Как устроен двухтактный двигатель

Мопеды, скутеры, бензопилы, лодочные моторы, мотоциклы лёгкого класса, а раньше и некоторые легковые автомобили — всё это работало на двухтактных двигателях. Их узнают по характерному звонкому звуку и сизому дымку выхлопа. Многие считают такие моторы архаизмом, но по сути это очень остроумная конструкция, в которой тот же объём работы выполняется вдвое меньшим числом деталей. Понять, как она устроена, полезно любому, кто хоть раз заводил старый мопед или собирается покупать лёгкую мототехнику.

В этой статье мы последовательно разберём устройство двухтактного двигателя, рабочий цикл, роль кривошипной камеры и продувочных окон, способы смазки и системы питания, а затем сравним его с четырёхтактным собратом. Дополнительно поговорим о типичных неисправностях, о тонкостях настройки и о том, почему эти моторы до сих пор не исчезли.

Главная идея: цикл за один оборот

В четырёхтактном двигателе полный рабочий цикл состоит из впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска, и для него требуется два оборота коленчатого вала. В двухтактном двигателе всё это укладывается в один оборот. Поршень совершает два хода: вверх и вниз. Отсюда и название. За один оборот вала мотор получает один рабочий импульс, тогда как четырёхтактный — лишь один за два оборота.

Теоретически это означает, что при одинаковом объёме и оборотах двухтактник способен выдавать почти вдвое большую мощность. На практике выигрыш меньше из-за потерь на продувку и неидеального наполнения цилиндра, но всё равно значительный. Именно поэтому двухтактные двигатели так любили в спорте и в легких транспортных средствах, где важен малый вес и высокая удельная мощность.

Основные детали

Двигатель сильно упрощён по сравнению с классическим четырёхтактным. Вот основные элементы.

• Цилиндр. В его стенках расположены окна: впускное, выпускное и продувочные. Они открываются и закрываются самим поршнем.
• Поршень. Он не только сжимает смесь и принимает давление газов, но и играет роль золотника, перекрывая окна.
• Поршневые кольца. Обычно два, реже одно. Они обеспечивают герметичность камеры сгорания и отвод тепла.
• Шатун и коленчатый вал. Преобразуют возвратно-поступательное движение в вращательное.
• Кривошипная камера. Герметичный объём под поршнем, в котором вращается кривошип. Здесь смесь предварительно сжимается.
• Головка цилиндра. Закрывает камеру сгорания, в неё вкручивается свеча зажигания.
• Карбюратор. Готовит топливо-воздушную смесь и подаёт её в кривошипную камеру.
• Выпускная система. Расширительная камера и глушитель, которые отводят газы и влияют на характеристики мотора.

Обратите внимание: у обычного двухтактного мотора нет клапанов, толкателей, распределительного вала и приводящей его цепи или ремня. Это даёт малый вес, простоту ремонта и низкую стоимость.

Рабочий цикл по шагам

Чтобы понять, как всё происходит, представьте поршень, движущийся вверх и вниз, и следите за тем, что в этот момент делают окна.

Ход вверх: сжатие и впуск

Когда поршень идёт вверх от нижней мёртвой точки, он закрывает сначала продувочные, а затем и выпускное окна. Теперь смесь, находящаяся над поршнем, сжимается. Одновременно под поршнем в кривошипной камере создаётся разрежение, потому что объём этой камеры увеличивается. Как только нижняя кромка поршня открывает впускное окно, свежая смесь из карбюратора засасывается в кривошипную камеру.

В конце хода вверх на свече проскакивает искра. Смесь воспламеняется, и давление начинает быстро нарастать. Этот момент называют опережением зажигания: искра подаётся немного до верхней мёртвой точки, чтобы давление достигло максимума, когда поршень уже пойдёт вниз.

Ход вниз: рабочий ход, выпуск и продувка

Расширяющиеся газы толкают поршень вниз. Это и есть рабочий ход, при котором совершается полезная работа. По мере движения поршень перекрывает впускное окно, и смесь в кривошипной камере оказывается запертой. Теперь поршень начинает её сжимать снизу.

Затем поршень открывает выпускное окно. Горячие отработавшие газы начинают вырываться наружу. Чуть позже открываются продувочные окна. Предварительно сжатая смесь из кривошипной камеры по каналам устремляется в цилиндр, вытесняя оставшиеся отработавшие газы и заполняя пространство над поршнем. Этот процесс называют продувкой. Затем поршень достигает нижней мёртвой точки и начинает идти вверх, и цикл повторяется.

Всё это происходит очень быстро. При нескольких тысячах оборотов в минуту такие циклы повторяются десятки раз за секунду. Время открытия окон измеряется миллисекундами, поэтому форма каналов, их углы и высота имеют решающее значение для работы мотора.

Продувка: самое сложное место

Главная проблема двухтактного цикла в том, что впуск свежей смеси и выпуск отработавших газов происходят практически одновременно. Часть свежей смеси может вылететь в выпускное окно, не принеся пользы, а часть выхлопных газов — остаться в цилиндре. Чтобы свести эти потери к минимуму, конструкторы придумали различные схемы продувки.

Контурная продувка

Самая распространённая схема. Продувочные каналы направляют струи смеси вверх вдоль стенки цилиндра напротив выпускного окна, затем струи разворачиваются под головкой и идут вниз, выталкивая отработавшие газы наружу. Поток описывает как бы петлю, отсюда и название. Схема эффективна и применяется на большинстве современных двухтактных моторов.

Поперечная продувка

Более ранняя схема. Входное и выходное окна расположены напротив друг друга, а на поршне делают специальный выступ — дефлектор, который направляет смесь вверх. Такой мотор проще, но продувка хуже, а часть смеси улетает в выхлоп. Сегодня её используют редко.

Прямоточная продувка

Применяется в более сложных двигателях. Свежая смесь поступает снизу, а отработавшие газы уходят вверх через клапаны в головке или через второй поршень. Такие моторы дают лучшие характеристики, но сложнее и дороже.

Роль выпускной системы

Если в четырёхтактном двигателе выхлопная труба в основном отводит газы, то в двухтактном она участвует в процессе наполнения цилиндра. Резонансный выпуск, который называют расширительной камерой, работает как насос, использующий волны давления.

Принцип такой. Когда выпускное окно открывается, из цилиндра выходит импульс газов. Он распространяется по трубе, расширяется в конусной части и создаёт волну разрежения, которая помогает вытягивать остатки газов и способствует продувке. Дальше волна доходит до сужающегося конуса и отражается обратно как волна повышенного давления. Она возвращается к цилиндру как раз в тот момент, когда окно почти закрывается, и «заталкивает» назад ту часть свежей смеси, которая успела вылететь. Правильно рассчитанная расширительная камера способна заметно увеличить мощность двигателя в определённом диапазоне оборотов.

Поэтому у двухтактных моторов выхлопная система так сильно влияет на характер. Любое изменение длины, диаметра или формы трубы смещает полосу наилучших оборотов. Установив неподходящий глушитель, можно получить мотор, который «умирает» на низах или не крутится вверху.

Смазка: топливо с маслом

В четырёхтактном двигателе кривошипная камера заполнена маслом, но в двухтактном она служит частью тракта подачи смеси, поэтому масло в ней держать нельзя. Смазка подшипников коленчатого вала, шатуна и поршня обеспечивается маслом, смешанным с топливом.

Смазка добавлением масла в бензин

Самый простой способ. Масло заливают прямо в топливный бак в определённой пропорции, указанной в инструкции. Мотор получает смазку вместе со смесью, часть масла оседает на деталях, а остальное сгорает. Недостаток такого способа — необходимость каждый раз готовить смесь и точно выдерживать соотношение. Неправильная пропорция опасна: нехватка масла ведёт к задирам, а его избыток — к нагару и дыму.

Раздельная смазка

Современный вариант. Масло хранится в отдельном бачке и подаётся насосом в зависимости от оборотов и нагрузки. Пользователю остаётся лишь вовремя доливать масло. Система удобна и экономична, но требует исправного насоса и тросика или привода, которые регулируют дозировку.

Для обоих способов нужно применять специальное масло для двухтактных двигателей. Оно рассчитано на сгорание вместе с топливом и содержит присадки, снижающие нагар и дым. Использование четырёхтактного масла приведёт к быстрому закоксовыванию мотора.

Питание и впуск

Топливо-воздушная смесь поступает в кривошипную камеру через впускное окно. В простейших моторах окно открывается и закрывается самим поршнем: такая система называется золотниковой по поршню. Но есть и другие варианты.

• Лепестковый клапан. Тонкие пластинки открываются разрежением в кривошипной камере и закрываются при росте давления. Они не позволяют смеси выбрасываться обратно во впуск, улучшая наполнение на низких и средних оборотах.
• Дисковый золотник. Вращающийся диск с окном, синхронизированный с валом. Он позволяет тонко настроить фазы впуска и применяется на спортивных моторах.
• Впрыск. На некоторых современных двухтактных двигателях топливо подаётся форсункой непосредственно в цилиндр или в продувочные каналы, что снижает потери несгоревшей смеси и улучшает экологичность.

Сравнение с четырёхтактным двигателем

Таблица показывает, что компромиссы разделены чётко. Двухтактный двигатель выигрывает в простоте, весе и динамике, а проигрывает в экономичности, чистоте выхлопа и долговечности.

Достоинства двухтактных моторов

• Простота конструкции и удобство ремонта в полевых условиях.
• Высокая удельная мощность и яркий отклик на газ.
• Малый вес, особенно ценный для лёгких мотоциклов, снегоходов, лодочных моторов и инструмента.
• Работоспособность в любом положении, что важно для бензопил и триммеров.
• Невысокая стоимость производства.

Недостатки

• Повышенный расход топлива и масла.
• Дымный и токсичный выхлоп, содержащий несгоревшие углеводороды.
• Менее ровная работа на холостом ходу.
• Склонность к нагарообразованию в окнах, на поршне и в глушителе.
• Меньший срок службы цилиндро-поршневой группы.
• Громкий звук и вибрации.

Именно экологические требования стали основной причиной вытеснения двухтактных двигателей с дорожной техники. Поднимающиеся нормы выхлопа заставили производителей переходить на четырёхтактные моторы либо на двухтактные с впрыском.

Типичные неисправности

Двухтактный мотор неприхотлив, но у него есть характерные проблемы. Знание их помогает быстро найти причину поломки.

Потеря компрессии

Изношенные кольца, задиры на цилиндре, повреждённая прокладка — всё это приводит к падению сжатия. Мотор плохо заводится, теряет мощность и дымит. Проверьте компрессию манометром; если значение заметно ниже нормы, потребуется ремонт цилиндро-поршневой группы.

Подсос воздуха

Двухтактный двигатель критичен к герметичности кривошипной камеры. Изношенные сальники коленчатого вала, треснувшие прокладки и неплотно сидящий карбюратор позволяют воздуху попадать в камеру и обедняют смесь. Результат — нестабильный холостой ход, перегрев и риск задира. Диагностировать подсос можно, обработав подозрительные места аэрозолем: если обороты изменились, найден виновник.

Закоксовывание

Нагар откладывается в выпускном окне, на поршне и в глушителе. Он ухудшает продувку и снижает мощность. Профилактика — правильная пропорция масла в топливе и качественное масло. Если нагара накопилось много, окна и глушитель очищают, а поршневые кольца при необходимости заменяют.

Задир поршня

Самая страшная неприятность. Возникает из-за недостатка смазки, перегрева, бедной смеси или попадания посторонних частиц. На поршне и цилиндре появляются глубокие царапины, мотор клинит. Если задир небольшой, иногда удаётся обойтись шлифовкой, но чаще требуется замена поршня и расточка или замена цилиндра.

Практические советы по эксплуатации

1. Используйте рекомендованное масло и соблюдайте пропорцию. Лучше слегка перелить, чем недолить, но разумно.
2. Готовьте смесь в чистой таре и тщательно перемешивайте, особенно после долгой стоянки.
3. Не оставляйте смесь в баке надолго: бензин испаряется, а масло расслаивается.
4. Следите за состоянием свечи. Цвет изолятора подскажет о составе смеси: светлый — бедная, чёрный и жирный — богатая.
5. Регулярно очищайте глушитель и выпускное окно от нагара.
6. Не давайте мотору работать на предельных оборотах без нагрузки.
7. Прогревайте двигатель перед поездкой, особенно в холодное время.
8. Проверяйте воздушный фильтр: грязный фильтр обогащает смесь и ускоряет износ.

Итог: простота с характером

Двухтактный двигатель — пример того, как можно получить много, используя мало. Отсутствие клапанного механизма, малый вес и яркая тяга сделали его любимцем мотоциклистов, лодочников и мастеров садового инструмента. Но платой за простоту стали экологичность и ресурс.

Если вы понимаете, как устроен цикл, как работают окна и выпуск, как важна герметичность кривошипной камеры и качественная смазка, то обслуживать такой мотор несложно. А если вам доведётся впервые завести старый мопед и услышать его звонкий голос, вы наверняка оцените всю изобретательность конструкции, которая обошлась без единого клапана.