Принцип работы четырехтактного бензинового двигателя Принцип работы двухтактного бензинового двигателя Эксплуатационные и конструктивные отличия двухтактных и четырехтактных бензиновых двигателей
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.
Двухтактный бензиновый двигатель для авиамоделей. Слева прикреплен карбюратор, справа — глушитель.
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
Рабочий цикл 4-х тактного двигателя состоит из четырех тактов: впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.
Принцип работы четырехтактного 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.
Работа четырехтактного двигателяУстройство четырехтактного бензинового двигателя (Honda): 1 — топливные фильтры, 2 — коленчатый вал, 3 — воздушный фильтр, 4 — часть системы зажигания, 5 — цилиндр, 6 — клапан, 7 — подшипник коленчатого вала.
Двигатель Honda
Принцип работы двухтактного бензинового двигателя
Рабочий цикл 2-х тактного двигателя состоит из двух тактов: сжатия и расширения (рабочего хода). Впуск топливной смеси и выпуск отработанных газов, которые в 4-х тактных двигателях совершаются в отдельных тактах, в 2-х тактных происходят во время сжатия и расширения.
Принцип работы двухтактного двигателяПринцип работы двухтактного 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.
Работа двухтактного двигателя
Эксплуатационные и конструктивные отличия двухтактных и четырехтактных бензиновых двигателей
Основное отличие двухтактного двигателя от четырехтактного обусловлено различием механизмов их газообмена — т.е. подачи воздушно-топливной смеси в цилиндр и удалении отработавших газов.
В четырехтактном двигателе процессы очистки и заполнения цилиндра производятся с помощью специального газораспределительного механизма, который открывает и закрывает в определенное время рабочего цикла впускной и выпускной клапана.
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.
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.
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).
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 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.
При использовании содержания данного сайта, нужно ставить активные ссылки на этот сайт, видимые пользователями и поисковыми роботами. Литература
Двухтактный двигатель: устройство и принцип работы, отличия от четырехтактного
Двигатели внутреннего сгорания построены по одному принципу – энергия сгорания топлива превращается в кинетическую энергия вращения коленвала. Существуют два типа моторов – двухтактные и четырехтактные. Оба обладают своими преимуществами и недостатками, попробуем разобраться в чем отличия.
Схема устройства двухтактного двигателя
Принцип работы ДВС
Рабочий цикл двухтактного двигателя состоит из впуска и выпуска происходящего за один оборот коленчатого вала, тогда как 4-х тактный имеет следующие циклы — впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.
И протекают они за два оборота маховика. В двигателе с 4 тактами впуск и выпуск осуществляются в виде разных процессов, в двухтактнике они совмещены со сжатием топливной смеси и расширением рабочих газов.
Принцип действия двухтактного двигателя:
- Первый такт – сжатие. Происходит движение поршня от нижней мертвой точки, при этом вначале закрывается продувочное окно. Отработанные выхлопные газы выводятся через выпускное отверстие. В этот момент в кривошипной камере под днищем поршня образуется область разрежения, куда поступает обогащенная топливная смесь из карбюратора (инжектора). Эта порция свежего воздуха выталкивает остатки выхлопных газов в выпускной коллектор. В момент наивысшего положения поршня происходит воспламенение смеси от свечи зажигания.
- Второй такт – рабочий ход или расширение. Температура и давление газов в камере сгорания резко увеличивается, под его действием поршень начинает движение к нижней мертвой точке, совершая полезную работу. Повышенное давление в кривошипной камере перекрывает впускной клапан, препятствуя попаданию отработанных газов в карбюратор. Через систему выпускных окон отработавшие газы уходят в глушитель, а через продувочное окно начинает поступать свежая горючая смесь в камеру сгорания. В самой нижней точке действие второго такта заканчивается и процесс повторяется.
Двухтактный дизельный двигатель работает по такому же принципу, только у него отсутствует свеча зажигания, а воспламенение топлива происходит от сжатия. Поэтому степень сжатия в дизельных двс намного выше бензиновых.
Особенности мотора с двумя тактами
Двухтактный двигатель совершает полный цикл за один оборот коленвала, это позволяет получить большую удельную литровую мощность чем у 4-х тактного движка при тех же оборотах двигателя. Однако, кпд двухтактника будет ниже из-за несовершенства механизма фаз газораспределения, неизбежных потерь топливной смеси в процессе продувки и неполного рабочего хода поршня.
Двухтактный двигатель сильно греется, потому что во время работы высвобождается большая тепловая энергия. Иногда может потребоваться дополнительное охлаждение. В мотоциклах редко используются двухтактные моторы с большим количеством цилиндров, чаще всего применяется одноцилиндровый мотор с воздушным охлаждением.
При работе по двухтактному циклу поршень совершает меньше движений за один такт, а нагрузка вспомогательных газораспределительных, смазочных и охлаждающих систем на коленвал ниже или отсутствует совсем. Поэтому износ поршневой группы у них будет ниже.
Если для легкой техники это не является решающим фактором, то тихоходный двухтактный дизельный двигатель может иметь в несколько раз больший ресурс, чем все остальные двс.
Поэтому они нашли широкое распространение в тепловозах, генераторах, судовых двигателях.
Двухтактный бензиновый двигатель быстрее набирает обороты максимальной мощности. Этим активно пользуются мотоспортсмены, особенно в кроссовых дисциплинах, когда необходим мгновенный отклик на рукоятку газа. Кроме того, он проще в обслуживании, дешевле и легче четырехтактного.
Расход топлива у двухтактника будет выше на 25-30 %, шумность и вибрации тоже. Двигатель невозможно вписать в жесткие экологические нормы, даже если использовать инжекторные системы впуска и наддув. Большой расход воздуха требует применения специальных воздушных фильтров.
Система смазки и приготовление топлива
Работа двухтактного двигателя требует эффективной смазки движущихся узлов.
Централизованная раздельная система смазки с масляным насосом, как у четырехтактных двигателей, здесь отсутствует, поэтому масло добавляется в бензин в соотношении 1:25 – 1:50.
Полученный состав, находясь в поршневой и кривошипно-шатунной камере, смазывает подшипники шатуна, стенки цилиндра и поршневые кольца. При воспламенении воздушной смеси масло сгорает и удаляется вместе с выхлопными газами.
Моторное масло должно быть специальное — для двухтактного двигателя, обычно оно имеет маркировку 2Т на канистре. Использование обычного автомобильного масла недопустимо по ряду причин:
- Масло для двухтактных двигателей обязано обладать хорошей растворимостью в бензине;
- Обладает прекрасными смазывающими свойствами, улучшая работу двигателя и уменьшая трение;
- Защита от коррозии трущихся деталей поршневой группы;
- Двухтактное масло должно сгорать без остатка, не образовывая нагар и сажу. Высокая зольность обычного масла приводит к закоксовыванию поршневых колец.
Подачу смазки в двухтактный двигатель можно осуществить двумя способами. Первый и самый простой – смешивать с топливом в нужной пропорции.
Второй – это раздельная система смазки двухтактного двигателя, когда состав из топлива и масла готовится непосредственно перед попаданием внутрь в специальном патрубке.
В этом случае устанавливается отдельный бачок для масла, а его подача осуществляется с помощью специального плунжерного насоса.
Эта система получила широкое распространение на современных мотоциклах и скутерах. Кроме удобства использования (теперь не нужно доливать масло в бак на глаз каждую заправку), происходит серьезная экономия масла, потому что впрыск его зависит от оборотов двигателя. На холостых оборотах пропорция масла может составлять всего 1:200.
Тюнинг двухтактного двигателя
Любой двухтактный мотор имеет возможности для форсировки. Увеличение мощности при таком же объеме оправдано в спорте, а в повседневной эксплуатации двигатель становится эластичнее и экономичнее. Основные способы доработки:
- Увеличить диаметр выпускного отверстия и обеспечить его максимально продолжительное время открытия. Это позволяет выпустить максимальное количество газов. Таким образом повышаются тяговые возможности двигателя и его крутящий момент.
- Обеспечить эффективную продувку. Для этого можно увеличить диаметр впускного окна, тогда горючая смесь не будет задерживаться в картере и обеспечится своевременный впрыск в камеру сгорания.
- Применение на карбюраторе вихревого диффузора, который за то же время подает большее количество топливной смеси. Вместе с ним целесообразно применение воздушного фильтра нулевого сопротивления.
- Установка резонатора выпуска, расчет которого произведен под конкретный объем двигателя. Такое устройство возвращает часть топливной смеси назад в цилиндр через выпускное отверстие.
- Доработка шатунно-поршневой группы, ее облегчение и тщательная балансировка. Клапана и каналы должны быть притерты и не иметь заусенец (задиров), тормозящие и завихряющие потоки. Это уменьшает наполняемость цилиндра и снижает мощность.
- Применение инжекторных систем впрыска и регулирование фазами газораспределения. Это позволяет точнее дозировать количество подаваемого топлива и уменьшить потери горючей смеси во время продувки цилиндра.
- Установка систем наддува. Обычно это компрессорные нагнетатели, а на двухтактный дизельный двигатель может быть установлен традиционный турбокомпрессор. С его помощью увеличивается количество поступаемого в цилиндры воздуха, соответственно и количество горючего может быть увеличено.
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.
Если у вас возникли вопросы — оставляйте их в х под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них
Двухтактные двигатели
В отличие от четырехтактных двигателей, где процессы впуска и выпуска производятся специальным механизмом газораспределения, в двухтактных двигателях газораспределение обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом.
Рабочий цикл в двухтактном двигателе (рис. 8) совершается за один оборот коленчатого вала, т. е.
за два хода поршня, во время которых осуществляется впуск в картер горючей смеси, предварительное ее сжатие, продувка цилиндра, сжатие горючей смеси в цилиндре, рабочий ход и выпуск.
Картер двигателя изготавливают герметичным. Поршень выполняет работу распределительного органа, перекрывая впускные, продувочные и выпускные окна цилиндра.
Рис. 8. Рабочий цикл двухтактного двигателя: 1 — коленчатый вал; 2 — картер; 3 — шатун; 4 — поршень; 5 — цилиндр; 6 — продувочный канал; 7 — впускное окно; 8 — выпускной патрубок; 9 — запальная свеча
Цикл работы двухтактного двигателя осуществляется следующим образом.
Первый такт (впуск, сжатие). Поршень (рис. 8,а) движется от н. м. т к в. м. т.
В этот момент в кривошипной камере образуется разрежение, и горючая смесь из карбюратора после открытия поршнем впускного окна устремляется в кривошипную камеру.
После того, как закроется продувочное окно в цилиндре, над поршнем происходит сжатие ранее поступившей рабочей смеси. При подходе поршня к в. м. т. смесь поджигается электрической искрой, проскакивающей между электродами свечи зажигания,
Второй такт (рабочий ход, предварительное сжатие, выпуск, продувка). При сгорании смеси давление в цилиндре резко возрастает, достигая 25-30 кг/см2. Поршень под давлением газов движется от в. м. т. к н. м.
т.- происходит рабочий ход (рис. 8, б). Через шатун давление передается на коленчатый вал, заставляя его вращаться. После закрытия поршнем впускного окна рабочая смесь в кривошипной камере сжимается (рис. 8, в).
При дальнейшем движении поршня вниз открывается выпускное окно — начинается очистка цилиндра от продуктов сгорания.
Затем поршень открывает продувочное окно, происходит продувка; при этом предварительно сжатая в кривошипной камере рабочая смесь по продувочным каналам поступает в цилиндр (рис.
8, г), одновременно выталкивая из него оставшиеся отработавшие газы. Продувка продолжается до закрытия продувочного и выпускного окон. Таким образом, из двух ходов один является рабочим.
Если двигатель имеет более одного цилиндра, то в каждом из них рабочий цикл происходит за один оборот коленчатого вала. При вертикальнорядном расположении цилиндров, как, например, на мотоцикле ИЖ «Юпитер» (см. рис.
7, в), на один оборот коленчатого вала приходится два рабочих такта поочередно за каждый ход поршня, т. е. если в левом цилиндре осуществляется рабочий ход, то в правом — продувка и сжатие, и наоборот.
Такое чередование обеспечивает плавность хода двигателя
Рис. 9. Типы продувок двухтактных двигателей: 1 — продувочные окна; 2 — выпускные окна; 3 — впускное окно; 4 — путь горючей смеси из карбюратора в кривошипную камеру; 5 — превышение выпускного окна над продувочным; 6 — путь смеси при продувке из кривошипной камеры в цилиндр и частично в атмосферу а — поперечная; б — крестообразная; в — возвратно-петлевая
В двухтактных двигателях различают три типа продувок (рис. 9); поперечные, крестообразные и возвратно-петлевые. Поперечная продувка (рис.
9, а) осуществляется через перекрестное и выпускное окна (каналы), расположенные на диаметрально противоположных сторонах цилиндра, крестообразная (рис. 9, б) — по двум и четырем, возвратно-петлевая продувка (рис.
9, в) — по двум, трем и четырем каналам. Все типы продувок кривошипно-камерные.
Двигатель > Рабочий цикл ДВС — Лада 21099, 1.6 л., 1998 года на DRIVE2
В автомобилях применяются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) названные так потому, что сгорание топлива происходит непосредственно в цилиндре. Основными деталями ДВС, кроме цилиндра, являются поршень, шатун, коленчатый вал. На кривошипе коленчатого вала подвижно закрепляется шатун. К верхней головке шатуна шарнирно, с помощью пальца, крепится поршень. Цилиндр сверху закрывается крышкой, которая называется головкой цилиндра. В головке имеется углубление, называемое камерой сгорания. Также в головке имеются впускное и выпускное отверстия, закрываемые клапанами. К коленчатому валу крепится маховик – массивный круглый диск.
При вращении коленвала происходит перемещение поршня внутри цилиндра. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (В.М.Т.), крайнее нижнее положение – нижней мертвой точкой (Н.М.Т.). Расстояние, которое проходит поршень между мертвыми точками, называется ходом поршня.
Пространство, находящееся над поршнем, когда он находится в н.м.т., называется рабочим объемом цилиндра. Когда поршень находится в в.м.т., над ним остается пространство, называемое объемом камеры сгорания. Сумма рабочего объема и объема камеры сгорания называются полным объемом цилиндра.
В технических данных объем указывается в литрах или кубических сантиметрах. Объем многоцилиндрового двигателя равен сумме полных объемов всех его цилиндров. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя.
Она показывает, во сколько раз сжимается рабочая смесь в цилиндре.
Фото 1 — Параметры КШМФото 2 — Рабочий цикл
Один ход поршня от одной мертвой точке к другой называется тактом. Коленвал при этом совершает полоборота. Как работает ДВС? Во время первого такта происходит впуск горючей смеси в цилиндр. Клапан впускного отверстия открыт, выпускного – закрыт. Поршень, перемещаясь от в.м.т к н.м.т, подобно насосу, создает разряжение в цилиндре и топливо, перемешанное с воздухом, заполняет его.
Во время второго такта, при движении поршня от н.м.т. к в.м.т., происходит сжатие горючей смеси. При этом и выпускной, и впускной клапаны закрыты. В результате давление и температура в цилиндре повышаются. В конце такта сжатия, при приближении поршня к в.м.т., горючая смесь поджигается искрой от свечи зажигания (в бензиновых ДВС) или самовоспламеняется от сжатия (в дизельных ДВС).
Во время третьего такта происходит сгорание рабочей смеси. Клапана остаются закрытыми. Воспламенившаяся рабочая смесь резко повышает температуру и давление в цилиндре, которое заставляет поршень с усилием двигаться вниз. Поршень через шатун передает усилие на коленвал, создавая на нем крутящий момент.
Таким образом, происходит преобразование энергии сгорания топлива в механическую энергию, которая двигает автомобиль. Поэтому этот такт называется рабочим ходом. Маховик, закрепленный на коленчатом валу, запасает энергию, обеспечивая вращение коленвала за счет сил инерции во время подготовительных тактов.
В ходе четвертого такта происходит выпуск отработанных газов и очистка цилиндра. Поршень, двигаясь от н.м.т. к в.м.т., выталкивает продукты горения через открытый выпускной клапан.Далее весь процесс повторяется.
Таким образом, рабочий цикл описанного ДВС происходит за четыре такта. Поэтому он и называется четырехтактным. Коленвал за это время совершает два оборота. Существуют и двухтактные двигатели, в которых рабочий цикл происходит за два такта.
Однако такие ДВС в настоящее время на автомобилях практически не применяются.
Для плавной работы многоцилиндрового двигателя и уменьшения неравномерных нагрузок на коленчатый вал такты рабочего хода в разных цилиндрах должны происходить в определенной последовательности. Такая последовательность называется порядком работы двигателя.
Он определяется расположением шеек коленчатого вала и кулачков распределительного вала. Например, в двигателях ВАЗ порядок работы 1-3-4-2.
Так как в четырехтактном двигателе полный цикл в каждом цилиндре совершается за два оборота коленчатого вала, то, следовательно, в четырехцилиндровом двигателе для равномерной его работы за каждые пол-оборота коленчатого вала в одном из цилиндров должен происходить рабочий такт.
Рассмотренные детали составляют в совокупности кривошипно-шатунный механизм. Кроме него, для обеспечения работы ДВС нужны газораспределительный механизм, система охлаждения, система смазки, система питания и система зажигания (в бензиновых двигателях).
Газораспределительный механизм, управляя работой клапанов, обеспечивает своевременное их открытие и закрытие. Система охлаждения отводит тепло от деталей двигателя, нагревающихся при работе.
Система смазки подает масло к трущимся поверхностям. Система питания служит для приготовления рабочей смеси и подачи ее в цилиндры.
Система зажигания преобразует низковольтное напряжение от АКБ в высоковольтное и подает его на свечи для воспламенения рабочей смеси.
Как работает двухтактный двигатель
Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) могут классифицироваться по разным признакам, но чаще всего в первую очередь говорят о количестве тактов, то есть ходов поршня, неважно, вверх или вниз, за один полный цикл работы. Каждые два такта дают один оборот коленчатого вала.
За весь цикл только один такт будет рабочим, то есть переводящим тепловую энергию расширяющегося газа в механическую работу. Тактов за цикл может быть от двух до шести, но реально используются только двух- и четырёхтактные ДВС. С точки зрения удельной отдачи лидирует тот мотор, у которого плотность рабочих ходов на каждый оборот больше.
Поэтому принцип работы двухтактного двигателя заслуживает рассмотрения хотя бы по этой причине.
Организация процессов в двухтактной схеме
В двухтактном двигателе отсутствует газораспределительный механизм. Точнее, его роль выполняется поршнем и особым образом конфигурированными впускными и выпускными каналами.
А чтобы одновременно выполнять процессы впуска свежей смеси и её сжатие, а также очистки цилиндра от отработанных газов, используется не только надпоршневое пространство, но и объём картера двигателя, повышение и понижение давления в котором осуществляется нижней стороной поршня.
Во время первого такта поршень перекрывает продувочное окно в стенке цилиндра и начинает вытеснять продукты выхлопа через выпускное.
По мере дальнейшего движения вверх выпуск также закрывается тем же поршнем, надпоршневой объём герметизируется, и начинается сжатие смеси.
Заканчивается такт её поджиганием искрой в свече или самопроизвольно от нагрева при сжатии, если это двухтактный дизель (бывают и такие, например, в старых грузовиках, судовых двигателях или авиамоделях).
Второй такт сопровождается расширением горячих продуктов сгорания топлива, которые давят на поршень, совершая полезную работу. Давление под поршнем растёт, поскольку впускной клапан или золотник от карбюратора закрывается. Свежая смесь, набранная в картер при первом такте, сжимается, подготавливаясь к впрыску под давлением через продувочное окно в цилиндр.
Важную роль играет момент одновременного открытия выпускного окна и продувочного. Свежая смесь поступает в цилиндр, вытесняя отработанную. Этот процесс называется продувкой, и от её правильной организации во многом зависит отдача двигателя, его расход топлива и моментная характеристика.
Схем продувки несколько, их применяемость зависит от назначения двигателя, сейчас в основном применяется петлевая трёхканальная продувка, изобретённая немецким инженером Шнюрле, когда поступающая смесь выходит вертикально из двух каналов, отклоняется потоком из третьего, описывает петлю и выталкивает отработанные газы в глушитель. Это наиболее быстрый и эффективный способ очистки цилиндра.
В цилиндре неизбежно или остаётся часть бесполезных газов, или, наоборот, на выхлоп уходит какая-то доля несгоревшей смеси топлива с воздухом. Из-за этого падает топливная экономичность, с чем сражаются разработчики, настраивая схему продувки под все режимы. Особую роль при этом играет объём картера и конструкция клапана на впуске.
Достоинства и недостатки двухтактных двигателей
Зная, как работает двухтактный двигатель, уже можно предсказать чем он будет выгодно отличаться от четырёхтактного, а в чём безнадёжно проиграет. Основными плюсами такой конструкции стали:
- простота и малое количество деталей, что позволяет создавать достаточно мощные моторы при малой массе;
- наличие рабочего хода в каждом цилиндре при одном обороте коленчатого вала обеспечивает вдвое большую отдачу при том же рабочем объёме, то есть пространстве, описываемом поршнями за один ход;
- широкий диапазон возможных оборотов двигателя при отдаче им максимальной мощности, что обусловило применение таких моторов как в качестве сверхтихоходных дизелей прямого привода винтов в судостроении, так и на гоночных мотоциклах, где обороты превышают десяток тысяч в минуту;
- нет необходимости в тяжёлом маховике для запасания энергии на выполнение пассивных тактов;
- отсутствует потребность в отдельной системе смазки с насосами, теплообменниками и фильтрацией;
- дешевизна при изготовлении.
Но недостатков значительно больше:
- низкая топливная экономичность из-за трудностей с полной очисткой цилиндров от выхлопных газов;
- напряжённый тепловой режим, каждый второй такт нагревает поршни и цилиндры;
- трудности с обеспечением экологичности, если совершенствовать двигатель в этом направлении, то он, скорее всего, станет сложнее четырёхтактного, придётся применять прямой впрыск и систему наддува;
- необходимость смешивать масло с бензином, поскольку иначе его в картер не доставить, оно будет вымываться;
- эффективность масел при их растворении в топливе снижается, что вынуждает для обеспечения долговечности использовать специальные двухтактные масла, но и это плохо помогает;
- двухтактные двигатели работают шумно, поскольку они очень требовательны к низкому аэродинамическому сопротивлению выпускного тракта, что не позволяет совмещать мощность и экономичность с малошумностью;
- дымный выхлоп из-за постоянного горения масла в цилиндрах.
Как видно, применение двухтактных двигателей возможно лишь в особых случаях, когда их немногочисленные достоинства особенно важны.
Перспективы
Постепенно двухтактники вытесняются более совершенными четырёхтактными двигателями даже из тех сфер, где они традиционно были вне конкуренции. Уже нельзя встретить двухтактный дизель на грузовике или новом теплоходе, да и в легкомоторной авиации, а главное, на мотоциклах они повсеместно заменяются на более экономичные и экологичные моторы с клапанным механизмом в головке блока.
Ситуацию не спасают даже самые современные технологии вроде прямого впрыска или роторных наддувов.
А преимущество в массогабаритах на сегодняшнем уровне развития техники сходит на нет, новые материалы позволяют создавать компактные и надёжные конструкции газораспределительных механизмов.
Можно сказать, что принцип работы двухтактного двигателя окончательно устарел, да и вообще двигатели внутреннего сгорания его ненадолго переживут. Будущее за другими способами получения механической энергии.
Загрузка...
