Двигатели с четырехтактным циклом имеют тот недостаток, что рабочий ход у них происходит только один раз за два оборота коленчатого вала. Из четырех ходов поршня в цикле только два основные (сжатие и рабочий ход), а остальные два (впуск и выпуск) — вспомогательные, предназначенные для удаления продуктов сгорания и заполнения цилиндра свежей порцией воздуха или горючей смеси.
Этот недостаток можно устранить, осуществляя принудительное вдувание воздуха или горючей смеси в цилиндр и вытеснение этим зарядом отработавших газов. Для этой цели используют насосы, нагнетатели или компрессоры, подающие в цилиндр воздух или горючую смесь под избыточным давлением.
Такой процесс называется продувкой.
Объем нагнетаемой порции воздуха или смеси должен быть больше рабочего объема цилиндра, так как часть вдуваемого заряда неизбежно уносится в атмосферу вместе с отработавшими газами.
Использование продувки приводит к тому, что рабочий ход в двигателе может совершаться за каждый оборот коленчатого вала, т. е. за каждые два хода поршня.
Такие двигатели называются двухтактными. Двухтактными бывают как карбюраторные двигатели, так и дизели.
Существуют две системы продувки: кривошипно-камерная и прямоточно-клапанная.
Кривошипно-камерная продувка.
У двухтактных карбюраторных двигателей с кривошипно-камерной продувкой (рис. 5) в стенке цилиндра 10 имеются три окна: впускное 7, продувочное 14 и выпускное 8. К впускному окну 7 присоединен карбюратор 4. Продувочное окно 14 каналом 15 сообщается с кривошипной камерой (полостью картера) 2, которая не сообщается с атмосферой.
Рабочий цикл в двигателе происходит следующим образом.
Когда поршень 9 будет находиться в положении, близком к в.м.т. (рис. 5, а), и его камера 12 сгорания заполнится сжатой рабочей смесью, кривошипная камера 2 заполнится свежей порцией горючей смеси. В этот момент рабочая смесь в камере 12 воспламенится электрической искрой, возникшей в свече 11. При сгорании смеси давление газов резко возрастает и поршень 9 начинает перемещаться к н.м.т., совершая рабочий ход.
Как только поршень закроет впускное окно 7, в кривошипной камере 2 начнется сжатие горючей смеси. Движение поршня через шатун 16 передается коленчатому валу 3. Таким образом, при движении поршня вниз одновременно совершаются рабочий такт и сжатие горючей смеси в камере 2.
В конце хода поршень открывает выпускное окно 8, через которое отработавшие газы с большой скоростью выходят в атмосферу.
Давление в цилиндре 10 быстро понижается. К моменту открытия продувочного окна 14 давление сжатой горючей смеси в кривошипной камере 2 будет выше, чем давление отработавших газов в цилиндре. Поэтому горючая смесь из камеры 2 по каналу 15 входит в цилиндр и, заполняя его, выталкивает остатки отработавших газов через выпускное окно 8 в атмосферу (рис. 5, б).
Второй такт происходит при движении поршня 9 от н.м.т. к в.м.т. В начале хода из цилиндра продолжают вытесняться оставшиеся продукты сгорания вместе с частью рабочей смеси. Затем поршень последовательно перекрывает впускное окно 7, продувочное окно 14 и выпускное окно 8. После этого рабочая смесь, находящаяся в цилиндре, сжимается.
В это же время за счет освобождения поршнем некоторого объема в герметически закрытой камере 2 создается разрежение.
Поэтому как только поршень откроет впускное окно 7 (см. рис. 5, а), через него по впускному трубопроводу 6 из карбюратора 4 начинает поступать горючая смесь в камеру 2. Количество подаваемой смеси регулируют дроссельной заслонкой 5.
Таким образом, во время второго такта происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре и заполнение полости 2 картера новой порцией горючей смеси из карбюратора. После подхода поршня к в. м. т. все операции повторяются в такой же последовательности.
Рабочий процесс двухтактного дизеля с кривошипно-камерной продувкой протекает аналогично описанному и отличается только тем, что у дизеля в цилиндр поступает не горючая смесь, а атмосферный воздух.
Описанный способ продувки — наиболее простой, но наименее совершенный. При его использовании недостаточно полно осуществляется очистка цилиндра от продуктов сгорания, поэтому кривошипно-камерную продувку применяют только на пусковых карбюраторных двигателях.
Прямоточно-клапанная продувка. Чтобы обеспечить хорошую очистку и наполнение цилиндров, у некоторых дизелей применяют прямоточно-клапанную систему продувки с продувочными насосами-нагнетателями (рис. 6). Когда поршень 1 находится в положении, близком к н.м.т. (рис. 6, а), сначала открывается выпускной клапан 6, а затем продувочные отверстия 4 и через них в цилиндр 7 из воздушной камеры 2 поступает воздух под давлением 0,15 МПа, которое создается нагнетателем 3. В этот период воздух, вытесняя в атмосферу отработавшие газы, заполняет цилиндр. Продувка продолжается до тех пор, пока при движении к в. м. т. поршень не перекроет продувочные отверстия 4. Затем закрывается клапан 6 и происходит сжатие воздуха (рис. 6, б).
При приближении поршня к в. м. т. в цилиндр через форсунку 5 впрыскивается распыленное топливо (рис. 6, в), которое воспламеняется от соприкосновения с нагретым при сжатии воздухом.
Топливо быстро сгорает, и поршень под возрастающим давлением газов в цилиндре перемещается от в.м.т. к н.м.т. Затем с увеличением пространства над поршнем давление газов падает, но к моменту открытия выпускного клапана 6 оно выше атмосферного и поэтому отработавшие газы начинают выходить наружу.
К моменту открытия продувочных отверстий 4 часть газов успевает выйти в атмосферу, давление в цилиндре падает еще больше и начинается продувка воздухом, которая продолжается некоторое время и после закрытия продувочных отверстий. Дальнейшие операции происходят в описанной последовательности.
Сопоставление технических данных показывает, что двухтактные двигатели обладают рядом преимуществ по сравнению с четырехтактными. Так, мощность двухтактных двигателей при прочих разных условиях на 60—70 % выше, потому что подача топлива и сгорание его осуществляются при каждом обороте коленчатого вала. Благодаря последнему обстоятельству работа двухтактных двигателей протекает равномерно.
Недостатками двухтактных двигателей являются их меньшая экономичность, большая теплонапряженность и, как правило, меньшая надежность работы по сравнению с четырехтактными двигателями. Особенно неэкономичны
двухтактные карбюраторные двигатели, в которых продувка производится горючей смесью. В связи с этим на дорожных и строительных машинах их в основном применяют в качестве пусковых двигателей.