigatel/dvuhtaktnyy-dvigatel-vnutrennego-sgoraniya

Строение двигателей

Недавно наткнулся на прекрасный сайт (англ.), который по полочкам размусоливает и показывает строение большинства типов двигателей. Попытаюсь вольно и сжато пересказать самое на мой взгляд главное, совсем по пальцам и как для самых маленьких. Конечно можно было бы позаимствовать точные определения из авторитетных источников, но такой любительский перевод обещает быть единственным в своем роде 🙂 А можете ли Вы сходу объяснить Вашей девушке, в чем отличие бензинового двигателя от дизельного? Четырёхтактного и двухтактного движков? Нет? Тогда приглашаю под кат.

Четырёхтактный двигатель

Работающий четырёхтактный двигатель впервые был представлен немецким инженером Николаусом Отто в 1876, с этих пор он также известен под названием цикл Отто. Но все же корректнее называть его четырёхтактным. Четырёхтактный двигатель является, наверное, одним из самых распространенных типов двигателей в наше время. Он используется почти во всех автомобилях и грузовиках.

Под четырьма тактами подразумеваются: впуск, сжатие, рабочий ход, и выпуск. Каждый такт соответствует одному ходу поршня, вследствие этого рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два оборота коленчатого вала.

Впуск

Во время впуска поршень двигается вниз, втягивая свежую порцию воздушно-топливной смеси через впускной клапан. Отличительной особенностью рассматриваемого двигателя являтся то, что впускной клапан открывается за счет вакуума, образовавшегося в результате движения поршня вниз.

Сжатие

Крутящий момент подымает поршень, а тот в свою очередь сжимает воздушно-топливную смесь. Впускной клапан закрывается возрастающей силой давления, возникшей в результате поднятия поршня.

Рабочий ход

В верхней точке такта сжатия искра воспламеняет сжатое топливо. При сгорании топлива высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз.

Выпуск

Когда поршень достигает свою нижнюю точку, выпускной клапан открывается и выхлопные газы выгоняются из цилиндра движущимся наверх поршнем.

Двухтактный двигатель

В двухтактном двигателе рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе происходят так же, как и в четырехтактном, но процессы очистки и наполнения цилиндра совмещены и осуществляются не в рамках отдельных тактов, а за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки, с помощью вспомогательного агрегата — продувочного насоса.

Wiki Так как в двухтактном двигателе на каждое движение коленчатого вала приходится один рабочий ход — двухтактные двигатели всегда мощнее четырехтактных (если брать двигатели одинакового объема). Важным фактором в пользу первых является их более простая и легкая конструкция. Эти двигатели получили распространение в бензо-пилах, лодочных моторах, снегоходах, легких мотоциклах и моделях самолетов.

Бесспорными минусами данного типа двигателей являются их неэкономичность, так как значительная доля топлива не выгорает и выбрасывается вместе с выхлопными газами.

Впуск

Воздушно-топливная смесь всасывается в кривошипную камеру благодаря ваккууму, который создается во время движения поршня вверх.

Сжатие в камере сгорания

Во время сжатия впусковой клапан закрывается давлением в кривошипной камере. Топливная смесь сжимается на последней стадии такта.

Движение топливной смеси/выпуск

Ближе к концу такта, поршень заставляет сжатую воздушно-топливную смесь двигаться по впускному каналу из кривошипной камеры в главный цилиндр. Воздушно-топливная смесь вытесняет выхлопные газы, которые покидают главный цилиндр через выпускной клапан. К сожалению, цилиндр также покидает некоторое количество невыгоревшего топлива, из-за чего конструкция двухтактного двигателя считается менее экономичной.

Сжатие

После чего поршень подымается, движимый крутящим моментом, и сжимает топливную смесь. (В этот момент под поршнем происходит следующий такт впуска).

Рабочий ход

На вершине такта свеча зажигания воспламеняет топливную смесь. Возникшая энергия заставляет поршень двигаться вниз до завершения цикла. (В этот момент внизу цилиндра топливо сжимается в кривошипной камере).

Четырёхтактный дизельный двигатель

Особенностью дизельного двигателя является измененная система воспламенения топлива. Создав свой тип двигателя в 1897 Рудольф Дизель заявил, что его двигатель является самым эффективным из когда-либо созданных. До сих пор его детище стоит в ряду самых экономичных двигателей.

Впуск

Впускной клапан открывается и свежий воздух (без топлива), засасывается в цилиндр.

Сжатие

Когда поршень подымается, воздух сжимается и температура в цилиндре возрастает. В конце такта воздух раскаляется настолько, что температуры становится достаточно дря воспламенения топлива

Впрыск

Возле вершины такта сжатия топливный инжектор впрыскивает топливо в цилиндр. При контакте с горячим воздухом топливо воспламеняется.

Рабочий ход

При сгорании топлива высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз.

Выпуск

Выпускной клапан открывается, заставляя выхлопные газы покинуть цилиндр.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (двигатель Ванкеля)

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля удивительное творение, предлагающее очень замысловатую перепланировку четырех тактов Отто-цикла. Был разработан Феликсом Ванкелем в 50-х годах прошлого века. В двигателе Ванкеля трехгранный ротор с кольцевой шестернью вращается вокруг фиксированого зубчатого вала в продолговатой камере.

В наше время наибольшие усилия по разработке и популяризации данного типа двигателя прилагает Mazda, но все же четерыхтактный двигатель остается наиболее популярным. Также АвтоВАЗ использует данный тип двигателя в автожирах.

• Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями:
• низкий уровень вибраций. Роторно-поршневой двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров
• главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
• Высокая удельная мощность(л.с./кг), причины:
• меньшие в 1,5-2 раза габаритные размеры.
• меньшее на 35-40 % число деталей

• Недостатки:
• Быстрый износ
• Склонности к перегреву
• Сложность в производстве
• Меньшая экономичность при низких оборотах

Впуск

Воздушно-топливная смесь попадает через впускной клапан на этом этапе вращения.

Сжатие

Топливная смесь сжимается здесь.

Рабочий ход

Рабочий ход, топливная смесь воспламеняется здесь, вращая ротор по кругу.

Выпуск

Выхлопные газы выходят здесь

Двигатель на CO2

Этот типа двигателя может приводится в действие паром, но чаще его можно встретить в маленьких моделях самолетов, где он работает на сжатом воздухе или углекислом газу. На этой анимации отображен резервуар с CO2. Сжатый CO2 — это жидкость, которая освобождаясь переходит в газообразное состояние или же другими словами — при нормальных атмосферной температуре и давлении жидкий углекислый газ кипит, следовательно мы не ошибемся если скажем, что данный тип двигателя работает на пару CO2.

Впуск

На вершине цикла поршневой палец давит на шариковый клапан впуская находящийся под большим давлением газ в цилиндр.

Рабочий ход

Газ расширяется двигая поршень вниз

Выпуск

Когда поршень открывается выпускной клапан, находящийся под давлением газ покидает цилиндр.

Окончание

Крутящий момент возвращается поршень наверх, чтобы завершить цикл.

Реактивные двигатели

Ракетные и турбореактивные двигатели, по словам автора, поразительны по своей конструкции, но анимация их работы по его мнению слишком скучна.

Ракетный двигатель

Ракетный двигатель — простейшие из своего семейства, поэтому начнем с него. Для того, что функционировать в открытом космосе ракетные двигатели для своей работы требуют запас кислорода, ровно как и топлива. Кислородно-топливная смесь впрыскивается в камеру сгорания где она беспрерывно сгорает. Газ под большим давлением выходит через сопла, вызывая тягу в обратном направлении. Чтобы опробовать этот принцип самому, надуйте игрушечный шарик и выпустите его из рук — ракетный двигатель работает почти так-же 😉

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель работает по тому-же принципу что и ракетный, с той лишь особенностью, что необходимый для горения кислород он берет из атмосферы. По своей конструкции он наиболее эффективен на больших высотах с разряженным воздухом. Момент схожести: топливо беспрерывно сгорает в камере сгорания как и в ракетном. Расширевшийся газ покидает камеру сгорания через сопла, образуя тягу в обратном направлении.

Отличия: На своем пути из сопла некоторое количество давления газа ипользуется, чтобы раскрутить турбину. Турбина — это серия винтов, соединенныходним валом. Между каждой парой винтов находится статор (направляющий аппарат компрессора). Этот аппарат помогает газу проходить через лопасти винтов более эффективно. Перед двигателем турбинный вал раскручивает компрессор. Компрессор работает схоже с турбиной, только в обратную сторону.

Его функцией является повышение давления воздуха, попадающего в двигатель. Турбина выталкивает воздух, а компрессор засасывает.

Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой двигатель схож турбореактивным, с той лишь особенностью, что газ покидающий камеру сгорания вращает в большей степени турбину, которая в свою очередь вращает винт преед двигателем. Он и создает тягу. Эффективен на малых высотах.

Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторный двигатель — это что вроде компромисса между турбореактивным и турбовинтовым. Он работает как турбореактивный, но есть одна особенность: турбинный вал вращает внешний вентялятор, который имеет больше лопастей и крутится быстрее пропеллера. Это помогает данному двигателю оставаться эффективным на больших высотах, где воздух рязряжен. Источники:

www.animatedengines.com

• Ultimate Visual Dictionary, DK Publishing Inc., 1999
• Building the Atkinson Cycle Engine, Vincent Gingery, David J Gingery Publishing, 1996
• The Stirling Engine Manual, James G. Rizzo, Camden Miniature Steam Services, 1995
• Modern Locomotive Construction, J. G. A. Meyer, 1892, reprinted by Lindsay Publications Inc., 1994
• Five Hundred and Seven Mechanical Movements, Henry T. Brown, 1896, reprinted by The Astragal Press, 1995
• Model Machines/Replica Steam Models, Marlyn Hadley, Model Machine Co., 1999
• Air Board Technical Notes, RAF Air Board, 1917, reprinted by Camden Miniature Steam Services, 1997
• Internal Fire, Lyle Cummins, Carnot Press, 1976
• Toyota Web site Prius specifications
• Steam and Stirling Engines you can build, book 2, various authors, Village Press, 1994
• Knight’s New American Mechanical Dictionary, Supplement Edward H. Knight, A.M., LL. D., Houghton, Mifflin and Company, 1884
• Thomas Newcomen, The Prehistory of the Steam Engine L. T. C. Rolt, David and Charles Limited, 1963
• An Introduction to Low Temperature Differential Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1996
• An Introduction to Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1993

UPD: Добавил двигатели Ванкеля и CO2, они мне показались наиболее интересными и практически полезными.

UPD2: Добавил описание целого семейства реактивных двигателей: ракетный, турбореактивный, турбовинтовой, турбовентиляторный. Хабы:

Источник: https://habr.com/ru/post/138370/

Устройство и принцип действия двухтактного двигателя внутреннего сгорания

В настоящее время активно используются два основных типа двигателей внутреннего сгорания: двухтактные и четырехтактные. В двухтактных двигателях все рабочие циклы (процессы впуска готовой топливной смеси, выпуска отработанных газов, 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/гильза.

Поршень при своем перемещении закрывает своим телом впускные, выпускные и продувочные окна. Поэтому такие двиагетли более просты в конструкции.
Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах, ёмкости цилиндра и частоте вращения вала !теоретически! в два раза 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.

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 сжания или рабочего хда 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.

Из рисунка 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.

1. 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.

2. 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.

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.

Преимущества двухтактных двигателей:

• Отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения • Большая мощность в пересчёте на 1 литр рабочего объёма • Проще и дешевле в изготовлении

• Меньший вес

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 порядкм устанавливать детали, а также в какой последовательности их затягивать.

Сами «двухтактники» устанавливаются в специальные стенды-кантователи, которые позволяют с большим удобством и правильно, доступно визуально осуществить правильную сборку и протяжку.

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.

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.

1. Четырех тактный двигатель, устройство и принцип работы;
2. Роторные двигатели с послойным распределением заряда;
3. Недымящий двигатель Кушуля;
4. Роторный двигатель внутреннего сгорания Лаптевых;
5. Дизельный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий от воспламенения распыленного топлива.

Источник: https://www.studiplom.ru/Technology-DVS/2-x_DVS.html