Устройство двухтактного и четырехтактного двигателей скутеров, принцип работы, сравнение
Сравнение преимуществ двухтактных и четырехтактных двигателей
Преимущества четырёхтактных двигателей
— Б́ольшая экономичность
— Более чистый выхлоп (экологически чище)
— Не требуется сложная выхлопная система
— Меньший шум, вибрация
— Отсутствие необходимости постоянного контроля уровня масла
Преимущества двухтактных двигателей
— Отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения
— Б́ольшая мощность в пересчёте на 1 литр рабочего объёма
— Проще и дешевле в изготовлении
— Меньший вес
Четырёхтактный двигатель
Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов.
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, соединение с шатуном. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Впуск — четырёхтактный двигатель
В процессе впуска поршень четырёхтактного двигателя идёт из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). Одновременно кулачком распредвала открывается впускной клапан, — в цилиндр четырёхтактного двигателя затягивается свежая топливно-воздушная смесь.
Сжатие — четырёхтактный двигатель
Поршень четырёхтактного двигателя поднимается из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую топливную смесь. Одновременно и значительно поднимается температура горючей смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия (не путать с компрессией). Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Но, для четырёхтактного двигателя с б́ольшей степенью сжатия требуется топливо с б́ольшим октановым числом, которое дороже.
Сгорание и расширение (рабочий ход поршня) — четырёхтактный двигатель
Незадолго до окончания такта сжатия горючая смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. Во время следования поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси именуется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы давление газов достигло максимальной величины когда поршень будет находиться в ВМТ. Тогда использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Скорость горения топлива практически не меняется, то есть занимает фиксированное время, следовательно чтобы достичь максимальной производительности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания пропорционально уровню оборотов коленвала. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель). В более современных двигателях для регулировки угла используется электронное опережение зажигания.
Выпускная система — четырёхтактный двигатель
После НМТ такта рабочего хода поршня четырёхтактного двигателя открывается выпускной клапан, и поднимающийся поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и четырёхтактный цикл начинается сначала. Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндра/-ов горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндра/-ов четырёхтактного двигателя от отработанных газов.
Четырехтактный двигатель скутера:
1 — цилиндр с головкой
2 — крышка головки цилиндра
3 — карбюратор
4 — впускной патрубок
5 — электростартер.
Для ещё большей наглядности посмотрите видеоролик, наглядно показывающий работу четырёхтактного двигателя. На этом видео демонстрируется автомобильный четырёхцилиндровый шестнадцатиклапанный (то есть, в каждом цилиндре по два впускных и выпускных клапана, для лучшей продувки) двигатель, однако сути это не меняет.
Двухтактный двигатель
В двухтактных двигателях все рабочие циклы (процессы впуска топливной смеси, выпуска отработанных газов, продувки) происходят в течении одного оборота коленвала (а не двух, как в четырёхтактных) за два (а не четыре) основных такта. У двухтактных двигателей отсутствуют клапаны (как в четырехтактных ДВС), их роль выполняет сам поршень, который в процессе перемещения то закрывает, то открывает впускные, выпускные и продувочные окна. Поэтому двухтактный двигатель более прост в конструкции.
Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного за счет большего в 2 раза числа рабочих тактов. Однако неполное использование хода поршня двухтактного двигателя 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:
Двухтактный двигатель состоит из картера, в который на подшипниках с двух сторон установлен коленчатый вал и цилиндр.
Смазка всех трущихся поверхностей и подшипников внутри двухтактных двигателей происходит за счёт топливной смеси, — смеси бензина и масла в определённой пропорции. Из рисунка 1 видно, что топливная смесь (желтый цвет) попадает и в кривошипную камеру двухтактного двигателя (полость, где закреплен и вращается коленчатый вал), и в цилиндр. Смазки там нигде нет, а если бы и была, то смылась бы топливной смесью. Вот по этой причине масло и добавляют в определенной пропорции к бензину. Тип масла используется специальный, именно для двухтактных двигателей. Оно должно быть способно выдерживать высокие температуры и, сгорая вместе с топливом, оставлять минимум зольных отложений, то есть нагара.
Теперь о принципе работы. Весь рабочий цикл в двухтактных двигателях осуществляется за два такта.
Такт сжатия — двухтактный двигатель
Поршень двухтактного двигателя поднимается от НМТ поршня (в таком положении он находится на рис. 2) к ВМТ поршня (положение поршня на рис.3), перекрывая сначала продувочное 2, а затем выпускное 3 окна цилиндра двухтактного двигателя. После закрытия поршнем выпускного отверстия в цилиндре начинается сжатие ранее поступившего в него топливной смеси. Одновременно в кривошипной камере 1 вследствие ее герметичности и после того как пoршень 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 двухтактного двигателя.
Такт рабочего хода — двухтактный двигатель
При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь (1 на рис. 3) воспламеняется электрической искрой от свечи, после этого температура и давление смеси резко подскакивают. Под действием теплового расширения газов поршень двухтактного двигателя опускается к НМТ, в это время расширяющиеся газы сгоревшей смеси совершают полезную работу, толкая поршень. В это же время, опускаясь, поршень создает высокое давление в кривошипной камере двухтактного двигателя (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.
Когда поршень двухтактного двигателя дойдет до выпускного отверстия (1 на рис. 4), оно откроется и таким образом выйдут отработавшие газы в выпускную систему, давление в цилиндре понизится. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное (впускное) окно (1 на рис. 5) и горючая смесь, сжатая в кривошипной камере, поступает по каналу (2 на рис. 5), заполняя цилиндр и одновременно продувая его от остатков отработавших газов. Далее цикл повторяется.
Немного 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.
У большинства скутеров 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, то есть с опережением, зависящим от оборотов коленвала. С ним расширяющаяся горючая смесь совершает работу с максимальной полезной отдачей, и двигатель развивает больше мощности.
Преимущества и недостатки двух и четырехтактных двигателей
Двухтактные преимущества
1. Меньший вес. Пример: 15 л.с. Двухтактный 36 кг четырёхтактный 45 кг.
2. Цена. Четырёхтактные двигатели сложнее в производстве, состоят из большего количества деталей, поэтому всегда дороже двухтактников.
3. Удобство перевозки двухтактника. Можно возить в любом положении, перед началом эксплуатации не требует отвешивания. Т.е. достал из багажника, поставил, завел, поехал.
4. Двухтактный двигатель живее реагирует на ручку газа. В четырёхтактных для совершения полного рабочего цикла поршню необходимо сделать 2 полных оборота в то время как в двухтактных только один. Частый вопрос: А правда ли что четырёхтактный 15 л.с. бежит быстрее чем такой же двухтактный? Ответ: нет не правда. У обоих этих двигателей мощность на валу 15 л.с. При прочих равных условиях почему один двигатель должен ехать быстрее второго?
Двухтактные недостатки
1. Больший расход топлива. Напомним, примерный расход можно высчитать по формуле: для двухтактного 300 грамм на одну лошадиную силу, для четырёхтактного 200 грамм.
2. Шумность. На максимальных оборотах двухтактные двигатели как правило работают немного громче четырёхтактных.
3. Комфорт. Четырёхтактные двигатели не так вибрируют на малых оборотах (Касается только двухцилинровых двигателей. Одноцилиндровые и двух и четырёхтактные вибрируют примерно одинаково) и не так дымят как двухтактные.
4. Долговечность. Довольно спорный пункт. Бытует мнение, что двухтактные двигатели менее долговечны. С одной стороны это понятно, потому как масло для смазки трущихся элементов двигателя подается вместе с бензином, а значит работает не так эффективно в отличие от четырёхтактных двигателей где трущиеся элементы буквально плавают в масле. Но с другой стороны четырёхтактный двигатель по конструкции намного сложнее конкурента, состоит из значительно большего числа деталей, а золотой принцип механики «Чем проще тем надежнее» еще никто не отменял.
Какой же двигатель выбрать?
Взвесь все за и против изложенные выше и сделай выбор самостоятельно. Однозначного ответа на вопрос: какой из двигателей лучше, вы не найдёте ни в одной из книг ни на одном из форумов. И у тех и у других типов двигателей есть свои поклонники.
МОЙ МОТОЦИКЛ
Скутера сейчас можно встретить везде, этот транспорт уже не является диковинкой. Но как ремонтировать двигатель не все знают, кстати я тоже в их числе, у меня был скутерок Сузуки. Когда надо было что то ремонтировать то я вел его к «дядьке мастеру» и он мне все рихтовал. Теперь же хочу привести вам(и себе) пример ремонта двигателя Minarelli( двигателя этой масти в основном на всех скутерах малокубатурниках).
За свою долгую историю двухтактный двигатель Minarelli стал едва ли не самым распространенным в мире: на нем построены 50- и 100-кубовые модели Yamaha, Italjet, Aprilia, Malaguti, Benelli, да и китайцы, не мудрствуя лукаво, его скопировали, что только добавило последнему популярности. На примере распространенного скутера Yamaha Jog покажем, как правильно «откапиталить» Minarelli.
Показаний к переборке двухтактника немного: грохот в такт оборотам коленвала – «уставшие» верхние и нижние подшипники шатуна, глухой шум – смерть коренных подшипников коленвала. «Скачущие» холостые и неадекватная реакция на ручку газа при правильно настроенном карбюраторе – разгерметизация картера. Сосать воздух мотор может и между половинками картера, и (что случается чаще) через сальники коленвала.
При появлении описанных симптомов первым делом нужно разобраться, в чем именно проблема. В принципе, дефектовать мотор можно и не «выкатывая» его, но это не очень удобно. Хорошо разобрать, а главное, собрать мотор удастся только на верстаке, поэтому начнем со снятия двигателя (фото 1). Для этого необходимо отсоединить трос заднего тормоза (в случае, если тормоз дисковый, удобнее всего снять суппорт, не отсоединяя его от шланга), карбюратор, разъединить все фишки электропроводки и шланг масляного насоса (из него польется масло, поэтому лучше опустить его в бутылку или пережать).
Выкручиваем нижний болт амортизатора, вынимаем ось крепления мотора и «выкатываем» блок с колесом (фото 2). Разборку начинаем с демонтажа всего навесного: глушитель, кожухи охлаждения, колесо, центральная подставка и крышка вариатора. Откручиваем трансмиссию, снимаем стартер и обгонную муфту. Муфта имеет игольчатый подшипник и три подпружиненных ролика, поэтому аккуратно, чтобы не вытряхнуть мелкие детали, откладываем ее в сторону (фото 3). Справа снимаем крыльчатку охлаждения и магнето.
Для снятия магнето продаются специальные съемники, но перед покупкой такового нужно учитывать, что генераторы у Minarelli бывают разные. На нашем «подопытном» зажигание 5ВМ, магнето снимается за резьбовые отверстия крепления крыльчатки, но на большинстве моторов с зажиганием 2JA магнето имеет резьбу под съемник (фото 4 и 5).
Сняв магнето, откручиваем плату со статором генератора и снимаем маслонасос. Вытащив стопорные кольца, снимаем привод маслонасоса. Проверьте состояние посадки под шпонку колокола генератора на коленвале. Теперь, взявшись рукой за конец коленвала, легко проверить наличие вертикальных и горизонтальных люфтов в коренных подшипниках и увидеть состояние сальников (фото 6). Если сальники выглядят живыми, а воздух мотор все же подсасывает, его придется «надуть», но об этом чуть позже (фото 30).
Крест-накрест, постепенно ослабляем гайки и откручиваем их (фото 8). Снимаем «голову» и сам цилиндр – сейчас можно увидеть состояние «зеркала» на цилиндре, визуально оценить его износ и проверить наличие на нем задиров. Износ колец можно оценить, замерив зазор в замке. Для этого нужно заправить компрессионное кольцо внутрь цилиндра, поршнем выровнять его перпендикулярно в районе нижней границы рабочего хода и щупом замерить зазор в замке, норма 0,1–0,2 мм.
На расстоянии 5 мм от края юбки, поперек оси поршневого пальца, измеряем диаметр поршня, допуск от 39,957 мм до 39,977 мм. Даже если поршень и кольца в порядке, а цилиндр кажется «живым», не лишне проверить его выработку в зоне работы юбки поршня вблизи НМТ. Для этого вставляем в цилиндр компрессионное кольцо и выравниваем его поршнем. Если на просвет видны зазоры, цилиндр придется растачивать или менять.
В нашем случае с цилиндром полный порядок, поэтому он пойдет на сборку. Для проверки состояния верхнего подшипника шатуна достаточно взяться одной рукой за шатун, второй – за поршень и проверить на наличие радиального люфта. Если люфт есть, придется заменить игольчатый подшипник и палец поршня. С нижним подшипником сложнее: палец нижней головки шатуна запрессован между щек коленвала и ремонту не подлежит.
Беремся за шатун и проверяем наличие радиальных и осевых люфтов. Осевой люфт не критичен, а радиальный – показание к замене коленвала в сборе с шатуном. На нашем моторе коленвал свой ресурс выработал, и его придется менять (фото 7). Из поршня вынимаем стопорное кольцо и вытаскиваем палец. Обычными автомобильными щупами замеряем расстояние между щекой коленвала и стенкой картера: 0,75 мм с одной стороны и 1,45 мм с другой (фото 9). Кривая установка в нашем случае стала причиной преждевременной смерти подшипника.
Мотор придется «колоть». Для начала как следует от моем мотор снаружи (фото 10). Снимаем впускной коллектор и вынимаем «домик» лепесткового клапана. Отодвигаем стопорное кольцо на оси крепления мотора и легкими ударами выбиваем ее на треть (фото 11). Все готово – приступаем к самой сложной и ответственной части работы. Крест-накрест в несколько этапов ослабляем и выкручиваем болты, стягивающие половинки картера. Газовой горелкой или техническим феном нагреваем картер (не более 200 °С!), устанавливаем съемник и «вытягиваем» меньшую половину.
Не обходится без подводных камней и здесь. Помимо болтов, половинки держат две направляющие втулки, и если с верхней проблем не возникает, то нижняя ввиду своего расположения закисает. При раздвигании из-за нее возникает перекос, поэтому заливаем соединение проникающей смазкой и внимательно следим за ее выходом из паза. Перекос половинок при размыкании грозит искривлением коленвала. То же и с разборкой мотора без съемника: обойтись без него можно, но коленвал, скорее всего, придется выкинуть.
Перед началом работ важно иметь не только комплект инструмента и съемников, но и необходимые запчасти. Как минимум новые коренные подшипники и сальники. В отличие от четырехтактного мотора, где через «уставший» сальник просто будет сочиться масло, «двухтактник» будет сосать воздух, и, соответственно, работать неправильно или не работать вообще. Не лишними окажутся новые прокладки цилиндра или кусок паронита подходящей толщины. Также не получится обойтись без двух-трех баллонов очистителя карбюратора для чистки и обезжиривания деталей, литра моторного масла и густой смазки. Не стоит экономить и на герметике – бензо- и термостойкий, желательно на каучуковой основе. Пригодятся баллоны охладителя и газа для маленькой горелки либо технический фен. Что же до инструмента, то здесь все не так просто: обычный набор придется дополнить динамометрическим ключом, щупами (подойдут простые автомобильные) и резиновой киянкой. Тому же, кто к переборке мотора подходит фундаментально, придется купить съемник генератора, обычный съемник подшипников, а также специальные приспособления для выпрессовки и запрессовки коленвала.
Если новый уже куплен, а старый совсем никуда не годится, разборка без съемника допустима (фото 12 и 13). После снятия малой половины картера, аналогичную операцию проделываем и с большой: греем и выпрессовываем коленвал. Если заменить нужно только коренные подшипники, съемником стаскиваем их с коленвала. При этом важно помнить: если коленвал планируется ставить назад, нужно проверить его на биение (фото 14), оно не должно превышать 0,03 мм.
Освободившиеся отливки картера тщательно отмываем (фото 17), удаляем остатки прокладок и герметика и выбиваем старые сальники (фото 15). После наждачной бумагой очищаем окислы на направляющей и в месте ее посадки (фото 16). Проверяем: половинки должны легко и ровно состыковываться от руки. Теперь можно приступать к сборке.
Предварительно новые подшипники нужно отмыть от консервационной смазки. В нашем моторе они смазываются смесью бензина с маслом и густая смазка там ни к чему. Нагреваем посадочные места подшипников феном или горелкой (фото 18), охлаждаем подшипники и вставляем их в посадочные места. Благодаря разнице температур, а следовательно, сжатию-расширению, в проточки подшипники плавно заходят под собственным весом (фото 19).
Смазываем коренные подшипники и коленвал маслом (фото 20) и специальным приспособлением втягиваем его в подшипник большой половинки, оставив зазор на миллиметр больше рассчитанного. (Перед разборкой мы замерили зазоры между стенками картера и щеками вала с обеих сторон: 0,75 мм и 1,45 мм, сложив вместе, получили 2,20 мм. Разделив это число пополам, рассчитываем нужный нам зазор с каждой стороны.)
В роли приспособления может выступать даже кусок трубы, главное – упереть ее во внутреннюю обойму подшипника и не нарушить соосность (фото 21). Перед спрессовкой картера необходимо дождаться, когда температура обеих половин упадет до комнатной и выровняется. Обезжириваем и наносим высокотемпературный (выше 200 °С) бензостойкий герметик на привалочную плоскость, в том числе и вокруг «закисающей» втулки, чтобы избежать проблем с ней в дальнейшем (фото 22).
Смазываем ось коленвала маслом и запрессовываем вал в малую отливку до того же зазора, что и на правой. Не допуская перекосов, выравниваем зазоры с обеих сторон (фото 23). Крест-накрест в несколько шагов затягиваем болты, соединяющие половинки картера с моментом 10 Н·м (фото 24). Щупами замеряем зазоры между щеками коленвала и при необходимости выравниваем левый и правый. Зазор (в нашем случае) должен быть 1,1 мм с каждой стороны. После сборки важно убедиться в отсутствии «напряжения» на подшипниках и валу.
Ставим картер на ровную поверхность и, сделав несколько оборотов коленвала, отпускаем шатун. Правильно установленный вал возвращается в положение «нижний палец шатуна на 12 часов» под собственным весом (фото 25). Если палец шатуна под весом щек коленвала вверх не поднимается, значит, вал деформирован или при сборке создалось «напряжение» между подшипниками из-за перетяжки или – если вал пытались вытянуть – его недотяжки. Лечится обратными действиями – втягиванием и вытягиванием вала съемниками.
Смазываем консистентной смазкой рабочие кромки сальников и их посадочные места. Оправкой запрессовываем их. Сальник вариатора лучше всего устанавливать с помощью специальной оправки. Она минимизирует риск деформировать или перекосить сальник, а главное, не дает «промахнуться» с глубиной (фото 26 и 27). В нашем случае глубина установки сальника составляет 10,5 мм. Мотор собран.
Устанавливаем лепестковый клапан и впускной коллектор на новые прокладки или, в случае их отсутствия, на герметик. Устанавливаем новую прокладку (фото 28) под цилиндр, поршень, стопорное кольцо и, аккуратно сжав компрессионные кольца пальцами, вставляем поршень в цилиндр. Ставим головку и крест-накрест в несколько приемов закручиваем болты с моментом 12 Н·м (фото 29). Для проверки герметичности мотора нам придется его «надуть».
Даем герметику высохнуть (иначе давлением его выдавит), глушим впускные и выпускные отверстия, а в свечное отверстие вкручиваем компрессометр. Насосом закачиваем воздух в мотор под давлением 2 кгс/см2 и оставляем на час. В случае, если давление заметно упало, придется искать негерметичность – например, в баке с водой или побрызгав мыльной водой. Если мотор собран правильно, проблем возникнуть не должно (фото 30).
Заполняем консистентной смазкой полость вокруг маслонасоса, надеваем стопорные кольца, устанавливаем на место шплинт и шестерню маслонасоса, а также сам маслонасос (фото 31). Ставим на место генератор и вариатор, одеваем кожухи охлаждения и заднее колесо. «Закатываем» мотор и подсоединяем все шланги. Важно не забыть надеть шланг на маслонасос и наполнить опустевший маслобак (фото 32).
В нашем случае, помимо прочего, новый неоригинальный коленвал привел к необходимости перенастроить карбюратор. Заодно мы вымыли и пропитали воздушный фильтр (фото 33).