Отличия двухтактного двигателя от четырехтактного

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания (ДВС) — представляет собой ряд процессов, в результате которых производится порция усилия (мощности), воздействующего на коленчатый вал двигателя. Рабочий цикл состоит из:

• заполнения цилиндра топливной смесью;
• ее сжатия;
• воспламенения смеси;
• расширения газов и очистки от них цилиндра.

Такт в ДВС — это движение поршня в одном направлении (вверх или вниз). За один оборот коленчатого вала совершается два такта. Тот из них, при котором происходит расширение сгоревших газов и совершается полезная работа, называется рабочим ходом поршня.

Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за 2 такта (один оборот коленчатого вала), называются двухтактными. Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за 4 такта (два оборота коленвала), называются четырехтактным. Двух- и четырехтактные двигатели могут быть как бензиновыми (карбюраторными), так и дизельными. Каковы основные эксплуатационные и конструктивные особенности бензиновых двухтактных и четырехтактных двигателей? Чем отличается двухтактный от четырехтактного? Чтобы лучше понять это, необходимо ознакомиться с принципом их работы.

Принцип работы четырехтактного бензинового двигателя

При впуске поршень опускается из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю (НМТ). При этом с помощью кулачков распределительного вала открывается впускной клапан, через который в цилиндр засасывается топливная смесь.

При обратном ходе поршня (из НМТ в ВМТ) происходит сжатие топливной смеси, сопровождающееся ростом ее температуры.

Перед самым концом сжатия между электродами свечи загорается искра, поджигающая топливную смесь, которая, сгорая, образует горючие газы, толкающие поршень вниз. Происходит рабочий ход, при котором совершается полезная работа.

После перехода поршня НМТ открывается выпускной клапан, позволяя двигающемуся вверх поршню вытолкнуть отработавшие газы из цилиндра. Происходит выпуск. В верхней мертвой точке выпускной клапан закрывается, и цикл повторяется снова.

Принцип работы двухтактного бензинового двигателя

При сжатии поршень двигается из нижней мертвой точки в верхнюю. После того как перекроется сначала продувочное окно (2), через которое в цилиндр поступает топливная смесь, а затем выпускное (3), через которое выходят отработавшие газы, начинается сжатие воздушно-бензиновой смеси. Одновременно с этим в кривошипной камере (1) создается разрежение, засасывающее из карбюратора следующую порцию топлива. При подходе поршня к верхней мертвой точке смесь воспламеняется от искры свечи, и образовавшиеся газы толкают поршень вниз, вращая коленвал и производя полезную работу.

В кривошипной камере при рабочем ходе повышается давление, сжимающее топливную смесь, попавшую туда в предыдущем такте. При достижении верхней поверхности поршня (его уплотнительного кольца) выпускного окна, последнее открывается, выпуская отработавшие газы в глушитель. При дальнейшем движении поршень открывает продувочное окно, и находящаяся под давлением в кривошипной камере топливная смесь поступает в цилиндр, вытесняя остатки отработавших газов (осуществляя продувку) и заполняя надпоршневое пространство. При переходе поршня нижней мертвой точки рабочий цикл повторяется.

Эксплуатационные и конструктивные отличия двухтактных и четырехтактных бензиновых двигателей

В двухтактном двигателе заполнение и очистка цилиндра выполняются одновременно с тактами сжатия и расширения — в то время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки. Для этого в стенках цилиндра имеются два отверстия — впускное или продувочное и выпускное, через которые производится впуск топливной смеси и выпуск отработанных газа. Газораспределительный механизм с клапанами у двухтактного двигателя отсутствует, что делает его значительно проще и легче.

Литровая мощность. В отличие от четырехтактного двигателя, в котором один рабочий ход приходится на два оборота коленчатого вала, в двухтактном рабочий ход совершается при каждом обороте коленвала. Это означает, что 2-х тактный двигатель должен иметь (теоретически) вдвое большую литровую мощность (отношение мощности к литражу двигателя), чем 4-х тактный. На практике, однако, превышение составляет всего 1,5-1,8 раза. Это происходит из-за неполного использования хода поршня при расширении, худшего механизма освобождения цилиндра от отработавших газов, траты части мощности на продувку и прочих явлений, связанных с особенностями газообмена 2-х тактных двигателей.

Потребление топлива. Превосходя четырехтактный двигатель в литровой и удельной мощности, двухтактный двигатель уступает ему в экономичности. Вытеснение отработавших газов осуществляется в нем воздушно-топливной смесью, поступающей в цилиндр из кривошипно-шатунной камеры. При этом часть топливной смеси попадает в выхлопные каналы, удаляясь вместе с отработавшими газами и не производя полезной работы.

Смазка. Двухтактные и четырехтактные двигатели имеют различный принцип смазки двигателя. В 2-х тактных моделях она осуществляется смешиванием в определенных пропорциях (обычно 1:25-1:50) моторного масла с бензином. Воздушно-топливно-масляная смесь, циркулируя в кривошипной и поршневой камерах, смазывает подшипники шатуна и коленчатого вала, а также зеркало цилиндра. При возгорании топливной смеси масло, существующее в виде мельчайших капель, сгорает вместе с бензином. Продукты его сгорания удаляются вместе с отработанными газами.

Применяются два способа смешивания масла с бензином. Простое перемешивание перед заливкой топлива в бак и раздельная подача, при которой топливно-масляная смесь образуется во впускном патрубке, находящемся между карбюратором и цилиндром.

В последнем случае двигатель имеет масляный бачок, трубопровод которого соединен с плунжерным насосом, подающим масло во впускной патрубок ровно в том количестве, которое требуется в зависимости от количества воздушно-бензиновой смеси. Производительность насоса зависит от положения ручки подачи «газа». Чем больше подается топлива, тем больше поступает масла, и наоборот. Раздельная система смазки двухтактных двигателей является более совершенной. При ней отношение масла к бензину при малых нагрузках может достигать 1:200, что приводит к уменьшению дымности, снижению образования нагара и расхода масла. Эта система используется, например, на современных скутерах с двухтактными двигателями.

В четырехтактном двигателе масло не смешивается с бензином, а подается отдельно. Для этого двигатели оснащены классической системой смазки, состоящей из масляного насоса, фильтра, клапанов, трубопроводной магистрали. Роль масляного бачка может выполнять картер двигателя (система смазки с «мокрым» картером) или отдельный бачок (система с «сухим» картером).

При смазке с «мокрым» картером насос 3 всасывает масло из поддона, нагнетает его в выходную полость и далее по каналам подает к подшипникам коленвала, деталям кривошипно-шатунной группы и газораспределительного механизма.

При смазке с «сухим» картером масло заливается в бачок, откуда с помощью насоса подается к трущимся поверхностям. Та часть масла, которая стекает в картер, откачивается дополнительным насосом, возвращающем ее в бачок.

Для очистки масла от продуктов износа деталей двигателя имеется фильтр. При необходимости устанавливается и охлаждающий радиатор, так как в процессе работы температура масла может подниматься до высоких температур.

Поскольку в двухтактных двигателях масло сгорает, а в четырехтактных нет, требования к его свойствам сильно разнятся. Масло, используемое в двухтактных двигателях, должно оставлять минимум нагара в виде золы и сажи, в то время как масло для четырехтактных двигателей должно обеспечивать стабильность характеристик в течение как можно более длительного времени.

Сравнение основных параметров двухтактных и четырехтактных двигателей:

• Литровая мощность. У 2-х тактных двигателей выше в 1,5-1,8 раза, чем у 4-х тактных.
• Удельная мощность (отношение мощности к массе двигателя). Также выше у 2-х тактных.
• Обеспечение подачи топлива и очистки цилиндра. 4-х тактные двигатели оснащены газораспределительным механизмом, который отсутствует у 2-х тактных двигателей.
• Экономичность. Выше у 4-х тактных, расход топлива у которых примерно на 20-30 % ниже, чем у 2-х тактных.

Двигатель	Количество тактов	Мощность, л.с.	Расход топлива (бензина), кг/час
Briggs&Stratton	4	3,5	0,9
Minarelli	2	3,5	1,5
Tecumzeh	4	3,7	0,9
Briggs&Stratton	4	5,0	1,0
Tecumzeh	4	5,0	1,0
Briggs&Stratton	4	6,0	1,1
Lombardini	4	7,0	1,6
Minsel	2	7,0	2,1

• Система смазки. Масло для 2-х тактных двигателей разводится в бензине или (значительно реже) подается из масляного бака во впускной коллектор и сгорает вместе с топливом в поршневой камере. У 4-х тактных двигателей реализована полноценная система, обеспечивающая качественную смазку двигателя и длительное использование масла.
• Экологичность. У 4-х тактных выше. Выхлоп 2-х тактных двигателей обладает большей токсичностью.
• Шумность работы. 4-х тактные двигатели менее шумные.
• Сложность конструкции. 2-х тактные двигатели значительно проще 4-х тактных.
• Ресурс работы. Выше у 4-х тактных из-за более совершенной системы смазки и меньшей частоты вращения коленвала.
• Скорость набора оборотов. 2-х тактные двигатели набирают обороты быстрее.
• Обслуживание. Сложнее у 4-х тактных из-за наличия газораспределительного механизма и более сложной системы смазки.
• Вес. 2-х тактные значительно легче.
• Цена. 2-х тактные дешевле.

Благодаря своей высокой удельной мощности, небольшому весу, простоте обслуживания двухтактные двигатели имеют достаточно широкую область применения. В отношении некоторой бензотехники вопрос, какой двигатель использовать — двухтактный или четырехтактный — даже не возникает. В бензопилах, например, двухтактный двигатель благодаря своему небольшому весу и высокой удельной мощности находится вне конкуренции по сравнению с четырехтактным. Широко используются 2-х тактные двигатели также в скутерах, мототехнике, авиамоделестроении.

И все же из-за токсичности выхлопа и шумности 2-х тактные двигатели сдают свои позиции перед 4-х тактными. Большая их конкурентоспособность возможна при использовании новых технологических решений. Таких, например, как идея компаний Aprilia и Orbital использовать для продувки двухтактного двигателя чистый воздух. Топливо в их модели подается через форсунку, расположенную в головке двигателя, а масло добавляется в продувочный воздух. Такой двигатель по экономичности даже превосходит четырехтактный, его экологичность также соответствует современным требованиям. Вот только главное достоинство 2-х тактных двигателей — простота их конструкции — несколько страдает от нововведения.

Источник

Двухтактный двигатель

Двухта́ктный дви́гатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором 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 мёртвой точки.

В связи с тем, что в двухтактном двигателе, при равном количестве цилиндров и числе оборотов коленчатого вала, рабочие ходы происходят вдвое чаще, литровая мощность двухтактных двигателей выше, чем четырёхтактных — теоретически в два раза, на практике в 1,5-1,7 раза, так как часть полезного хода поршня занимают процессы газообмена — продувки, а сам газообмен менее совершенен, чем у четырехтактных двигателей.

В отличие от четырёхтактных двигателей, где вытеснение отработавших газов и всасывание свежей смеси осуществляется самим поршнем, в совершенных двухтактных двигателях газообмен выполняется за счет подачи в цилиндр рабочей смеси или воздуха (в дизелях) под давлением, создаваемым специальным продувочным насосом — воздуходувкой, а сам процесс газообмена получил название — продувка. В процессе продувки свежий воздух (смесь) вытесняет продукты горения из цилиндра в выпускные каналы, занимая их место. При этом часть свежего заряда тоже оказывается в выхлопных каналах, что ухудшает экономичность карбюраторного двухтактного двигателя, выбрасывающего несгоревшую смесь.

В упрощённых двухтактных двигателях продувка осуществляется за счет вытеснения свежего заряда поршнем из кривошипной камеры в рабочую полость цилиндра. Такая продувка называется кривошипно-камерной (разновидность контурной продувки). Для ее осуществления необходимо, чтобы полость кривошипа была герметична и, по возможности, чтобы коленвал занимал возможно больший объем и был обтекаем, чтобы как можно меньше влиять на газодинамику. В многоцилиндровых двигателях камеры кривошипов отдельных цилиндров также отделены одна от другой. При перемещениях горючей смеси по камерам и каналам происходит ее расслоение, выпадение капельной фракции топлива на стенки элементов конструкции. Поэтому следует считать весьма перспективным введение в двухтактных двигателях системы впрыска топлива — тогда передувание осуществляется чистым воздухом, а начало впрыска после закрытия выхлопных каналов делает потери топлива невозможными.

По способу организации движения потоков продувочного воздуха (смеси) различают двухтактные двигатели с контурной и прямоточной продувкой.

Содержание

Контурная продувка

При контурной продувке поток воздуха (смеси) движется вдоль внутренней поверхности цилиндра и его головки, повторяя их контур (отсюда название). Впускные и выпускные органы — окна в стенках цилиндра — расположены в его нижней части. Открытие и закрытие впускных и выпускных окон осуществляется самим поршнем, а специальный газораспределительный механизм отсутствует. Направление потока воздуха (смеси) по контуру цилиндра может осуществляться специальными дефлекторами на днище поршня и в головке цилиндра (в этом случае продувка называется дефлекторной) или специальной формой продувочных каналов, направляющих поток воздуха (смеси) к головке цилиндра, и сферической формой головки. Так как в последнем случае воздух (смесь) в цилиндре описывает петлю, такой тип продувки называется возвратно-петлевой или просто петлевой.

Дефлекторная продувка технологически реализуется проще, так как продувочные каналы и окна выполняются простым сверлением, а при петлевой продувке для выполнения каналов требуется высокоточное литье. В то же время петлевая продувка характеризуется меньшим сопротивлением движению воздуха (смеси) и лучшей очисткой цилиндра от остаточных газов, чем дефлекторная. Сложная форма камеры сгорания при дефлекторной продувке ухудшает параметры рабочего процесса и повышает склонность бензиновых двигателей к детонации, а дизельных — к дымлению, что препятствует форсированию и повышению экономичности двигателей. В связи с этим дефлекторная продувка в современных конструкциях двухтактных двигателей не применяется. По состоянию на начало 2000-х годов с дефлекторной продувкой выпускались лишь двигатели лодочных моторов «Ветерок» (Россия) и ряд недорогих моделей лодочных моторов «Selva» (Италия).

К недостаткам контурной продувки вообще следует отнести симметричность открытия и закрытия продувочных и выпускных окон относительно нижней мертвой точки. Дело в том, что выпускное окно должно открываться раньше продувочного, чтобы часть отработавших газов вытекла в выпускной коллектор, и давление в цилиндре стало меньше давления воздуха (смеси) в продувочном насосе (иначе продувка будет невозможна). Угол поворота коленчатого вала от начала открытия выпускного окна до начала открытия продувочного окна называется углом предварения выпуска. Для лучшей продувки этот угол необходимо увеличить. По окончании продувки выпускное окно желательно закрыть чуть раньше продувочного — тогда произойдет дозарядка цилиндра (предварительное сжатие воздуха или смеси, что позволит повысить мощность), а в бензиновых двигателях не будет потерь свежей смеси. Но при поршневом управлении открытием окон это сделать невозможно — моменты открытия и закрытия окон симметричны относительно нижней мертвой точки — выпускное окно закрывается позже продувочного. При начале сжатия через это окно теряется часть воздуха (смеси). Для сокращения потерь следует уменьшить угол запаздывания закрытия выпускного окна. Но он равен углу предварения выпуска, который следует увеличить. Это заставляет идти на компромисс при проектировании двигателей или применять особые конструктивные решения, вроде введения распределительных гильз или золотниковых механизмов.

Кроме того, при контурной продувке в цилиндре всегда имеются застойные (непродуваемые) зоны, что ухудшает технико-экономические характеристики двигателя.

Однако простота реализации контурной продувки (особенно при использовании подпоршневого пространства в качестве продувочного насоса) и дешевизна обеспечили очень широкую популярность таких двигателей. Их устанавливают на мопедах, мотоциклах, мотодельтапланах, мотопилах, газонокосилках, моторных лодках, то есть там, где небольшая мощность делает относительно малозаметными дополнительные потери.

Двухтактные бензиновые двигатели применялись также на некоторых автомобилях, например: Trabant, Wartburg, Barkas (ГДР); Suzuki Jimny (Япония).

Прямоточная продувка

При прямоточной продувке поток воздуха (смеси) движется, не меняя направления, вдоль оси цилиндра. Управлять открытием и закрытием продувочных и выпускных окон одним поршнем невозможно, что требует применения специальных устройств. Может использоваться клапанный механизм, установленный в головке цилиндра, через который происходит выпуск отработавших газов (впускные продувочные окна открываются и закрываются поршнем), или два поршня, встречно движущихся в одном цилиндре (один поршень управляет впускными окнами, другой выпускными).

При прямоточной продувке качество очистки цилиндра от остаточных газов качественно выше, чем при контурной. Кроме того, поскольку открытие (и закрытие) выпускных и продувочных органов осуществляется различными элементами двигателя, подбор оптимальных фаз газораспределения не представляет затруднений. Как правило, в двигателях с прямоточной продувкой выпускной клапан (выпускное окно) закрывается раньше продувочного, это исключает потерю свежего заряда и позволяет осуществлять дозарядку с повышением давления (то есть наддув).

Несмотря на указанные достоинства, двигатели с прямоточной продувкой получили меньшее распространение. Дело в том, что по сложности они порой превосходят четырёхтактные. Двигатели с прямоточной продувкой выгодно применять в тех случаях, когда четырёхтактный двигатель близких размеров не может быть форсирован до необходимой мощности за счёт повышения числа оборотов. Такая ситуация возникает на судах дальнего плавания, где двигатель вращает гребной винт с винтом переменного шага без редуктора. Как известно, скорость вращения гребного винта выгодно выбирать в пределах 200—300 об/мин или ниже — на крупногабаритных судах. Кроме того, при низкой скорости вращения существенно ниже механический износ нагруженных деталей двигателя, что весьма существенно при их больших габаритах и высокой стоимости.

Ранее двухтактные двигатели с встречным движением поршней (два поршня встречного движения в одном цилиндре) использовались в поршневой авиации (например, двигатели «Юнкерс»), используются в некоторых типах тепловозов (двигатели типа Фербенкс-Морзе серии Д100 на тепловозах ТЭ3 и ТЭ10), а также в бронетанковой технике (двигатели 5ТДФ танка Т-64 и 6ТД танков Т-80УД и Т-84).

В советском автомобилестроении двухтактные четырёхцилиндровые дизельные двигатели ЯАЗ-204 устанавливались на автомобили семейства МАЗ-200, а двухтактные шестицилиндровые ЯАЗ-206 — на трёхосные грузовики семейства КрАЗ-214, применялись они также на военной технике (плавающий транспортёр К-61, артиллерийский тягач АТ-Л, самоходная артиллерийская установка АСУ-85).

Продувочные насосы

Для того, чтобы осуществить продувку, необходимо сжать воздух (смесь) до подачи её в цилиндр двухтактного двигателя. Эта операция осуществляется продувочным насосом.

На малогабаритных бензиновых двухтактных двигателях роль продувочного насоса выполняет подпоршневое пространство (кривошипная камера). Такая конструкция предельно проста, так как не требует отдельного продувочного агрегата, что обусловило ее преимущественное распространение. Но здесь есть ряд недостатков. Во-первых, использование картера двигателя в качестве продувочного насоса не позволяет разместить в картере масляную ванну. Для смазки карбюраторного двигателя приходится подмешивать масло в топливо, что обуславливает значительный расход масла, дымный выхлоп, образование нагара в цилиндре и неудобство заправки (сначала нужно приготовить бензо-масляную смесь, прямо в баке смешивать масло и бензин нежелательно). Во-вторых, в многоцилиндровых двигателях приходится отделять кривошипные камеры друг от друга, что требует применения разборного коленчатого вала (как следствие, существенная потеря жесткости вала по сравнению с цельным) и сложных уплотнительных устройств. Степень сжатия воздуха (смеси) в кривошипной камере невелика, что не позволяет получить давление продувочного воздуха (приходится увеличивать длительность фазы продувки, что снижает эффективный рабочий объем).

На крупных многоцилиндровых двухтактных двигателях продувочный воздух (смесь) сжимается в отдельном компрессоре (чаще всего «восьмерочном» типа Рутс), что практически полностью устраняет указанные выше недостатки.

Для тех же целей можно использовать и турбокомпрессор, но в этом случае в момент пуска в двигатель необходимо подавать сжатый воздух от внешнего источника.

Применение системы впрыска топлива вместо карбюратора позволяет значительно улучшить характеристики двухтактных двигателей.

Герметизация картера двухтактного бензинового двигателя

Картер двухтактного бензинового двигателя должен быть герметичен; на концах коленвала находятся мажетные уплотнения, также манжеты или уплотнения должны быть между отдельными кривошипно-шатунными полостями (если двигатель многоцилиндровый). Если двигатель не развивает полную мощность, не набирает полные обороты или вообще не заводится (система зажигания и система подачи топлива исправна) — тогда можно предположить о разгерметизации картера, происходит подсос воздуха и обеднение топливо-воздушной смеси. В этом случае следует заменить манжеты. Двухтактные дизельные двигатели тоже имеют уплотнения на концах коленвала, но они предназначены только для того, чтобы не вытекало моторное масло.

Система смазки двухтактных двигателей

Многие двухтактные бензиновые двигатели отдельной системы смазки не имеют, смазка производится маслом, растворённым в бензине. При работе двигателя масло сгорает. Соотношение масло/бензин составляет, как правило, от 1:20 до 1:50 в зависимости от типа масла и заводских инструкций по эксплуатации.

В ряде случаев, на современной малогабаритной технике применяется раздельная подача масла и бензина в двигатель (находятся в отдельных баках). Масло подаётся масляным насосом, смешение с бензином происходит, как правило, во впускном патрубке за карбюратором. При раздельной подаче масло в двигателе тоже сгорает.

Система смазки двухтактных дизельных двигателей не отличается от аналогичной системы четырёхтактных двигателей. Из поддона картера масло подаётся насосом, проходит через фильтры грубой и тонкой очистки, масляный радиатор. Масло подаётся под давлением к основным трущимся деталям, затем сливается обратно в поддон.

Источник