Двотактний двигун - поршневий двигун внутрішнього згоряння в якому робочий процес в кожному з циліндрів відбувається за один оборот колінчастого валу, тобто за два ходи поршня. Такти стиснення і робочого ходу в двотактному двигуні відбуваються так само, як і в чотиритактному, але процеси очищення і наповнення циліндра суміщені і здійснюються не в рамках окремих тактів, а за короткий час, коли поршень знаходиться поблизу нижньої мертвої точки, за допомогою допоміжного агрегату - продувочного насоса.
У зв'язку з тим, що в двотактному двигуні при рівній кількості циліндрів і числі оборотів колінчастого вала робочі ходи відбуваються вдвічі частіше, літрова потужність двотактних двигунів вище ніж чотиритактних - теоретично в два рази, на практиці в 1,5-1,7 рази, так як частина корисного ходу поршня займають процеси газообміну, а сам газообмін менш досконалий ніж у чотиритактних двигунів.
Взагалі-то існує два основних типи двигунів: двотактні і чотиритактні. У двотактних двигунах все робочі цикли (процеси впуску паливної суміші, випуску відпрацьованих газів, продувки) відбуваються протягом одного обороту коленвала за два основних такту. У двигунів такого типу відсутні клапани (як в чотиритактних ДВЗ), їх роль виконує поршень, який при своєму переміщенні закриває впускні, випускні і продувні вікна. Тому вони більш прості в конструкції.
Потужність двотактного двигуна при однакових розмірах циліндра і частоті обертання валу теоретично в два рази більше чотиритактного за рахунок більшої кількості робочих циклів. Однак неповне використання ходу поршня для розширення, найгірше звільнення циліндра від залишкових газів і витрати частини вироблюваної потужності на продувку призводять практично до збільшення потужності тільки на 60. 70%.
Пристрій і принцип дії
двотактного двигуна внутрішнього згоряння
Отже, розглянемо конструкцію двотактного ДВС, показану на малюнку 1:
Двигун складається з картера, в який на підшипниках з двох сторін встановлено колінчастий вал і циліндра. Усередині циліндра рухається поршень - металевий стакан, оперезаний пружними кільцями (поршневі кільця), вкладеними в канавки на поршні. Поршневі кільця не пропускають газів, що утворюються при згорянні палива, в проміжку між поршнем і стінками циліндра. Поршень забезпечений металевим стрижнем - пальцем, він з'єднує поршень з шатуном. Шатун передає прямолінійний зворотно-поступальний рух поршня в обертальний рух колінчастого вала.
Мастило всіх труться, і підшипників всередині двотактних двигунів відбувається за допомогою паливної суміші, в яке підмішано необхідну кількість масла. З малюнка 1 видно, що паливна суміш (жовтий колір) потрапляє і в кривошипну камеру двигуна (це та порожнину, де закріплений і обертається колінчастий вал), і в циліндр. Мастила там ніде немає, а якби й була, то змилася паливною сумішшю. Ось з цієї причини масло і додають в певній пропорції до бензину. Тип масла використовується спеціальний, саме для двотактних двигунів. Воно повинне витримувати високі температури і згораючи разом з паливом залишати мінімум зольних відкладень.
Тепер про принцип роботи. Весь робочий цикл в двигуні здійснюється за два такти.
1. Такт стиснення. Поршень переміщається від нижньої мертвої точки поршня (в цьому положенні поршень знаходиться на рис. 2, далі це положення називаємо скорочено НМТ) до верхньої мертвої точки поршня (положення поршня на рис.3, далі ВМТ), перекриваючи спочатку продувні 2, а потім випускне 3 вікна. Після закриття поршнем випускного вікна в циліндрі починається стиск раніше надійшла в нього горючої суміші. Одночасно в кривошипно камері 1 внаслідок її герметичності і після того як поршень перекриває продувні вікна 2, під поршнем створюється розрядження, під дією якого з карбюратора через впускний вікно і відкривається клапан надходить горюча суміш в кривошипну камеру.
2. Такт робочого ходу. При положенні поршня близько ВМТ стисла робоча суміш (1 на рис. 3) запалюється електричною іскрою від свічки, в результаті чого температура і тиск газів різко зростають. Під дією теплового розширення газів поршень переміщується до НМТ, при цьому розширюються гази здійснюють корисну роботу. Одночасно, опускаючись вниз, поршень створює високий тиск в кривошипно камері (стискаючи паливо-повітряну суміш в ній). Під дією тиску клапан закривається, не даючи таким чином горючої суміші знову потрапити у впускний колектор і потім в карбюратор.
Коли поршень дійде до випускного вікна (1 на рис. 4), воно відкривається і почнеться випуск відпрацьованих газів в атмосферу, тиск в циліндрі знижується. При подальшому переміщенні поршень відкриває продувні вікно (1 на рис. 5) і стисла в кривошипно камері горюча суміш надходить по каналу (2 на рис. 5), заповнюючи циліндр і здійснюючи продування його від залишків відпрацьованих газів.
Далі цикл повторюється.
Варто згадати про принцип запалювання. Так як паливної суміші потрібен час для займання, іскра на свічці з'являється трохи раніше, ніж поршень досягає ВМТ. В ідеалі, чим швидше руху поршня, тим раніше має бути запалювання, тому-що поршень від моменту іскри швидше доходить до ВМТ. Існують механічні та електронні пристрої, що змінюють кут запалювання в залежності від оборотів двигуна.
Переваги і недоліки
Двотактні двигуни мають порівняно з четирехтактнимі наступними перевагами:
· Потужність двотактних двигунів при інших рівних умовах значно вище потужності чотиритактних двигунів. Теоретична потужність двотактного двигуна повинна в два рази перевищувати потужність чотиритактного двигуна, так як робочий цикл двотактного двигуна відбувається не за два, а за один оборот колінчастого валу. Однак через винесення частини горючої суміші разом з продуктами згорання і недосконалою очищення циліндрів фактичне збільшення потужності становить тільки 50 - 70%.
· Двотактні двигуни забезпечують більшу рівномірність ходу, так як кожен робочий хід у них відбувається за один оборот валу.
· Двотактні двигуни мають менші габарити і вага.
Основні недоліки двотактних двигунів в порівнянні з четирехтактнимі полягають в наступному:
· Неминучі втрати палива в період продувки (очищення) циліндрів різко погіршують економічність і ККД двигуна. Ці втрати палива найбільш значні у карбюраторних двигунів з кривошипно-камерної продувкою, що в значній мірі і обмежує сферу їх застосування.
· Двотактні двигуни в процесі роботи відрізняються більшою тепловою напруженістю деталей кривошипно-шатунного механізму, що є наслідком подвоєної частоти робочих ходів; в більш напружених умовах працює і паливоподаючі апаратура (дизельні двигуни).
Зазначені недоліки значною мірою зменшуються у двотактних дизельних двигунів з прямоточно-клапанної продувкою за допомогою нагнітача. Це пояснюється тим, що в порівнянні з кривошипно-камерної продувкою при прямоточно-клапанної продувке відбувається в основному заміщення відпрацьованих газів свіжим зарядом (продувний повітря), при цьому перемішування відпрацьованих газів і повітря незначно і досягається хороша очищення циліндрів від продуктів згоряння. Втрати палива в процесі прямоточно-клапанної продувки практично виключаються, економічність двигуна значно зростає, днище поршня і випускні клапани в кінці продувки охолоджуються повітрям, що знижує їх температуру.
Однак двотактні дизельні двигуни з прямоточно-клапанної продувкою за допомогою нагнітача досить складні по конструкції і недостатньо довговічні. Двигун з безклапанних продувкою (в тому числі з петлевою) простий по конструкції, так як не має клапанного механізму. Нагнетатель двигуна працює при низькому тиску продувочного повітря і тому не вимагає значних витрат потужності на привід. Його економічність знаходиться в близькому відповідно до економічністю сучасних чотиритактних дизелів, але середнє ефективне тиск менше (до 0.5 МПа), а габарити і вага значно більше.
Всі матеріали в розділі "Промисловість і виробництво"