Перечислите последовательность процессов рабочего цикла двухтактного двигателя кратко опишите их

Обновлено: 04.07.2024

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) широко используются в разных сферах человеческой жизни. Однако не все они работают одинаково. Между ними есть одно принципиальное отличие. В зависимости от конструкции рабочий цикл двигателя может состоять из двух или четырёх тактов. Поэтому и называется он соответственно двухтактным двигателем или четырехтактным. Это справедливо как для бензинового мотора, так и для дизеля.

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.

Двухтактный двигатель: принцип работы

В двигателе двухтактного типа процесс зажигания воспроизводится при каждом совершении оборота коленчатого вала, именно по этой причине по показателю мощности они в несколько раз превосходят четырёхтактные, в которых имеется особая смесь, идущая главным образом через обороты.
Четырёхтактные моторы намного тяжелее и тратят наибольшее количество энергии. В большинстве случаев их используют на автомобилях и особой технике, в то время как на остальном оборудовании таком, как мотороллеры, газонокосилки, а также лёгкие разновидности катеров, в большинстве случаев можно заметить более компактные двухтактные разновидности устройств.
А вот бензиновый генератор, к примеру, можно легко найти как двухтактной, так и четырёхтактной разновидности. Двигатель в скутере также может заключать в себе совершенно любой двигатель. Принцип функционирования такого оборудования главным образом заключает в себя одни и те же процессы, отличие будет заключено лишь в способе и эффективности общего преобразования энергии.

Работа двухтактного двигателя внутреннего сагорания

Как уже понятно из названия, такой двигатель имеет всего два рабочих такта, которые будут описаны ниже.

Процессы, протекающие в цилиндрах двигателя при его работе, повторяются циклично. Одним таким рабочим циклом считается совокупность тактов (впуск топливовоздушной смеси, сжатие, воспламенение и расширение газов, а также выпуск продуктов сгорания), обеспечивающая переход тепловой энергии, выделяемой при воспламенении одной порции смеси, непосредственно в работу. О том, что представляют собой рабочие циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания, пойдет речь далее.

Что такое мертвые точки и такты ДВС

Количество этапов, входящих в один рабочий цикл ДВС (двигателя внутреннего сгорания), принято считать исходя из числа ходов поршня в цилиндре. Такие этапы получили название такты двигателя. Непосредственно ход поршня определяется его перемещением из одной крайней точки в другую. Они получили наименование мертвые, поскольку если в такой точке произойдет остановка поршня, он не сможет начать движение без внешнего воздействия. Простыми словами мертвые точки – это позиции, при которых движение в текущем направлении поршня прекращается и он начинает обратный ход.

Существуют две мертвые точки:

Нижняя (НМТ) – положение, при котором расстояние между поршнем и осью вращения коленвала минимально.
Верхняя (ВМТ) – положение, при котором цилиндр находится на максимальном удалении от оси вращения коленвала двигателя.

В англоязычной документации ВМТ обозначается как TDC (Top Dead Centre), А НМТ – BDC (Bottom Dead Centre).

Существуют двигатели, рабочий цикл которых может состоять из двух, а также из четырех тактов. Исходя из этого их разделяют на двухтактные и четырехтактные моторы.

Как работает четырехтактный двигатель

Конструктивно рабочий цикл типового четырехтактного агрегата обеспечивается работой следующих элементов:

цилиндр;
поршень – выполняет возвратно-поступательные движения внутри цилиндра;
клапан впуска – управляет процессом подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания;
клапан выпуска – управляет процессом выброса отработавших газов из цилиндра; – осуществляет воспламенение образовавшейся топливовоздушной смеси;
коленчатый вал;
распределительный вал – управляет открытием и закрытием клапанов;
ременной или цепной привод;
кривошипно-шатунный механизм – переводит движение поршня во вращение коленчатого вала.

Рабочий цикл такого механизма состоит из четырех тактов, в ходе которых реализуются следующие процессы:

Впуск (нагнетание топлива и воздуха). В начале цикла поршень находится в ВМТ. В момент, когда коленвал начинает вращаться, он воздействует на поршень и переводит его в НМТ. Это приводит к образованию разрежения в камере цилиндра. Распредвал воздействует на клапан впуска, постепенно открывая его. Когда поршень оказывается в крайнем положении клапан полностью открыт, в результате чего происходит интенсивное нагнетание топлива и воздуха в камеру цилиндра.
Сжатие (увеличение давления горючей смеси). На втором этапе поршень начинает обратное перемещение к верхней мертвой точке такта сжатия. Коленвал совершает еще один поворот, а оба клапана полностью закрыты. Внутреннее давление увеличивается до величины 1,8 МПа и повышается температура горючей смеси до 600 С°.
Расширение (рабочий ход). При достижении верхней позиции поршнем в камере сгорания устанавливается максимальная компрессия до 5 МПа и срабатывает свеча зажигания. Это приводит к возгоранию смеси и увеличению температуры до 2500 С°. Давление и температура приводят к интенсивному воздействию на поршень, и он начинает вновь перемещаться к НМТ. Коленвал совершает еще поворот, и таким образом, тепловая энергия переходит в полезную работу. Распредвал открывает выпускной клапан, и при достижении поршнем НМТ он полностью раскрыт. В результате отработавшие газы начинают постепенно выходить из камеры, а давление и температура снижаются.
Выпуск (удаление отработавших газов). Коленвал двигателя поворачивается, и поршень начинает движение в верхнюю точку. Это приводит к выталкиванию отработавших газов и еще большему снижению температуры и уменьшению давления до 0,1 МПа. Далее, начинается новый цикл, в ходе которого указанные процессы вновь повторяются.

В ходе каждого такта коленчатый вал двигателя совершает поворот на 180°. За полный рабочий цикл коленвал поворачивается на 720°.

Четырехтактный двигатель получил широкое распространение. Он может работать как с бензином, так и с дизельным топливом. Отличием рабочего цикла для дизеля является то, что воспламенение топливовоздушной смеси происходит не от искры, а от высокого давления и температуры в конечной точке такта сжатия.

Особенности работы двухтактных моторов

Основой того, чем отличается двухтактный двигатель от четырехтактного, можно назвать тот факт, что в первом за один рабочий цикл коленвал совершает два оборота, а во втором весь рабочий цикл укладывается в один оборот коленвала (360°). Поршень при этом совершает лишь два хода. Процессы, происходящие в камере сгорания в течение рабочего цикла у двухтактного мотора, не отличаются от четырехтактных, но впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов выполняются одновременно с тактами сжатия и расширения.

Процесс одновременного удаления отработавших газов и нагнетания в цилиндр свежего заряда, происходящий в двухтактном двигателе, получил название продувка.

Принцип работы простейшего двухтактного двигателя заключается в следующем:

Такт сжатия. В начале цикла поршень находится в НМТ и движется в положение ВМТ такта сжатия. При этом происходит перекрытие окна продувки (впуска), а затем канала выпуска. В момент, когда поршень закрывает окно выпуска, начинается сжатие горючей смеси, и в пространстве под поршнем возникает разрежение. Это обеспечивает нагнетание топлива в камеру через приоткрытый клапан впуска.
Такт расширения (рабочего хода). Когда поршень приближается к ВМТ, происходит срабатывание свечи зажигания, и горючая смесь воспламеняется. Это провоцирует резкое повышение давления и температуры, в результате чего поршень начинает движение вниз. Таким образом, газы совершают полезную работу, а поршень при движении к НМТ увеличивает компрессию топливовоздушной смеси. С ростом давления клапан начинает закрываться и препятствует попаданию горючей смеси во впускной коллектор. При достижении поршнем выпускного окна, происходит открытие последнего, и отработавшие газы удаляются в систему выхлопа. Давление в камере снижается, а дальнейшее движение поршня открывает канал продувки и топливовоздушная смесь подается в камеру, вытесняя отработавшие газы.

В зависимости от того, как реализована система продувки в устройстве двухтактного двигателя, их разделяют на разные типы:

С контурной кривошипно-камерной продувкой. Горючая смесь подается в камеру цилиндра напрямую из картера двигателя. При этом она всасывается в момент движения поршня к ВМТ, а при движении поршня к НМТ обеспечивается продувка за счет избыточного давления.
С клапанно-щелевой продувкой. Применяется для одноцилиндровых двигателей. Газораспределение реализуется путем перекрытия окон, выполненных в стенке цилиндра.
С прямоточной продувкой. В такой конструкции впуск выполняется через специальные продувочные окна, выполненные по окружности цилиндра в его нижней части. В свою очередь, выпуск реализуется через выхлопной клапан.
С использованием продувочных насосов. Применяется на многоцилиндровых двухтактных двигателях. При этом воздух для продувки сжимается специальным компрессором.

В отличие от четырехтактного, двухтактный двигатель не имеет системы газораспределения. Не требуют такие конструкции и организации сложной системы смазки. С другой стороны, четырехтактные моторы более экономичны по расходу топлива, а также меньше подвержены вибрации и обеспечивают более чистый выхлоп.

Рабочий цикл двухтактного двигателя совершается за два хода поршня (такта), т. е. за один оборот коленчатого вала. Это достигается за счет размещения в цилиндре продувочных и выпускных окон или только продувочных окон при наличии выпускного клапана на цилиндровой крышке.

Для очистки цилиндра от отработавших газов и заполнения его свежим зарядом воздуха используется продувочный воздух давлением Рз 1,15 ÷ 1,20 бар, нагнетаемый расположенным на двигателе продувочным насосом.

Рабочие циклы двухтактных двигателей также могут быть быстрого, постепенного и смешанного сгорания (рис. 9).

Схема работы двухтактного бескомпрессорного дизеля и его индикаторная диаграмма приведены на рис. 10.

Двухтактные двигатели могут быть бензиновыми и дизелями. Общим для всех типов двухтактных двигателей является использование потока свежей смеси или воздуха для удаления отработавших газов из цилиндра — так называемой продувки, которая осуществляется различными способами.

Схема устройства и работы двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой изображена на рис.6, а соответствующая индикаторная диаграмма рабочего цикла — на рис.7.

Схема устройства и работы двухтактного двигателя с искровым зажиганием

1 — канал из кривошипной камеры; 2 — продувочное окно; 3 — поршень; 4 — цилиндр;

5 —свеча; 6 — выпускное окно; 7 — впускное окно; 8 — карбюратор; 9 — кривошипная камера

У двигателей этого типа (рис.6) в стенке цилиндра (4) сделаны три окна: впускное (7), продувочное (2) и выпускное (6). Картер (кривошипная камера) (9) двигателя изолирован от атмосферы. К впускному окну (7) присоединен карбюратор (8). Продувочное окно (2) сообщается каналом (1) с кривошипной

камерой (9) двигателя.

Рабочий цикл в двигателе происходит следующим образом.

Поршень (3) движется от н.м.т. к в.м.т. (рис.6, а), перекрывая в начале хода продувочное окно (2), а затем выпускное (6).

После этого в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Изменение давления в цилиндре на данном этапе отображает кривая fa′c на индикаторной диаграмме (рис.7). В это время в кривошипной камере (9) (рис.6, а) создается разрежение. Как только нижняя кромка направляющей части (юбки) поршня откроет впускное окно (7), через него из карбюратора (8) в кривошипную камеру (9) засасывается горючая смесь.

Когда поршень находится близко к в.м.т., сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой свечи (5). При сгорании смеси давление газов (продуктов сгорания) резко возрастает. Повышение давления в цилиндре показывает кривая cz на индикаторной диаграмме (рис.7).

Под давлением газов поршень перемещается к н.м.т. (рис.6, б). В цилиндре происходит расширение газов, которое на индикаторной диаграмме (рис.7) иллюстрирует кривая zb. Как только поршень, двигаясь вниз, закроет впускное окно (7) (рис.6, б), в кривошипной камере (9) начнется сжатие ранее поступившей в нее горючей смеси.

В конце хода поршень открывает выпускное окно (6) (рис.6, в), а затем и продувочное (2). Через открытое выпускное окно отработавшие газы с большой скоростью выходят в атмосферу. Давление в цилиндре быстро понижается. К моменту открытия продувочного окна давление сжатой горючей смеси в кривошипной камере будет выше, чем давление отработавших газов в цилиндре. Поэтому горючая смесь из кривошипной камеры по каналу (1) входит в цилиндр и, заполняя его, выталкивает остатки отработавших газов через выпускное окно наружу. Кривая bаfа′ на индикаторной диаграмме (рис.7) отображает изменение давления в цилиндре во время процессов выпуска и продувки.

Рабочий цикл двухтактного дизеля протекает аналогично рабочему циклу двухтактного карбюраторного двигателя и отличается только тем, что у дизеля в цилиндр поступает не горючая смесь, а воздух, который в результате сжатия нагревается, и впрыснутое форсункой топливо самовоспламеняется.

Чтобы обеспечить хорошую очистку и наполнение цилиндра, в большинстве современных быстроходных двухтактных дизелей применяют специальные продувочные насосы (нагнетатели).

Схема работы двухтактного бескомпрессорного дизеля с нагнетателем изображена на рис.8, а соответствующая индикаторная диаграмма - на рис.9.

Когда поршень (4) (рис.8, а) расположен вблизи н.м.т., продувочные отверстия (6) (окна) открываются и через них в цилиндр (3) из воздушной камеры (2), окружающей цилиндр, под давлением поступает воздух.

В камеру (2) воздух подается нагнетателем (5). В это время открыт выпускной клапан (1), и воздух, вытесняя из цилиндра отработавшие газы, заполняет цилиндр. Продувка продолжается до тех пор, пока поршень, двигаясь к в.м.т., не перекроет продувочные отверстия.

Затем закрывается выпускной клапан, и поршень сжимает воздух (рис.8, б). На индикаторной диаграмме (рис.9) изменение давления в цилиндре при ходе поршня от н.м.т. до в.м.т. иллюстрируется кривой a'afc, a при сжатии воздуха — кривой fc.

Рис. 8 Схема работы двухтактного дизеля с нагнетателем: 1 — выпускной клапан; 2—воздушная камера: 3 — цилиндр; 4 — поршень; 5 — нагнетатель; 6 — продувочные отверстия; 7 — форсунка

Когда поршень находится около в.м.т., в цилиндр через форсунку (7) впрыскивается распыленное топливо (рис.8, в), которое при соприкосновении со сжатым воздухом воспламеняется. Часть топлива быстро сгорает при постоянном объеме. Повышение давления при этом показано на индикаторной диаграмме (рис.9) в виде кривой cz'. Остальная часть топлива сгорает в начале движения поршня от в.м.т. к н.м.т., поэтому в цилиндре в течение небольшого отрезка времени поддерживается почти постоянное давление. Кривая z'z характеризует процесс предварительного расширения газов.

Индикаторная диаграмма двухтактного дизеля с нагнетателем

Далее при движении поршня к н.м.т давление падает и происходит последующее расширение газов, которое отображается кривой zb. Таким образом, весь процесс расширения газов на индикаторной диаграмме характеризуется кривой z'zb.

В конце хода поршня к н.м.т. открывается выпускной клапан (1) и начинается выпуск отработавших газов (рис.8, г). К тому моменту, когда поршень открывает продувочные отверстия (6), часть отработавших газов уже успевает выйти наружу, давление в цилиндре падает и начинается продувка цилиндра воздухом. Продувка цилиндра продолжается и при последующем перемещении поршня вверх (рис.8, а). Кривая bа′af на индикаторной диаграмме (рис.9) иллюстрирует изменение давления в цилиндре при процессах выпуска газов из цилиндра и продувки его.

В дальнейшем все процессы повторяются в такой же последовательности.

Рис. 10 Контурные схемы продувки цилиндра двухтактного двигателя: а – поперечная продувка; б – петлевая продувка

Различают контурные и прямоточные схемы продувки двухтактных двигателей. В контурных схемах движение потока горючей смеси или воздуха происходит по контуру цилиндра. Эти схемы могут быть с поперечной (рис.10, а) и с петлевой (рис.10, б) продувкой. Управление продувочными и выпускными органами распределения связано с движением поршня.

В прямоточных схемах (см. рис.8) горючая смесь или воздух движется параллельно оси цилиндра, не меняя своего направления. Прямоточная продувка обеспечивает лучшую очистку цилиндра, чем контурная.