Почему двухтактные двигатели менее экономичны, чем четырёхтактные?

Всё очень просто. В двухтактном двигателе топливо также является смазкой и охлаждающей жидкостью, а смешивание масла с бензином увеличивает энергоёмкость топлива, снижая при этом октановое число, поэтому в двухтактных двигателях должен быть фиксированный угол опережения зажигания и сверхбогатая топливно-воздушная смесь, которая становится ещё богаче за счёт высокоэнергетического масла с низким октановым числом. Воздушное охлаждение делает их ещё более чувствительными к углу опережения зажигания, температуре в цилиндрах и другим переменным, которые не могут компенсировать фиксированный угол опережения зажигания и системы смазки и охлаждения с полной потерей. И, конечно же, у них есть огромные встроенные утечки вакуума, которые возникают в самый неподходящий момент с точки зрения объёмного КПД, а момент открытия клапанов также фиксирован, в то время как даже при использовании кулачка с механическим толкателем момент открытия клапанов в четырёхтактном двигателе увеличивается по мере роста оборотов двигателя. При любом заданном угле наклона клапанов чем быстрее работает двигатель, тем быстрее происходит этот наклон и тем раньше открываются клапаны.

Двухтактные двигатели были конкурентоспособны по сравнению с низкооборотными двигателями с плоской головкой блока цилиндров и низкой степенью сжатия только в условиях сезонного использования, пока развитие металлургии и производства не позволило создавать дешёвые четырёхтактные двигатели с верхним расположением клапанов, электронным зажиганием и впрыском топлива, благодаря чему настройка зажигания и подачи топлива стала автоматической и оптимальной для более широкого применения в автомобильной промышленности и в условиях сезонного использования, например в снегоходах, квадроциклах, подвесных моторах, уличном силовом оборудовании, таком как триммеры и воздуходувки, а также в других потребительских товарах. Усовершенствования в системе электронного зажигания, специализированные карбюраторы для конкретных задач, а также требования к производительности и ценовые категории профессионального уровня едва ли позволяют двухтактным двигателям оставаться конкурентоспособными в промышленных/коммерческих машинах, таких как портативные режущие инструменты. Отрезные пилы, бензопилы и т. д.

Эффективность любого двигателя внутреннего сгорания напрямую связана с его КПД по циклу Карно, где КПД равно отношению разности температур на входе и выходе к температуре на входе. На этот показатель напрямую влияет степень расширения газов. В дизельном двигателе степень расширения приближается к 30:1, в то время как в бензиновом двигателе она редко превышает 13:1 из-за детонации при среднем октановом числе топлива.
В обычном двухтактном двигателе выхлопное отверстие должно открываться очень рано во время рабочего хода, чтобы давление в цилиндре упало значительно ниже давления поступающей рабочей смеси. Это необходимо для того, чтобы отработавшие газы не попадали в перепускные отверстия и не смешивались со свежей рабочей смесью. Чем выше частота вращения, тем больше должен быть опережающий выпуск (так называемый «продув»).
Как правило, степень расширения равна степени расширения в двухтактных двигателях с поршневыми окнами.
В четырёхтактных двигателях выпускные клапаны обычно открываются непосредственно перед достижением поршнем нижней мёртвой точки, что обеспечивает максимальный коэффициент расширения. В двухтактных двигателях выпускные клапаны могут открываться на 90 градусов до достижения поршнем нижней мёртвой точки, что приводит к потере 50 % мощности и значительному снижению эффективности за счёт высокой выходной мощности при высоких оборотах.

Очень многое зависит от конкретных двухтактных и четырёхтактных двигателей. Но главное преимущество двухтактных двигателей в том, что их можно производить невероятно просто и дёшево. Двигатель с тремя движущимися компонентами (коленчатым валом, шатуном и поршнем), скорее всего, не оптимизирован для экономии топлива.

Самая большая проблема, вероятно, заключается в том, что выпускное отверстие открыто во время впуска смеси. Таким образом, потенциально большое количество несгоревшего топлива уходит прямо в выхлопную трубу, не выполняя никакой полезной функции (разве что немного охлаждая двигатель).

Дальнейшему распылению топлива, скорее всего, не способствует подача всасываемой смеси через картеры и отверстия, так как в этом случае у топлива больше шансов образовать более крупные капли.

В высокопроизводительном двухтактном двигателе выхлопная система устроена таким образом, чтобы смесь проходила через двигатель, а вместе с ней выходили и отработавшие выхлопные газы, и свежая смесь. Скорее всего, свежая смесь будет проходить через выхлопную систему, прежде чем волны давления отбросят её обратно в двигатель. Это хорошо работает для получения дополнительного топлива (и, следовательно, мощности), но не очень хорошо для экономии. Кроме того, это работает только в определённом диапазоне оборотов.

Некоторые из этих проблем можно решить с помощью непосредственного впрыска топлива (существуют серийные двухтактные мотоциклы с двигателями, работающими по принципу непосредственного впрыска топлива, а в 1990-х годах компания Ford выпустила партию Fiesta с двухтактными двигателями для проведения испытаний). Но непосредственный впрыск топлива — это дорогостоящее и сложное дополнение к простому двигателю. При использовании такой системы воздух поступает в двигатель, а топливо впрыскивается только после закрытия выпускного отверстия.

Двухтактный двигатель имеет значительное преимущество перед обычным четырёхтактным двигателем. Поскольку в нём нет клапанов, камере сгорания гораздо проще придать форму, соответствующую назначению конкретного двигателя.

Посмотрите, как работает четырёхтактный двигатель.

а) Впуск — подача смеси в двигатель

б) Восходящий поток — сжатие газов

в) Огонь

г) Такт сжатия — двигатель работает

e) Восходящий поток — отработанные газы выводятся

А теперь взгляните на 2stroke

а) Огонь

б) Двигатель с нижним расположением клапанов работает (высокое давление в цилиндре)
Смесь сжимается в картере

c) Такт впуска — двигатель должен одновременно выпускать отработанные газы и всасывать новую смесь
— всасывает новую смесь в картер

Таким образом, в двухтактном двигателе всегда будет смесь выхлопных и несгоревших газов. Было время, когда для увеличения мощности двухтактная подача смеси из нижней части картера осуществлялась одновременно с открытием выпускного отверстия. Это приводило к тому, что несгоревшее топливо проходило прямо через двигатель.

Современная конструкция снижает, но не устраняет полностью эти потери, которые, по-видимому, всё ещё более значительны, чем при четырёхтактном методе, когда двигатель поворачивается дважды для совершения одного рабочего хода.

Чтобы мы с вами понимали, как работают два штриха, вот вам картинка. Мне пришлось поискать её, потому что в голове у меня была совсем другая картинка.

Если посмотреть на то, как на самом деле работает цикл, то можно увидеть, что рабочий ход приводит к образованию продуктов сгорания и выработке энергии. В начале такта выпуска давление в цилиндре высокое, что позволяет выхлопным газам выходить и закрывает впускной лепестковый клапан. В начале такта впуска давление в цилиндре низкое, потому что выходящие выхлопные газы создают небольшую волну давления, которая открывает лепестковый клапан и втягивает новую топливно-воздушную смесь.



Похоже, есть несколько основных причин неэффективной работы двигателя:

• Цилиндры не очищаются от выхлопных газов поршнем, который выталкивает их наружу. Газы просто выходят, потому что давление наружного воздуха ниже давления в цилиндре после того, как искра воспламеняет топливо. Это приводит к неполному удалению выхлопных газов. Объём, занимаемый оставшимися газами, препятствует поступлению новой порции топливно-воздушной смеси.


• Во время такта впуска на некотором участке пути топливно-воздушная смесь также выбрасывается. Таким образом, топливо расходуется впустую.
  
  
  
  Возможно, эти проблемы решаются с помощью более крупных двухтактных двигателей, но маломощные двигатели используются в таких устройствах, как культиваторы, снегоуборщики, газонокосилки и т. д. Это маломощные двигатели для ограниченного применения. Они не предназначены для езды по пересечённой местности. Для таких маломощных двигателей гораздо важнее количество и стоимость деталей, поэтому они отлично подходят для этих целей.

Я вынужден согласиться и в то же время не согласиться с вашими утверждениями в вопросе и статье.

Повышенный расход топлива двухтактного двигателя в основном связан с тем, что на один оборот коленчатого вала приходится один рабочий ход.

Однако я вынужден не согласиться со статьёй, в которой утверждается, что подача топлива играет важную роль в топливной эффективности старых двухтактных двигателей.

В подтверждение своих слов приведу пример разницы в топливной эффективности между двухтактным двигателем с карбюратором и четырёхтактным двигателем с карбюратором. Даже если не учитывать систему впрыска топлива, четырёхтактный двигатель всё равно значительно превосходит двухтактный.

• Двухтактный двигатель Yamaha объёмом 125 куб. см расходует около 70 миль на галлон


• Четырёхтактный двигатель Honda объёмом 125 куб. см расходует около 153 миль на галлон

Теперь очевидно, что EFI, будь то прямой впрыск или портовый впрыск, улучшит эффективность и выхлопные газы любого двигателя, независимо от того, 2-тактный он или 4-тактный.

Технология E-TEC, показанная на видео, — это, по сути, GDI для двухтактного двигателя. Она повысит эффективность, но будет ли она такой же, как у четырёхтактного двигателя GDI той же мощности? Я в этом сильно сомневаюсь, например

• Версия двигателя Honda объёмом 125 куб. см с системой EFI расходует около 166 миль на галлон

То есть, если двухтактный двигатель Suzuki с системой непосредственного впрыска топлива может выдавать более чем в два раза больше мощности, чем двигатель с принудительным зажиганием, то я согласен с этой концепцией, но, зная, как работает система непосредственного впрыска, я в этом не уверен.

Примечание: двигатели взяты от Yamaha RX135, Honda Stunner и Honda
Stunner PGM-FI, и это реальные показатели.