Как работает двухтактный мотор
Выше было упомянуто, что поршневые двигатели делятся как на 4-тактные, так и на 2-тактные. Принцип работы вторых немного отличается от того, что был описан ранее. Да и само устройство такого агрегата значительно проще предыдущей конструкции. В двухтактном агрегате всего два окна в цилиндре — впускное и выпускное. Второе расположено чуть выше первого, и сейчас будет объяснено, для чего это.
Поршень при начале первого такта, до этого перекрывавший впускное окно, начинает двигаться наверх, в результате чего перекрывает собой окно впуска топлива. Поршень в это же время продолжает опускаться, что приводит к сжатию рабочей смеси. Как только деталь достигает нужного положения, на свече образуется первая искра, и созданная смесь тут же поджигается, воспламеняясь. Впускное окно к этому моменту уже открывается. Оно пропускает очередную порцию топлива и воздуха, продолжая работу механизма.
Начало второго такта характеризуется сменой направления движения поршня — он начинает перемещаться вниз. На него действуют газы, стремящиеся расширить имеющееся пространство. Поршень перемещается, открывая впускное окно, и оставшиеся после сгорания смеси газы уходят, пропуская внутрь новую порцию топлива.
Какая-то часть рабочей смеси также покидает цилиндр через открытый выпускной клапан. Поэтому становится понятным, почему двухтактные двигатели требуют такого количества топлива.
Watch this video on YouTube
Преимущества и недостатки
Преимуществом двухтактных поршневых агрегатов является достижение большой мощности при небольшом рабочем объеме, если сравнивать их с четырехтактными. Однако владелец авто будет страдать от внушительных расходов топлива, из-за чего в скором времени в его голове возникнет идея поменять агрегат.
Также плюсами двухтактных ДВС можно назвать простую конструкцию, понятную и равномерную работу, маленький вес и компактный размер. К минусам следует отнести грязный выхлоп, нехватку различных систем, а также быстрый износ деталей конструкции. Довольно часто владельцы машин с таким двигателем жалуются на перегрев агрегата и его поломку.
Классификация двигателей внутреннего сгорания
Со времени своего появления на свет, двигатели внутреннего сгорания очень сильно изменились. Производительность современных двигателей, по сравнению с двигателями времен зари двигателестроения, взлетела до космических высот. Естественно, выросло и разнообразие двигателей. Благодаря этому разнообразию, двигателям нашли бесчисленное количество способов применения. Все это разнообразие можно охватить с помощью классифицирования.
— По количеству цилиндров. Бывают одноцилиндровые, двухцилиндровые, трехцилиндровые и т.д. вплоть до 12 и даже более цилиндров, двигатели. Но все, что более 12 цилиндров, это уже редкость в автомобильной промышленности.
— По способу расположения цилиндров. Самые распространенные варианты, это рядные и V-образные двигатели. Рядные двигатели, это такие двигатели, в которых цилиндры расположены в одном ряду, друг за другом, располагаться они могут, относительно пространственного положения самого двигателя, как вертикально, так и горизонтально, а также под любым градусом наклона. V-образные двигатели, это такие двигатели, у которых имеется 2 ряда цилиндров и расположены они под углом 90 друг к другу, что напоминает букву V. Существуют также двигатели с оппозитным расположением цилиндров. Это когда цилиндры находятся друг напротив друга под углом 180 .
— По способу охлаждения. Бывают двигатели с воздушным охлаждением и с жидкостным. Воздушное охлаждение гораздо проще в производстве и обслуживать его не надо, но оно имеет много недостатков. Самый главный недостаток, это то, что двигатель обдувается потоком встречного или нагнетаемого вентилятором воздуха, из-за чего двигатель имеет разную температуру в разных местах, то есть охлаждается неравномерно. Разная температура приводит к неравномерному износу всего двигателя, что в конечном итоге сокращает срок службы такого двигателя. Да и перегреть такой двигатель, проще простого.
Второй на мой взгляд, очень важный недостаток воздушного охлаждения, это невозможность использовать тепло нагретой охлаждающей жидкости для обогрева салона автомобиля и невозможность подогревать двигатель в морозы, жидкостным предпусковым подогревателем.
Поэтому, жидкостное охлаждение, как говориться рулит. Не даром оно вытеснило воздушное охлаждение с автомобилей, за редким исключением (например грузовики марки «Татра»)
— По назначению. Бывают двигатели автомобильные, судовые, стационарные, бытовые (бензокоса, бензопила) и т.д.
— По способу осуществления рабочего цикла. Бывают 4 такта за один рабочий цикл, а бывает 2 такта. И называются такие двигатели соответственно, четырехтактные и двухтактные. Четырехтактных двигателей в мире превалирующее большинство. Этому есть ряд причин. Основные это экологичность, экономичность и надежность.
— По виду применяемого топлива. Бывают двигатели использующие для своей работы: бензин, дизельное топливо и сжатый или сжиженный газ. Также существуют битопливные и многотопливные двигатели, которые могут работать можно сказать на всем, что горит. Кроме того, есть и другие экзотические двигатели, работающие на не менее экзотических видах топлива, но о них в других статьях.
— По способу воспламенения рабочей смеси в цилиндрах. Бывают двигатели, в которых смесь поджигается искрой от свечи зажигания (бензиновые и газовые), а бывают двигатели в которых смесь поджигается сама по себе от сильного давления (дизельные двигатели)
— По способу наполнения цилиндров воздухом. Бывают атмосферные и наддувные двигатели. Атмосферные, это когда воздух попадает в цилиндры самотеком, то есть из-за разности давлений в цилиндре и во впускном тракте, создается эффект всасывания в цилиндр. Наддувные двигатели, это когда воздух силой вгоняется в цилиндр, с помощью турбонаддува или компрессора. Благодаря наддуву, удается наполнить цилиндр воздухом гораздо сильнее, чем это происходит в атмосферных двигателях, в результате чего значительно вырастает мощность двигателя, но снижается его ресурс.
Про инжекторные моторы
У них есть еще одно название – впрысковые двигатели что, в общем-то, никоим образом не изменяет сути происходящих явлений. По выполняемой работе впрыск напоминает принцип, реализуемый в работе дизеля. В двигатель в нужный момент через форсунки инжектора впрыскивается строго дозированное количество топлива, и оно поджигается искрой со свечи, хотя при работе дизеля свеча не используется.
Как это происходит, можно в деталях увидеть на видео
Подобное устройство мотора позволяет решить те проблемы, которые возникают при работе карбюратора. Использование инжектора обеспечивает по сравнению с карбюраторным вариантом следующие преимущества мотору:
- повышение мощности на 7-10%;
- улучшение показателей топливной экономичности;
- снижение уровня токсичных веществ в составе выхлопных газов;
- обеспечение оптимального количества топлива, зависящее от режима движения автомашины.
Это только основные достоинства, которые позволяет получить инжекторный двигатель. Однако у каждого достоинства есть и свои недостатки. Если карбюраторный мотор чисто механический и его можно отремонтировать практически в любых условиях, то для управления инжекторным требуется сложная электроника и целая система датчиков, из-за чего работы (регламентные и ремонтные) необходимо проводить в условиях сервисного центра.
КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В данном разделе рассматривается принцип работы двигателя внутреннего сгорания на примере одноцилиндрового бензинового мотора.
Главная часть двигателя внутреннего сгорания — это цилиндр с внутренней зеркальной поверхностью. Сверху на цилиндре установлена головка, которая является отдельной деталью и при необходимости снимается, например чтобы получить доступ к двигателю для проведения ремонтных работ (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Двигатель со снятой головкой блока цилиндров.
Внутри цилиндра находится поршень. Внешне он напоминает обычный стакан, который перевернут вверх дном (именно дно поршня является его рабочей поверхностью). В процессе работы двигателя поршень внутри цилиндра перемещается вертикально вверх- вниз с высокой интенсивностью.
Снаружи по окружности поршня в отдельных канавках расположены поршневые кольца. Поршень прилегает к внутренней поверхности цилиндра неплотно. Поршневые кольца, во-первых, препятствуют попаданию вниз газа, образующегося при работе двигателя, во- вторых, не пропускают моторное масло в камеру сгорания, которая находится над поршнем и расположена над верхней мертвой точкой (о том, что это такое, рассказывается далее).
Поршень закреплен на шатуне с помощью специальной детали, которая называется поршневым пальцем. В свою очередь, шатун закреплен на коленчатом валу двигателя, а точнее — на кривошипе коленчатого вала (рис. 1.3). При сгорании рабочей смеси образующиеся газы оказывают сильное давление на поршень, который начинает двигаться вниз и через шатун передает свою энергию на коленчатый вал, что в результате вынуждает его вращаться.
Рис. 1.3. Поршень с шатуном.
Рекомендуем: Как оформить замену двигателя в ГИБДД в 2019 году
На конце коленчатого вала имеется тяжелый металлический диск с зубьями, который называется маховиком. Основная его задача — обеспечить вращение коленчатого вала по инерции, что необходимо для подготовительных тактов рабочего цикла (о том, что такое «такты» и «рабочий цикл», будет рассказано далее).
Горючая смесь поступает в камеру сгорания через впускной клапан, а после сгорания продукты горения, которые представляют собой выхлопные газы, выходят из камеры сгорания через выпускной клапан. Оба клапана открываются в тот момент, когда их толкает соответствующий кулачок распределительного вала. Как только кулачок отходит назад (это происходит очень быстро, так как распределительный вал вращается с высокой скоростью), клапаны вновь плотно закрываются: их возвращают в исходное положение мощные пружины.
Примечание.
Распределительный вал двигателя приводится в действие коленчатым валом.
Свеча вкручивается непосредственно в головку блока цилиндров: для этого специально предназначено отверстие с резьбой. Свеча является источником искры, которая проскакивает между ее электродами, от нее в камере сгорания воспламеняется рабочая смесь. На каждый цилиндр двигателя приходится одна свеча (следовательно, у четырехцилиндрового двигателя имеется четыре свечи, у восьми-цилиндрового — восемь и т. д.).
При движении вверх-вниз поршень поочередно достигает двух крайних положений — верхнего и нижнего: в них он максимально удален от центральной оси коленчатого вала. Верхнее крайнее положение поршня называется верхней мертвой точкой, а нижнее — нижней мертвой точкой (соответственно ВМТ и НМТ). Расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня.
Пространство, которое остается над поршнем при его нахождении в ВМТ, называется камерой сгорания. Именно здесь воспламеняется и сгорает рабочая смесь. При этом возникает своеобразный «мини-взрыв», который сопровождается резким и сильным повышением давления, под воздействием которого поршень начинает двигаться вниз. Как раз в этот момент тепловая энергия превращается в механическую. При вертикальном движении вниз поршень через шатун толкает коленчатый вал, заставляя его вращаться. Образовавшийся крутящий момент передается на ведущие колеса автомобиля, которые и приводят машину в движение.
Объем в промежутке между ВМТ и НМТ называется рабочим объемом цилиндра. Если суммировать объем камеры сгорания (как указывалось, так называется пространство над ВМТ) и рабочий объем цилиндра, получится полный объем цилиндра. Сумма полных объемов всех цилиндров называется рабочим объемом двигателя.
По такому принципу работает двигатель внутреннего сгорания современного автомобиля. Далее рассмотрено, что представляет собой рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания.
Какие основные отличия двухтактного двигателя от четырехтактного?
Добрый день, друзья!
На днях мой товарищ как то спросил меня:
Этот вопрос и подтолкнул меня написать эту статью, возможно она кому-нибудь будет полезна и интересна.
Вообще рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания делится на несколько стадий — это впрыск топливной смеси в цилиндр, сжатие этой смеси, её воспламенение, затем расширение газов за счет резкого повышения температуры и далее выпуск этих газов из цилиндра.
Что же такое такт в двигателе? Это движение поршня в одном направлении — когда поршень идёт вверх — это один такт, когда он идет вниз — второй такт. То есть, когда коленчатый вал совершает один оборот, происходят два такта. Отсюда уже вырисовывается понимание того, что полный рабочий цикл в двухтактном двигателе происходит за один оборот коленчатого вала, а в четырёхтактном — за два оборота.
Становится понятно, почему двухтактный ДВС мощнее четырёхтактного — ведь за два оборота коленвала, двухтактный двигатель успевает его толкнуть два раза, а четырехтактный всего один раз, об этом ещё говорит и то, что двухтактный двигатель быстрее набирает обороты . Так же, из-за отсутствия механизма газораспределения, он легче четырехтактного и проще в конструкции. За счет всего этого он может иметь очень маленький размер, что позволяет использовать его в бензопилах, косилках, авиамоделях и прочих небольших приборах.
Во дела! У двухтактного двигателя одни плюсы! Но в чём же подвох? Сейчас разберёмся.
Вот схема работы двухтактного мотора:
Как мы видим из схемы — у такого двигателя отсутствуют клапана , есть лишь каналы, по одному поступает топливо-воздушная смесь, а по второму выходят отработанные газы. Как только поршень перекрывает оба этих канала во время движения вверх, начинается сжатие смеси, затем поджиг и её расширение. Когда поршень идёт вниз, сперва открывается канал выхлопа, затем, за счёт разреженного давления, при открытии канала впрыска топлива, он и попадает из карбюратора в камеру сгорания. Однако, часть этой смеси так же выходит и через выхлопной канал из-за особенности конструкции камеры сгорания — отсюда снижение КПД двигателя и повышенный расход топлива. Ещё такой двигатель более шумный и менее экологичный. Так же, в силу своей конструкции, ему требуется масло, разведенное прямо в бензине, по этому в целом он потребляет масла намного больше, чем четырёхтактный двигатель, при этом ресурс у двухтактного мотора меньше.
Теперь посмотрим, как работает четырёхтактный двигатель:
Из схемы видно, что во время первого такта идёт впуск топливо-воздушной смеси через впускной клапан системы газораспределительного механизма (ГРМ) Затем, во время второго такта, идёт сжатие смеси, при этом оба клапана закрыты . Далее идёт поджиг топлива и совершается рабочий ход поршня, при этом оба клапана так же закрыты — это третий такт. И наконец, поршень идёт вверх, выпуская отработанные газы через открытый выпускной клапан — это четвёртый такт . На этом завершается полный рабочий цикл четырёхтактного двигателя. Отсюда и сложность конструкции такого мотора из-за присутствия системы ГРМ. Его обслуживание сложнее и дороже.
Как мы уже выяснили, мощность такого двигателя ниже, чем у двухтактного и он тяжелее. Но и преимуществ у него больше. Например, отдельная система смазки освобождает от обязанности постоянно смешивать масло с бензином. Залил один раз и всё, меняешь его только по истечению определённого пробега. Затем расход топлива — он гораздо ниже , так как топливная смесь полностью сгорает в цилиндре и только потом, когда открывается выпускной клапан, отработанные газы выходят наружу. Экологичность — за счёт полного сгорания топливной смеси, выделяется меньше вредных веществ в атмосферу. Четырёхтактный двигатель более тихий, вспомните, как сильно тарахтит мопед с двухтактным двигателем, даже если стоит глушитель, однако скутер с четырёхтактным мотором работает тихо, если у него глушитель исправен.
В общем то и всё, если вам есть, что дополнить — пишите в комментарии , жмите палец вверх и подписывайтесь !
Система отключения цилиндров. Лишь бы не работать
Volkswagen — первая в мире компания, применившая в массовом производстве систему отключения цилиндров в четырехцилиндровом моторе TSI. Основной ее целью является значительное сокращение потребления топлива путем временного отключения двух из четырех цилиндров при низких и средних нагрузках. Отключение цилиндров фактически сокращает расход топлива агрегата 1.4 TSI на 0,4 литра на каждые 100 км в новом европейском цикле движения (NEDC). В сочетании с системой «старт-стоп», останавливающей двигатель при остановке автомобиля, экономия топлива достигает 0,6 л/100 км.
Система отключения цилиндров Фото: Volkswagen
Максимальная экономия достигается при езде с постоянной скоростью. Вождение при 50 км/ч на 3-й или 4-й передаче помогает экономить до 1 литра бензина на 100 км. Благодаря новой системе отключения цилиндров топливной экономичности двигатель TSI уже сегодня соответствует будущему европейскому экологическому стандарту Евро-6. Высокая экономичность не исключает комфортное вождение: даже на двух цилиндрах 1.4 TSI отличается превосходной сбалансированностью, тишиной работы и низкой вибрацией.
Система отключения цилиндров работает в диапазоне оборотов коленчатого вала от 1400 до 4000 мин-1 при крутящем моменте от 25 до 75 Нм. Этому диапазону соответствует примерно 70% расстояния, которое проходит автомобиль в европейском экономичном испытательном цикле движения. Как только водитель достаточно активно нажимает на газ, неработающие 2-й и 3-й цилиндры незаметно включаются. Режим вождения определяется с помощью датчика педали акселератора. Система отключения цилиндров не работает в том случае, если стиль вождения не подпадает под определенную схему, например при спортивном вождении по шоссе.
Система отключения цилиндров Фото: Volkswagen
Алгоритм переключения режимов заложен в программу блока управления двигателем. Его разработка, по всей вероятности, потребовала многочисленных испытаний и последующей обработки результатов, но, с технической точки зрения, особой сложности не представляла. Куда интереснее не электронная, а гидромеханическая часть системы.
Основную идею Volkswagen позаимствовал у «старшего брата» — Audi. О системе изменения фаз газораспределения Audi мы писали уже неоднократно. По шлицам распределительного вала его кулачки, выполненные в виде отдельного блока деталей, могут перемещаться в осевом направлении. На каждый клапан приходится по два кулачка разного профиля. В зависимости от режима, по команде процессора гидропривод вводит в контакт с роликом коромысла клапана один из двух кулачков. Второй продолжает вращаться, но в работе не участвует.
Система отключения цилиндров Фото: Volkswagen
Этот механизм перенесли на крайние цилиндры двигателя TSI почти без изменений, установив вместо одного из кулачков круглую шайбу. Когда требуется отключить цилиндр, она занимает место кулачка, и клапан перестает закрываться. Чтобы снизить расход энергии (т.е. топлива) и не заставлять двигатель, уподобляясь компрессору, впустую качать воздух, открытыми оставляют все клапаны отключаемых цилиндров. Разумеется, прекращается и впрыск топлива через форсунки.
Конструкция получилась достаточно изящной, но возникли некоторые вопросы. Судя по всему, возрастут требования к качеству масла: кулачки и диски должны всегда легко перемещаться по шлицам. Сравнение с успешно работающими коробками передач. Внутри этих агрегатов нет продуктов сгорания топлива, а принудительная подача масла к валам встречается крайне редко. Не совсем понятно, как будет изменяться работоспособность двигателя по мере износа поршневых колец: открытые «наверху» клапаны не могут препятствовать «выкачиванию» масла из картера.
По всей вероятности, немецкие инженеры предусмотрели и такие теоретически возможные напасти. Что получилось в действительности, узнаем совсем скоро.
Новости СМИ2
Рабочий цикл из двух тактов
Одноцилиндровый двухтактный двигатель работает по-другому. Здесь все четыре действия происходят за один полный оборот коленвала. При этом поршень делает только два такта (расширения и сжатия), двигаясь от ВМТ к НМТ и обратно. А впуск и выпуск являются частью этих двух тактов. Подробней принцип работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания можно описать следующим образом.
Газы от сгорания топливной смеси толкают поршень вниз от ВМТ. Примерно на середине хода поршня в гильзе цилиндра открывается выпускное отверстие, через которое часть газов выбрасывается в патрубок глушителя. Продолжая двигаться вниз, поршень создаёт давление, благодаря которому в цилиндр поступает новая порция топлива, одновременно продувая его от остатков сгоревших газов. Подходя к ВМТ, поршень сжимает смесь и система зажигания воспламеняет её. Снова начинается такт расширения.
В авиамоделестроении широко используется двухтактный дизельный двигатель, его принцип работы тот же, что и у бензинового. Разница в том, что смесь топлива с воздухом самостоятельно воспламеняется в конце цикла сжатия. Горючим для таких моторов служит смесь эфира с авиационным керосином. Воспламенение этого горючего происходит при гораздо меньшей степени сжатия, чем у двигателей на традиционном дизельном топливе.
Устройство мотора
Прежде, чем разбираться с принципом работы, стоит сначала понять, как устроен силовой агрегат и что входит в его конструкцию. Так как поршневые считаются наиболее востребованными, рассматриваться будет именно такое устройство. К основным деталям следует отнести:
- Цилиндры, образующие отдельный блок
- Головку блока с ГРМ
- Кривошипно-шатунный механизм
Последний приводит в движение коленчатый вал, заставляя его вращаться. Механизм передает валу энергию, получаемую от двигающегося поршня, который в несколько тактов меняет свое положение. Движение поршня регулирует энергия тепла, возникающая в результате горения топлива.
Невозможно представить и организовать движение силового агрегата без установленных в нем механизмов. Так, например, ГРМ меняет положение клапанов, за счет чего удается обеспечить регулярную подачу топлива, впуская и выпуская определенные составы. Система поступления новых газов и выхода отработавших налажена.
- зажигания, основная роль которой заключается в воспламенении топлива,
- содержащего также воздух;
- впускная, регулирующая своевременную подачу воздуха внутрь цилиндра;
- топливная, благодаря которой удается обеспечить подачу топлива для сгорания и дальнейшей работы транспорта;
- система смазки, снижающая износ трущихся деталей конструкции во время их работы;
- выхлопная, посредством действия которой удается удалить отработавшие газы, в результате чего снижается их токсичность.
Также работает система охлаждения, регулирующая температуру внутри агрегата и следящая за тем, чтобы она была оптимальной.
Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя
Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.
Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.
Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ).
Впуск
По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.
Сжатие
После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.
Расширение или рабочий ход
В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.
При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200оС.
Выпуск
При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.
