Двухтактный двигатель внутреннего сгорания
Во многих источниках создание первого двигателя внутреннего сгорания приписывают Готтлибу Даймлеру, другие считают изобретателем Николаса Отто. Однако существует версия, что и те, и другие ошибаются. Еще в 1858 году бельгиец Жан Жозеф Этьен Ленуар создал двухтактный двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе.
В отличии от паровой машины он был проще и экономичнее. Однако двигатель бельгийского инженера был далек от совершенства. Это доказал Николас Отто, представив свой четырехтактный мотор. Его КПД был гораздо выше, чем у мотора Ленуара, а сам двигатель имел меньшие габариты. Двухтактный двигатель резко потерял популярность, и до начала ХХ века почти полностью исчез.
В России хорошо известны мотоциклы ИЖ «Планета» и «Юпитер» с двухтактными двигателями. В Германии в период Второй мировой двухтактные двигатели активно применялись в самолетостроении. В наше время, к примеру, моторы марки Rotax, широко используются в малой авиации.
С ужесточением норм токсичности двухтактные двигатели перестали рассматриваться в качестве силовых установок для гражданского транспорта, но на скутерах, снегоходах, катерах и в авиамодельном спорте, то есть там, где требуются моторы малого объема и веса, конкурентов им по-прежнему нет.
Устройство двухтактного двигателя
Конструктивно двухтактный и четырехтактный двигатели схожи. Основное различие между ними заключено в принципе газораспределения и в том, что рабочий цикл в двухтактном двигателе совершается за один оборот коленчатого вала.
Отдельного газораспределительного механизма в двухтактном двигателе нет. Роль впускных и выпускных клапанов выполняют отверстия в стенках цилиндра, а выталкивает выхлопные газы наружу и втягивает внутрь очередную порцию рабочей смеси сам поршень. В процессе газообмена участвует и кривошипная камера.
Для наполнения цилиндра топливовоздушной смесью используется впускное окно, которое также называют продувочным. Второе, выпускное окно, служит для удаления отработавших газов из цилиндра. Оно расположено выше впускного.
В течение первого такта поршень движется вверх, перекрывая продувочное окно, а затем и выпускное. Происходит сжатие топливовоздушной смеси. В это время в кривошипной камере создается разрежение, которое используется для всасывания топливо-воздушной смеси из карбюратора в полость картера.
Далее начинается второй такт. Свеча зажигания воспламеняет сжатую топливовоздушную смесь. Расширяясь, газы толкают поршень вниз. По мере движения поршня вниз открывается выпускное окно, и часть газов удаляется из цилиндра. При движении поршня вниз в кривошипной камере создается избыточное давление. Поршень продолжает двигаться вниз, к нижней мертвой точке, и открывает продувочное отверстие. Начинается наполнение цилиндра топливовоздушной смесью из кривошипной камеры. Свежая смесь выталкивает из цилиндра остатки отработавших газов.
Описанная схема работы характерна для карбюраторных моторов. Схема работы дизельных и инжекторных бензиновых двухтактных моторов отличается тем, что топливо впрыскивается в камеру сгорания через форсунку, а в полость кривошипной камеры засасывается чистый воздух.
Преимущества и недостатки двухтактных двигателей
Самое главное преимущество двухтактных двигателей – более высокая, по сравнению с четырехтактными, литровая мощность. Дело здесь в том, что при равном количестве цилиндров и количестве оборотов коленчатого вала в минуту, каждый цилиндр совершает рабочий ход вдвое чаще. При этом, за счет того, что фактический рабочий ход двухтактного двигателя короче (он укорочен за счет процессов газообмена), реально объем двигателя увеличивается на 50-60%.
Не менее важное преимущество — компактность. Благодаря этому качеству двухтактные двигатели нашли широкое применение не только в небольших транспортных средствах наподобие снегоходов, но и в садовой технике, а также инструментах (к примеру, в бензопилах). Кроме того, отсутствие газораспределительного механизма заметно делает конструкцию проще и дешевле в производстве.
Есть у двухтактных ДВС и существенные недостатки. Они расходуют больше топлива впустую, так как при открытии выпускного окна в систему выхлопа попадает часть несгоревшей смеси. Система смазки классического двухтактного мотора крайне примитивна – бензин смешивается с маслом заранее, и оба эти вещества попадают в камеру сгорания одновременно. Обусловлено это тем, что организовать масляную ванну в картере невозможно – картер участвует в процессе газообмена. В результате масло, не пошедшее на смазывания стенок цилиндра, сгорает вместе с топливом. Ресурс двухтактного двигателя также значительно меньше, главным образом, за счет высоких оборотов коленвала. По этой причине в двигателях этого типа применяется только специальное высококачественное масло, разработанное для применения в двухтактных двигателях. Экологические параметры также оставляют желать лучшего: в выхлопе, из-за особенностей газораспределения, содержится большое количество СО и СН.
Эксплуатация двухтактного двигателя
Для смазывания поршневой группы двухтактного двигателя необходимо добавлять масло непосредственно в топливо. Причем, бензин и масло, перед тем как залить в бак, нужно предварительно смешать. Правда, некоторые производители избавляют владельцев от этой проблемы установкой отдельного бачка для масла. В этом случае оно добавляется в топливо автоматически в нужной пропорции.
Не следует забывать, что картер мотора также участвует в газораспределении и должен быть герметичен. Поэтому необходимо тщательно следить за состоянием прокладок.
Особенности двухтактного масла — стандарт ISO
Одним из глобальных классификаторов при подборе смазочных материалов для ДВС является конструкция мотора. По количеству отдельных законченных операций, так называемых тактов, современные поршневые двигатели подразделяются на:
- двухтактные;
- четырехтактные.
Четырехтактными моторами оснащаются практически все мотоциклы и легковые автомобили, а также другая более тяжелая техника. Двухтактные двигатели заняли нишу среди малолитражных и кроссовых мотоциклов, различного портативного инструмента, легкого водного транспорта, а также в некоторых других отраслях.
В материале статьи рассмотрим особенности двухтактного масла, а также кратко разберем некоторые важные моменты применения и основы выбора.
Особенности работы двухтактного двигателя
Двухтактные ДВС имеют некоторые отличия в принципе работы относительно четырехтактных. Этот тип двигателей так же, как и четырехтактный, включает в себя коленчатый вал, шатун, поршень и цилиндр.
Однако механизм газораспределения здесь реализован не при помощи распределительного вала и клапанов, а набором, так называемых окон различного назначения.
В общем случае, для простейших моделей этих ДВС, три окна:
- Впускное.
- Выпускное.
- Продувочное.
Продувочное и выпускное окно открывается и закрывается телом поршня. Поршень в двухтактных ДВС имеет однородную удлиненную юбку. Продувочное окно может закрываться специальным клапаном или так же, как и остальные окна – поршнем.
Со стороны подачи топлива расположены два окна. Впускное, которое находится ниже, и продувочное, которое расположено выше. Отработавшие газы выходят через выпускное окно, которое находится с противоположной стороны.
Топливно-воздушная смесь из карбюратора или системы впрыска попадает в камеру перед впускным окном. Впускное окно не имеет прямой связи с цилиндром. Оно открывает доступ в полое пространство под поршневой камерой, где находится коленчатый вал с шатуном.
Кривошипная камера изолирована от окружающей среды. При подъеме поршня в камере создается разряжение. И ближе к верхней мертвой точке топливно-воздушная смесь всасывается в пространство под поршнем.
В процессе движения поршня вниз, ближе к концу рабочего такта, сначала открывается выпускное окно, через которое в атмосферу выбрасываются под давлением отработавшие газы.
Далее открывается продувочное окно, через которое в камеру сгорания закачивается свежая смесь. Свежая смесь выталкивает до конца отработавшие газы. Цикл повторяется.
Существуют и другие конструкции с более сложно организацией циркуляции топливно-воздушной смеси и отработавших газов. Однако рассматриваемая конструкция базовая, и она в полной мере описывает суть работы двухтактных моторов.
Поршень, стенки цилиндра и шатунные втулки смазываются за счет масла, растворенного в топливе. То есть в картере двухтактного двигателя, именно в кривошипной камере, нет масла.
Двухтактное моторное масло добавляется только в топливо. Смазка в традиционном ее понимании есть только в коробке передач и иногда в отсеке с дисками сцепления.
Именно эти эксплуатационные особенности определяют свойства двухтактного масла.
Основные отличия двухтактного масла от четырехтактного
Из предыдущего пункта становится понятно, что двухтактные моторы довольно сильно отличаются по принципу работы от четырехтактных. Рассмотрим ниже, чем отличается двухтактное масло от четырехтактного.
-
Двухтактное масло должно не просто идеально смешиваться с топливом, но и быть достаточно летучим, чтобы не парализовать работу системы питания. Любая смазка без проблем растворится в бензине, так как сам по себе бензин – отличный растворитель. Но касательно двухтактного масла, при образовании топливно-воздушной смеси, оно должно легко переходить во взвешенное состояние и не выпадать быстро в осадок.
Классификация и основы подбора
Сегодня в мире применяются три основных классификатора для описания свойств и сферы применения двухтактных масел:
- SAE;
- JASO;
- ISO.
Рассмотрим только актуальные, действующие сегодня стандарты. Устаревшие и вышедшие из оборота классификации нет смысла обозревать, так как их в продаже на сегодня найти практически невозможно.
По SAE сегодня распространены два типа моторных масел TD и TC-W3. Первый тип, TD, подходит для большинства двухтактных двигателей, эксплуатируемых сегодня. Смазочные материалы с маркировкой TC-W3 предназначены для лодочных ДВС. Главным отличием этих смазок является их высокая экологичность. По рабочим характеристикам существенных различий нет.
По JASO сегодня можно встретить масла с маркировкой FB, FC и FD. Качество и рабочие качества повышаются с отдалением второй буквы от начала алфавита. Смазки с маркировкой FB подойдут для низконагруженных двигателей без специфичных требований.
| Параметры испытаний для JASO и ISO | ||||
|---|---|---|---|---|
| ISO | — | EGB | EGC | EGD |
| JASO | FA | FB | FC | — |
| Смазочные свойства | 90 min | 95 min | 95 min | 95 min |
| Индекс крутящего момента | 98 min | 98 min | 98 min | 98 min |
| Моющие свойства | 80 min | 85 min | 95 min | 125 min |
| Отложения на юбке поршня | — | 85 min | 90 min | 95 min |
| Дымность | 40 min | 45 min | 85 min | 85 min |
| Отложения в системе выхлопа | 30 min | 45 min | 90 min | 90 min |
Категория FC обладает пониженным выделением дыма. У FD, помимо сниженной дымности, повышенные очищающие свойства.
Классификация по ISO основана на японской JASO. Однако здесь дополнительно введено несколько уровней проверки, которые обязательно должно пройти каждое сертифицируемое масло.
Аналогично JASO, здесь есть три класса:
- ISO-L-EGB — аналог FB.
- ISO-L-EGC — аналог FC.
- ISO-L-EGD — аналог FD.
В случае с классификацией по ISO, первым двум классам дополнительно проводятся тесты на чистоту поршней после использования. Последнему классу необходимо пройти тест на моющие свойства.
Стандарты двухтактных моторных масел — видео
Важные моменты, о которых не стоит забывать
Есть несколько важных моментов при выборе и использовании двухтактного масла, о которых не следует забывать.
-
Использовать смазочные материалы для двухтактных двигателей необходимо обдуманно в плане дозировки. Например, для отечественной техники часто указываются пропорции 1:25 или 1:33. Но здесь важно помнить, что эта пропорция актуальна для масел российского производства, которые не всегда бывают эффективными и качественны.
И самое главное. Никогда не экономьте на двухтактных маслах. Как показала практика, этот тип двигателей гораздо чувствительнее относится к качеству смазочных материалов.
Как отличить оригинальное 2-х тактное масло штиль от подделки — видео
Устройство и принцип действия двухтактного двигателя внутреннего сгорания
В настоящее время активно используются два основных типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): двухтактные и четырехтактные. В двухтактных двигателях все рабочие циклы: впуск готовой топливной смеси, выпуск отработанных газов и продувки, происходят в течении одного оборота коленчатого вала за два основных такта. У двигателей такого типа отсутствуют клапаны газораспределительного механизма, их роль выполняет пара поршень и гильза. Поршень при своем перемещении закрывает собой впускные, выпускные и продувочные окна. Поэтому такие двигатели более просты в конструкции и надежны, а при определенных условиях и более мощные, ранее существовали и грузовые автомобили на двухтактной тяге, но их задавили экологическими требованиями.
Двухтактные дизели
Мало кто знает, что не так давно существовали и двухтактные дизели с сухим картером, которые успешно эксплуатировались в СССР до самых 90-х годов. Отличительной особенностью такого двухтактного двигателя являлось наличие газораспределительного механизма, который имел всего пару (или один) выпускных клапанов, а вот впуск осуществлялся классическим способом для двух тактов — через продувочные окна. К таким двигателям относятся ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206 [1] , танковые двигатели 5ТДФ (700 л.с) и 6ТДФ-2 (1200 л.с.) [2] . Еще одно привлекательное отличие от бензинового собрата — продувка дизеля осуществлялась воздухом, а не рабочей смесью, как у бензинового варианта, поэтому экономичность дизельного двухтактника была сравнима с четырехтактным вариантом.
Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах литровой ёмкости и частоте вращения вала примерно на 50-70% больше четырехтактного за счет большего числа рабочих циклов в единицу времени. Однако неполное использование хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на продувку приводят практически к увеличению мощности только на 60. 70% по сравнению с четырехтактным ДВС.
Общее краткое устройство двигателя
Двигатель двухтактного рабочего цикла состоит из картера (основной его части — базы), в который на шариковых подшипниках установлен коленчатый вал. Цилиндр крепится к блоку через винты или шпильки, которые проходят через все тело гильзы. Внутри цилиндра движется поршень — металлический стакан (чаще из алюминиевого сплава), опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне ниже жарового пояса. Во время сжатия или рабочего хода поршневые кольца не пропускают газы и запирают в промежутке между днищем поршня и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем — пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Смазка всех трущихся поверхностей и подшипников внутри двухтактных двигателей происходит с помощью топливной смеси, в которое подмешано необходимое количество масла. Из анимации видно, что топливная смесь (голубой цвет) попадает и в кривошипную камеру двигателя (это та полость, где закреплен и вращается коленчатый вал), и в цилиндр. Смазки там нигде нет, а если бы и была, то смылась топливной смесью. Вот по этой причине масло и добавляют в определенной пропорции к бензину. Тип масла используется специальный, именно для двухтактных двигателей. Оно должно выдерживать высокие температуры и сгорая вместе с топливом оставлять минимум зольных отложений.
Принцип действия
1. Такт сжатия.
Поршень перемещается от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ), перекрывая сначала продувочное, а затем и выпускное окно. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере вследствие её герметичности, и после того как поршень перекрывает продувочные окна, под поршнем создается разряжение, под действием которого из впускного коллектора через впускное окно и приоткрытый клапан поступает готовая горючая смесь в кривошипную камеру.
2. Такт рабочего хода.
При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ (при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу). Одновременно, опускаясь вниз, поршень создает избыточное давление в кривошипной камере. Под действием этого давления клапан закрывается, не давая таким образом горючей смеси вернуться во впускной коллектор и карбюратор.
Когда поршень дойдет до выпускного окна, оно открывается и начнется выпуск отработавших газов в атмосферу нашей любимой Земли — давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно и сжатая в кривошипной камере горючая смесь поступает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов.
Принцип зажигания. Так как топливной смеси нужно время для воспламенения, искра на свече появляется чуть раньше, чем поршень достигает ВМТ. В идеале, чем быстрей движется поршень, тем раньше должно быть зажигание — поршень от момента искры быстрее доходит до ВМТ. Существуют механические и электронные устройства, меняющие угол зажигания в зависимости от оборотов двигателя. Практически у мотороллеров до 2000 г.в. таких систем не было и угол опережения зажигания был установлен в расчете на оптимальные обороты статично.
Ремонт двухтактных двигателей внутреннего сгорания
Ремонт двухтактных ДВС осуществляется только квалифицированными рабочими по технологическим и маршрутным картам, которые разрабатывают инженеры и проектировщики. Эти инструкции дают рабочему понять, где и когда использовать ту или иную операцию, как и каким порядком устанавливать детали, а также в какой последовательности и с усилием их затягивать.
Сами "двухтактники" устанавливаются в специальные стенды-кантователи, которые позволяют с большим удобством и правильно, доступно визуально осуществить правильную сборку и протяжку его узлов.
Разработка процесса ремонта ДВС включает в себя не только визуальный осмотр и мойку всего узла в моечной машине, но и разработку карт дефектов деталей, маршрутные карты восстановления и т.д.
Именно таким образом осуществляет ремонт двухтактных ДВС в производственных условиях АТП.
Недостатки двухтактных двигателей:
1. Больший расход топлива. Напомним, примерный расход можно высчитать по формуле: для двухтактного 300 грамм на одну лошадиную силу, для четырёхтактного 200 грамм.
2. Шумность. На максимальных оборотах двухтактные двигатели как правило работают немного громче четырёхтактных.
3. Комфорт. Четырёхтактные двигатели внутреннего сгорания не так вибрируют на малых оборотах (касается только двухцилиндровых двигателей — одноцилиндровые двух и четырёхтактные вибрируют примерно одинаково) и не так дымят как двухтактные.
4. Долговечность. Довольно спорный пункт. Бытует мнение, что двухтактные двигатели менее долговечны. С одной стороны это понятно, потому как масло для смазки трущихся элементов двигателя подается вместе с бензином, а значит работает не так эффективно в отличие от четырёхтактных двигателей где трущиеся элементы буквально плавают в масле. Но с другой стороны четырёхтактный двигатель по конструкции намного сложнее конкурента, состоит значительно большего числа деталей, а золотой принцип механики “Чем проще тем надежнее” еще никто не отменял.
5. Высокая температура и перегрев отдельных деталей, за счет более частой вспышки рабочей смеси в цилиндрах. Требуется более интенсивное охлаждение.
6. Повышенный расход воздуха (двухкратный), что приводит к быстрому выходу из строя фильтров системы очистки воздуха. Такая проблема была у танков Т-64 и Т-80УД (Т-84).
Преимущества 2-х тактных ДВС:
1. Более высокая мощность на единицу рабочего объёма, примерно на 50-70%.
2. Более простая конструкция с отсутствием (у дизеля частично) газораспределительного механизма.
3. Более плавная работа с минимум вибраций по сравнению с 4-х тактами.
4. Большая равномерность хода, за счет крутящего момента по углу поворота коленчатого вала, который изменяется более плавно.
Вывод
Двигатели вполне себе работоспособны и имеют высокую мощность и ремонтопригодность, просты в эксплуатации и более надежны за счет меньшего количества деталей. Однако работы над этим типом двигателя практически прекращены из-за экологической повестки ООН. Двигатель плохо изучен, осталось множество нерешенных задач, кто знает каким бы он был сейчас, если бы не игры с "углеродным следом".