Двухтактный двигатель внутреннего сгорания
Двухтактным называется двигатель внутреннего сгорания, завершающий полный рабочий цикл за один оборот коленвала.
История создания двухтактного двигателя
Во многих источниках создание первого двигателя внутреннего сгорания приписывают Готлибу Даймлеру, другие считают изобретателем Николаса Отто. Однако существует версия, что и те, и другие ошибаются. Еще в 1858 году бельгиец Жан Жозеф Этьен Ленуар создал двухтактный двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе.
В отличии от паровой машины он был проще и экономичнее. Однако двигатель бельгийского инженера был далек от совершенства. Это доказал Николас Отто, представив свой четырехтактный мотор. Его КПД был гораздо выше, чем у мотора Ленуара, а сам двигатель имел меньшие габариты. Двухтактный двигатель резко потерял популярность, и до начала ХХ века почти полностью исчез.
В России хорошо известны мотоциклы ИЖ «Планета» и «Юпитер» с двухтактными двигателями.
В Германии в период Второй мировой двухтактные двигатели активно применялись в самолетостроении. В наше время, к примеру, моторы марки Rotax, широко используются в малой авиации.
С ужесточением норм токсичности двухтактные двигатели перестали рассматриваться в качестве силовых установок для гражданского транспорта, но на скутерах, снегоходах, катерах и в авиамодельном спорте, то есть там, где требуются моторы малого объема и веса, конкурентов им по-прежнему нет.
Устройство двухтактного двигателя
Конструктивно двухтактный и четырехтактный двигатели схожи. Основное различие между ними заключено в принципе газораспределения и в том, что рабочий цикл в двухтактном двигателе совершается за один оборот коленчатого вала.
Отдельного газораспределительного механизма в двухтактном двигателе нет. Роль впускных и выпускных клапанов выполняют отверстия в стенках цилиндра, а выталкивает выхлопные газы наружу и втягивает внутрь очередную порцию рабочей смеси сам поршень. В процессе газообмена участвует и кривошипная камера..4.jpg)
Для наполнения цилиндра топливовоздушной смесью используется впускное окно, которое также называют продувочным. Второе, выпускное окно, служит для удаления отработавших газов из цилиндра. Оно расположено выше впускного.
В течение первого такта поршень движется вверх, перекрывая продувочное окно, а затем и выпускное. Происходит сжатие топливовоздушной смеси. В это время в кривошипной камере создается разрежение, которое используется для всасывания топливо-воздушной смеси из карбюратора в полость картера.
Далее начинается второй такт. Свеча зажигания воспламеняет сжатую топливовоздушную смесь. Расширяясь, газы толкают поршень вниз. По мере движения поршня вниз открывается выпускное окно, и часть газов удаляется из цилиндра. При движении поршня вниз в кривошипной камере создается избыточное давление. Поршень продолжает двигаться вниз, к нижней мертвой точке, и открывает продувочное отверстие. Начинается наполнение цилиндра топливовоздушной смесью из кривошипной камеры. Свежая смесь выталкивает из цилиндра остатки отработавших газов.
Описанная схема работы характерна для карбюраторных моторов. Схема работы дизельных и инжекторных бензиновых двухтактных моторов отличается тем, что топливо впрыскивается в камеру сгорания через форсунку, а в полость кривошипной камеры засасывается чистый воздух.
Преимущества и недостатки двухтактных двигателей
Самое главное преимущество двухтактных двигателей – более высокая, по сравнению с четырехтактными, литровая мощность. Дело здесь в том, что при равном количестве цилиндров и количестве оборотов коленчатого вала в минуту, каждый цилиндр совершает рабочий ход вдвое чаще. При этом, за счет того, что фактический рабочий ход двухтактного двигателя короче (он укорочен за счет процессов газообмена), реально объем двигателя увеличивается на 50-60%.
Не менее важное преимущество – компактность. Благодаря этому качеству двухтактные двигатели нашли широкое применение не только в небольших транспортных средствах наподобие снегоходов, но и в садовой технике, а также инструментах (к примеру, в бензопилах).
Кроме того, отсутствие газораспределительного механизма заметно делает конструкцию проще и дешевле в производстве.
Есть у двухтактных ДВС и существенные недостатки. Они расходуют больше топлива впустую, так как при открытии выпускного окна в систему выхлопа попадает часть несгоревшей смеси. Система смазки классического двухтактного мотора крайне примитивна – бензин смешивается с маслом заранее, и оба эти вещества попадают в камеру сгорания одновременно. Обусловлено это тем, что организовать масляную ванну в картере невозможно – картер участвует в процессе газообмена. В результате масло, не пошедшее на смазывания стенок цилиндра, сгорает вместе с топливом. Ресурс двухтактного двигателя также значительно меньше, главным образом, за счет высоких оборотов коленвала. По этой причине в двигателях этого типа применяется только специальное высококачественное масло, разработанное для применения в двухтактных двигателях. Экологические параметры также оставляют желать лучшего: в выхлопе, из-за особенностей газораспределения, содержится большое количество СО и СН.
Эксплуатация двухтактного двигателя
Для смазывания поршневой группы двухтактного двигателя необходимо добавлять масло непосредственно в топливо. Причем, бензин и масло, перед тем как залить в бак, нужно предварительно смешать. Правда, некоторые производители избавляют владельцев от этой проблемы установкой отдельного бачка для масла. В этом случае оно добавляется в топливо автоматически в нужной пропорции.
Не следует забывать, что картер мотора также участвует в газораспределении и должен быть герметичен. Поэтому необходимо тщательно следить за состоянием прокладок.
Сравнение двухтактного и четырехтактного двигателей
Садовые бензиновые агрегаты значительно упрощают жизнь владельцам загородной недвижимости. В их основе лежит двигатель внутреннего сгорания.
Мотокосы, цепные пилы, кусторезы могут оснащаться как двухтактным, так и четырехтактным двигателем, от чего будет зависеть мощность, производительность, вес, техническое обслуживание всего агрегата.
Тактом рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания является ход поршня от одной мертвой точки до другой. Один такт соответствует 180-градусному повороту (полуобороту) коленчатого вала. При 4-х тактном процессе рабочий цикл осуществляется за два оборота вала, при 2-х тактном — за один.
Двухтактные и четырехтактные двигатели имеют существенные отличия.
По весу двухтактные двигатели легче, чем четырехтактные. Четырехтактные весят, примерно, на 50% больше, так как для сложной конструкции требуется больше деталей.
Благодаря большей эффективности 4-х тактные двигатели мощнее. Но более легкие двухтактные моторы могут иметь большее отношение мощности к весу и считаются практичней из-за одноцилиндрового двигателя, тогда как четырехтактной модели требуется несколько цилиндров, чтобы обеспечить постоянную выработку электроэнергии.
Четырехтактные двигатели экономичнее и обеспечивают хороший контроль циклов впуска и выпуска воздуха, что приводит к более чистой работе.
При двухтактном цикле часть топлива расходуется впустую, т.к. оно выходит во время такта впуска и сжатия.
В 4-х тактных двигателях моторное масло отделено от топлива и впрыскивается из отдельного резервуара, в результате чего он получает лучшую смазку. В двухтактном двигателе смазочное масло смешивается с топливом, что снижает срок его службы. Но из-за совместной циркуляции смазочного масла и топлива, двухтактные агрегаты могут функционировать в любых условиях. Из-за того, что двухтактные двигатели сжигают масло и топливо, они образуют грязный продукт сгорания. Более грязное сгорание приводит к большему износу системы двигателя, что сокращает общий срок его службы.
Техника с двухтактным двигателем стоит дешевле. Но стоимость использования за час будет выше из-за дополнительных затрат на масло и низкой топливной экономичности. Их дешевле приобретать, но у них короткий срок службы.
Рабочие циклы двухтактных двигателей — MirMarine
Рабочий цикл двухтактного двигателя совершается за два хода поршня (такта), т.
е. за один оборот коленчатого вала. Это достигается за счет размещения в цилиндре продувочных и выпускных окон или только продувочных окон при наличии выпускного клапана на цилиндровой крышке.
Для очистки цилиндра от отработавших газов и заполнения его свежим зарядом воздуха используется продувочный воздух давлением Рз 1,15 ÷ 1,20 бар, нагнетаемый расположенным на двигателе продувочным насосом.
Рабочие циклы двухтактных двигателей также могут быть быстрого, постепенного и смешанного сгорания (рис. 9).
Схема работы двухтактного бескомпрессорного дизеля и его индикаторная диаграмма приведены на рис. 10.
1 — процесс сжатия начинается в момент, когда при движении к в.м.т. поршень закрывает выпускные окна (точка «а») и начинает сжимать находящийся в цилиндре воздух. В конце сжатия (точка «с») давление возрастает до рс = 35÷50 бар и температура — до tс = 500÷600 °C.
2 — процессы сгорания и расширения.
В точке с начинается сгорание топлива, впрыскиваемого в цилиндр через форсунку. Сгорание топлива происходит сначала при постоянном объеме (с — у), а затем при постоянном давлении (у-z). В точке «z» давление в цилиндре достигает Рz =50÷65 бар и температура — tz 1400÷1600 °C. В результате расширения газов, продолжающегося до точки «b», поршень перемещается к н.м.т., совершая рабочий ход.
3 — процессы выпуска и продувки. В точке «b» поршень своей кромкой открывает выпускные окна. К этому времени давление в цилиндре снижается до Рв = 2,5÷4 бар и температура — до tb = 600÷800 °C. Через открывающиеся выпускные окна газы выходят из цилиндра в выпускной коллектор. В точке «s» открываются продувочные окна. К этому моменту давление в цилиндре не превышает Рэ = 1,15÷1,25 бар. Выпуск газов до начала открытия продувочных окон носит название «свободного выпуска».
В точке «s» в цилиндр начинает поступать из ресивера продувочный воздух, который осуществляет продувку, т.
Похожие статьи
Метки: Процесс сжатия, Процессы сгорания и расширения, Продувочный насос, Свободный выпуск, Продувка, Процессы выпуска и продувки, Выпускные и продувочные окна
Двухтактный двигатель — схема и принцип работы
Современное машиностроение готово представить различные виды двигателей и механизмов, которые, так или иначе, облегчают жизнь человека. Одним из таких силовых агрегатов считается двухтактный двигатель внутреннего сгорания.
В этой статье мы рассмотрим его подробный принцип действия, устройство, достоинства и недостатки, а также применение.
Принцип работы двухтактного двигателя
Двухтактный ДВС – это поршневой мотор, в котором сгорание топливовоздушной происходит не в камере сгорания, как в четырехтактных, а непосредственно в самом рабочем цилиндре. Устройство такого двигателя мало чем отличается от конструкции четырехтактного. В своем составе он имеет все те же детали, что и обычный, поршневой ДВС – это поршень, цилиндр и кривошипно-шатунный механизм.
В блоке цилиндров устанавливается поршень, внутрь которого посредством специальной втулки вмонтирован шатун. в нижней части шатуна также располагается коленчатый вал. Коленвал подвешивается посредством двух подшипников и погружается в специальный картер. Главное особенностью такого двигателя можно называть то, что смазывающий компонент и топливо смешиваются в одну смесь и подаются наравне с воздухом в камеру сгорания.
Принято считать, что мощность двухтактного двигателя значительно выше, чем у четырехтактного, однако если учесть, какую работу двигатель совершает на такой короткий ход поршня, то можно сделать вывод о его слишком низком коэффициенте полезного действия.
Как уже понятно из названия, такой двигатель имеет всего два рабочих такта, которые будут описаны ниже.
- Первый такт (сжатие). Поршень находится в нижней мертвой точке двигателя и начинает движение вверх. В процессе подъема через продувное отверстие в цилиндр попадает определенное количество топлива, которое смешано с маслом и воздухом. Как только поршень достигает отверстия, оно перекрывается и подача смеси прекращается. На этом же этапе перекрывается и выпускное отверстие. Поршень движется в верхнюю мертвую точку и сжимает смесь.
- Второй такт (рабочего хода поршня). В верхней мертвой точке происходит сжатие и воспламенение смеси. В результате небольшого взрыва, поршень под действием высокого давления начинает движение вниз, тем самым, открывает выпускное отверстие и дает возможность освободить цилиндр от отработавших газов.
Часть масла, находящаяся в смеси остается на стенках цилиндра, а другая часть попросту выходит вместе с отработавшими газами. Поршень достигается самой нижней мертвой точки, и цикл начинается сначала.
Часть масла, находящаяся в смеси остается на стенках цилиндра, а другая часть попросту выходит вместе с отработавшими газами. Поршень достигается самой нижней мертвой точки, и цикл начинается сначала.Стоит отметить, что для более удачного искрообразования искра должна возникать чуть раньше, чем поршень достигнет верхней мертвой точки. Идеальным зажиганием можно назвать то, которое с увеличением числа оборотов двигателя дает искру еще раньше. Такая система напрочь отсутствовала до 2000-х годов. В те времена искрообразование было настроено под оптимальные обороты, а потому двигатель работал малоэффективно. В настоящее же время применяются специальные электронные коммутаторы, в которых имеется динамическое опережение в момент зажигания. Оно изменяется с увеличением или уменьшением числа оборотов двигателя.
Отличия двухтактного от четырехтактного ДВС
- Небольшие габариты силовой установки. Для такого двигателя нужно совсем мало место, что легко объясняет их применение на мотоциклах.
- Меньшая масса, по сравнению с обычным четырехтактным двигателем.
- Экономичный расход топлива. Это относится только к дизельному двигателю, когда расход топлива составляет всего 50% от среднего.
- Простота и эргономичность установки. Конструкция двухтактного двигателя не представляет собой ничего сложного, а потому поддается легкому обслуживанию и ремонту.
Недостатки 2 тактных моторов
- С уменьшением расхода топлива существенно увеличивается расход масла, так как заливается он наравне с топливом в бензобак двигателя. Дело в том, что конструкция подобной силовой установки не позволяет иметь специальный резервуар для хранения смазывающего вещества. В связи с чем, возникает необходимость добавления масло в топливовоздушную смесь.
- Так как потребление воздуха в таких двигателях серьезно возрастает, то возникает необходимость применение воздушных фильтров особой конструкции.
- Из-за особенностей впускной и выпускной системы есть огромная вероятность непреднамеренной смеси отработанных газов со свежей смесью.
- Выбор двухтактных двигателей на рынке серьезно ограничен. Это делает их стоимость достаточно высокую.
- Неэффективная работа двигателя. Данная конструкция не позволяет создавать высокий коэффициент полезного действия.
Применение
Наибольшее применение двухтактные двигатели нашли в мототранспорте. Имея весьма небольшие размеры, такой мотор можно применять на мопедах, мотоциклах и мотороллерах. Кроме того, двигатели таких габаритов нашли широкое применение в бензиновых пилах. Дело в том, что для приведения цепи в действия совсем не нужны высокие характеристики, главное создать определенную частоту вращения, при которой бензопила будет способна справиться со своими основными обязанностями.
Помимо мотоциклетной техники, двухтактными двигателями малоактивно оснащали и автомобили. Как правило, это были небольшие малолитражки, предназначенные для поездок на небольшие расстояния по городу.
Двухтактные двигатели применяются и по сей день на многих моторных лодках.
Это все, что необходимо знать о двухтактных двигателях внутреннего сгорания. При всех преимуществах и недостатках данного мотора, многие конструкторы отдают предпочтение именно четырехтактным двигателям, поэтому малообъемный мотор не нашел широкого распространения.
Устройство и принцип действия двухтактного двигателя внутреннего сгорания
Многие из нас ездят на мотороллерах, но вот как устроен и работает двигатель внутреннего сгорания (далее ДВС), который приводит в движение Вашу двухколесную технику, знает не каждый. А вот хорошо зная все принципы работы ДВС, Вы сможете быстро и правильно диагностировать его неполадки. Да и вообще, в ознакомительных целях знание принципов работы не помешает.
У двигателей такого типа отсутствуют клапаны (как в четырехтактных ДВС), их роль выполняет поршень, который при своем перемещении закрывает впускные, выпускные и продувочные окна. Поэтому они более просты в конструкции.Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного за счет большего числа рабочих циклов. Однако неполное использование хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на продувку приводят практически к увеличению мощности только на 60…70%.
Итак, рассмотрим конструкцию двухтактного ДВС, показанную на рисунке 1:
Двигатель состоит из картера, в который на подшипниках с двух сторон установлен коленчатый вал и цилиндра. Внутри цилиндра движется поршень — металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутке между поршнем и стенками цилиндра.
Поршень снабжен металлическим стержнем — пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Далее уже, в частности на мотороллере, вращательное движение передается на вариатор, принцип работы которого описан в статье: Устройство и принцип работы вариатора.Теперь о принципе работы. Весь рабочий цикл в двигателе осуществляется за два такта.
Такт сжатия.
1. Такт сжатия. Поршень перемещается от нижней мертвой точки поршня (в этом положении поршень находится на рис. 2, далее это положение называем сокращенно НМТ) к верхней мертвой точке поршня (положение поршня на рис.3, далее ВМТ), перекрывая сначала продувочное 2, а затем выпускное 3 окна. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере 1 вследствие ее герметичности и после того как поршень перекрывает продувочные окна 2, под поршнем создается разряжение, под действием которого из карбюратора через впускное окно и открывающийся клапан поступает горючая смесь в кривошипную камеру.
2. Такт рабочего хода. При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь (1 на рис. 3) воспламеняется электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно, опускаясь вниз, поршень создает высокое давление в кривошипной камере (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.
Далее цикл повторяется.
Стоит упомянуть о принципе зажигания. Так как топливной смеси нужно время для воспламенения, искра на свече появляется чуть раньше, чем поршень достигает ВМТ. В идеале, чем быстрей движения поршня, тем раньше должно быть зажигание, потому-что поршень от момента искры быстрее доходит до ВМТ. Существуют механические и электронные устройства, меняющие угол зажигания в зависимости от оборотов двигателя. Практически у мотороллеров 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 Dio ZX AF35, установлен электронный коммутатор с динамическим опережением. С ним двигатель развивает больше мощности.
Наглядно просмотреть работу двухтактного ДВС можно на этом ролике:
2ух тактные двигатели внутреннего сгорания
Поршневые моторы заняли ведущие позиции в хозяйственной деятельности человека. Попытка заставить 4ех тактный двигатель работать более эффективно, приводило к разработке всевозможных вероятных и невероятных конструкторских схем двигателя и процесса их работы. Одна из этого разнообразия поршневых схем с измененным процессом работы оказалась жизнеспособной и широко внедрилась в технику.
В зависимости от количества тактов рабочего цикла ДВС делятся на две основные группы: двухтактные и четырехтактные двигатели. В двухтактных моторах их есть только два: такт сжатия и такт расширения или рабочий ход. В четырехтактных их четыре: впуск, сжатие, расширение или рабочий ход и выпуск. На первый взгляд может показаться, что первый вариант более выигрышный, ведь рабочий цикл повторяется при каждом обороте коленчатого вала и энергия вырабатывается в два раза интенсивнее, но на самом деле это не совсем так, о чем напрямую свидетельствует ограниченное применение двухтактных двигателей особенно в крупных машинах, установках и агрегатах с высоким уровнем потребления топлива. Чтобы понять причины потери энергии во время рабочего цикла, нужно рассмотреть работу двигателя.
Процесс работы двигателя
Рабочий цикл 2-хтактного двигателя включает в себя следующую последовательность действий:
— на такте сжатия поршень в цилиндре перемещается из нижней мертвой точки (НМТ) к верхней (ВМТ). Через продувочное окно топливный заряд попадает в надпоршневое пространство – камеру сгорания, после чего поршень перекрывает собой это окно. Поднимаясь выше, он постепенно перекрывает и выпускное окно, через которое удаляются продукты сгорания. При этом в пространстве под поршнем (кривошипной камере) образуется разрежение, и оно заполняется новой порцией топлива. При достижении поршнем ВМТ сжатый топливный заряд воспламеняется;
— на такте расширения газы, образовавшиеся при сгорании топлива, давят на поршень, он опускается вниз, открывая сначала выпускное окно, а затем продувочное. Через первое окно расширенные газы попадают в глушитель и выводятся наружу. Одновременно при движении поршня вниз в кривошипной камере, заполненной топливом, повышается давление. Топливо выталкивается вверх в цилиндр, заполняя надпоршневое пространство и выталкивая остатки отработанных газов. После чего цикл повторяется.
Такой принцип работы позволяет двухтактным двигателям обойтись без газораспределительной системы, характерной для четырехтактных моторов, которая управляет впускным и выпускным клапанами. С одной стороны это упрощает конструкцию и уменьшает вес, но с другой газообмен в камере сгорания далеко не идеальный. При двухтактном режиме работы при продувке цилиндра вместе с отработанными газами в глушитель попадает и определенное количество несгоревшего топлива, что влечет за собой его перерасход и повышает токсичность выхлопных газов.
Виды газораспределительной системы
Так как продувочные окна в цилиндре порой располагаются на одном уровне, то газообмен внутри цилиндра затруднен, не весь объем цилиндра продувается свежей порцией воздушной смеси, и часть отработанных газов остается в цилиндре. Для того, чтобы сменить отработанные газы на свежую порцию воздуха более эффективно и быстро, существует конструктивные особенности поршня и расположения продувочных окон в цилиндре. Различают несколько вариантов осуществления продувки цилиндров:
Контурная продувка
Контурная продувка в свою очередь делится на возвратно-петлевую, дефлекторную и высотную. Во всех этих видах есть один существенный недостаток: перерасход топлива из-за удаления несгоревшего топливного заряда во время продувки.
П- или Л-образная продувка
П- или Л-образная продувка более эффективная в плане экономии топлива, но при этом температура около выпускного окна значительно повышается. Конструктивная особенность в том, что для ее осуществления необходимы двухцилиндровое исполнение мотора. Одна пара цилиндр — поршень выступает в роли впускающих газы, а другая пара в роли выпускающая газы.
Клапанная или клапанно-щелевая продувка
Клапанная или клапанно-щелевая продувка в отличие от других видов требует наличия ГРМ, который управляется клапанами. Клапан может использоваться и для подачи заряда, и для удаления продуктов сгорания. При клапанно-щелевой продувке через клапан в головке цилиндра удаляются отработанные газы, а через окна (щели) поступает свежий заряд. Это уменьшает расход топлива и снижает токсичность отработанных газов, но усложняет конструкцию двигателя и может нарушить нормальный режим сгорания заряда из-за повышенной температуры.
Прямоточная продувка
Прямоточная продувка используется в двигателях с двумя поршнями, расположенными напротив друг друга в горизонтальном положении. В этом случае каждый поршень по ходу своего движения открывает и закрывает «свой» клапан: один поршень отвечает за впуск заряда, а второй – за удаление газов. Камерой сгорания в этом случае является пространство между поршнями. Этот вариант предусматривает наличие более сложного КШМ, а высокая температура внутри цилиндров требует дополнительного охлаждения и более прочных элементов. В то же время, это наиболее эффективный способ продувки, который обеспечивает полное удаление отработанных газов с минимальными потерями топливного заряда.
Особенности двухтактных двигателей
Особенность двухтактных двигателей – отсутствие системы смазки. Масло для смазки рабочих поверхностей трущихся деталей доставляется к ним прямо с топливной смесью. Есть два варианта получения такой смеси: изначально заливать в бак заранее приготовленный «коктейль» из топлива и моторного масла или же смешивать их во впускном патрубке, куда они поступают раздельно. Соотношение топлива и масла находится в пределах от 1:25 до 1:50. Моторное масло, как и топливо, сгорает во время рабочего такта, а продукты его сгорания выводятся вместе с отработанными газами.
Что касается мощности, двухтактные двигатели действительно мощнее своих четырехтактных конкурентов. В идеале их мощность при одинаковом литраже должна составлять 2:1 соответственно, но на деле из-за некачественного газообмена в цилиндрах это соотношение составляет 1,5:1. Удельная мощность или соотношение мощности и массы двигателя тоже выше у двухтактных моторов, ведь их вес намного легче, да и конструкция проще.
А вот расход топлива в двухтактных двигателях выше, чем у четырехтактных. Из-за несовершенной системы продувки цилиндров часть топливной смеси в прямом смысле слова вылетает в трубу. По этой причине такие двигатели практически не используются в автомобилях, тяжелой технике или мощных силовых установках, потребляемых большое количество топлива.
Еще один момент, отличающий двухтактный двигатель от четырехтактного – процесс сжигания топлива. Поскольку выпускное окно открывается практически сразу после воспламенения заряда, необходимо обеспечить достаточное время для его полного сгорания. В четырехтактном двигателе на процесс сгорания отводится целый рабочий цикл, а здесь – всего доли секунды. Чтобы добиться максимальной эффективности, в бензиновых моторах нужно точно определять углы опережения зажигания, а в дизельных – контролировать время подачи топлива. В современных моделях это достигается путем использования электроники.
Двухтактные двигатели могут быть как бензиновыми (карбюраторными или инжекторными), так и дизельными. Разница в принципе их работы заключается в том, что в первом случае в цилиндры сразу подается топливный заряд (смесь воздуха с топливом), а во втором – сначала воздух, а в конце первого такта – топливо, которое воспламеняется при контакте с горячим воздухом. Бензиновые двигатели широко используются в мотоциклах, малолитражных автомобилях, а также в газонокосилках, бензопилах и других агрегатах с ДВС. Дизельные моторы нашли применение в судостроении, раньше они также использовались на тепловозах, танках и с успехом применялись в авиации на бомбардировщиках Юнкерс. Сейчас же судостроение – чуть ли не единственная сфера их применения, где пришлась кстати их тихоходность и мощность, не превышающая 100 тыс. л.с. В отличие от четырехтактных двухтактные дизели не имеют разделенных камер сгорания, что дополнительно усложнило бы их конструкцию, так что дизельное топливо подается и смешивается с воздухом прямо в камере сгорания.
Итак, двухтактные двигатели имеют ряд преимуществ:
— простую конструкцию;
— небольшой вес;
— меньшие нагрузки на элементы конструкции;
— отсутствие системы смазки и ГРМ;
— большую литровую мощность в сравнение с четырехтактными.
В то же время, у двухтактных моторов есть и недостатки:
— повышенный расход топлива;
— токсичность выхлопных газов;
— меньший ресурс в сравнение с четырехтактным;
— шум во время работы;
— необходимость приготовления топливо-масляной смеси, что не только усложняет систему подачи топлива, но и повышает расход масла.
Выводы
Из вышесказанного можно сделать вывод, что двухтактные двигатели можно использовать в тех случаях, когда расход топлива не имеет значения, а важны такие характеристики, как небольшая масса и простота конструкции. Это идеальные варианты для переносных агрегатов, небольших автомобилей, а также мотоциклов и мопедов. Компактные размеры двухтактных двигателей позволило им основательно занять место в сфере, казалось бы совершенно далекой от той сферы, для которой были созданы ДВСы — в моделировании.
В последнее время двухтактные двигатели становятся все более популярными за счет использования в их конструкции электронных систем. Это позволяет снизить токсичность выхлопных газов, регулировать процессы подачи и сгорания топлива, что делает моторы более экологичными. Так что в скором будущем их сфера применения может значительно расшириться. Еще в начале 20 века начались разработка дизельных двухтактных двигателей. Одну из наиболее удачных схем разработал Хуго Юнкерс, а в 60-ых годах 20 века и советские моторостроители выдали образец инженерного чуда — оппозитный 2ух тактный дизельный мотор 5ТДФ с мощностью 700 л.с.
Дизель Хуго Юнкерса | Танковый дизель 5ТДФ |
В конструкции двухтактных двигателей заложены огромные резервы по мощности и экономичности. Но из-за конструктивных особенностей их не удавалось реализовать в механическом виде. Вполне возможно электронные системы помогут «двухтактникам» занять лидирующую позицию среди двигателей внутреннего сгорания в ближайшее время.
Что такое двухтактный двигатель: кто не знает?
Сегодня мы узнаем что такое двухтактный двигатель. Разберемся в принципе его работы, в его конструктивной простоте и почему же не ставят двухтактный двигатель на автомобили все уважающие себя автопроизводители. Поэтому за дело, друзья!
Что такое двухтактный двигатель?
Так как же устроен этот поршневой мотор, встречающийся в газонокосилке, скутере, и мотоцикле? Почему двухтактный?
Принцип действия этого агрегата заложен в самом его названии «двухтактный двигатель внутреннего сгорания». То есть внутри его что-то сгорает за два такта.
А сгорает в нём не что иное, как топливная смесь, состоящая из топлива и воздуха.
В результате взрыва и сгорания этой смеси происходит движение поршня с передачей этой энергии в крутящий момент, который в свою очередь передается на колёса наших квадроциклов, скутеров и иногда автомобилей.
Но в чём же секрет сокращения тактности в два раза?
Чтобы разобраться в этом, смотрим схему, как работает простейший одноцилиндровый двухтактный мотор.
Как работает двухтактный ДВС
Итак, главная роль в этом устройстве принадлежит поршню, который, двигаясь вверх и вниз в цилиндре, преобразует энергию сгоревшего топлива в механическое движение коленвала.
Почему двухтактный, какое ключевое отличие от его более сложных четырёхтактных сородичей?
Отличие заключается в том, что такт сжатия в двухтактном ДВС, совмещен с тактом выпуска. А такт рабочего хода совмещен с тактом впуска
Такт сжатия, двухтактный мотор, начинает после момента прохождения поршнем нижней точки и начала его движения вверх.
В этот миг в цилиндре, в пространстве над поршнем, уже находится свежая порция воздушно топливной смеси, поступившая из карбюратора через перепускной канал и продувочное окно во время такта рабочего хода.
При приближении поршня к верхней точке движения, смесь в цилиндре воспламеняется от искры свечи зажигания и двигатель переходит в рабочий такт – именно в этот момент выполняется полезная работа.
Движущийся вниз под воздействием расширяющихся продуктов горения топлива поршень двухтактного мотора, открывает выпускное окно, в которое под давлением устремляются выхлопные газы.
Дальнейшая их судьба – глушитель. Он-то и принимает всю сгоревшую смесь и глушит по средством специальных каналов громкий хлопок взрыва этой самой смеси.
Если ещё не скучно про двухтактный мотр, идем дальше.
Заканчивается рабочий такт мотора в нижнем положение Н.М.Т., а не задолго до этого открывается продувочное окно, из которого в цилиндр устремляется очередная порция топливной смеси из под поршня.
Она вытесняет последние остатки выхлопных газов. Эта нехитрая процедура называется продувкой.
Затем повторяется первый такт Сжатие-впуск и второй Рабочий ход-выпуск. И так бесконечно, пока есть воля к движению.
Вот где нужен двухтактный мотор
Таким образом, мы вкратце рассмотрели принцип работы простейшего двухтактного двигателя.
Стоит отметить, что такой тип двухтактного мотора, по сравнению с четырёхтактным, аналогичного объёма, имеет большую мощность.
Но двухтактным моторам присущи и недостатки – к примеру, низкая экологичность и высокий расход топлива. Именно по этой причине нет смысла устанавливать его на автомобиль.
Простота двухтактного двигателя состоит в том, что он не имеет сложного механизма газораспределения, распредвалов, клапанов, сложных головок блока цилиндров двигателя, требующих больших трудозатрат на их изготовление.
Тем не менее, благодаря своей простоте двухтактные агрегаты находят широкое применение в различных отраслях.
Они крайне популярны у авиамоделистов. Почти все простые мотоциклы и скутеры имеют двухтактный двигатель.
Повсеместно применяются в различных моторизированных устройствах, к примеру, в бензопилах, газонокосилках, генераторах, сельскохозяйственной технике.
Наверное в каждой нормальной семье присутствует хоть один механизм, имеющий двухтактный двигатель.
Надеюсь, это краткое повествование помогло разобраться что такое двухтактный двигатель, в принципах его работы.
Посмотрите что-нибудь еще на сайте, например Когда автомобиль будет иметь паровой двигатель.
Разъяснение конструкции нового двухтактного двигателя
С появлением на горизонте все большего и большего количества новых электромобилей будущее двигателей внутреннего сгорания с каждым днем кажется все мрачнее. Но этот новый тип сверхэффективного двигателя может продержаться еще немного.
Road & Track Соавтор Джейсон Фенске разбирает новый дизайн, опубликованный Обществом автомобильных инженеров, в новом видео для своего канала YouTube, Engineering Explained. Несмотря на то, что в нем используются поршни и топливо, его конструкция не похожа ни на один из других традиционных двигателей внутреннего сгорания, используемых сегодня на дорогах.
В отличие от обычного двигателя внутреннего сгорания, в котором одна и та же камера используется для сжатия, смешивания и сжигания топливовоздушной смеси, входное зажигание распределяет работу между тремя разными камерами. Первый, оснащенный поршнем, сжимает воздух для создания давления и нагрева. Затем он отправляет сжатый воздух в резервуар, который поступает в другое пространство, где сжатый воздух смешивается с топливом. Затем эта горячая топливно-воздушная смесь всасывается в другую камеру с помощью скользящего клапана, где из-за тепла внутри цилиндра она воспламеняется (без использования свечи зажигания).Вот откуда взялось название «зажигание».
Мы знаем, что это много для переваривания. Фенске объясняет это более подробно в видео выше. Поскольку конструкция обеспечивает такты впуска и сгорания одновременно (помните, в разных цилиндрах), технически это двухтактный двигатель. Этот метод обеспечивает более высокую степень сжатия и более обедненное соотношение воздух-топливо, обеспечивая теоретический тепловой КПД 63 процента — на 14 процентов лучше, чем у обычного традиционного двигателя внутреннего сгорания.
Конечно, мы не собираемся в ближайшее время увидеть появление двигателей с внутренним зажиганием в дорожных автомобилях. Этот метод недоказан и несет в себе множество неизвестных в отношении охлаждения, балансировки и надежности. Тем не менее, это признак того, что в мире топливных двигателей не все потеряно.
Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на пианино.io
Различные части 2-тактного двигателя?
Двухтактный двигатель — это тип небольшого двигателя внутреннего сгорания, в котором для завершения одного рабочего цикла используются два разных хода поршня. Во время этого цикла коленчатый вал поворачивается один раз, а поршень один раз поднимается и опускается, чтобы запустить свечу зажигания.
Что такое 2-тактный двигатель?
В двухтактном двигателе для завершения цикла сгорания требуется всего один ход поршня. Вот такт сжатия, затем взрыв сжатого топлива.На обратном пути выхлоп выталкивается из цилиндра поступающим свежим топливом. Свечи зажигания зажигаются при каждом обороте. Мощность двигателя создается за каждые два хода поршня, отсюда и название этих двигателей.
Эти двигатели имеют несколько преимуществ перед 4-тактными двигателями. Они легкие, часто на 50% меньше и обеспечивают больший крутящий момент при более высоких оборотах. Двухтактные двигатели также имеют упрощенную конструкцию, что упрощает их обслуживание. Уникальной особенностью двухтактных двигателей является то, что они требуют предварительного смешивания масла и топлива, в то время как четырехтактные двигатели этого не делают.
Перечень деталей 2-тактного двигателя
В состав 2-тактного бензинового двигателя входят:
- Форсунка
- Цилиндр
- Головка блока цилиндров
- Свеча зажигания
- Кривошип
- Коленчатый вал
- Картер двигателя
- Шатун
- Порты — впускной, передаточный и выпускной
- Поршень
- Кольца поршневые
Циклы двухтактного двигателя
Что касается деталей и функций двухтактного двигателя, то существует два цикла.
1. Первый ход (всасывание и сжатие)
Во время этого цикла поршень перемещается от нижнего центра к верхнему центру, и все три порта — впускное, передаточное и выпускное — закрываются. Заряд над поршнем сжимается, и свеча зажигания воспламеняет заряд и создает рабочий ход. Эта мощность передается с помощью шатуна на коленчатый вал.
Также в картере создается частичный вакуум, который открывает впускное отверстие и позволяет топливно-воздушной смеси попасть внутрь.
2. Второй ход (рабочий ход и ход выхлопа)
Во время второго цикла поршень движется вниз от верхнего центра, и входное отверстие закрывается. При движении поршня вниз происходит выталкивание топливно-воздушной смеси, и заряд из картера выходит через передаточное отверстие.
Поскольку выхлопное отверстие открыто, большая часть выхлопных газов выходит из цилиндра. Оставшийся выхлопной газ проталкивается через выхлопное отверстие под давлением нисходящей топливно-воздушной смеси.Затем с помощью свежего заряда выхлопные газы выталкиваются наружу.
Детали двухтактного бензинового двигателя работают таким же образом, а детали двухтактного дизельного двигателя работают аналогично, за исключением того, что у него топливная форсунка вместо свечи зажигания.
Общие функции двухтактных двигателей
Размер и соотношение мощности и веса деталей и функций 2-тактного дизельного двигателя делают их идеальными для небольших применений. Обычно их можно найти по адресу:
- Радиоуправляемые игрушки
- Грязевые велосипеды
- Бензопилы
- Малое плавсредство
- Ландшафтный инструмент
Уменьшенное количество деталей двухтактного бензинового двигателя, простая конструкция и отсутствие масляного поддона делают эти двигатели более надежными при низких температурах.Эта особенность делает их также подходящими для использования в таких машинах, как снегоходы и снегоуборочные машины.
Свяжитесь с Prime Source Parts and Equipment сегодня
Если вам нужны детали для двухтактного судового дизельного двигателя или двухтактного бензинового двигателя, компания Prime Source Parts and Equipment может вам помочь. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы получить дополнительную информацию о наших деталях для двухтактных двигателей и услугах по обслуживанию малых двигателей.
Двухтактный двигатель— обзор
Первое летящее в океане дизельное судно, 370-футовое судно Selandia, было доставлено Восточно-Азиатской компании в 1912 году верфью Burmeister & Wain (B&W), Копенгаген, Дания.За 20 лет, прошедших с момента испытания первого коммерческого дизельного двигателя в результате сотрудничества Рудольфа Дизеля и Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg (MAN), двигатель нового типа стал предметом интенсивных разработок и спекуляций. Он обещал промышленности революционно новый источник энергии и тем самым угрожал мировым производителям угля. Итак, плавание Селандии было одной из главных новостей того времени. Уинстон Черчилль, первый лорд британского Адмиралтейства, посетил судно и назвал его достижением мирового масштаба.
Selandia оснащалась двухцилиндровыми восьмицилиндровыми четырехтактными дизельными двигателями B&W, каждый из которых развивал 1250 л.с. В течение года такие конкуренты, как MAN, Sulzer, Vickers и Krupp, работали над разработкой двухтактных двигателей с мощностью около 2000 л.с. на цилиндр, начав соревнование по мощности, которое с тех пор не прекращалось. Наблюдая за этими ранними усилиями, Рудольф Дизель прокомментировал: «Если, что кажется вероятным, эти испытания дадут удовлетворительные результаты, наступила эра очень больших дизельных двигателей».
Главный двигатель для крупнейших торговых судов — танкеров, балкеров и контейнеровозов — это большой тихоходный двухтактный дизельный двигатель.Он стал рыночной силой в конце 1920-х годов, когда растущие требования к размерам кораблей и мощности стали выходить за рамки возможностей четырехтактных двигателей. Благодаря тому, что фазы впуска и выпуска занимают долю хода, а не полный ход каждая, двухтактный двигатель имеет несколько преимуществ. Он удвоил выходную мощность на единицу размера по сравнению с четырехтактным двигателем и сделал более высокую выходную мощность доступной за счет больших размеров поршней и более длинных ходов. Кроме того, двухтактный двигатель с низкой скоростью позволял прямое соединение с гребным винтом.Со временем производители двухтактных двигателей также будут заявлять — как и сегодня — о более высокой эффективности и большей общей надежности этих двигателей.
50-летняя битва двухтактных дизельных двигателей с паром за господство на море была завершена на фоне стремительного роста цен на топливо 1970-х годов. Например, в 1975 году из 614 двигателей, поставленных для крупнейших торговых судов, 78 процентов (482) составляли тихоходные дизели, а остальные 123 — паровые турбины. В 2000 году из 1059 главных двигателей, поставленных судам дедвейтом более 2000 тонн, 60 процентов были тихоходными двухтактными.Большинство оставшихся были четырехтактными средними скоростями.
Четырехтактные судовые дизели применяются повсюду, от гоночных катеров и моторных яхт до круизных судов, {грузовых и пассажирских} судов и танкеров-челноков (и на большом количестве стационарных электростанций). Их более высокая скорость требует некоторого промежуточного звена между двигателем и гребным винтом (редуктор или дизель-электрический привод), установка, обеспечивающая преимущества более тихой работы, более низкой вибрации и очень гибкой компоновки и расположения машинного отделения.Конкуренция за этот вид бизнеса делится между большим количеством производителей, во главе с Wärtsilä (51% рынка в 2000 году) и MAN B&W Diesel.
В своем соревновании за более высокую производительность [и экономию топлива] разработчики дизелей сосредоточили большую часть своих усилий на увеличении мощности при одновременном контроле веса двигателя. Чтобы оценить их успех, рассмотрите только увеличение мощности между двумя 12-цилиндровыми двухтактными двигателями диаметром 420 мм, разделенными промежутком в 30 лет. В 1968 году B&W 1242-VTBF-90 выдал общую мощность 6600 л.с. при ходу 900 мм и скорости 220 об / мин.В 2001 году двигатель MAN B&W 12S42-MC выдал 17 640 л.с. при ходу 1764 мм и частоте вращения 136 об / мин — увеличение мощности примерно в 2,5 раза при почти том же двигателе. Такое увеличение мощности было реализовано во всем дизельном спектре. Мощность двигателя Top подскочила за это время с 40 000 до 100 000 л.с. Средняя скорость поршня увеличилась с примерно 6,6 м / с до примерно 8,5 м / с.
Огромное увеличение внутренних сил и давлений, сопровождавшее это увеличение мощности, было устранено не за счет удвоения физических размеров двигателя, а за счет использования современных материалов, ковки и конструкционных технологий.Также был достигнут значительный рост теплового КПД, показателя способности двигателя выполнять механическую работу за счет энергетического потенциала топлива. Эффективность повысилась примерно с 40 процентов в 1975 году до 50 процентов сегодня, а гибридные системы — до 55 процентов. В упорядоченных высокотехнологичных мастерских современных дизельных конструкторов массивные компоненты даже самых больших двигателей — например, головки поршней диаметром почти метр и топливные форсунки длиной 600 мм — обрабатываются вручную с точностью часового механизма, чтобы уговорить каждую дробь. мощности от процесса сгорания.Новые методы обработки топлива, компьютеризированные системы впрыска и управления цилиндрами, а также новые технологии обработки выхлопных газов оптимизируют мощность, снижая при этом содержание загрязняющих веществ в выхлопных газах двигателя. И теперь последний бастион паровых двигателей, танкер для перевозки СПГ, подвергается атаке компактных дизелей по привлекательной цене, которые сжигают смесь нефти и природного газа.
— Джо Евангелиста, в обзоре Surveyor Американского бюро судоходства (весна 2002 г.), стр. 14–20
2-тактный / 4-тактный — мотоцикл
В чем разница между 2-тактными и 4-тактными двигателями?
Топливо для двухтактного двигателя содержит небольшое количество масла.Это называется «2-тактным», потому что всего одно движение поршня вверх и вниз — 2 хода — выполняет полный цикл впуска, сжатия, сгорания и выпуска. Впускные или выпускные клапаны не используются, а вместо этого используются небольшие отверстия, называемые продувочными портами в стенке цилиндра, для втягивания воздуха и удаления выхлопных газов. Поскольку сгорание происходит при каждом обороте коленчатого вала в 2-тактном двигателе, этот формат обеспечивает большую мощность, чем 4-тактный двигатель, и мощность имеет более мгновенную подачу.Это некоторые причины, по которым двухтактные двигатели давно используются на многих различных типах мотоциклов.
Однако озабоченность по поводу более экологичных характеристик возросла, и теперь 4-тактные двигатели стали нормой, потому что они по своей сути имеют лучшую экономию топлива и меньше дыма выхлопных газов. По состоянию на 2019 год только двухтактные мотоциклы Yamaha выпускаются для соревнований по закрытому маршруту, а некоторые модели — на экспорт. Тем не менее, двухтактные продукты Yamaha имеют простую, легкую конструкцию и сравнительно легкие в обслуживании, а их высокая надежность делает их популярными во многих регионах.Сегодня двухтактные снегоходы Yamaha используются для передвижения по ледяной и холодной окружающей среде России, а наши двухтактные подвесные моторы широко используются в Африке для рыбной ловли. И многие энтузиасты мотоциклов продолжают любить двухтактные двигатели за их резкое и захватывающее ощущение ускорения.
Что касается 4-тактных двигателей, они работают на бензине без подмешивания масла, а поршень поднимается и опускается два раза за каждый цикл сгорания, поэтому он называется «4-тактным». Однако для 4-тактных двигателей требуются клапаны как для впуска, так и для выпуска, которые должны работать с высокой точностью, что делает этот тип двигателя более сложным, тяжелым и имеет другие недостатки.Но они обеспечивают стабильную подачу мощности, хорошую топливную эффективность, более чистые выбросы и многое другое. Вот почему почти все двухколесные автомобили, от больших мотоциклов до маленьких скутеров, используют четырехтактные двигатели.
Двухтактный двигатель — Двигатели внутреннего сгорания (IC)
Принято считать, что наши верные двигатели внутреннего сгорания (IC) идут по пути багги. Литий-ионный аккумулятор уже в продаже, стандарты выбросов ужесточаются, а оборудование, которое преобразует углеводороды в лошадиные силы, не будет иметь никакого значения в будущем, говорят некоторые эксперты.
Эта точка зрения предполагает, что двигатель внутреннего сгорания 148-летней давности вышел из строя и не имеет потенциала для улучшения. Фактически, обычные двигатели и автомобили, которыми они управляют, ежедневно демонстрируют заметный прирост эффективности и чистоты. Подъем двухтактных двигателей из их почти мертвого состояния — последнее свидетельство того, что лучшие дни внутреннего сгорания еще впереди.
Четырехтактный двигатель, которым оснащены все современные легковые и грузовые автомобили (кроме Tesla Roadster), был гениальным изобретением немца Николаса Отто, который мудро осознал, что сжатие топливно-воздушной смеси перед зажиганием — лучший способ.Эта идея пришла к нему в 1861 году; три года спустя он и его сторонники строили и продавали четырехтактные двигатели, которые значительно превосходили — в основном, более экономичны — чем альтернативные конструкции без такта сжатия.
Естественно, были конкуренты с альтернативными конструкциями и надежды обойти патенты Отто, выданные только в 1877 году. Карл Бенц и другие успешно работали с двухтактными двигателями к 1870 году, которые выдавали один импульс мощности на один оборот коленчатого вала по сравнению с двумя оборотами, необходимыми для четырехтактных. двигатели.
Наиболее распространенная форма двухтактного двигателя не требует клапанного механизма, что приводит к значительной экономии средств, веса и сложности. В результате у поршня остается целый список обязанностей: подача воздуха и топлива в камеру сгорания, дозирование смазочного масла, сжатие смеси, подача мощности на коленчатый вал и вывод отработавших газов из цилиндра. Все это происходит каждые 360 градусов поворота коленчатого вала. Неизбежным результатом является то, что часть необработанного топлива и вся смазка выметаются из выхлопной трубы.
В то время как синий дым за Saab 60-х годов, последними двухтактными автомобилями в Америке, был приемлем в то время, вредные выбросы больше не являются социально приемлемыми.
Тем не менее, неоспоримые преимущества, присущие двухтактным двигателям, позволяли им работать все эти годы. Двухтактные Трабанты, произведенные в бывшей Восточной Германии, прослужили до 1991 года. И благодаря внедрению эффективных систем измерения количества масла, улучшенной конструкции поршней и портов, а также прямому впрыску топлива с электронным управлением, двухтактные двигатели по-прежнему используются во многих морских подвесных двигателях. дорожные мотоциклы и снегоходы.Простые версии являются предпочтительным двигателем для бензопил, триммеров для сорняков, некоторых газонокосилок и почти всех радиоуправляемых моделей.
Глобальные поиски серебряной пули для наших потребностей в энергии и двигателе побудили многих инженеров отряхнуть старые учебники и исследовать умирающие идеи в поисках вдохновения. Недавно их внимание привлек двухтактный двигатель.
В августе 2008 года британский консорциум — Lotus Engineering, Jaguar Cars и Королевский университет в Белфасте — объявил о планах исследования необычного двухтактного двигателя в надежде, что он сможет эффективно работать на различном бензине и спиртовом топливе.Этот двигатель, получивший название «Omnivore» по понятным причинам, имеет прямой впрыск топлива и возможность работы со степенью сжатия от 8: 1 до 40: 1 с помощью подвижной «шайбы», расположенной над поршнем, которая изменяет зазор в камере сгорания. Также обсуждалась работа с самовоспламенением (HCCI). Этот двухтактный двигатель, спроектированный Lotus, имеет моноблочную конструкцию с головкой, встроенной в блок цилиндров.
Вторая примечательная разработка двухтактных двигателей находится в Чепмене, штат Канзас, где более года назад амбициозная команда из 16 ученых, инженеров и инвесторов приступила к разработке двигателя, который они называют Граалем, как Святой Грааль.Самая необычная особенность этой конструкции — впускной клапан, расположенный в головке поршня, который пропускает свежий заряд воздуха. Кроме того, есть один выпускной клапан, одна топливная форсунка и три свечи зажигания, расположенные в верхней части камеры сгорания. Цели — 100+ миль на галлон, более 100 лошадиных сил и чистый выхлоп от одноцилиндрового 1,0-литрового двигателя.
«Всеядному» и «Граалю» придется поторопиться, чтобы не отставать от проекта двухтактных двигателей, реализуемого EcoMotors недалеко от Детройта. Этот двигатель представляет собой OPOC — оппозитный поршень, оппозитный цилиндр — конструкция, которая имеет минимальное сходство с любым двигателем — двух- или четырехтактным — сегодня на дорогах.
Питер Хофбауэр, основатель и председатель EcoMotors, является мозгом этого бизнеса. Он окончил технический университет в Вене, Австрия, в 1966 году, после учебы у известного гения Auto-Union и разработчика ракет V1 / V2 Эберана фон Эберхорста. Затем Хофбауэр проработал два десятилетия в VW, поднявшись до руководства разработкой всех двигателей VW и Audi, руководя штатом из более чем 1000 сотрудников. Дизельные двигатели VW первого поколения и комплексная технология VR inline-V, которая до сих пор используется в Bugatti Veyron, стали идеей мозгового штурма Hofbauer.
Работая над двигателем Wasser Boxer или двигателем Beetle с водяным охлаждением для VW Vanagon, Хофбауэр решил, что было бы разумно заменить головки блока цилиндров в двигателе с оппозитными поршнями (OP) на … дополнительные поршни. Эта концепция имеет достоинства прежде всего потому, что она удобно удваивает площадь, с которой силы сгорания прижимаются к каждому ходу коленчатого вала. Предыдущие применения с оппозитными поршнями включают шестицилиндровые / 12-поршневые авиационные двигатели Junkers Jumo времен Второй мировой войны, различные двигатели танков и кораблей, а также в качестве источника энергии для воздушных компрессоров и т.п.Британская фирма Comer использовала их для питания автобусов. Единственное заметное использование в автомобилях оппозитных поршней было французским производителем Gobron-Brillie с 1900 по 1922 год.
В большинстве этих двигателей OP использовались два соединенных вместе коленчатых вала. Чтобы избежать этого осложнения, Хофбауэр разработал натяжные стержни, соединяющие внешние поршни непосредственно с одним коленчатым валом. Это отличный подход — также используемый Gobron-Brillie — потому что тяговые нагрузки от внешних поршней почти равны, но противоположны толкающим нагрузкам, прикладываемым к кривошипу внутренними поршнями.Такой баланс способствует плавности хода и упрощает использование более легкой конструкции картера.
Хофбауэр так и не смог реализовать свою идею OPOC в Германии. После работы в VW он перешел в Klockner-Humboldt-Deutz, кельнскую фирму, имеющую прямые корни с компанией-производителем двигателей Николаса Отто. В 1997 году, проработав там около десяти лет, Хофбауэр вышел на пенсию и переехал в Америку.
Когда выход на пенсию оказался неудовлетворительным, Хофбауэр возродил свою концепцию двигателя. Вместе с партнерами по разработке FEV и AVL он запустил первые демонстрационные двигатели в 2003 году и привлек инвестиционные средства от DARPA.Пара опытных образцов была доставлена группе исследований и разработок танков и автомобилей армии США.
Зеленый венчурный капиталист Винод Хосла на сегодняшний день внес основную часть инвестиций в размере 60 миллионов долларов.
Двигатель EcoMotors OPOC прославился тем, что удвоил удельную мощность (на фунт и на кубический дюйм внешнего объема) сегодняшних бензиновых двигателей. Поскольку требуется менее половины запчастей, EcoMotors рассчитывает получить по крайней мере 20-процентную экономию. Прогнозируемая экономия топлива до 50 процентов лучше, чем у нынешних бензиновых и дизельных двигателей.
Как и все двухтактные, двигатель EcoMotors OPOC выдает один импульс мощности на цилиндр за один оборот коленчатого вала. В интересах эффективности и чистоты выхлопных газов в входящем воздушном потоке нет топлива. Вместо этого он подается двумя форсунками, расположенными по бокам стенки цилиндра. Двигатель OPOC первого поколения работает на дизельном топливе, но в будущем планируется разработать и бензиновые версии. Для воспламенения бензина требуются специальные плазменные запальники.
Хофбауэр называет односторонний поток воздуха через двигатель «Циклом прямого газообмена».»Это означает, что сжатый воздух входит в цилиндр, когда отверстия открываются наружными поршнями, достигающими конца своего хода от коленчатого вала. После зажигания, поскольку оба поршня движутся в противоположных направлениях давлением сгорания, мощность передается на коленчатый вал. Когда внутренний поршень приближается к нижней части своего хода, выпускные отверстия открываются. Движение поршня рассчитано по времени, и отверстия расположены таким образом, что выпускной канал открывается перед впуском. Чтобы избежать потери свежего воздуха из цилиндра, выпускные отверстия также закрываются раньше. входные отверстия закрываются.
Эта прямоточная компоновка имеет решающее значение для чистого выхлопа и максимально эффективного использования каждого приращения топлива. Это также означает, что двигателю OPOC для запуска и работы необходим источник сжатого воздуха. Хофбауэр придумал хитроумное средство для удовлетворения этого требования: турбокомпрессор с электроприводом. Во время запуска двигатель раскручивает компрессор для подачи всасываемого воздуха. После того, как двигатель начинает работать и энергия выхлопных газов возрастает, турбинное колесо берет на себя задачу приведения в действие компрессора, позволяя двигателю стать электрическим генератором.
Управление электрическим турбонаддувом с помощью компьютерного модуля дает двигателю OPOC эквивалент системы изменения фаз газораспределения согласно Хофбауэру. Вырабатываемая электрическая энергия используется для подзарядки аккумуляторной батареи.
Хотя двигатель OPOC еще не готов к продаже, был достигнут значительный прогресс. Расход масла и выбросы выхлопных газов на норме. Хофбауэр надеется, что большие дозы рециркуляции отработавших газов означают, что впрыск мочевины не потребуется для удовлетворения требований к выбросам.Продолжаются разработки, чтобы доказать долговечность двигателя, решить любые возникающие проблемы и добавить бензиновую версию в меню продукта.
Повышение экономии топлива на 15% в этом двигателе в основном связано с его меньшим весом и значительно меньшим отводом тепла в систему охлаждения (поскольку головка блока цилиндров отсутствует). Использование двух двигателей OPOC с управляемой компьютером муфтой для отключения одного, когда его вклад не требуется, удваивает преимущество перед обычными двигателями до 30 процентов.Добавьте еще пять процентов для снижения веса автомобиля, связанного с этим двигателем, и 15 процентов для того, что EcoMotors называет своей конструкцией Tribrid (две модели двигателей OPOC в сочетании с электродвигателем), и чистая прибыль составит 50 процентов по сравнению с современными автомобилями.
Хофбауэр и его команда из 25 инженеров владеют 114 патентами, еще сотня заявок находится в стадии разработки. Дон Ранкл, опытный руководитель с долгой карьерой в GM и Delphi, недавно присоединился к штату EcoMotors в качестве генерального директора, чтобы помочь привлечь 200 миллионов долларов в виде федеральных грантов, необходимых для перехода на следующие этапы развития к производству.
EcoMotors стремится поставлять двигатели для различных областей применения, от микроавтомобилей для развивающихся стран до грузовиков с полуприцепами в США. Приложения для вспомогательных энергоблоков и генераторных установок также находятся в списке. Runkle сообщает о большом интересе со стороны производителей морского, коммерческого грузового и сельскохозяйственного оборудования.
Согласно Runkle, EcoMotors готова сотрудничать с любым клиентом, заинтересованным в приобретении лицензионного соглашения. Вторая возможность — совместные проектные предприятия.Наиболее вероятным первым шагом будет поставка двухтактных двигателей OPOC производителям, у которых нет возможности разрабатывать и производить свои собственные двигатели.
Ранкл отмечает: «То, что мы имеем, — это сотовый телефон двигателей. Зачем любому новому производителю беспокоиться об изобретении стандартного четырехцилиндрового двигателя, двигателя V-6 или V-8, если они могут получить от EcoMotors источник питания OPOC, который значительно превосходит его. с точки зрения затрат, эффективности и воздействия на окружающую среду? »
Если EcoMotors преуспеет в соответствии с планом, Ранкл надеется вернуть закрытый завод двигателей GM в Ливонии, штат Мичиган, для создания инновационных двигателей.Его цель — вернуть мотор в город Мотор-Сити, тем самым возродив репутацию Детройта как мирового центра передового опыта в автомобилестроении.
В то время как появление электрических силовых установок, несомненно, поможет поднять репутацию автомобиля как потребителя ресурсов и генератора загрязнения окружающей среды, впереди нас ждут серьезные препятствия. Усовершенствованные аккумуляторные батареи и новая электрическая генерирующая инфраструктура ужасно дороги. Это оставляет широкие возможности для нового поколения двигателей внутреннего сгорания, таких как двухтактный OPOC, с чистой и рентабельной силовой установкой.По всей видимости, тепловые двигатели будут играть решающую роль в глобальной системе личного транспорта в ближайшие десятилетия.
«Управление скоростью с обратной связью небольшого двухтактного двигателя внутреннего сгорания» Пол Д. Фьяре
Название степени
Магистр технических наук (MSE)
Отдел
Машиностроение
Член Первого комитета
Уильям Калбрет
Член Второго комитета
Роберт Бем
Член Третьего комитета
Усун Йим
Член Четвертого комитета
Сахджендра Сингх
Абстрактные
Беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) требуется интеллектуальное управление их источником энергии.Небольшие БПЛА обычно приводятся в действие электродвигателями или небольшими двухтактными двигателями внутреннего сгорания (IC). Малогабаритные двигатели внутреннего сгорания обеспечивают более продолжительное время полета, но их труднее контролировать и они вызывают значительный шум от земли. Желательна гибридная работа, при которой двигатель используется на большой высоте, а электродвигатель — на небольшой высоте. Это позволит продлить полет с приемлемым уровнем шума от земли. Поскольку двигатель не может быть перезапущен в воздухе, он должен иметь возможность оставаться на холостом ходу в течение длительного времени без остановки.Контроллер обратной связи создан для карбюраторного двухтактного двигателя OS160FX. Контроллер реализует алгоритм пропорционально-интегрально-производной (ПИД) для регулирования скорости вращения вала двигателя. Контроллер также контролирует температуру двигателя и может контролировать высоту самолета. Он построен из коммерчески доступных компонентов и основан на микроконтроллере с открытым исходным кодом. Двигатель и контроллер были испытаны на земле, чтобы определить рабочие характеристики двигателя и соответствующие параметры настройки алгоритма ПИД.Контроллер позволяет двигателю без остановки работать на холостом ходу 1800 об / мин. Контроллер может быстро реагировать на изменения заданной скорости и устанавливать ее в течение 10 секунд. Скорость регулируется во всем диапазоне скоростей двигателя. Было обнаружено, что на производительность контроллера отрицательно влияют неоптимальные настройки топливного клапана карбюратора.
Ключевые слова
Воздушная скорость; Контроль; Дрон-самолет; Дрон-самолет — Системы управления; Электродвигатели; Двигатели; Системы управления с обратной связью; Двигатель внутреннего сгорания; Обратная связь; Скорость; БПЛА
Дисциплины
Акустика, динамика и элементы управления | Аэрокосмическая техника | Машиностроение | Навигация, наведение, управление и динамика
Учредитель степени
Университет Невады, Лас-Вегас
Ссылка из репозитория
Фьяре, Пол Д., «Управление скоростью с обратной связью небольшого двухтактного двигателя внутреннего сгорания, который приводит в движение беспилотный летательный аппарат» (2014). Тезисы, диссертации, профессиональные статьи и документы UNLV . 2179.
http://dx.doi.org/10.34917/6456409
Права
В АВТОРСКОМ ПРАВЕ. Для получения дополнительной информации об этом заявлении о правах посетите http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Высокоэффективный двухтактный двигатель внутреннего сгорания
Долгосрочное хранение электроэнергии, произведенной из переменных возобновляемых источников энергии, может быть достигнуто путем преобразования электричества в химическую энергию горючего топлива.Процесс конверсии обычно включает электролиз воды для получения водорода, который может храниться непосредственно в виде газа под высоким давлением или преобразовываться в более энергоемкое топливо, такое как аммиак. В любом случае топливо можно хранить в течение нескольких дней, недель или даже месяцев, а затем, когда требуется его энергия, его можно сжечь в тепловом двигателе. Тепловой двигатель может использоваться для приведения в действие электрического генератора, тем самым регенерируя часть электроэнергии, первоначально потребляемой в процессе электролиза.
Непрерывным результатом этих процессов электролиза / хранения / реконверсии (ESR) является эффективное хранение электроэнергии в течение длительных периодов времени, даже от сезона к сезону, что требуется для электроэнергии, вырабатываемой из солнечного ресурса. В течение последнего десятилетия эффективность технологий электролиза повысилась до такой степени, что электроэнергия, произведенная из возобновляемых источников и сохраненная с помощью процессов ESR, является конкурентоспособной по затратам в некоторых отдаленных районах по сравнению с электричеством, произведенным из ископаемого топлива.Однако неэффективность, связанная с доступными тепловыми двигателями, серьезно ограничила диапазон энергетических рынков, которые можно обслуживать с экономической точки зрения.
В этой статье обсуждается конструкция высокоэффективного двухтактного двигателя внутреннего сгорания, который может значительно повысить сквозную эффективность циклов ESR, тем самым значительно расширив диапазон и разнообразие энергетических рынков, которые могут обслуживаться переменными энергоресурсами. . Двигатель достигает высоких уровней производительности за счет использования инновационно синхронизированной последовательности впрыска и воспламенения топлива и окислителя.Рабочий цикл двигателя не имеет процесса сжатия. Это позволяет согласовывать впрыск топлива и окислителя с инициированием процесса сгорания таким образом, чтобы двигатель достиг высокой эффективности и обеспечивал высокий крутящий момент, в то же время обеспечивая низкую тепловую нагрузку компонентов двигателя и низкие уровни двигателя. шум и вибрация.
.