Механизм работы двухтактного ДВС

Статья обновлена: 18.08.2025

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания представляет собой компактный и мощный силовой агрегат, где рабочий цикл завершается за один оборот коленчатого вала.

В отличие от четырехтактных моторов, здесь процессы впуска топливной смеси, сжатия, рабочего хода и выпуска отработанных газов происходят всего за два такта движения поршня.

Эта конструкция исключает отдельные клапаны и сложный газораспределительный механизм, обеспечивая высокую удельную мощность при минимальном весе, но имеет особенности в газообмене и эффективности.

Назначение впускных и выпускных окон

В двухтактном двигателе впускные и выпускные окна выполняют критически важную функцию газообмена, заменяя сложную клапанную систему четырехтактных моторов. Их работа синхронизирована с движением поршня: открытие и закрытие происходит при достижении поршнем определенных положений в цилиндре, что обеспечивает своевременную подачу свежей смеси и удаление выхлопных газов.

Конкретно, впускное окно служит для поступления горючей смеси в кривошипную камеру (в большинстве конструкций), откуда она затем поступает в цилиндр. Выпускное окно позволяет отработавшим газам покинуть цилиндр после сгорания. От точности фаз газораспределения, определяемых геометрией окон, напрямую зависят мощность и КПД двигателя.

Ключевые функции окон

Впускное окно: Обеспечивает поступление свежей топливно-воздушной смеси в кривошипную камеру двигателя при создании разрежения во время движения поршня вверх. В некоторых конструкциях смесь подается непосредственно в цилиндр через это окно.
Выпускное окно: Открывается при движении поршня вниз после сгорания, позволяя отработавшим газам под давлением выйти в выпускную систему. Это освобождает цилиндр для следующего заряда смеси.

Процесс продувки цилиндра

Продувка осуществляется при положении поршня вблизи нижней мёртвой точки (НМТ), когда открываются впускные и выпускные окна. Свежая топливно-воздушная смесь под давлением поступает через впускные окна, вытесняя отработавшие газы через выпускной канал.

Эффективность процесса зависит от конструкции продувочных каналов и синхронизации открытия окон. Основная задача – минимизировать смешивание свежего заряда с отработавшими газами и обеспечить полную замену газов в цилиндре перед началом сжатия.

Ключевые особенности продувки

Направление потока: Смесь подаётся под углом для создания вихревого движения, улучшающего очистку.
Давление смеси: Создаётся кривошипно-камерным насосом (при движении поршня к ВМТ).
Перекрытие окон: Одновременное открытие впускных и выпускных окон предотвращает утечку смеси.

Параметр	Влияние на процесс
Форма продувочных окон	Определяет характер потока смеси (петлевая, дефлекторная, возвратно-петлевая схемы)
Высота окон	Регулирует продолжительность фазы продувки

Проблемы при нарушении продувки: Потери свежей смеси через выпуск ("проскок"), снижение мощности, повышенный расход топлива и токсичность выхлопа.

Формирование топливно-воздушной смеси

В двухтактных двигателях смесеобразование происходит преимущественно в кривошипной камере, совмещенной с картером. При движении поршня вверх создается разрежение, открывающее впускной клапан или лепестковый клапан, через который поступает предварительно смешанная топливно-воздушная смесь из карбюратора.

Дальнейшая подготовка смеси осуществляется во время движения поршня вниз. Сжимаясь в кривошипной камере, смесь насыщается парами топлива, после чего направляется через перепускные каналы в цилиндр. Отсутствие отдельных тактов впуска и выпуска требует строгого контроля пропорций топлива и воздуха.

Ключевые особенности процесса

Смазка компонентов: Масло добавляется непосредственно в топливо (в соотношении 1:25–1:50), образуя топливно-масляную эмульсию.
Роль картера: Выполняет функции насоса для предварительного сжатия смеси перед перепуском в цилиндр.
Проблемы смесеобразования: Частичная потеря свежего заряда через выпускное окно (до 30%), приводящая к перерасходу топлива.

Элемент системы	Функция в смесеобразовании
Карбюратор	Дозировка и первичное смешивание бензина с воздухом
Лепестковый клапан	Предотвращение обратного выброса смеси при сжатии в картере
Перепускные каналы	Транспортировка предварительно сжатой смеси из картера в цилиндр

Особенности воспламенения горючей смеси

В двухтактных двигателях воспламенение смеси происходит при каждом обороте коленчатого вала, что вдвое чаще по сравнению с четырёхтактными конструкциями. Это обусловлено совмещением тактов сжатия и рабочего хода в одном цикле, где горючая смесь сжимается поршнем непосредственно перед воспламенением. Из-за короткого времени на подготовку процесса критически важна точная синхронизация момента поджига.

Особенностью является контакт свежей смеси с остатками отработавших газов, так как продувка цилиндра и наполнение происходят одновременно. Это снижает концентрацию кислорода и требует обогащения топливовоздушной смеси. В бензиновых версиях искра свечи зажигания инициирует горение, а в дизельных – воспламенение достигается за счёт высокой степени сжатия (до 18:1) и впрыска топлива в нагретый воздух.

Риск неполного сгорания из-за захвата части смеси потоком выхлопных газов при продувке.
Требование к стабильности искрообразования: короткий цикл повышает чувствительность к качеству свечей и состоянию электрооборудования.
Зависимость от оборотов: на низких оборотах возможны пропуски зажигания из-за избыточного разбавления смеси выхлопными газами.

Рабочий ход поршня и передача энергии

При достижении поршнем верхней мертвой точки (ВМТ) сжатая топливно-воздушная смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. Мгновенное сгорание смеси резко повышает давление в цилиндре, образуя расширяющиеся газы.

Эти газы с огромной силой воздействуют на поверхность поршня, заставляя его стремительно двигаться вниз к нижней мертвой точке (НМТ). Это поступательное движение поршня вниз и является рабочим ходом – единственным тактом, при котором двигатель вырабатывает полезную механическую энергию.

Передача энергии коленчатому валу

Поршень жёстко соединён с шатуном через поршневой палец.
Шатун передаёт усилие от поршня на коленчатый вал, преобразуя поступательное движение во вращательное.
Коленчатый вал аккумулирует энергию вращения через маховик, обеспечивая инерцию для прохождения нерабочих тактов.

Энергия вращения коленвала непосредственно используется для:

Вращения трансмиссии и колёс транспортного средства
Привода навесного оборудования (генератор, насосы)
Обеспечения следующего цикла сжатия за счёт инерции маховика.

Элемент	Функция в передаче энергии
Поршень	Принимает давление газов и движется линейно
Шатун	Преобразует линейное движение во вращательное
Коленчатый вал	Создаёт крутящий момент и передаёт вращение
Маховик	Сглаживает неравномерность вращения, запасает энергию

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Поршень соединён с шатуном через поршневой палец, а шатун – с коленчатым валом посредством шатунной шейки.

При сгорании топливно-воздушной смеси расширяющиеся газы толкают поршень вниз. Через шатун это усилие передаётся на коленчатый вал, заставляя его вращаться. При движении поршня вверх (под действием инерции маховика и других поршней) коленвал через шатун возвращает поршень в верхнее положение.

Ключевые особенности в двухтактном двигателе

Поршень одновременно выполняет две функции: передаёт усилие на коленвал и управляет газораспределением, открывая/закрывая впускные и выпускные окна цилиндра.
Ход поршня вниз создаёт разрежение в кривошипной камере, обеспечивая впуск свежей смеси.
Направляющая втулка верхней головки шатуна (игольчатый подшипник) рассчитана на высокие нагрузки из-за отсутствия тактов впуска/выпуска.

Фаза движения поршня	Действие КШМ
Верхняя мёртвая точка (ВМТ)	Начало рабочего хода: газы давят на поршень → шатун поворачивает коленвал
Нижняя мёртвая точка (НМТ)	Инерция коленвала через шатун перемещает поршень вверх, сжимая смесь

Система смазки двигателя масляным раствором

В двухтактных двигателях применяется комбинированная система смазки, где масло смешивается непосредственно с топливом перед поступлением в кривошипную камеру. Данный метод исключает необходимость отдельного масляного насоса и сложной системы каналов, характерной для четырехтактных конструкций. Смесь бензина и масла проходит через все узлы двигателя, обеспечивая их смазывание в процессе работы.

Оптимальная пропорция смеси составляет от 1:25 до 1:50 (масло:бензин) в зависимости от производителя и условий эксплуатации. Точное соблюдение соотношения критически важно: недостаток масла вызывает сухое трение и ускоренный износ деталей, а избыток приводит к образованию нагара на поршне, кольцах и выпускных окнах, а также повышенному дымлению выхлопа.

Принцип действия и компоненты

Смазывание происходит по следующей схеме:

Готовая топливно-масляная смесь поступает в кривошипную камеру через впускное окно
Вращающийся коленвал создает масляный туман, оседающий на подшипниках, шатуне и стенках цилиндра
При движении поршня вверх смесь всасывается в надпоршневое пространство
Во время рабочего хода масляная пленка защищает гильзу цилиндра и поршневые кольца

Ключевые особенности системы:

Отсутствие картера - герметичная кривошипная камера служит для предварительного сжатия смеси
Совмещение функций - одна жидкость выполняет задачи топлива и смазки одновременно
Обязательное применение специальных масел с маркировкой 2Т, способных к полному сгоранию

Преимущества	Недостатки
Простота конструкции и обслуживания	Повышенный расход масла
Лучшее охлаждение деталей	Токсичность выхлопных газов
Работоспособность в любом положении	Необходимость точного дозирования

Охлаждение двигателя воздушным потоком

В двухтактных двигателях воздушное охлаждение реализуется через принудительный обдув цилиндра и головки блока встречным потоком воздуха или вентилятором. Ребра охлаждения, отлитые непосредственно на внешней поверхности цилиндра и головки, многократно увеличивают площадь теплообмена. Воздух, проходящий через межреберное пространство, отводит избыточное тепло от деталей, контактирующих с горячими газами сгорания.

Эффективность системы напрямую зависит от скорости воздушного потока и конструкции оребрения. Нарушение теплового режима (перегрев) ведет к снижению мощности из-за уменьшения плотности топливно-воздушной смеси, возникновению детонации и риску заклинивания поршня. Недостаточное охлаждение также ускоряет деградацию моторного масла, критичного для смазки подшипников коленвала и стенок цилиндра в двухтактных двигателях.

Ключевые особенности и требования

Для стабильной работы необходимо обеспечить:

Равномерность обдува всех зон цилиндра, особенно выпускного окна и свечного отверстия, где температуры максимальны.
Отсутствие "застойных" зон между ребрами – их профиль и шаг рассчитываются для ламинарного потока воздуха.
Защиту от грязи, так как забитые грязью или маслом ребра резко теряют эффективность теплоотдачи.

Преимущества	Недостатки
Простота конструкции и обслуживания	Ограниченная эффективность при низких скоростях движения
Малый вес двигателя	Зависимость от внешних условий (температура воздуха)
Отсутствие риска утечек охлаждающей жидкости	Повышенный шум из-за вибрации ребер

Важно: В мощных двухтактных моторах (например, в мотоциклах) часто применяется комбинированное охлаждение – встречный поток дополняется направленным обдувом от крыльчатки, закрепленной на коленвале.

Типичные неисправности и методы диагностики

Двухтактные двигатели подвержены характерным неисправностям, связанным с особенностями их конструкции: отсутствием отдельной системы смазки, продувкой цилиндра горючей смесью и зависимостью герметичности картера от состояния уплотнений. Основные проблемы проявляются в потере мощности, затрудненном запуске или неустойчивых оборотах.

Диагностика требует системного подхода: последовательной проверки систем зажигания, топливоподачи, компрессии и выхлопа. Критически важна визуальная оценка состояния свечи зажигания и отработанных газов как индикаторов работы двигателя.

Неисправность	Методы диагностики
Низкая компрессия	Замер компрессиметром (норма: 6-9 атм) Проверка износа поршневых колец через выхлопное окно Тест на подсос воздуха в картере мыльным раствором
Загрязнение карбюратора	Контроль подачи топлива при отсоединении шланга Осмотр жиклеров на засорение Проверка поплавковой камеры на наличие отложений
Проблемы зажигания	Тест искры на вывернутой свече (зазор 5-7 мм) Проверка сопротивления ВВ-провода (0.5-2 кОм) Контроль состояния контактов магнето
Засор глушителя	Сравнение работы двигателя со снятым глушителем Визуальный осмотр сот на предмет нагара
Неправильная пропорция масла в топливе	Анализ цвета электрода свечи (белый - переобеднение) Проверка наличия масляного налета в выхлопе

Дополнительные диагностические процедуры

При комплексной диагностике выполняют:

Тест вакуума в картере: манометром через свечное отверстие при прокрутке стартером
Проверку срабатывания игольчатого клапана в карбюраторе на герметичность
Контроль состояния сальников коленвала по наличию масляных подтеков

Косвенным индикатором служит поведение двигателя: "провалы" при нагрузке указывают на топливную систему, а хаотичные пропуски зажигания - на проблемы с электрикой.

Список источников

Для подготовки материала о двухтактных двигателях внутреннего сгорания использовались специализированные технические издания и ресурсы.

Основное внимание уделялось фундаментальным работам по теории ДВС и современным публикациям, описывающим конструктивные особенности двухтактного цикла.

Орлин А.С. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. Машиностроение
Иващенко Н.А. Конструкция и расчет автотракторных двигателей. МГТУ им. Баумана
Учебное пособие «Устройство автомобилей: Двигатели» под ред. Пехальского И.П.
Научно-технический журнал «Двигателестроение»: статьи по двухтактным системам
Техническая документация SAE J1088: «Terminology for Two-Stroke Engines» (русскоязычный перевод)
Патентный обзор РФ: Усовершенствования систем продувки двухтактных ДВС
Открытые образовательные ресурсы кафедры ДВС МАДИ