mikä on kaksitahtimoottori?

kaksitahtimoottori on polttomoottorityyppi, joka päättää voimasyklin kahdella männän iskulla vain yhden kampiakselin kierroksen aikana. Tämä on vastakohta ”nelitahtimoottorille”, jossa kahden kampiakselin kierron aikana tarvitaan neljä iskua männän voimasykliin.

kaksitahtimoottorissa palamistahdin loppu ja puristustahdin alku tapahtuvat samanaikaisesti, jolloin imu-ja pakofunktiot tapahtuvat samanaikaisesti.

kaksitahtimoottoreissa on usein suuri teho-painosuhde, tehoa on saatavilla kapealla pyörimisnopeusalueella, jota kutsutaan ”tehokaistaksi”. Nelitahtimoottoreihin verrattuna kaksitahtimoottoreissa on huomattavasti vähemmän liikkuvia osia.

kaksitahtimoottorin historia

ensimmäinen kaupallinen kaksitahtimoottori, johon sisältyi sylinterien puristus, on skotlantilaisen insinöörin Dugald Clerkin ansiota, joka patentoi suunnittelunsa vuonna 1881. Myöhemmistä kaksitahtimoottoreista poiketen hisissä oli kuitenkin erillinen lataussylinteri.

kampikammiomoottori, joka käyttää männän alapuolista aluetta latauspumppuna, luetaan yleensä englantilaisen Joseph Dayn ansioksi. Joulukuuta 1879 saksalainen keksijä Karl Benz valmisti kaksitahtisen kaasumoottorin, jolle hän sai patentin vuonna 1880 Saksassa.

ensimmäinen todella käytännöllinen kaksitahtimoottori on Yorkshireläisen Alfred Angas Scottin ansiota, joka aloitti kaksisylinteristen vesijäähdytteisten moottoripyörien valmistuksen vuonna 1908.

bensiiniversiot ovat erityisen hyödyllisiä kevyissä tai kannettavissa sovelluksissa, kuten moottorisahoissa ja moottoripyörissä.

kun paino ja koko eivät kuitenkaan ole ongelma, syklin potentiaali korkeaan termodynaamiseen tehokkuuteen tekee siitä ihanteellisen dieselpuristussytytysmoottoreille, jotka toimivat suurissa painoherkissä sovelluksissa, kuten merimoottoreissa, rautatievetureissa ja sähköntuotannossa.

kaksitahtimoottorissa pakokaasut siirtävät jäähdytysjärjestelmään vähemmän lämpöä kuin nelitahtimoottorissa, mikä tarkoittaa enemmän energiaa männän ja mahdollisen turboahtimen pyörittämiseen.

miten kaksitahtimoottori toimii?

nimensä mukaisesti kaksitahtimoottori vaatii vain kahden männän liikkeet (yhden syklin) tehon tuottamiseksi. Moottori pystyy tuottamaan tehoa yhden syklin jälkeen, koska pakokaasu ja kaasun saanti tapahtuvat samanaikaisesti.

imuviivettä varten on venttiili, joka avautuu ja sulkeutuu muuttuvien paineiden vuoksi. Lisäksi, koska polttoaine on usein kosketuksissa liikkuviin komponentteihin, se sekoitetaan öljyyn voitelun lisäämiseksi, mikä mahdollistaa tasaisemmat vedot.

kaiken kaikkiaan kaksitahtimoottori sisältää kaksi prosessia:

• puristusvoima: sisääntuloportti avautuu, ilma-polttoaineseos tulee kammioon ja mäntä liikkuu ylöspäin puristaen tätä seosta. Sytytystulppa sytyttää puristetun polttoaineen ja aloittaa voimanlähdön.
• Tehoveto: kuumennettu kaasu kohdistaa mäntään suuren paineen, mäntä liikkuu alaspäin (laajeneminen), hukkalämpö loppuu.

näiden bensiinimoottoreiden lämpöhyötysuhde vaihtelee ajoneuvon mallin ja rakenteen mukaan. Yleensä bensiinimoottorit kuitenkin muuntavat 20% polttoaineesta (kemiallisesta) energiasta mekaaniseksi energiaksi-jossa vain 15% käytetään pyörien liikuttamiseen (loput menetetään kitkaan ja muihin mekaanisiin elementteihin).

nelitahtimoottoreihin verrattuna kaksitahtiset ovat kevyempiä, tehokkaampia, niissä on kyky käyttää pienempää polttoainetta ja kustannustehokkaampia. Siksi kevyemmät moottorit johtavat suurempaan teho-paino-suhteeseen (enemmän tehoa vähemmän painoa).

niistä puuttuu kuitenkin nelitahtimoottoreissa mahdollinen ohjattavuus ja ne vaativat enemmän voitelua. Tämä tekee kaksitahtimoottorista ihanteellisen laivoille (tarve kuljettaa paljon rahtia), moottoripyörille ja ruohonleikkureille-kun taas nelitahtimoottori olisi ihanteellinen autoille, kuten autoille ja kuorma-autoille.

kaksitahtimoottorin rakenne

• mäntä: mäntä siirtää kaasujen laajenevan voiman kampiakselin mekaaniseen pyörimiseen kiertokangen kautta.
• kampiakseli: se muuttaa edestakaisen liikkeen pyörimisliikkeeksi.
• Kiertokanki: se siirtää liikettä männästä kampiakselille ja toimii vipuvartena.
• Vauhtipyörä: se on mekaaninen laite, jota käytetään energian varastointiin.
• Sytytystulppa: se tuottaa sähkövirtaa palotilaan ja puolestaan sytyttää ilma-polttoaine-seoksen, mikä johtaa kaasujen äkilliseen laajenemiseen.
• vastapaino: kampiakselin vastapainoa käytetään vähentämään pyörivän kokoonpanon epätasapainosta johtuvaa tärinää.
• sisääntulo-ja poistoaukot: nämä portit mahdollistavat raikkaan ilman, jossa on polttoainetta, pääsyn sylinteriin ja poistumisen sieltä.

Kaksitahtimoottorityypit

eri kaksitahtimoottorien mekaaniset yksityiskohdat vaihtelevat tyypistä riippuen. Suunnittelutyypit vaihtelevat sen mukaan, miten sylinteriin otetaan varaus, miten sylinteri raavitaan ja miten sylinteri uuvutetaan.

1. Mäntäohjattu sisääntuloaukko.
2. Reed imuventtiili.
3. pyörivä imuventtiili.
4. Poikittaisvirtaus.
5. Loop scavenging.
6. Uniflow scavenging.
7. porrastettu mäntämoottori.

Mäntäohjattu sisääntuloportti

Mäntäportti on malleista yksinkertaisin ja yleisin pienissä kaksitahtimoottoreissa. Kaikkia toimintoja ohjaa ainoastaan mäntä, joka peittää ja paljastaa portit, kun se liikkuu sylinterissä ylös ja alas.

1970-luvulla Yamaha laati tälle järjestelmälle joitakin perusperiaatteita. He havaitsivat, että yleensä pakokaasuportin leventäminen lisää tehoa saman verran kuin portin nostaminen, mutta tehokaista ei kapene samalla tavalla kuin kun porttia nostetaan.

Reed imuventtiili

reed venttiili on yksinkertainen mutta erittäin tehokas takaiskuventtiilin muoto, joka on yleisesti asennettu mäntäohjatun portin imukanavaan. Se mahdollistaa polttoaineen latauksen epäsymmetrisen sisäänoton, mikä parantaa tehoa ja taloudellisuutta ja samalla laajentaa tehokaistaa. Tällaisia venttiilejä käytetään laajalti moottoripyörissä, mönkijöissä ja veneiden perämoottoreissa.

pyörivä imuventtiili

sisäänottoväylä avataan ja suljetaan pyörivällä jäsenellä. Tuttu tyyppi, joka joskus nähdään pienissä moottoripyörissä, on kampiakseliin kiinnitetty urakiekko, joka peittää ja avaa Kampikammion päässä olevan aukon, jolloin varaus pääsee sisään yhden jakson aikana (jota kutsutaan levyventtiiliksi).

toisessa kaksitahtimoottoreissa käytettävässä pyörivässä imuventtiilissä on kaksi lieriömäistä jäsentä, joissa on sopivat aukot, jotka kiertävät toista toistensa sisällä-imuputki johtaa kampikammioon vain silloin, kun kaksi katkaisua yhtyvät.

itse kampiakseli voi muodostaa yhden jäsenistä, kuten useimmissa hehkutulppamallin moottoreissa. Toisessa versiossa kampilevy on järjestetty niin, että se mahtuu kampikammioon lähietäisyydeltä ja siinä on lovi, joka asettuu Kampikammion seinämään sopivana ajankohtana, kuten Vespa-moottoriskoottereissa.

Poikittaisvirtaus

poikittaisvirtausmoottorissa siirto-ja pakoaukot ovat sylinterin vastakkaisilla puolilla, ja männän päällä oleva poikkeuttaja ohjaa tuoreen imuvarauksen sylinterin yläosaan työntäen jäännöspakokaasun alas poikkeuttimen toista puolta ja ulos pakoaukosta.

Loop scavenging

tässä etsausmenetelmässä käytetään huolellisesti muotoiltuja ja aseteltuja siirtoportteja, joiden avulla tuoreen seoksen virtaus ohjataan kohti palotilaa sen saapuessa sylinteriin. Polttoaine-ilmaseos osuu sylinterinkanteen, seuraa sitten palotilan kaarevuutta ja taipuu sitten alaspäin.

tämä ei ainoastaan estä polttoaineen ja ilman seosta kulkemasta suoraan ulos pakokaasuportista, vaan luo myös pyörteisen turbulenssin, joka parantaa palamistehokkuutta, tehoa ja taloudellisuutta. Yleensä männän poikkeutinta ei tarvita, joten tällä lähestymistavalla on selvä etu ristivirtausjärjestelmään nähden.

Uniflow scavenging

uniFLOW-moottorissa seos tai dieselmoottorissa ”ahtoilma” tulee sylinterin toiseen päähän, jota ohjaa mäntä, ja pakokaasu poistuu toisesta päästä pakoventtiilillä tai männällä. Haaskakaasuvirta on siis vain yhteen suuntaan, mistä nimi uniflow johtuu.

porrastettu mäntämoottori

tämän moottorin mäntä on ”top-hat” – muotoinen; ylempi osa muodostaa säännöllisen sylinterin, ja alempi osa suorittaa haaskausfunktion. Yksiköt toimivat pareittain siten, että yhden männän alempi puolisko lataa viereisen palotilan.

kaksitahtimoottorin käyttö

• kaksitahtimoottorin käyttö on suositeltavaa, kun mekaaninen yksinkertaisuus, kevyt ja suuri teho-paino-suhde ovat suunnittelun painopisteitä.
• ne voidellaan perinteisellä öljyn sekoitusmenetelmällä polttoaineeseen, niitä voidaan työstää missä tahansa suunnassa, koska niissä ei ole painovoimasta riippuvaista säiliötä. Tämä tekee niistä haluttavia käytettäväksi kädessä pidettävissä työkaluissa, kuten moottorisahoissa.
• kaksitahtimoottoreita on pienimuotoisissa käyttövoimasovelluksissa, kuten moottoripyörissä, mopoissa ja maastopyörissä.