Устройство двухтактного двигателя и принцип его работы

Двигатель с воспламенением от сжатия

Основная статья: Дизельный двигатель

Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. В разогретый в цилиндре воздух от адиабатического сжатия (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. В процессе впрыскивания топливной смеси происходит его распыление, а затем вокруг отдельных капель топливной смеси возникают очаги сгорания, по мере впрыскивания топливная смесь сгорает в виде факела. Так как дизельные двигатели не подвержены детонации, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия. Повышение её свыше 15 практически роста КПД не даёт, поскольку при этом максимальное давление ограничивают путём более длительного сгорания и уменьшением угла опережения впрыска. Однако малоразмерные быстроходные вихрекамерные дизеля могут иметь степень сжатия до 26, для надёжного воспламенения в условиях большого теплоотвода и для меньшей жёсткости работы (жёсткость обуславливается задержкой воспламенения, характеризуется в повышении давления при сгорании, измеряется в МПа/градус поворота коленчатого вала). Крупногабаритные судовые дизели с наддувом имеют степень сжатия порядка 11..14 и КПД более 50%.

Дизельные двигатели обычно менее быстроходны и при равной мощности с бензиновыми характеризуются большим крутящим моментом на валу. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжёлых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счёт пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо, в случае с дизель-генераторными установками, от присоединённого электрического генератора, который при запуске выполняет роль стартера.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера — Сабатэ со смешанным подводом теплоты. Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряжённостью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Газодизельный двигатель

Основная статья: Газодизельный двигатель

Основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю. Обычно имеется возможность работы по чисто дизельному циклу. Применение: тяжёлые грузовики. Газодизельные двигатели, как и газовые, дают меньше вредных выбросов, к тому же природный газ дешевле. Такой двигатель зачастую получают дооснащением серийного, при этом экономия дизтоплива (степень замещения газом) составляет порядка 60%. Зарубежные фирмы также активно разрабатывают такие конструкции.

Уровень развития ДВС как мерило технического прогресса

Разработка ДВС нетривиальна, поскольку к цели идёт множество путей. Выбор лучшего (применительно к конкретной области и требованиям) является примером многофакторной оптимизации. Здесь недостаточно интуиции, нужны большие затраты при разработке вариантов, ресурсные испытания. Тенденции развития двигателестроения предоставляют много вариантов дальнейшего развития.

Высокие требования к деталям ДВС, сложности технологического порядка (материалы, обработка), производственный цикл (поточность, возможность брака), масштабы производства (миллионы единиц), высокий уровень конкуренции и интеграции мировой экономики, в совокупности позволяют судить об уровне технологии государства по уровню выпускаемых ДВС. Высокоэффективные двигатели не только позволяют создавать экономичный и экологичный транспорт, но и вести независимую разработку в таких областях как военное дело, ракетостроение (в частности, космические программы). Высокотехнологичные производства сами по себе служат центром кристаллизации инженерных сообществ, рождению новых идей. Не случайно, например, конвейерная сборка была впервые внедрена именно на сборке автомобилей, оснащённых ДВС. В свою очередь, поддержание в исправном состоянии и управление многочисленными транспортными средствами также создало множество новых профессий, рабочих мест, методов ведения бизнеса и даже образа жизни (коммивояджеры, путешественники). Не будет преувеличением сказать, что появление ДВС революционизировало весь мир.

Принцип работы двухтактного двигателя

Что бы понять, почему четырёхтактные моторы вытеснили младших братьев на автомобильной технике, разберемся, как работает двухтактный двигатель.

Последовательность действий рабочего цикла силовой установки:

Такт сжатия.
Процесс сопровождается перемещением поршня снизу вверх. Движение провоцирует поступление горючего через отверстия продувки в агрегат, впоследствии, юбка поршня перегораживает эти отверстия. Дальнейшее движение сопровождается закрытием каналов выпуска, в которые выталкивались отходы горения. Между поршнем и верхней частью цилиндра, образуется пространство сгорания, в котором создаётся избыточное давление. Одновременно, в пространстве под поршнем, возникает разряжение, и пространство используется для перетекания обновлённой дозы горючего. Достигнув верхней точки, заряд загорается.

Схема двухтактного двигателя

Такт расширения.
Воспламенившись, порция создаёт избыточное давление, которое жмёт на дно поршня и заставляет перемещаться. Процесс сопровождается поочерёдным открытием окон, сначала на выпуск, потом на продувку. Спуск создаёт избыточное давление под поршневой камеры, под его воздействием горючее снова поступает в цилиндр, выдавливая оставшуюся отработку и наполняя пространство для повторения предыдущего такта.

Принцип работы двухтактного двигателя позволяет обходиться без системы газораспределения, делая легче и надёжней конструкцию агрегата. Обратная сторона, качество процесса газообмена. Двухтактный режим невозможен без продувки, процесс которой сопровождается выходом не сгоревшего топлива вместе с отработанными газами наружу. Это ведет к перерасходу горючего и повышенной токсичности выхлопа агрегата.

Стоит заметить, что выше описанная схема характерна для карбюраторных моторов. В случае с дизелем или инжектором, в цилиндр через отверстия продувки подаётся чистый воздух. Горючая смесь поступает посредством впрыска, эту работу выполняют форсунки.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

Турбонагнетание

Наиболее распространённым типом комбинированных двигателей является поршневой с турбонагнетателем.
Турбонагнетатель или турбокомпрессор (ТК, ТН) — это нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами. Получил своё название от слова «турбина» (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение). Это устройство состоит из двух частей: роторного колеса турбины, приводимого в движение выхлопными газами, и центробежного компрессора, закреплённых на противоположных концах общего вала.

Струя рабочего тела (в данном случае, выхлопных газов) воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение вместе с валом, который изготовляется единым целым с ротором турбины из сплава, близкого к легированной стали. На валу, помимо ротора турбины, закреплён ротор компрессора, изготовленный из алюминиевых сплавов, который при вращении вала позволяет нагнетать воздух в цилиндры ДВС. Таким образом, в результате действия выхлопных газов на лопатки турбины одновременно раскручиваются ротор турбины, вал и ротор компрессора. Применение турбокомпрессора совместно с промежуточным охладителем воздуха (интеркулером) позволяет обеспечивать подачу более плотного воздуха в цилиндры ДВС (в современных турбированных двигателях используется именно такая схема). Часто при применении в двигателе турбокомпрессора говорят о турбине, не упоминая компрессора. Турбокомпрессор — это одно целое. Нельзя использовать энергию выхлопных газов для подачи воздушной смеси под давлением в цилиндры ДВС при помощи только турбины. Нагнетание обеспечивает именно та часть турбокомпрессора, которая именуется компрессором.

На холостом ходу, при небольших оборотах, турбокомпрессор вырабатывает небольшую мощность и приводится в движение малым количеством выхлопных газов. В этом случае турбонагнетатель малоэффективен, и двигатель работает примерно так же, как без нагнетания. Когда от двигателя требуется намного большая выходная мощность, то его обороты, а также зазор дросселя, увеличиваются. Пока количества выхлопных газов достаточно для вращения турбины, по впускному трубопроводу подаётся намного больше воздуха.

Турбонагнетание позволяет двигателю работать более эффективно, поскольку тому что турбонагнетатель использует энергию выхлопных газов, которая, в противном случае, была бы (большей частью) потеряна.

Однако существует технологическое ограничение, известное как «турбояма» («турбозадержка») (за исключением моторов с двумя турбокомпрессорами — маленьким и большим, когда на малых оборотах работает маленький ТК, а на больших — большой, совместно обеспечивая подачу необходимого количества воздушной смеси в цилиндры или при использованием турбины с изменяемой геометрией, в автоспорте также применяется принудительный разгон турбины с помощью системы рекуперации энергии). Мощность двигателя увеличивается не мгновенно из-за того, что на изменение частоты вращения двигателя, обладающего некоторой инерцией, будет затрачено определённое время, а также из-за того, что чем больше масса турбины, тем больше времени потребуется на её раскручивание и создание давления, достаточного для увеличения мощности двигателя. Кроме того, повышенное выпускное давление приводит к тому, что выхлопные газы передают часть своего тепла механическим частям двигателя (эта проблема частично решается заводами-изготовителями японских и корейских ДВС путём установки системы дополнительного охлаждения турбокомпрессора антифризом).

Поршневой ДВС с искровым зажиганием (Отто-мотор)

Является наиболее распространённым по количеству, поскольку число автомобилей в мире на 2014 год составляло более 1,2 млрд., и большая их часть приводится в движение Отто-мотором.

Бензиновый двигатель

Основная статья: Бензиновый двигатель внутреннего сгорания

Является наиболее распространённым вариантом, установлен на значительной части легковых автомобилей (ввиду меньшей массы, стоимости, хорошей экономичности и малошумности). Имеет два варианта подачи топлива: инжектор и карбюратор.

Карбюраторный двигатель

Основная статья: Карбюраторный двигатель

Особенностью является получение топливо-бензиновой смеси в специальном смесителе, карбюраторе. Ранее такие бензиновые двигатели преобладали; теперь, с развитием микропроцессоров, их область применения стремительно сокращается (применяются на маломощных ДВС, с низкими требованиями к расходу топлива).

Инжекторный двигатель

Особенностью является получение топливной смеси в коллекторе или цилиндрах двигателя путём подачи инжекторной системой подачи топлива. В настоящий момент является преобладающим вариантом бензинового ДВС, поскольку позволяет резко упростить электронное управление двигателем. Нужная степень однородности смеси достигается подачей топлива под давлением, вместо распыления потоком воздуха в карбюраторном двигателе.

Роторно-поршневой

Основная статья: Роторно-поршневой двигатель

Дополнительные сведения: Роторно-цилиндро-клапанный двигатель

Предложен изобретателем Ванкелем в начале XX века. Основа двигателя — треугольный ротор (поршень), вращающийся в камере особой 8-образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. За один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗом в СССР (ВАЗ-21018 «Жигули», ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526), Маздой в Японии (Mazda RX-7, Mazda RX-8). При своей принципиальной простоте имеет ряд существенных конструктивных сложностей, делающих его широкое внедрение весьма затруднительным. Основные трудности связаны с созданием долговечных работоспособных уплотнений между ротором и камерой и с построением системы смазки, и потому — с выполнением экологических требований.

RCV — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок

Обычно роторно-поршневые ДВС используют в качестве топлива бензин, но возможно и применение газа. Роторно-поршневой двигатель является ярким представителем бесшатунных ДВС, наряду с двигателем Баландина.

Газовые двигатели

Основная статья: Газовый двигатель

Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:

• смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
• сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
• генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твёрдого топлива используются: уголь, торф, древесина.

Эти двигатели имеют широкое применение, например, в электростанциях малой и средней мощности, использующих в качестве топлива природный газ (в области высоких мощностей безраздельно господствуют газотурбинные энергоблоки).

Шатун

Шатун соединяет поршень с кривошипом коленчатого вала и, преобразуя возвратно-поступательное движение поршневой группы во вращательное движение коленчатого вала, совершает сложное движение, подвергаясь при этом действию знакопеременных ударных нагрузок. Шатун состоит из трех конструктивных элементов: стержня 2, верхней (поршневой) головки 1 и нижней (кривошипной) головки 3. Стержень шатуна обычно имеет двутавровое сечение. В верхнюю головку для уменьшения трения запрессовывают бронзовую втулку 6 с отверстием для подвода масла к трущимся поверхностям. Нижнюю головку шатуна для обеспечения возможности сборки с коленчатым валом выполняют разъемной. У бензиновых двигателей разъем головки обычно расположен под углом 90° к оси шатуна. У дизелей нижняя головка шатуна 7, как правило, имеет косой разъем. Крышка 4 нижней головки крепится к шатуну двумя шатунными болтами, точно подогнанными к отверстиям в шатуне и крышке для обеспечения высокой точности сборки. Чтобы крепление не ослабло, гайки болтов стопорят шплинтами, стопорными шайбами или контргайками. Отверстие в нижней головке растачивают в сборе с крышкой, поэтому крышки шатунов не могут быть взаимозаменяемыми.

Для уменьшения трения в соединении шатуна с коленчатым валом и облегчения ремонта двигателя в нижнюю головку шатуна устанавливают шатунный подшипник, который выполнен в виде двух тонкостенных стальных вкладышей 5, залитых антифрикционным сплавом. Внутренняя поверхность вкладышей точно подогнана к шейкам коленчатого вала. Для фиксации вкладышей относительно головки они имеют отогнутые усики, входящие в соответствующие пазы головки. Подвод масла к трущимся поверхностям обеспечивают кольцевые проточки и отверстия во вкладышах.

Для обеспечения хорошей уравновешенности деталей кривошипно-шатунного механизма шатунные группы одного двигателя (как и поршневые) должны иметь одинаковую массу с соответствующим ее распределением между верхней и нижней головками шатуна.

В V-образных двигателях иногда используются сочлененные шатунные узлы, состоящие из спаренных шатунов. Основной шатун 8, имеющий обычную конструкцию, соединен с поршнем одного ряда. Вспомогательный прицепной шатун, соединенный верхней головкой с поршнем другого ряда, нижней головкой шарнирно крепится с помощью пальца к нижней головке основного шатуна.

Конструкция агрегата

Распредвал четырехтактного мотора размещается в крышке цилиндра. Он приводится в действие ведущим колесом, вмонтированном в коленчатый вал. Распределительный вал открывает и закрывает один из клапанов: выпускной или впускной, в зависимости от расположения поршня. На распределительном вале также расположены кулачки, которые приводят в действие клапанные коромысла.

Коромысла после срабатывания, начинают воздействовать на определенный клапан и открывают его

Важно, что между регулировочным винтом и клапаном должен быть тепловой зазор (узкий промежуток). При нагреве металл расширяется, поэтому, если зазор слишком маленький или его нет вообще, клапаны не могут закрыть полностью каналы выпуска и впуска

У клапана впуска зазор должен быть меньше, чем у клапана выпуска, потому как газы выхлопа горячее, чем смесь. Соответственно клапан впуска нагревается меньше, чем клапаны выпуска.

Влияние ДВС на экологию, экологические требования к конструкции ДВС

В таких вариантах ДВС, как газотурбинные и реактивные, сгорание организовано непрерывно, причём максимальная температура меньше. Поэтому они имеют обычно меньшие выбросы недогоревших углеводородов (по причине меньшей зоны гашения пламени и длительности сгорания) и выбросы окислов азота (по причине меньшей максимальной температуры). Температура в таких двигателях ограничена теплостойкостью лопаток, сопел, направляющих, и для транспортных двигателей составляет 800..1200 оС. Улучшения экологических показателей, например, ракет, достигают обычно подбором топлив (например, вместо НДМГ и перекиси азота применяют жидкие кислород и водород).

Однако, сотни миллионов регулярно используемых транспортных поршневых двигателей, потребляя ежедневно огромное количество нефтепродуктов, дают в сумме большие вредные выбросы. Их разделяют на углеводороды (CH), окись углерода (CO), и окислы азота (NOx). Также ранее использовали этилированный бензин, продукты сгорания которого содержали практически не выводимый из организма человека свинец. Наиболее это сказывается в крупных городах, расположенных в низинах и окруженных возвышенностями: при безветрии в них образуется смог. В настоящее время нормируются не только вредные выбросы, но также выделение транспортным средством углекислого газа и воды (в связи с влиянием на климат).

В первые десятилетия развития автотранспорта этому не уделялось достаточное внимание, поскольку автомобилей было меньше. В дальнейшем производителей обязали соблюдать определённые нормы выбросов, причём с годами они становятся всё строже

Для уменьшения выбросов в принципе возможны три способа:

1. Выбор экологически чистого топлива (водород, природный газ) или улучшение традиционного жидкого (бензин и дизтопливо «Евро-5»).
2. Изменение параметров цикла двигателя или разработка новых (снижение степени сжатия, расслоение заряда, внутрицилиндровый впрыск, системы компьютерного управления с использованием датчиков кислорода, система Common rail на дизелях, и др.).
3. Снижение содержания вредных выбросов с использованием термических (ранее) и каталитических (в настоящее время) нейтрализаторов.

Существующие нормы токсичности в развитых странах требуют обычно применения нескольких способов сразу. При этом обычно ухудшается топливная экономичность как автомобилей, так и всего транспортного (включая нефтеперегонные заводы) комплекса, поскольку оптимумы циклов по экономичности и экологичности у двигателей обычно не совпадают, а изготовление высокоэкологичного топлива требует больше энергии.

В последнее время высказываются серьёзные опасения в отношении дальнейшего применения двигателей на ископаемом топливе (большинство ДВС), в связи с проблемой глобального потепления.

Двухтактные двигатель

Перед нами двухтактный двигатель. Здесь всё предельно просто.

Первый такт — Поршень двигателя движется вверх(картинка А), открывает отверстие(1) и сжимает смесь, которая уже находится в цилиндре. После чего, свеча зажигания воспламеняет горючее(картинка В).

Второй такт — После загорания опускающийся поршень(картинка С) сначала открывает выпускное отверстие(2), а затем переходное отверстие(3). После этого через него впускается новая порция воздушно-топливной смеси.

Таким образам поршень также заменяет клапаны двигателя, и в горючее добавляется масло для смазки поршня. Многие двухтактные двигатели снабжены ребрами для воздушного охлаждения цилиндра.