Что такое рабочий цикл двигателя

Рабочий цикл — двухтактный двигатель

Рабочий цикл двухтактных двигателей во многом зависит от герметичности кривошипной камеры. Картеры двигателей моторных колясок должны быть непроницаемыми для воздуха и рабочей смеси. Для обеспечения герметичности кривошипной камеры на коренные пальцы коленчатого вала установлены сальники. Между корпусом левого сальника и картером имеется бумажная прокладка; корпус сальника закреплен четырьмя винтами. С правой стороны картера между ролико — и шарикоподшипниками установлены два сальника. Кривошипная камера сообщается с атмосферой через карбюратор.
 

Рабочий цикл двухтактного двигателя совершается за два такта — расширения и сжатия — и за один оборот коленчатого вала или за два хода поршня.
 

Рабочий цикл двухтактного двигателя состоит из двух совершенно необходимых тактов: сжатия и расширения.
 

Протекание рабочих циклов разных карбюраторных двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой сильнее различается, чем рабочие циклы четырехтактных двигателей.
 

Поэтому весь рабочий цикл двухтактного двигателя полностью совершается за один оборот вала.
 

Из рассмотрения рабочего цикла двухтактного двигателя ( индикаторная диаграмма на рис. 5, а) видно, что на части хода поршня, когда происходит газообмен, полезная работа не совершается. Объем Vn, соответствующий этой части хода поршня, называется потерянным.
 

На рис. 4 показан рабочий цикл двухтактного двигателя.
 

У двухтактных ДВС рабочий цикл совершается в течение двух ходов поршня ( тактов) или за один оборот коленчатого вала. В рабочем цикле двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой участвует и картер, который так же, как цилиндр, выполняют герметичным. В двухтактных двигателях, как правило, клапаны отсутствуют, но вместо них имеются впускные, перепускные и выпускные окна, закрываемые и открываемые в определенные моменты времени поршнем двигателя.
 

Таким образом, в двухтактном двигателе впуск горючей смеси или воздуха и выпуск продуктов сгорания не являются самостоятельными тактами. Они осуществляются в то время, когда происходят основные такты сжатия и расширения, поэтому весь рабочий цикл двухтактного двигателя совершается за один оборот коленчатого вала.
 

Таким образом, в двухтактном двигателе-впуск и выпуск не являются самостоятельными тактами. Они входят в основные такты расширения и сжатия. Поэтому весь рабочий цикл двухтактного двигателя совершается за один оборот вала.
 

Таким образом, в двухтактном двигателе впуск горючей смеси и выпуск продуктов сгорания не являются самостоятельными тактами. Они осуществляются в картере в то время, когда основные такты сжатия и расширения происходят в верхней части цилиндра. Поэтому весь рабочий цикл двухтактного двигателя полностью совершается за один оборот вала.
 

В четырёхтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом.

— Такт впуска

Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива.- Такт расширения, или рабочий ход
При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом высокого давления (ТНВД). Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход.- Такт выпускаПоршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

На этом видео показана работа реального двигателя. Камера встроена в цилиндр блока.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Четырехтактным называется такой поршневой двигатель, в котором один рабочий цикл состоит из четырёх тактов. Они имеют следующие названия:

За один цикл поршень два раза двигается от ВМТ к НМТ и обратно, а коленчатый вал проворачивается на два полных оборота. События, которые происходят за это время в двигателе, имеют чётко определённую последовательность.

Впуск. Поршень перемещается вниз, к НМТ. Под ним образуется разрежение, благодаря которому через открытую тарелку впускного клапана из впускного коллектора в цилиндр затягивается топливо, смешанное с воздухом. Поршень проходит нижнюю мёртвую точку, после чего впускной клапан закрывает впускной коллектор.

Такт сжатия. Продолжающий двигаться вверх поршень сжимает воздушную смесь.

В верхней мёртвой точке над поршнем происходит поджог горючей смеси. Сгорая, оно вызывает значительное увеличение давления на поршень. Начинается такт рабочего хода. Под действием давления сгорающих газов поршень снова движется к НМТ, выполняя при этом полезную работу.

Затем снова начинается такт впуска и так бесконечно.

Основные отличия между двухтактным и четырехтактным ДВС

Одно из основных отличий рассматриваемых агрегатов в наличии газораспределительного механизма на 4-тактном моторе. На 2-тактных устройствах газораспределительного механизма нет. Вместо него имеются отверстия в стенках цилиндра, через которые и происходит подача готовой топливно-воздушной смеси, а также отвод выхлопных газов.

ГРМ не только увеличивает вес и размер двигателя, но еще и существенно влияет на его стоимость. Отсутствие ГРМ приводит к тому, что двигатель имеет только два цикла работы. Наличие каналов в стенках цилиндра приводит к увеличенному износу колец и поршня двигателя. Именно поэтому двухтактные двигатели имеют небольшой ресурс работы. Далее рассмотрим конструктивные отличия между 2-тактным и 4-тактным моторами.

1. Потребление топлива — несмотря на то, что двухтактный агрегат имеет простое строение, в плане потребления бензина он проигрывает четырехтактному. Связано это с количеством тактов. В то время, как 4-цикловый агрегат совершает 2 оборота коленчатого вала, потребляя при этом одну порцию топлива, двухтактный двигатель при этом делает только один оборот. Увеличение расхода топлива составляет примерно 1,5 раза. Кроме того, не стоит забывать, что 2-тактный агрегат имеет несовершенную систему, и в процессе работы наблюдается потеря топливной смеси, выбрасываемой в глушитель. Это часть смеси, которая «вылетает в трубу» при движении поршня вверх в момент сжатия
2. Тип топлива — моторы 4-тактного типа работают на чистом бензине, который в карбюраторе смешивается с воздухом. Агрегаты 2-тактного типа работают на смеси масла с бензином. Использование чистого бензина недопустимо, что повлечет за собой быстрый выход из строя цилиндропоршневой группы
3. Система смазки — многие знают, что именно по этому принципу рассматриваемые агрегаты отличаются. В 4-тактном моторе имеется отдельная система смазки, состоящая не только из емкости, но еще и масляного насоса, фильтров и трубопроводной магистрали. Система смазки не взаимосвязана с механизмом подачи топлива, что говорит не только об эффективности, но и продолжительном сроке службы. Двухтактные моторы работают на бензине с маслом. Пропорции смешивания бензина с маслом для бензопилы и бензокосы описаны на сайте. Бензин вместе с малом подается в двигатель, где осуществляется смазка механизма. Стоит отметить, что далеко не все двухтактные моторы имеют общую систему смазки, но встречаются еще и агрегаты с раздельным механизмом, где смешивание происходит автоматически в зависимости от количества оборотов
4. Тип смазывающих веществ или отличие масла для двухтактного мотора от 4-тактного. Для двухтактных двигателей используются специальные масла «сгорающего» типа. Это масло смешивается с бензином, и попадают в систему КШМ, обеспечивая смазку движущихся деталей. После этого масло в составе с бензином поступает в цилиндр, где воспламеняется и сгорает. Это масло называется двухтактным, и выпускается оно красного или зеленого цвета. Цвет не играет большой роли, и говорит о применении присадок в составе. Четырехтактные моторы работают на чистом бензине, так как они имеют отдельный механизм, отвечающий за смазку КШМ. В таких моторах используется обычное моторное масло, которое нельзя смешивать с бензином, и заливать в двухтактные агрегаты. Это приведет к быстрому засорению электродов свечи и выходу из строя ДВС. Получается, что отличие масла для двухтактных двигателей от четырехтактных заключается в консистенции и составе. На 2-цикловых ДВС используются сгораемые типы масел, которые перед тем, как сгореть, смазывают всю систему

По системе смазки четырехтактных двигателей нужно отметить, что они бывают двух типов — с сухим и мокрым картером. Различаются они по способу смазки. В мокром типе происходит подача масла из картера на КШМ. Насос перекачивает масло из картера, являющегося частью двигателя.

На ДВС с сухим картером используется отдельный бак с маслом. Из него масло насосом перекачивается в систему КШМ, обеспечивая смазку деталей. Скапливающееся масло обратно транспортируется в бак при помощи дополнительного насоса.

Зная основные конструктивные и принципиальные отличия рассматриваемых механизмов, следует разобраться с их достоинствами и недостатками, которые имеются у обоих вариантов.

Четырехтактный двигатель его устройство и как он работает

Агрегаты четырехтактного типа имеют более сложное строение, но при этом они отличаются высокой производительностью и большим сроком службы. Их работа состоит из 4 циклов, о чем упоминалось выше. Это такт впуска топливной смеси, ее сжатие, рабочий ход и выпуск сгоревших газов. В отличие от двухтактных, на 4-х тактных моторах имеется масляный картер, посредством которого осуществляется смазывание вращающихся и трущихся деталей. Чтобы понимать, о чем идет речь, ниже представлена схема устройства четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.

На схеме выше обозначены основные конструктивные элементы двигателя внутреннего сгорания 4-тактного типа:

1. Цилиндр — основание, в котором осуществляется перемещение поршня
2. Поршень — главный рабочий элемент всех двигателей внутреннего сгорания. Поршень имеет кольца, посредством которых обеспечивается сжатие топливной смеси
3. Шатун — соединительный элемент между коленчатым валом и поршнем
4. Коленчатый вал — находится в кривошипно-шатунной камере
5. Палец шатуна — соединительный элемент между коленчатым валом и шатуном
6. Камера сгорания — в этой камере происходит сжатие топлива и его воспламенение
7. Впускной клапан — при его открытии в камеру сгорания поступает топливная смесь из карбюратора
8. Выпускной клапан — открывается для выведения выхлопных газов из камеры сгорания
9. Свеча зажигания — воспламеняет топливную смесь

Принцип работы аналогичен с двухтактными моторами, но есть некоторые отличительные особенности. Рассмотрим далее принцип работы четырехтактного мотора по циклам.

Первый такт. Транспортировка воздушно-топливной смеси в камеру сгорания выполняется при открытии впускного клапана. Поршень при этом находится в верхней мертвой точке. Открытие клапана выполняется посредством кулачков газораспределительного механизма. Засасывание топливной смеси происходит до момента, пока поршень не достигнет нижней мертвой точки. Коленчатый вал при этом совершает пол оборота.

Второй такт. Начинается он с того, что поршень движется с нижней мертвой точки в верх. При этом осуществляется сжатие поступившей на предыдущем этапе топливно-воздушной смеси. Как только поршень достигает верхней мертвой точки, возникает искра, создаваемая свечой зажигания. Вместе с первым тактом, коленчатый вал совершает один оборот.

Третий такт. От силы давления, сформировавшегося от сжигания смеси, обеспечивается перемещение поршня из верхней мертвой точки в нижнюю. Такое перемещение поршня после сгорания газов называется рабочим ходом. Выхлопные газы на третьем этапе находятся в камере до момента, пока поршень не достигнет нижней мертвой точки. После этого начинается завершающий этап.

Четвертый такт. Поршень перемещается с нижней мертвой точки в верхнюю, тем самым осуществляя высвобождение камеры сгорания от находящихся в ней выхлопных газов. Для этого происходит открытие выпускного клапана, который также при помощи кулачка соединен с газораспределительным механизмом. После этого цикл повторяется.

Анимированное изображение принципа работы четырехтактного двигателя показано на схеме ниже.

Четырехтактные моторы являются более совершенными, выносливыми и надежными по сравнению с двухтактными.

Конструктивные и эксплуатационные отличия четырехтактных двухтактных бензиновых двигателей

Главное отличие четырехтактного двигателя от двухтактного обусловлено разными механизмами газообмена, а именно: удалением отработанных газов и подачей топливно-воздушной смеси в цилиндр.

Процессы заполнения цилиндра и его очистки в четырехтактном двигателе происходят с помощью газораспределительного специального механизма, который в определенное время открывает и закрывает рабочий цикл.

Очистка цилиндра и его заполнение в двухтактном двигателе выполняется в одно время с с расширением и сжатием при нахождении поршня поблизости мертвой нижней точки. В стенках цилиндра для этого имеется два отверстия: продувочное или впускное и выпускное. Через выпускное отверстие поступает топливная смесь, и выходят отработанные газы.

Основные отличия двухтактных и четырехтактных двигателей:

1. Литровая мощность. В четырехтактном двигателе на два оборота коленчатого вала приходится один рабочий ход. Поэтому теоретически двухтактный двигатель должен иметь литровую мощность вдвое больше, чем четырехтактный. Но на практике превышение составляет около 1,8 раза, благодаря использованию поршня при расширении хода, а также наличия худшего механизма освобождения цилиндра от отработанных газов и больших затрат на продувку части мощности.
2. Потребление топлива. Двухтактный двигатель превосходит четырехтактный в удельной и литровой мощности, но уступает в экономичности. Отработанные газы вытесняются воздушно — топливной смесью, которая поступает в цилиндр из шатунно-кривошипной камеры. Часть топливной смеси при этом поступает в выхлопные каналы и удаляется с отработанными газами.
3. У двухтактного и четырехтактного двигателей принцип смазки двигателя существенно отличается. Двухтактные модели характеризуются необходимостью смешивания бензина с моторным маслом в определенных пропорциях. Масляная воздушно-топливная смесь циркулирует в поршневой и кривошипной камерах, смазывая подшипники коленчатого вала и шатуна. Мельчайшие капли масла при возгорании топливной смеси сгорают вместе с бензином. Продукты сгорания уходят вместе с отработанными газами.

Смешивают бензин с маслом двумя способами. Это может быть простое перемешивание, которое проводится перед тем, как залить в бак топливо и раздельная передача. Во втором случае масляно-топливная смесь образуется во впускном патрубке, расположенном между цилиндром и карбюратором.

Двигатель в последнем случае оснащен масляным бачком с трубопроводом, соединенным с плунжерным насосом. Насос подает масло во впускной патрубок в том количестве, которое необходимо. Производительность насоса зависит от того, как расположена ручка подачи «газа». Поступление масла тем больше, чем больше подается топливо. Более совершенной является раздельная система смазки двухтактного двигателя. Отношение бензина к маслу при ней может достигать 200:1. Это приводит к снижению расхода масла и к уменьшению дымности. Такую систему используют, например, на современных скутерах.

В четырехтактных двигателях бензин с маслом не смешивают, а подают отдельно, для чего двигатели имеют классическую систему смазки, которая состоит из фильтра, масляного насоса, трубопроводной магистрали и клапанов. В качестве масляного бачка может выступать картер двигателя (смазка с «мокрым «картером) либо отдельный бачок («сухой» картер).

В первом случае насос всасывает из поддона масло, направляет его во входную полость, а затем по каналам -к деталям шатунно-кривошипной группы, к подшипникам коленвала и газораспределительному механизму.

В случае смазки с «сухим» картером масло заливают в бочок. Оттуда оно при помощи насоса попадает к трущимся поверхностям. Стекающую в картер часть масла откачивают дополнительным насосом и возвращают в бачок.

Для очищения масла от разных продуктов износа двигатель имеет фильтр. Кроме того при необходимости устанавливают охлаждающие фильтра, потому как температура масла в процессе работы может очень сильно подниматься.

Создание двухтактного двигателя

Много предположений о том, кто первым создал двигатель внутреннего сгорания. Доподлинно известно, что первый двухтактный двигатель, работающий на газу, изобретен и сконструирован бельгийцем Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром, произошло это событие в 1858 году.

Двигатель Ленуара (выставлен в музее)

На тот момент уже создана паровая машина, и изобретение бельгийца превосходило её по характеристикам. Мотор намного легче, проще, потреблял меньше топлива. Несмотря на преимущества, силовая установка имела много недоработок и уступала в надёжности. После того как Николас Отто, презентовал четырёхтактный двигатель, который на тот момент продуман детальней, о моторе работающем по принципу двух тактов, забыли, и длительный период времени нигде не использовали.

Во время Великой Отечественной войны силовая установка устанавливалась на самолёты. В нашем регионе моторы известны благодаря использованию на мотто технике. Трёхцилиндровые агрегаты, выполняющие два такта, используются на мотоциклах компаний Suzuki и Kawasaki. Сегодня двигатели эксплуатируются в авиации, здесь лидер австрийская фирма Rotax, выпускающая моторы для использования на небольших самолетах.

Двухтактный двухцилиндровый двигатель Rotax 582 UL

После ужесточения требований к экологическим нормам и выбросам двухтактный двигатель перестал применяться для установки на классический автомобильный транспорт. Однако, на лёгкой технике, как: скутера, снегоходы, катера заменить маленький и лёгкий агрегат не просто. Здесь конкурентов у двухтактной установки попросту нет.

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.

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.

Далее цикл повторяется.

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 DioZX 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.

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?

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.

Третий такт — рабочий ход.

В конце такта сжатия (20—30 градусов угла поворота коленчатого вала ло прихода поршня в ВМТ) с помощью насоса через форсунку в цилиндр под высоким давлением (15—20 МПа) в мелкораспыленном виде впрыскивается порция топлива. Топливо от соприкосновения с нагретым воздухом испаряется, его пары перемешиваются с нагретым воздухом и воспламеняются. При сгорании топлива, вследствие подвода большого количества теплоты, резко увеличиваются лишение и температура образовавшихся газов. В начале такта расширения давление газов составляет 7—8 МПа. а температура 2100—2300 К. Под действием давления поршень перемешается от ВМТ к НМТ, совершая полезную работу. Объем цилиндра увеличивается, давление и температура газов снижаются и при подходе поршня к НМТ составляют 0,2-0,4 МПа .

Отличие двухтактного двигателя от четырёхтактного

Авто владельцы задаются вопросом: что лучше двухтактный или четырехтактный двигатель. Однозначного ответа нет, у каждого механизма положительные и отрицательные стороны, зависящие от предъявляемых к мотору требований.

Казалось бы, мощность мотора выполняющего два такта, в сравнении с равнозначным мотором, выполняющим четыре такта, больше, а значит он лучше. Однако, реальность сложней. На практике, возникают дополнительные утраты: частичное попадание и смешивание газовой отработки со свежим горючим, выброс части топлива при продувке. Результат, при выполнении одинакового цикла, агрегат, выполняющий два такта, по показателю экономичности уступает агрегату с четырьмя тактами.

Различен способ смазки силовых установок на четыре и два такта. Установка на два такта смазывается посредством смешивания масла для мотора и бензина. В четырёхтактном агрегате предусмотрен механизм смазки с использованием насоса, который расходует масла столько, сколько требует эксплуатация установки.

Двухтактные моторы не имеют клапанов, роль детали играет поршень, он открывает и закрывает отверстия впуска и выпуска. Отсутствие механизмов газораспределения упрощает силовой агрегат, делая обслуживание простым. Мощность установки, выполняющей два такта, считается выше, так как её цикличность выше. Однако, не полностью используя поршневой ход, потери мощности при продувке и остатках отработанных газов снижают показатель мощности.

Что бы было легче определить, какой двигатель лучше, двухтактный или четырёхтактный, представим краткое описание обоих силовых установок в виде таблицы:

Применять двигатель, выполняющий два такта при работе, целесообразно в моменты, когда речь не идёт об экономии топлива и смазки, а на первом месте стоят габариты и вес установки.

В то же время, в конструкции двухтактного двигателя кроется потенциал, который никак не удается реализовать на практике. Расчетный показатель мощности и экономичности в этом агрегате высок, сложность реализовать возникает из-за тонкости настроек. Возможно, в скором будущем благодаря применению электронных датчиков и механизмов контроля и настроек, двухтактным агрегатам удастся занять лидирующие позиции на автомобильном рынке.