Двухтактный двигатель: устройство и принцип работы¶

Двухтактный двигатель — разновидность поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором рабочий цикл из четырёх тактов (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск) совершается за два движения поршня, то есть один оборот коленчатого вала. Широко применяется в малой технике: мопедах, скутерах, лодочных моторах, бензопилах, триммерах, мотоблоках, а также в некоторых моделях мотоциклов и снегоходов.

¶Устройство

Конструктивно двухтактный двигатель проще четырёхтактного. Основные элементы:

• Цилиндр и поршень — как и в любом поршневом двигателе.
• Кривошипно-шатунный механизм — преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращение вала.
• Система газораспределения — вместо распределительного вала с клапанами используются окна в стенках цилиндра: впускное, выпускное и продувочное (перепускные каналы). Открытие и закрытие окон происходит самим поршнем при его движении.
• Карбюратор — смесеобразование, как правило, происходит в карбюраторе, а топливная смесь подаётся в цилиндр через продувочные каналы.
• Выхлопная система — состоит из выпускного коллектора и глушителя, часто с резонатором, рассчитанным на определённую длину волны для улучшения наполнения цилиндра.
• Свеча зажигания — поджигает рабочую смесь.

Важная конструктивная особенность: коленвал и нижняя часть цилиндра герметичны и образуют кривошипную камеру, которая участвует в процессе продувки — свежая топливная смесь проходит через неё, вытесняя отработавшие газы.

¶Рабочий цикл

Рабочий цикл двухтактного двигателя состоит из двух тактов — рабочего хода и хода продувки (впуска-выпуска), — каждый из которых совершается за одно движение поршня.

¶Первый такт: сжатие и продувка

Когда поршень движется вверх, он последовательно закрывает продувочное окно, затем выпускное и впускное. В кривошипной камере под поршнем создаётся разрежение, и через открытый канал карбюратора в неё поступает свежая топливная смесь. Одновременно в цилиндре над поршнем начинается сжатие ранее попавшей туда смеси. Когда поршень поднимается почти до верхней мёртвой точки (ВМТ), свеча поджигает сжатую смесь.

¶Второй такт: рабочий ход и выпуск

Под давлением расширяющихся газов поршень опускается вниз — происходит рабочий ход. Поршень открывает выпускное окно, и отработавшие газы выходят в глушитель. Затем открывается продувочное окно, и свежая смесь, предварительно нагнетённая в кривошипную камеру, под давлением (образованным в ней при движении поршня вниз) поступает в цилиндр, вытесняя остатки отработавших газов через выпускное окно. Цикл повторяется.

Таким образом, за один оборот коленвала происходит один рабочий ход, и двигатель работает более равномерно, чем одноцилиндровый четырёхтактный, у которого рабочий ход приходится только на один из двух оборотов.

¶Продувка и схемы газообмена

Качество продувки — ключевой фактор, определяющий мощность, экономичность и экологичность двигателя. Различают несколько схем:

• Контурная (петлевая) продувка — самая распространённая. Свежая смесь проходит через кривошипную камеру и перепускные каналы, огибая цилиндр, и входит в него с противоположной от выпускного окна стороны.
• Возвратно-петлевая — улучшенный вариант контурной с дополнительным каналом.
• Диффузорная (вихревая) — свежая смесь подаётся через кольцевой канал вокруг свечи зажигания.
• Дефлекторная — наиболее простая и старая схема, при которой поток свежей смеси отражается от дефлектора (выступа на дне поршня) и направляется вверх, вытесняя отработавшие газы. Применяется в простейших двигателях, например в ранних моделях бензопил «Дружба».

¶Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Простая конструкция, малое количество деталей (нет клапанов, распредвала, привода ГРМ).
• Высокая удельная мощность — рабочий ход происходит за каждый оборот вала.
• Меньший вес и размеры при сопоставимой мощности.
• Способность работать в любом положении (важно для бензопил, триммеров, лодочных моторов).
• Лёгкий пуск при низких температурах.

Недостатки:

• Высокий расход топлива — часть свежей смеси уходит в выхлоп при перекрытии окон.
• Повышенная токсичность отработавших газов из-за неполного сгорания и смешивания свежей смеси с отработавшими.
• Необходимость смешивания бензина с моторным маслом (обычно в пропорции 1:40 или 1:50) для смазки поршня и подшипников.
• Меньший ресурс по сравнению с четырёхтактными двигателями.
• Ограничение по экологическим стандартам — из-за токсичности применение в автомобильном транспорте практически прекращено.

¶Применение

Наиболее массовое применение двухтактные двигатели нашли в профессиональном и любительском инструменте: бензопилах, триммерах, генераторах, мотоблоках. В мототехнике они используются в скутерах, мопедах, мотоциклах (особенно спортивных — благодаря высокой оборотистости), снегоходах (например, отечественные модели «Буран», «Тайга»). Лодочные моторы («Ветерок», «Нептун») традиционно оснащаются двухтактными двигателями из-за малого веса и возможности работать под наклоном.

В крупногабаритном транспорте и автомобилестроении двухтактные двигатели практически вытеснены четырёхтактными, хотя в дизельном исполнении они применяются на судах (крупные низкооборотные дизели «Зульцер», «Бёрмистер») и в некоторых тепловозах (ТЭП60, ТЭМ2 с двигателями 10ДН).

Источники:

• Гуляев Б. А. «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
• Кульчевский В. А. «Двигатели внутреннего сгорания»
• Ханжин В. М. «Конструкция и расчёт двигателей внутреннего сгорания»
• Большая техническая энциклопедия: машиностроение, топливо и смазочные материалы