Двухтактный двигатель

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Одноцилиндровый карбюраторный двухтактный двигатель, установленный на мотоцикле «Pannonia» (Венгрия)
1 воздушный фильтр
2 карбюратор
3 цилиндр двигателя
4 головка цилиндра
5 выпускная труба
6 картер кривошипно-шатунного механизма
7 крышка механизма сцепления
8 картер коробки передач
Устройство двухтактного двигателя (мотокультиватор «Крот»)
1 дефлектор системы воздушного охлаждения
2 глушитель
3 маховик с лопастями вентилятора
4 прокладка головки цилиндра
5 выпускной патрубок
6 цилиндр
7 наконечник свечи зажигания
8 свеча зажигания
9 головка цилиндра
10 поршень
11 шатун
12 коленчатый вал с насаженной на него ведущей шестернёй
13 картер
14 высоковольтный провод
15 впускной патрубок
16 карбюратор
17 магнето
18 крепление воздушного фильтра
19 фильтрующий элемент
20 ведомая шестерня моторного редуктора

Двухта́ктный дви́гатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе происходят так же, как и в четырёхтактном, но процессы очистки и наполнения цилиндра совмещены и осуществляются не в рамках отдельных тактов, а за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мёртвой точки.

В связи с тем, что в двухтактном двигателе, при равном количестве цилиндров и числе оборотов коленчатого вала, рабочие ходы происходят вдвое чаще, литровая мощность двухтактных двигателей выше, чем четырёхтактных — в 1,6-1,8 раза, так как часть полезного хода поршня занимает продувка — «такт» газообмена, совмещающий впуск и выхлоп, а сам газообмен менее совершенен, чем у четырёхтактных двигателей.

В отличие от четырёхтактных двигателей, где вытеснение отработавших газов и всасывание свежей смеси осуществляется самим поршнем, в совершенных двухтактных двигателях газообмен выполняется за счёт подачи в цилиндр рабочей смеси или воздуха (в дизелях) под давлением, создаваемым специальным продувочным насосом — воздуходувкой, а сам процесс газообмена получил название — продувка. В процессе продувки свежий воздух (смесь бензина с воздухом) вытесняет продукты горения из цилиндра в выпускные каналы, занимая их место. При этом часть свежего заряда тоже оказывается в выхлопных каналах, что ухудшает экономичность карбюраторного двухтактного двигателя, выбрасывающего несгоревшую смесь.

В упрощённых двухтактных двигателях продувка осуществляется за счет вытеснения свежего заряда поршнем из кривошипной камеры в рабочую полость цилиндра. Такая продувка называется кривошипно-камерной (и чаще всего бывает контурной или дефлекторной — см. ниже). Для её осуществления необходимо, чтобы полость кривошипа конкретного цилиндра была герметична и, по возможности, чтобы коленвал занимал возможно больший объём и был обтекаем, чтобы как можно меньше влиять на газодинамику. Таким образом, в многоцилиндровых двигателях камеры кривошипов отдельных цилиндров отделены одна от другой, а сам коленвал имеет довольно сложную конструкцию. При перемещениях горючей смеси по камерам и каналам происходит её расслоение, выпадение капельной фракции топлива на стенки элементов конструкции. Поэтому следует считать весьма перспективным внедрение на двухтактных двигателях системы впрыска топлива — тогда продувка осуществляется чистым воздухом, а начало впрыска после закрытия выхлопных каналов делает потери топлива невозможными .

По способу организации движения потоков продувочного воздуха (смеси) различают двухтактные двигатели с контурной и прямоточной продувкой. При прямоточной продувке газы продуваются вдоль оси цилиндра в одном направлении, при контурной поток газов направлен по контуру цилиндра сначала от поршня к головке, потом в противоположном направлении.

Контурная продувка[править | править исходный текст]

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя с контурной продувкой


Дефлекторная продувка
Цилиндр и поршень с шатуном двухтактного двигателя
На фотографии деталь авиамодельного компрессионного двигателя «МК-12В»
1 восемь продувочных каналов
2 выпускные окна в стенке цилиндра
Золотниковый газораспределительный механизм двухтактного двигателя
На фотографии деталь авиамодельного компрессионного двигателя «МК-12В»

При контурной продувке поток воздуха (смеси) движется вдоль внутренней поверхности цилиндра и его головки, повторяя их контур (отсюда название). Так как воздух (смесь) в цилиндре чаще всего описывает петлю, такой тип продувки называется ещё возвратно-петлевой или просто петлевой продувкой. Впускные и выпускные окна расположены в нижней части цилиндра. Направление потока воздуха (смеси) по контуру цилиндра может задаваться специальными дефлекторами на днище поршня и в головке цилиндра (в этом случае продувка называется дефлекторной) или специальной формой продувочных каналов, направляющих поток воздуха (смеси) к головке цилиндра, и сферической формой камеры сгорания. Часто для улучшения опорожнения цилиндра используется принцип Каденасси — аэродинамическая и акустическая настройка трактов (схема в заставке подглавки). Сложная форма камеры сгорания при дефлекторной продувке ухудшает параметры рабочего процесса и повышает склонность бензиновых двигателей к детонации, а дизельных — к дымлению, что препятствует форсированию и повышению экономичности двигателей, поршень с толстым донышком склонен к перегреву. В связи с этим дефлекторная продувка в современных двухтактных двигателях не применяется. По состоянию на начало 2000-х годов с дефлекторной продувкой выпускались лишь двигатели лодочных моторов «Ветерок» (Россия) и ряд недорогих моделей лодочных моторов «Selva» (Италия).

К недостаткам контурной продувки вообще следует отнести симметричность открытия и закрытия продувочных и выпускных окон относительно мёртвых точек. Дело в том, что выхлоп должен начинаться раньше впуска, чтобы часть отработавших газов вытекла из цилиндра и давление в нем стало меньше давления воздуха/смеси на впуске (иначе продувка будет невозможна). Угол поворота коленчатого вала от начала открытия выпускного окна до начала открытия продувочного окна называется углом предварения выпуска. Для лучшей продувки этот угол необходимо увеличить. По окончании продувки выпускное окно желательно закрыть раньше продувочного — тогда произойдет дозарядка цилиндра с предварительным сжатием воздуха/смеси, что позволит повысить мощность, а в бензиновых двигателях уменьшить потери свежей смеси. Но при управлении открытием и закрытием всех окон одним и тем же поршнем это сделать невозможно — моменты открытия и закрытия окон симметричны относительно мертвых точек — выпускное окно закрывается позже продувочного. При начале сжатия через это окно теряется часть воздуха/смеси. Для сокращения потерь следует уменьшить угол запаздывания закрытия выпускного окна. Но он равен углу предварения выпуска, который следует увеличить. Это заставляет идти на компромисс при проектировании двигателей или применять особые конструктивные решения, вроде введения распределительных гильз или золотниковых механизмов.

Кроме того, при контурной продувке в цилиндре всегда имеются застойные (непродуваемые) зоны, что ухудшает технико-экономические характеристики двигателя.

Для устранения обоих названных недостатков на некоторых особых двигателях используется П-образная (Л-образная) продувка. При этом варианте при одном кривошипе имеются два цилиндра, установленные параллельно и имеющие общую камеру сгорания. Впускные и выхлопные каналы расположены раздельно, один шатун прицепной, причем кривошипный палец его шатуна намеренно относится в сторону от оси симметрии цилиндра. За счет несимметричности ходов прицепного и основного поршней достигается, во-первых, несимметричность фаз газораспределения — выхлоп опережает впуск при рабочем ходе и раньше закрывается при сжатии, что позволяет ввести эффективный наддув. Во-вторых, за счет разделения объема цилиндра пополам и физического разнесения впускных и выхлопных окон облегчается и улучшается собственно продувка, приближаясь по качеству газообмена к прямоточной («Звезда-НАМИ»).

Ранние конструкции двухтактных дизелей имели вариант продувки с расположнием продувочных окон в два ряда, причем внизу располагались впускные окна, а вверху выхлопные. При определенном расположении впускных каналов удавалось продуть центральную, традиционно застойную зону цилиндра. Однако, при таком расположении продувочных элементов, во-первых, терялось много воздуха, во-вторых, было невозможно обеспечить наддув.

Простота реализации контурной продувки (особенно при использовании подпоршневого пространства в качестве продувочного насоса) и дешевизна обеспечили очень широкую распространенность таких двигателей на недорогих и легких устройствах. Их устанавливают на мопедах, мотоциклах, мотодельтапланах, мотопилах, газонокосилках, моторных лодках, используют в качестве пусковых двигателей, то есть там, где небольшая мощность делает относительно малозаметными дополнительные потери и играют существенную роль дешевизна и доступность конструкции.

Существенно улучшить экономичность двухтактных двигателей с контурной продувкой позволяет применение системы впрыска топлива вместо карбюратора. Последние образцы мотоциклетных двухтатных двигателей с впрыском на 50 % экономичней карбюраторных, значительно превосходя при этом четырёхтактные моторы в литровой мощности[1].

Двухтактные бензиновые двигатели применялись также на ряде автомобилей, например на ДКВ, СААБ, Trabant, Wartburg, Barkas в Европе, Suzuki Jimny в Японии.

Прямоточная продувка[править | править исходный текст]

Принцип работы двухтактного дизельного двигателя
Продувка двухтактного дизельного двигателя: внизу — продувочные окна, выпускной клапан вверху открыт
Дизель 2Д100 со встречным движением поршней, использовался на тепловозах ТЭ3
Принцип действия: 1 — впуск; 2 — приводной нагнетатель; 3 — воздухопровод; 4 — предохранительный клапан; 5 — выпускной КШМ; 6 — впускной КШМ (запаздывает на ~20° относительно выпускного); 7 — цилиндр со впускными и выпускными окнами; 8 — выпуск; 9 — рубашка водяного охлаждения; 10 — форсунка. Анимация, изометрия.
Двухтактный дизельный двигатель Junkers Jumo 205

При прямоточной продувке поток воздуха (смеси) движется, не меняя направления, вдоль оси цилиндра. Продувка обеспечивается либо использованием выхлопных клапанов (двигатели 14Д40, 11Д45А, ЯАЗ-204, ЯАЗ-206), либо дополнительного ряда поршней, управляющих выхлопом (двигатель с противоположно-движущимися поршнями, например семейство Д100); в обоих случаях впускные окна открываются и закрываются поршнем.

При прямоточной продувке качество очистки цилиндра от остаточных газов качественно выше, чем при контурной. Кроме того, поскольку открытие (и закрытие) выпускных и продувочных органов осуществляется различными элементами двигателя, не представляет затруднений оптимизация фаз газораспределения. Как правило, в двигателях с прямоточной продувкой выпускной клапан (выпускные окна) закрывается раньше впускных, что исключает потерю свежего заряда и позволяет осуществлять дозарядку цилиндра под давлением, то есть наддув.

Двигатели с прямоточной продувкой по сложности порой превосходят четырёхтактные, но имеют большую литровую мощность. Их особенно выгодно применять в тех случаях, когда четырёхтактный двигатель близких размеров не может быть форсирован до необходимой мощности за счёт повышения числа оборотов, то есть на средних и тяжелых судах, где двигатель непосредственно вращает гребной вал с винтом регулируемого шага. Как известно, скорость вращения гребного винта выгодно выбирать в пределах 200—300 об/мин или ниже — на крупногабаритных судах. Кроме того, при низкой скорости вращения значительно ниже механический износ нагруженных деталей двигателя, что весьма существенно при их больших габаритах и высокой стоимости.

Дизель с противоположно-движущимися поршнями со штанговым приводом верхних поршней был построен во Франции в 1901 году и впоследствии скопирован Юнкерсом (ЮМО-201, ЮМО−203).

Впервые дизель с противоположно-движущимися поршнями с двумя коленвалами был построен на Коломенском заводе. Конструктор, главный инженер Коломенского завода Раймонд Александрович Корейво, 6 ноября 1907 года запатентовал двигатель во Франции, потом демонстрировал его на международных выставках. Одной из его важных компоновочных особенностей является отсутствие газового стыка. Двухтактные двигатели с противоположно-движущимися поршнями использовались в поршневой авиации, например, двигатели Юнкерса ЮМО-205 (скопированные с двигателя Корейво), массово используются на тепловозах (двигатели типа Фербенкс-Морзе серии Д100 на тепловозах ТЭ3 и ТЭ10), а также в бронетанковой технике (двигатели 5ТДФ танка Т-64 и 6ТД танков Т-80УД и Т-84) и в качестве судовых.

В советском автомобилестроении двухтактные четырёхцилиндровые дизельные двигатели ЯАЗ-204 устанавливались на автомобили семейства МАЗ-200, а двухтактные шестицилиндровые ЯАЗ-206 — на трёхосные грузовики семейства КрАЗ-214, применялись они также на военной технике (плавающий транспортёр К-61, артиллерийский тягач АТ-Л, самоходная артиллерийская установка АСУ-85) и на автобусах.

При прочих равных условиях двухтактные дизельные двигатели с прямоточной продувкой обеспечивают наибольшую мощность при наивысшем КПД, КПД некоторых моделей превосходит 50 %.

Продувочные насосы[править | править исходный текст]

Двухроторный двухлопастной нагнетатель воздуха.

Для того, чтобы осуществить продувку, необходимо сжать воздух (смесь) до подачи её в цилиндр двухтактного двигателя. Эта операция осуществляется продувочным насосом.

На малогабаритных бензиновых двухтактных двигателях роль продувочного насоса выполняет подпоршневое пространство — кривошипная камера. Такая конструкция предельно проста, так как не требует отдельного продувочного агрегата, что обусловило ее преимущественное распространение на упрощённых мотоциклетных и авиамодельных моторчиках. Но здесь есть ряд недостатков. Во-первых, использование картера двигателя в качестве продувочного насоса не позволяет разместить в картере масляную ванну. Для смазки карбюраторного двигателя приходится подмешивать масло в топливо, что обуславливает значительный расход масла, дымный выхлоп, образование нагара в цилиндре и неудобство заправки (сначала нужно приготовить бензо-масляную смесь, прямо в баке смешивать масло и бензин нежелательно из-за весового расслоения). Во-вторых, в многоцилиндровых двигателях (Вартбург) приходится отделять кривошипные камеры друг от друга, что требует применения разборного коленчатого вала (как следствие, существенная потеря жёсткости вала по сравнению с цельным) и сложных уплотнительных устройств. Степень сжатия воздуха (смеси) в кривошипной камере невелика, что не позволяет получить существенное давление продувочного воздуха (приходится увеличивать длительность фазы продувки, это вынуждает снижать эффективный рабочий объем).

На крупных многоцилиндровых двухтактных двигателях продувочный воздух сжимается в отдельном компрессоре (чаще всего типа Рутс), что практически полностью устраняет указанные выше недостатки.

Для тех же целей используется и турбокомпрессор, но в этом случае в момент пуска в двигатель необходимо подавать сжатый воздух от внешнего источника либо использовать двухступенчатый наддув с механической ступенью (10Д100).

Герметизация картера двухтактного бензинового двигателя[править | править исходный текст]

Картер двухтактного бензинового двигателя должен быть герметичен; на концах коленвала находятся манжетные уплотнения, также манжеты или уплотнения должны быть между отдельными кривошипно-шатунными полостями (если двигатель многоцилиндровый). Если двигатель не развивает полную мощность, не набирает полные обороты или вообще не заводится (система зажигания и система подачи топлива исправна) — тогда можно предположить о разгерметизации картера, происходит подсос воздуха и обеднение топливо-воздушной смеси. В этом случае следует заменить манжеты. Двухтактные дизельные двигатели тоже имеют уплотнения на концах коленвала, но они предназначены только для того, чтобы не вытекало моторное масло.

Система смазки двухтактных двигателей[править | править исходный текст]

Масло МГД-14М для двухтактных бензиновых двигателей.
Рекомендованное объёмное соотношение масло/бензин 1:50

Двухтактные карбюраторные двигатели системы смазки не имеют. Смазывание производится маслом, растворённым в бензине. При движении смеси в картере она частично расслаивается, и масло в виде капель оседает на деталях двигателя. Соотношение масло/бензин составляет, как правило, от 1:20 до 1:50 в зависимости от типа масла.

В ряде случаев в двигателях подороже (Honda, Suzuki, Ява-Ойлмастер) применяется раздельная подача масла и бензина в двигатель, но все равно подача масла к парам трения происходит за счёт осаждения из горючей смеси. Масло подаётся масляным насосом или самотёком, смешивание с бензином происходит, как правило, во впускном патрубке за карбюратором. При любом способе подачи масло, попадающее в двигатель как элемент рабочей смеси, большей частью сгорает.

Система смазки двухтактных дизельных двигателей не отличается от аналогичной системы четырёхтактных двигателей. Двигатели до 450—500 л.с. имеют, как правило, систему с масляным картером, на более мощных используется система смазки с сухим картером. Масло подаётся к парам трения насосами, как правило, шестерёнчатыми или коловратными, проходит через систему фильтров, охлаждается водомасляными теплообменниками или масляными радиаторами. Как правило, средние и тяжёлые двухтактные двигатели в обязательном порядке имеют систему масляного охлаждения поршней. Особенно интенсивно охлаждаются выхлопные поршни, как самые теплонапряжённые детали двигателя. Именно с целью их наиболее интенсивного охлаждения дизели серий Д100 имеют верхнее расположение выхлопного коленвала.

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]