На данный момент существует два основных вида двигателей внутреннего сгорания — двухтактные и четырехтактные. По своему внешнему виду они практически не отличаются, однако двухтактные двигатели работают по совсем другому принципу. Попробуем разобраться в чем основные различия этих двух типов ДВС, и как работает двухтактный двигатель.
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Для того, чтобы ваша машина могла выполнять свою прямую функцию — возить вас, ее нужно заправлять топливом: бензином, дизелем, пропан-бутаном. По топливопроводу бензин поступает в двигатель, основную работу в нем выполняют поршни и кривошипно-шатунный механизм. Бензин смешивается с воздухом, образуется смесь, которая взрывается и приводит поршни в движение, этот момент движения передается на коленчатый вал, а от него на трансмиссию.
Разница между 2-х и 4-х тактными двигателями, как видно из названия, состоит в количестве тактов, то есть в рабочем цикле двигателя. Рабочий цикл любого ДВС — это последовательность таких процессов:
- заполнение цилиндра горючей смесью;
- ее воспламенение;
- расширение газов;
- вытеснение продуктов сгорания.
В 4-тактном двигателе вся эта последовательность осуществляется за 4 такта, то есть за два оборота коленвала, в двухтактном — за один оборот. Из этого можно сделать вывод, что 2-тактные двигатели обладают большей мощностью, и это действительно так, не зря ведь их используют не только для мотоциклов, мопедов, различных квадроциклов, снегоходов и гидроциклов, но и для приведения в движение огромных морских кораблей.
Теоретически мощность должна быть выше в два раза. Например, небольшой по размерам двигатель мотоцикла может легко выдавать мощность в сто и больше лошадей, тогда как гораздо более массивный и объемный мотор какого-нибудь автомобиля класса «В» или «С» выдает 70-100 л.с.
Устройство двухтактного двигателя
Основное преимущество двухтактных двигателей состоит в простоте их конструкции. Поскольку все процессы рабочего цикла завершаются за один оборот кривошипа, отпадает необходимость в наличии сложного газораспределительного механизма, который контролирует движение впускных и выпускных клапанов. Впускной клапан закрывается и открывается из-за разницы давления, а отработанные газы выходят через выпускное окно к глушителю.
Также 2-тактный двигатель охлаждается с помощью топлива, в которое подмешан определенный процент масла. Масло нужно подбирать именно двухтактное, поскольку оно приспособлено к высоким температурам и при сгорании оставляет меньшее количество шлака и золы.
Поршень движется от нижней мертвой точки к верхней — НМТ и ВМТ. Во время движения вверх поршень сжимает поступившую воздушно-топливную смесь. В ВМТ происходит взрыв смеси и поршень начинает движение вниз, в этот момент поступает новая порция смеси. Получается, что поршень сам же и выталкивает отработанные газы, а это и является основным недостатком двухтактных двигателей, влияющим на их КПД.
Недостатки двухтактных двигателей
Несмотря на то, что инженеры пытаются их решить, недостатки все же есть и они существенные.
Самый главный из них — неэффективное использование топлива и повышенные выбросы СО2.
Если в четырехтактных двигателях на отвод отработанных газов и продуктов сгорания отводится отдельный такт, то здесь этот такт совмещается с заполнением цилиндра новой порцией горючей смеси, и как бы не старались инженеры, избежать смешивания ее с отработанными газами не удается.
Кроме того необходимо постоянно добавлять в бензин масло, причем оно довольно дорогостоящее и расходуется быстрее.
Из-за этих проблем снижается и мощность двигателя. Теоретически она должна быть в два раза выше, чем у 4-тактных ДВС, но на деле этот показатель не превышает 50-70 процентов. После 2000 года многие производители отказались от двухтактных ДВС. Однако работы по их совершенствованию постоянно ведутся.
Видео принципа работы данного типа двигателей.
В двухтактных двигателях все рабочие циклы (процессы впуска топливной смеси, выпуска отработанных газов, продувки) происходят в течении одного оборота коленвала (а не двух, как в четырёхтактных) за два (а не четыре) основных такта. У двухтактных двигателей отсутствуют клапаны (как в четырехтактных ДВС), их роль выполняет сам пoршень, который в процессе перемещения то закрывает, то открывает впускные, выпускные и продувочные окна. Поэтому двухтактный двигатель более прост в конструкции.
Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного за счет большего в 2 раза числа рабочих тактов. Однако неполное использование хода поршня двухтактного двигателя для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на продувку приводят практически к увеличению мощности только на 60 - 70%.
Итак, рассмотрим конструкцию двухтактного ДВС , показанную на рисунке 1:
Состоит из картера, в который на подшипниках с двух сторон установлен коленчатый вал и цилиндр.
Смазка всех трущихся поверхностей и подшипников внутри двухтактных двигателей происходит за счёт топливной смеси, - смеси бензина и масла в определённой пропорции. Из рисунка 1 видно, что топливная смесь (желтый цвет) попадает и в кривошипную камеру двухтактного двигателя (полость, где закреплен и вращается коленчатый вал), и в цилиндр. Смазки там нигде нет, а если бы и была, то смылась бы топливной смесью. Вот по этой причине масло и добавляют в определенной пропорции к бензину. Тип масла используется специальный, именно для двухтактных двигателей. Оно должно быть способно выдерживать высокие температуры и, сгорая вместе с топливом, оставлять минимум зольных отложений, то есть нагара.
Теперь о принципе работы. Весь рабочий цикл в двухтактных двигателях осуществляется за два такта.
1. Такт сжатия - двухтактный двигатель
Пoршень двухтактного двигателя поднимается от НМТ поршня (в таком положении он находится на рис. 2) к ВМТ поршня (положение поршня на рис.3), перекрывая сначала продувочное 2, а затем выпускное 3 окна цилиндра двухтактного двигателя. После закрытия поршнем выпускного отверстия в цилиндре начинается сжатие ранее поступившего в него топливной смеси. Одновременно в кривошипной камере 1 вследствие ее герметичности и после того как пoршень перекрывает продувочные окна 2, под поршнем создается разряжение, под действием которого из карбюратора через впускное окно и открывающийся клапан поступает горючая смесь в кривошипную камеру двухтактного двигателя.
2. Такт рабочего хода - двухтактный двигатель
При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь (1 на рис. 3) воспламеняется электрической искрой от свечи, после этого температура и давление смеси резко подскакивают. Под действием теплового расширения газов поршень двухтактного двигателя опускается к НМТ, в это время расширяющиеся газы сгоревшей смеси совершают полезную работу, толкая поршень. В это же время, опускаясь, пoршень создает высокое давление в кривошипной камере двухтактного двигателя (сжимая топливо-воздушную смесь в ней). Под действием давления клапан закрывается, не давая таким образом горючей смеси снова попасть во впускной коллектор и затем в карбюратор.
.gif)
Когда поршень двухтактного двигателя дойдет до выпускного отверстия (1 на рис. 4), оно откроется и таким образом выйдут отработавшие газы в выпускную систему, давление в цилиндре понизится. При дальнейшем перемещении пoршень открывает продувочное (впускное) окно (1 на рис. 5) и горючая смесь, сжатая в кривошипной камере, поступает по каналу (2 на рис. 5), заполняя цилиндр и одновременно продувая его от остатков отработавших газов.
Немного о принципе зажигания. Так как топливной смеси нужно время для воспламенения, искра на свече появляется чуть раньше, чем пoршень достигает ВМТ. В идеале, чем быстрей движения поршня, тем раньше должно быть зажигание, потому что пoршень от момента искры быстрее доходит до ВМТ. Существуют механические и электронные устройства, меняющие угол зажигания в зависимости от оборотов двигателя.
У большинства скутеров до 2000 г.в. таких систем не было и угол опережения зажигания был установлен в расчете на оптимальные обороты. На некоторых же скутерах, например Honda Dio ZX AF35, установлен электронный коммутатор с динамическим опережением, то есть с опережением, зависящим от оборотов коленвала. С ним расширяющаяся горючая смесь совершает работу с максимальной полезной отдачей, и двигатель развивает больше мощности.
Преимущества и недостатки двух- и четырехтактных двигателей.
Двухтактные преимущества
1. Меньший вес. Пример: 15 л.с. Двухтактный 36 кг четырёхтактный 45 кг.
2. Цена. Четырёхтактные двигатели сложнее в производстве, состоят из большего количества деталей, поэтому всегда дороже двухтактников.
3. Удобство перевозки двухтактника. Можно возить в любом положении, перед началом эксплуатации не требует отвешивания. Т.е. достал из багажника, поставил, завел, поехал.
4. Двухтактный двигатель живее реагирует на ручку газа. В четырёхтактных для совершения полного рабочего цикла поршню необходимо сделать 2 полных оборота в то время как в двухтактных только один. Частый вопрос: А правда ли что четырёхтактный 15 л.с. бежит быстрее чем такой же двухтактный? Ответ: нет не правда. У обоих этих двигателей мощность на валу 15 л.с. При прочих равных условиях почему один двигатель должен ехать быстрее второго?
Двухтактные недостатки
1. Больший расход топлива. Напомним, примерный расход можно высчитать по формуле: для двухтактного 300 грамм на одну лошадинную силу, для четырёхтактного 200 грамм.
2. Шумность. На максимальных оборотах двухтактные двигатели как правило работают немного громче четырёхтактных.
3. Комфорт. Четырёхтактные двигатели не так вибрируют на малых оборотах (Касается только двухцилинровых двигателей. Одноцилиндровые и 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 иззначительно большего числа деталей, а золотой принцип механики "Чем проще тем надежнее" еще никто не отменял.
Какой же двигатель выбрать?
Взвесь все за и против изложенные выше и сделай выбор самостоятельно. Однозначного ответа на вопрос: какой из двигателей лучше ты не найдешь ни в одной из книг ни на одном из форумов. И у тех и у других типов двигателей есть свои поклонники.
Первый работающий 2-х тактный двигатель сконструировал француз Эжен Ленуар в 1860 году. Его двигатель работал на газе.
В 1876 году немецкий инженер Николас Отто создал 4-х тактный двигатель. Совершенствование ДВС (двигателей внутреннего сгорания)продолжается по сей день.
В 1897 году конструктор Рудольф Дизель разработал прототип сегодняшнего дизеля, где воспламенение топливной смеси происходит за счет сильного сжатия. В данной статье не описываются газовые турбины, двигатель Ванкеля.
На фото показана принципиальная схема работы двигателей.
Описание работы двигателей.
Описание принципа действия 2-х тактного двигателя.
Сам двигатель состоит из картера, коленчатого вала,цилиндра. У двухтактных двигателей коленчатый вал установлен на подшипниках. (Установка на подшипниках обусловлена системой смазки) Цилиндр представляет собой чугунный, отполированный внутри, стакан стакан, внутри которого двигается поршень (Как правило выполненный из дюралюминия).
В канавки на поршне вставлены пружинящие поршневые кольца. Кольца служат для уплотнения между цилиндром и поршнем, что бы не пропускать газы, образующиеся при сгорании топлива. Поршень соединен с шатуном пальцем.Поршень двигается возвратно-поступательно. С помощью шатуна возвратно-поступательное движение преобразуется во вращательное коленчатого вала. Все трущиеся поверхности 2-х тактного двигателя смазываются с помощью топливной смеси в которую добавлено масло.
Рабочий цикл происходит за 2 такта.
1. Возвращаясь в верхнее положение поршень сжимает горючую смесь. При движении он перекрывает сначала продувочное окно, а затем и выпускное. Когда поршень достигает верхней точки происходит воспламенение смеси с помощью свечи зажигания и поршень идет вниз, как видно из рисунка.
2. Второй такт начинает после воспламенения смеси. Дойдя до выхлопного окна в цилиндре падает давление и двигаясь дальше поршень создает разрежение и из впускного окна происходит засасывание горючей смеси.
Это очень краткое описание работы двухтактного двигателя и дает лишь общее представление о работе двигателей.
Описание принципа действия 4-х тактного двигателя.
Основная конструкция двигателя напоминает конструкцию двухтактного двигателя. Но добавлена система газораспределения, в которую входит распредвал и клапана. Смазка всех движущихся частей осуществляется чистым маслом, подаваемым маслонасосом.
Весь рабочий цикл состоит из четырех тактов:
Первый такт.(Такт впуска). Впускной клапан открыт, а поршень идет вниз.
За счет разрежения топливо поступает в цилиндр.При достижении нижней точки
впускной клапан закрывается.
Второй такт.(Такт сжатия). Движение поршня вверх вверх, горючая смесь сжимается. При положении поршня в верхней точке происходит воспламение. (Реально воспламениение проиходит не доходя верхней точки)
Третий такт. (Такт рабочего хода). Воспламененная смесь толкает поршень вниз (впускной и выпускной клапаны закрыты).
Четвертый такт.(Такт выпуска). Как только поршень начинает движение вверх выпускной клапан открывается выпуская отработанные газы и остается открытым пока поршень не дойдет до верхней точки. При достижении верхней точки поршнем происходит закрытие выпускного клапана.
Основные преимущества четырехтактного двигателя:
1. Меньший шум.
2. Экономичность. (до 30%)
3. Долговечность.(За счет лучшей смазки движущихся деталей)
Недостатки:
1. Больший вес на единицу мощности.
2. Более сложен.
3. Дороже.
Основные преимущества двухтактного двигателя:
1. Меньший вес на единицу мощности.
2. Дешевле.
3. Простота
4. Быстрее набирает обороты.
Недостатки:
1.Больший шум.
2.Больший расход топлива.
Исходя из отличий двухтактного двигателя от четырехтактного рекомендуемое применение 2-х тактных:
1. Лодочные моторы до 5 л.с (Легче, можно транспортировать в любом положении)
Однозначное применение в спортивных мотоциклах, в авиамоделях, сенокосилках, бензопилах. То есть в тех случаях, где вес имеет большое значение.
Сейчас выпускаются 2-х тактники с прямым вспрыском и лодочные моторы больших мощностей конкурируют. Реклама утверждает, что их экономичность равна 4-х тактным моторам.
А в остальных случаях, если позволяет бюджет, предпочтительней 4-х тактники.
Двигатель внутреннего сгорания работает по давно изученным принципам. Мы будем рассматривать поршневые моторы, поскольку роторные, и прочие экзотические агрегаты, преобразующие энергию горения в кинетическую, не так распространены.
Для лучшего понимания процесса, определимся с техническими терминами:
- Рабочий цикл двигателя – цепочка чередующихся процессов, в результате которых энергия сгорания топлива трансформируется во вращение колес (при использовании в транспортном средстве)
- Впуск – наполнение цилиндра смесью паров бензина и воздуха (в бензиновых моторах) или воздухом в дизельных моторах
- Сжатие – спрессовывание топливной смеси в цилиндре
- Рабочий ход – расширяющиеся газы, после воспламенения горючей смеси, стремительно гонят поршень вниз
- Выпуск – проветривание полости цилиндра от порции отработанных газов.
В ходе рабочего цикла, процессы следуют в строго определенном порядке. Каждый из них называется тактом. С механической точки зрения, такт – это движение поршня от одной мертвой точки до второй. В зависимости от конструкции мотора, тактов может быть два или четыре.
Что из себя представляет двухтактный двигатель – видео
Чем отличается двухтактный двигатель от четырехтактного?
За каждый поворот коленвала на 180° совершается два такта (разные, в зависимости от типа двигателя). Отработка процесса двухтактного ДВС осуществляется за один оборот, а четырехтактного – за два оборота коленвала. Непонятно? Рассмотрим вопрос подробнее.
Важно! Есть пассивные и активные такты. Точнее активный цикл один – рабочий ход. Остальные движения цилиндра происходят по инерции маховика, закрепленного на оси мотора. Это касается одноцилиндрового мотора, каждый следующий цилиндр работает со сдвигом по фазе, и тяжелый маховик более не нужен. Поэтому его роль выполняет шестерня, за которую цепляется стартер.
Современный мотор достаточно сложен с инженерной точки зрения. Процессы обеспечиваются различными вспомогательными механизмами, их работа должна быть синхронизирована. Кроме того, компоненты двигателя имеют определенную массу, соответственно присутствует инерция.
Трущиеся детали замедляются сопротивлением. Это замедляет процесс и отбирает дополнительную мощность. Все поправки надо учитывать при проектировании мотора.
Запрограммировать алгоритм управления сложно, условия эксплуатации постоянно меняются. Если последовательность смены циклов даст сбой – произойдет потеря мощности или остановка двигателя. Поэтому для бесперебойной работы нужно так много приспособлений вокруг пары: поршень, цилиндр.
Начнем с принципа действия. Любой двигатель внутреннего сгорания имеет поршень, который через шатун крутит коленчатый вал (и в конечном итоге колеса), движимый энергией сгорания паров топлива в смеси с воздухом (горючей смеси).
Принцип работы двухтактного двигателя
В 2Т двигателе процесс наполнения цилиндра свежей горючей смесью, сжатия ее, воспламенения, рабочего хода (когда энергия сгорания с силой движет поршень вниз, вращая коленчатый вал) и выпуска выхлопных газов происходит за два такта.
- Первый такт.
Поршень идет вверх, сжимая топливную смесь. Происходит воспламенение горючей смеси.
- Второй такт, рабочий ход.
Расширяющиеся газы толкают поршень вниз. Когда он находится внизу, он открывает выпускные и впускные окна в стенках цилиндра. Выхлопные газы выходят в глушитель, их место занимает свежая топливная смесь и повторяется первый цикл.
Все это происходит за один оборот коленчатого вала.
Принцип работы четырехтактного двигателя
В 4Т двигателе процесс наполнения цилиндра свежей горючей смесью, сжатия ее, воспламенения, рабочего хода и выпуска выхлопных газов происходит за четыре такта.
- Первый такт, впуск.
Поршень идет вниз, клапан впуска открывается, и топливная смесь поступает в цилиндр. Когда поршень достигает нижнего положения, клапан впуска закрывается.
- Второй такт, сжатие.
Поршень идет вверх, оба клапана закрыты, топливная смесь сжимается. Когда поршень находится вверху, свеча воспламеняет горючую смесь.
- Третий такт, рабочий ход (расширение).
Горячие газы быстро расширяются, толкая поршень вниз (оба клапана закрыты).
- Четвертый такт, выпуск.
По инерции коленвал продолжает свое вращение (для равномерности вращения на коленвале установлены грузы - щеки коленвала), поршень идет наверх. Одновременно открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выходят в выхлопную трубу. В верхнем положении поршня выпускной клапан закрывается.
Эти 4 такта происходят за два оборота коленчатого вала.
Видео «как работает 4х тактный двигатель»
FAQ по вопросам связанным с 2т и 4т двигателями
Говорят, двухтактный двигатель мощнее и мотоцикл с ним динамичнее. Так ли это?
Да. 2Т двигатель за два оборота коленчатого вала успевает два раза использовать энергию сгорания топлива. Многие считают, что он в два раза мощнее двигателя 4Т. Но обратите внимание, в 2Т двигателе часть цилиндра занимают впускные и выпускные окна, значит количество горючего, которое потом сгорит, меньше в объеме, чем у двигателя 4Т, где цилиндр цельный. В двигателе 2Т из-за простоты конструкции смазка коленчатого вала производится маслом, добавленным в бензин. Масло в рабочей смеси снижает выделяемую энергию (масло горит хуже). Из-за особенностей впуска-выпуска горючей смеси и выхлопных газов в двигателе 2Т больше горючей смеси «улетает в трубу», не сгорая. В 4Т двигателе этот процесс за счет более сложного механизма впуска-выпуска минимален. В результате - 2Т двигатели, действительно, мощнее (но не в два раза), но более высокая мощность у них достигается в более узком рабочем диапазоне оборотов коленчатого вала (то есть вы стартуете с места, скутер еле разгоняется, потом наступает так называемый «подхват», скутер «выстреливает», но быстро увядает) и вам для динамичной езды все время придется поддерживать определенные обороты двигателя. Как Вы понимаете, чем мощнее 2Т двигатель, тем уже диапазон оборотов, тоньше настройки и двигатель дороже. Насладиться в полной мере преимуществами 2Т двигателя могут или спортсмены (где важнее выжать все и сейчас), или обладатели бензопил и газонокосилок (которым чем проще и дешевле, тем лучше).
4Т двигатель менее мощный, значит, на таком мотоцикле неинтересно ездить?
Из предыдущего ответа следует, что даже несколько менее мощный 4Т двигатель обладает более благоприятной характеристикой - он «эластичен». Сразу с начала движения, он обеспечит мотоциклу «паровозную тягу», то есть Вы плавно и уверенно без «провалов» и «подхватов» набираете скорость, и уверенный набор скорости будет доступен Вам во всем диапазоне оборотов коленчатого вала. Недостаток мощности скажется только в верхнем рабочем диапазоне оборотов двигателя, то есть когда Вы «шпарите» на пределе. Как раз близко к этому режиму движения 2Т двигатель и выдаст максимальную мощность.
4Т двигатель более надежен?
Безусловно. Ведь в 2Т двигателе поршень, поршневые кольца и цилиндр фактически являются расходным материалом из-за особенностей конструкции - в цилиндре-то отверстия. Многие мотоциклисты укатывают поршень 2Т двигателя за сезон, а цилиндр - за два. В 4Т двигателе Вы об этом забудете. 4-5 сезонов на одном поршне 4Т двигателя - норма.
Из-за более качественной смазки (масло подается к ответственным частям не в смеси с бензином, а путем разбрызгивания или подачи под давлением), 4Т двигатель рассчитан на больший ресурс. Более сложный клапанный механизм впуска-выпуска газов четче работает, требует несложного и не частого обслуживания.
Для составления статьи были использованы материалы с сайта vd-sc.clan.su , изображения взяты с сайта
