Что такое двухтактный двигатель? | Как работает двухтактный двигатель?

Двигатели стали жизненно важной частью всех отраслей промышленности, транспортных средств и домов. Двигатели бывают разных типов, и двухтактный двигатель — один из них. Название двухтактного двигателя означает, что у него два хода поршня. Двухтактный двигатель совершает один энергетический цикл всего за два хода поршня за один оборот коленчатого вала. Его работа противоположна работе 4-тактного двигателя, которому требуется 4 хода поршня для завершения цикла мощности/энергии за два оборота коленчатого вала. В предыдущей статье мы рассмотрели четырехтактный двигатель. Поэтому здесь мы рассмотрим 2-тактный двигатель.

Что такое двухтактный двигатель?

1. Процессы впуска и сжатия завершаются при первом ходе поршня.
2. Процессы питания и выхлопа завершаются во время второго хода поршня.

Тепловой КПД двухтактного двигателя зависит от конструкции и модели автомобиля. Но в целом, двухтактный бензиновый двигатель преобразует только 20% химической энергии (топлива) в механическую энергию. Только 15% этой энергии используется для привода колес автомобиля, а остальные 5% энергии теряются на сопротивление трению и др.

Схема типичного 2-тактного двигателя показана выше. Вместо всасывающего и выпускного клапанов в двухтактном двигателе используются противодавленческие отверстия.

Двухтактные двигатели имеют низкую стоимость, высокую эффективность и малый вес по сравнению с четырехтактными двигателями. Этот тип двигателя IC имеет большую выходную мощность, чем четырехтактный двигатель, который завершает цикл мощности после четырех ходов поршня или двух оборотов коленчатого вала.

Четырехтактные двигатели имеют большие размеры и большой вес, чем двухтактные, потому что четырехтактные двигатели имеют больше деталей, чем двухтактные.

По этим причинам эти двигатели имеют более высокое отношение мощности к весу по сравнению с 4-тактными двигателями. Но они не намного гибче, чем четырехтактные двигатели, а также нуждаются в высокой смазке.

История двухтактного двигателя

1. Шотландский инженер Дугалд Клерк изобрел первый двухтактный двигатель, который имел камеры сжатия. В 1881 году он запатентовал свою модель.
2. Картер двигателя работал за счет использования области под поршнем в качестве подкачивающего насоса. В Великобритании это обычно связано с Днем Иосифа.
3. Немецкий первооткрыватель Карл Бенц 31 декабря 1879 года изготовил двухтактный газовый двигатель, который запатентовал в Германии в 1880 году.
4. Первый практический двухтактный двигатель был разработан йоркширцем Альфредом Ангасом Скоттом . В 1908 году он начал производство двухцилиндровых велосипедов с водяным охлаждением.

В этих двигателях выхлопные газы отдают меньше тепла в систему охлаждения по сравнению с 4-тактными двигателями. Это означает, что больше энергии доступно для работы поршня и, если возможно, турбокомпрессора.

Типы 2-тактных двигателей

1. 2-тактный бензиновый/бензиновый двигатель
2. 2-тактный дизельный двигатель

1) Двухтактный дизельный двигатель

Двухтактный дизельный двигатель работает на основе дизельного цикла. Хьюго Гульднер изобрел двухтактный дизельный двигатель в 1899 году. Двухтактный бензиновый двигатель проще по конструкции, чем двухтактный дизельный двигатель, но сложнее в аэродинамическом и термодинамическом процессах.

Этот тип двигателя внутреннего сгорания используется в качестве основного источника энергии не только в автомобилях, но и во внедорожной технике. Чаще всего эти двигатели используются в высокопроизводительных установках, таких как гидроэлектростанции и суда.

Двухтактный дизельный двигатель продувается свежим воздухом, а не воздушно-топливной смесью. Топливо впрыскивается только после закрытия всех отверстий для предотвращения утечек. Они более эффективны и меньше выбрасывают выхлопных газов по сравнению с 4-тактными дизельными двигателями.

2) Двухтактный бензиновый или бензиновый двигатель

Двухтактный бензиновый двигатель является приоритетным, когда требуется высокая легкость и простота. Он также используется там, где требуется высокое соотношение мощности и веса.

Коммерчески двухтактные дизельные устройства/двигатели недоступны, поскольку они не обеспечивают требуемую степень сжатия.

Принцип работы двухтактного двигателя

• 1-й такт (такты всасывания и сжатия)
• 2-й такт (такт мощности и такт выхлопа)

1) Ход всасывания и сжатия

• В двухтактном двигателе такты всасывания и сжатия происходят одновременно.
• Во время этого такта поршень движется вверх от нижней мертвой точки (BDC) до верхней мертвой точки (TDC).
• Во время этого движения поршня вверх внутри цилиндра сжатия (камеры сгорания) двигателя начинает создаваться вакуум. Вследствие создания такого вакуума воздушно-топливная смесь поступает в цилиндр через впускной канал.
• После процесса всасывания поршень продолжает движение вверх и сжимает воздушно-топливную смесь.
• В конце такта сжатия сжатая смесь воспламеняется благодаря искре, которую обеспечивает свеча зажигания. Когда смесь воспламеняется, начинается рабочий ход поршня.

2) Мощностной и выхлопной ход

• Подобно тактам всасывания и сжатия, такты мощности и выхлопа также происходят одновременно.
• В результате процесса сгорания температура, внутреннее тепло и давление воздушно-топливной смеси становятся очень высокими. Газы под высоким давлением, образующиеся в процессе сгорания, оказывают очень большое усилие на поршень, в результате чего поршень движется вниз (от TDC до BCD).
• Движение поршня вниз вращает коленчатый вал, который далее вращает маховик автомобиля.
• Когда мощность завершена, поршень еще больше перемещается вниз и открывает выпускной клапан.
• Когда выпускной клапан открывается, поршень выталкивает выхлопные газы из камеры сгорания.
• Когда поршень достигает точки BDC, он полностью выпускает отработавшие газы и заполняет камеру сгорания свежей воздушно-топливной смесью, и весь рабочий цикл повторяется. В момент BDC один такт мощности двухтактного двигателя завершен, и теперь поршень готов к следующему такту мощности.

PV-диаграмма двухтактного цикла

PV-диаграмма цикла двухтактного двигателя приведена ниже. В двухтактном двигателе рабочий цикл завершается всего за два хода поршня.

В этом цикле процессы впуска и сжатия происходят одновременно при первом ходе поршня, а процессы питания и выпуска — при втором ходе поршня. Ниже приведено объяснение стадий 2-тактного цикла:

1. Идеальный цикл (зеленая линия): Зеленая линия на приведенной выше диаграмме представляет собой ход всасывания, в то время как у 2-тактного двигателя такого хода нет. Это объясняется тем, что при запуске 4-тактного двигателя поршень тянется вверх, а для всасывания воздушно-топливной смеси поршень нужно тянуть вниз. Однако, как показано на рисунке (линии 1 — 2), двухтактный двигатель может продолжать всасывать воздушно-топливную смесь немедленно.
2. Адиабатическое сжатие (от 1 до 2): На этой стадии впускное отверстие открывается, и поршень движется вниз. Во время движения поршня вниз он сжимает воздушно-топливную смесь. Вследствие этого процесса сжатия температура и давление смеси увеличиваются, но теплообмен не происходит. Поэтому этот процесс известен как адиабатический процесс (без изменения тепла). Когда цикл сжатия почти завершается (в точке 2), свеча зажигания подает искру на сжатую смесь и воспламеняет ее.
3. Изохорический процесс (от 2 до 3): В этой фазе, когда сжатая смесь достигает точки 2 (как показано на диаграмме выше), сжатая воздушно-топливная смесь воспламеняется, так как ее температура, тепловая энергия и давление становятся очень высокими. Но во время этого процесса объем смеси остается постоянным. Поэтому этот процесс известен как изохорный (с одинаковым объемом). Процесс сгорания завершается в точке 3, и в этот момент в смеси накапливается большое количество тепловой энергии и давления, которые используются в такте мощности.
4. Ударная мощность (линия 3 — 4): В этом процессе накопленные тепло и давление (в результате сгорания) в воздушно-топливной смеси толкают поршень вниз, что приводит к дальнейшему движению коленчатого вала. Далее коленчатый вал приводит в движение маховик и двигает автомобиль. Поэтому этот ход называется ходом мощности. Во время этого процесса объем цилиндра сжатия увеличивается.
5. Выхлопной ход (линия 4 — 1): Во время этого процесса движение поршня вниз используется для удаления бесполезного тепла из цилиндра. Когда бесполезное тепло покидает цилиндр, кинетическая энергия молекул теряется из-за снижения давления. Но в двухтактном двигателе нет фазы выхлопа, и процесс начинается снова, поступает новая воздушно-топливная смесь, и весь процесс повторяется.

Части двухтактного двигателя

Двухтактный двигатель состоит из следующих основных компонентов:

1. Цилиндр
2. Головка цилиндра
3. Поршень
4. Поршневые кольца
5. Шатун
6. Картер
7. Коленчатый вал
8. Клапаны
9. Свеча зажигания (для бензинового двигателя)
10. Топливная форсунка (для дизельного двигателя)

1) Цилиндр

Цилиндр двухтактного двигателя изготовлен из чугуна. Этот цилиндр также известен как камера сгорания. Это место, где поршень совершает возвратно-поступательное движение. Благодаря возвратно-поступательному движению поршня воздушно-топливная смесь сжимается в цилиндре. Он имеет впускные и выпускные отверстия.

2) Головка цилиндра

Основная статья: Головка цилиндра

Этот компонент двигателя расположен в верхней части цилиндра двигателя. В случае бензинового двигателя головка цилиндра содержит свечу зажигания. В случае двухтактного дизельного двигателя в ней находится топливная форсунка.

3) Поршень

Это основная часть цилиндра, которая совершает возвратно-поступательное движение внутри камеры сгорания. Он изготовлен из алюминиевого сплава.

4) Поршневые кольца

Каждый поршень двигателя в основном имеет 2 или 3 кольца. Эти поршневые кольца останавливают выход газа под высоким давлением из цилиндра. Оно также помогает поддерживать чистоту стенок цилиндра.

5) Шатун

Основная статья: Шатун

Он изготовлен из алюминиевого или стального сплава и воспринимает легкие и сильные нагрузки. Эта часть двигателя соединяет коленчатый вал и поршень. Один конец шатуна крепится к поршню, а другой — к коленчатому валу. Он направляет движение поршня к коленчатому валу.

6) Картер

Это самая значительная часть двухтактного двигателя. В него входят шатуны, коленчатые валы, смазочные материалы и другие мощные компоненты двигателя. Картеры двигателей изготавливаются чугунным или литым алюминием методом песчаного литья.

7) Коленчатый вал

Основная статья: Коленчатый вал

Для изготовления коленчатого вала двухтактного двигателя используется чугун или кованая сталь. Дизельные двигатели имеют стальные коленчатые валы для снятия напряжения. Этот вал изменяет вертикальное движение поршня, совершающего возвратно-поступательное движение, на вращательное.

8) Порты

В двигателе используются порты для всасывания и выпуска топлива. Эти порты известны как впускные и выпускные.

• Выпускной порт
• Порт передачи
• Впускной порт

9) Свеча зажигания

Свечи зажигания используются только в бензиновых двигателях. Задача этого компонента двигателя внутри цилиндра — воспламенить топливно-воздушную смесь. Она обеспечивает искру для сжатого топлива.

10) Топливный инжектор

В двухтактном или четырехтактном дизельном двигателе топливо распыляется в цилиндре двигателя через форсунку, называемую топливной форсункой. Она устанавливается на головке блока цилиндров.

Применение двухтактного двигателя

These types of IC engines are most commonly used for off-road motorcycles, racing, lawn mowers, bikes, ships .

Преимущества и недостатки двухтактных двигателей

Двухтактный двигатель имеет следующие преимущества и недостатки:

Преимущества двухтактного двигателя

• Он имеет низкую стоимость по сравнению с четырехтактными двигателями.
• Двухтактный двигатель имеет высокую мощность по сравнению с четырехтактным двигателем.
• Они просты в обслуживании.
• Двухтактный двигатель производит постоянный крутящий момент на коленчатом валу двигателя.
• Он имеет более простую конструкцию, чем 4-тактный двигатель.
• Эти двигатели внутреннего сгорания легко запускаются.

Недостатки 2-тактного двигателя

• Он требует высокого уровня охлаждения по сравнению с 4-тактным двигателем.
• Он имеет низкий КПД по сравнению с 4-тактным двигателем.
• У этих двигателей низкий объемный КПД.
• Эти двигатели производят больше загрязнений, чем 4-тактные двигатели.
• Они работают более шумно, чем 4-тактные двигатели.

Раздел часто задаваемых вопросов

Существует ли 2-тактный двигатель?

Двухтактный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания, который использует только 2 хода поршня для рабочего цикла. Он наиболее широко используется в небольших транспортных средствах, таких как мотоциклы, мопеды и т.д.

Нужно ли двухтактному двигателю масло?

Двухтактный двигатель не нуждается в масле.

Почему двухтактные двигатели такие быстрые?

Двухтактный двигатель имеет меньшее количество деталей, чем четырехтактный. Он завершает рабочий цикл всего за 2 хода поршня вместо 4. По этой причине он такой быстрый.

Сколько тактов в двухтактном двигателе?

Название двухтактного двигателя означает, что для завершения рабочего цикла он использует только два хода поршня.

Являются ли двухтактные двигатели более мощными?

Четырехтактный двигатель создает наибольший крутящий момент на высокой скорости, а двухтактный — на низкой. Двухтактные двигатели имеют простую конструкцию и быстро работают. Поэтому они более мощные.

Что произойдет, если не заливать масло в двухтактный двигатель?

Если ваш 2-тактный двигатель работает со слишком малым количеством масла, это может привести к повреждению оборудования. Масло очень важно для смазки, потому что оно охлаждает цилиндр и поршни, снижая их температуру. Если ваш двигатель не смазывается должным образом, расплавы могут расплавить и смазку, и повредить друг друга, в результате чего металлы будут двигаться друг против друга и постоянно деформироваться.

Двухтактный или четырехтактный двигатель быстрее?

В случае двигателя движение поршня называется ходом поршня. У 2-тактного внедорожника два разных движения поршня, а у 4-тактного — четыре. 2-тактный, как правило, более несбалансирован и быстрее разгоняется, а 4-тактный имеет более высокую максимальную скорость и устойчивость, и максимальная скорость будет выше.

Заключение

Двухтактные двигатели имеют некоторые преимущества, в первую очередь для езды по тропам, где их легкий вес является большим плюсом. У них есть и минусы по сравнению с 4-тактными двигателями, такие как большая отдача, узкий диапазон мощности, плохой пробег на бензине и необходимость довольно частого ремонта (что, к счастью, несложно). 2-тактный двигатель используется в бензопилах, газонных инструментах, автомобилях с дистанционным управлением, мотоциклах, лодочных моторах и т.д….