Двухтактный двигатель

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Цикл работы двухтактного двигателя. Слева направо: продувка, сжатие, воспламенение, рабочий ход

Двухта́ктный дви́гатель — двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня[1]. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе (за исключением двигателя Ленуара) происходят так же, как и в четырёхтактном (а значит, возможна реализация тех же термодинамических циклов, кроме цикла Аткинсона), 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. Процесс наполнения цилиндра свежей горючей смесью в двухтактном двигателе называется продувкой.

Особенности[править | править вики-текст]

Рабочий цикл двухтактного двигателя происходит за один оборот коленчатого вала, что позволяет снимать в 1,5-1,7 раз бо́льшую мощность с того же рабочего объёма при тех же оборотах двигателя. Это особенно актуально при создании низкооборотных двигателей средних и тяжёлых судов, позволяя напрямую соединять двигатель с гребным валом, вращающим винт регулируемого шага. Удельную мощность можно повысить ещё больше, если двигатель будет работать при высоких скоростях вращения: если продувка и выпуск осуществляется через окна в стенке цилиндра, в двигателе могут отсутствовать клапаны и клапанные пружины, из-за которых обычно ограничивается максимальная частота вращения четырёхтактных двигателей.

Из-за большой удельной мощности детали двигателя находятся в более напряжённом тепловом режиме. В двигателях большой мощности может потребоваться дополнительное охлаждение поршней. С другой стороны за счёт меньшего количества движений поршня в рабочем цикле уменьшаются потери на трение.

В двухтактных двигателях необходимо искать компромисс между качеством продувки и потерями свежего заряда. В отличие от четырёхтактного двигателя, где между тактами выпуска и впуска поршень находится в верхней мёртвой точке, почти полностью вытесняя выхлопные газы, в двухтактном продувка происходит во всём объёме цилиндра сразу, причём за достаточно короткое время. При этом невозможно полностью исключить смешивание свежего заряда с выхлопными газами. Особенно проблема потерь заряда актуальна для карбюраторных двигателей, так как в них в цилиндр во время продувки поступает готовая рабочая смесь. В целом двухтактные двигатели имеют в 1,5-2 раза больший расход воздуха, из-за чего могут требовать более сложных воздушных фильтров. Также в отличие от четырёхтактного двигателя при использовании турбонаддува энергия поступающего из турбокомпрессора воздуха не передаётся через поршень на коленчатый вал двигателя, в то же время выхлопные газы при выпуске не оказывают противодавления на поршень.

По конструкции двухтактный двигатель может быть как более простым (при контурной кривошипно-камерной продувке), так и более сложным, чем четырёхтактный.

Источники продувочного воздуха[править | править вики-текст]

В то время как в четырёхтактном двигателе всасывание свежего заряда происходит за счёт движения поршня из верхней мёртвой точки вниз при открытом впускном клапане, а опорожнение — вверх при открытом выпускном, в двухтактном свежий заряд должен поступать в цилиндр под давлением, вытесняя отработавшие газы. Для создания давления требуется нагнетатель. В маломощных двигателях для этой цели используется нижняя часть поршня и полость картера — такая схема называется кривошипно-камерной продувкой.

Кривошипно-камерная продувка[править | править вики-текст]

Cycle du moteur deux temps.jpg
Золотниковый газораспределительный механизм двухтактного авиамодельного компрессионного двигателя «МК-12В»

При использовании кривошипно-камерной продувки воздух или горючая смесь поступает в цилиндр через полость картера двигателя, куда всасывается при движении поршня вверх, при движении поршня вниз избыточное давление обеспечивает продувку. При такой схеме возможно создание двигателя, состоящего из минимального количества деталей, так как ему не требуется продувочный насос. Чтобы не допустить потерь заряда через впускной трубопровод в атмосферу, перед входом в картер может устанавливаться лепестковый клапан либо насаженный на коленчатый вал дисковый золотник.

При использовании исключительно кривошипно-камерной продувки существуют определённые особенности, ограничивающие применение таких двигателей:

  • 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, а большой объём металла существенно утяжеляет вал. Каждую кривошипную камеру многоцилиндрового двигателя приходится уплотнять сальниками с каждой стороны каждой коренной шейки, что требует применения разборного коленчатого вала (как следствие, существенная потеря жёсткости вала по сравнению с цельным).
  • Давление сжатия воздуха (смеси) в кривошипной камере невелико, что не позволяет получить и существенного давления продувочного воздуха (приходится увеличивать длительность фазы продувки, это вынуждает снижать эффективный рабочий объём — с потерей КПД).
  • Двигатели такой конструкции не позволяют разместить в картере масляную ванну. Для смазки карбюраторного двигателя приходится подмешивать моторное масло в топливо. В случаях с упрощёнными конструкциями это может быть и достоинством, так как редуцирует систему смазки двигателя как таковую. В ряде двигателей применяется раздельная подача масла и бензина в двигатель, но все равно подача масла к парам трения происходит за счёт осаждения из горючей смеси, из-за чего у таких двигателей высокий расход масла, которое, вдобавок сгорает в цилиндре вместе с топливом. По этой же причине в двухтактных двигателях без системы смазки приходится использовать специальные масла, не содержащие присадок, способствующих закоксовыванию каналов и поверхностей деталей цилиндро-поршневой группы.
  • Ещё одна особенность кривошипно-камерной продувки в том, что на холостом ходу и при малых углах открытия дроссельной заслонки свежего заряда недостаточно для того, чтобы цилиндр мог полностью очиститься от выхлопных газов за один оборот коленчатого вала. Поэтому работа таких двигателей на холостом ходу часто неустойчива, после вспышки в цилиндре следует несколько холостых оборотов, при которых смесь в цилиндре слишком бедная, чтобы воспламениться от искры. Для дизельных и калоризаторных двигателей такая особенность не характерна, так как управление этими двигателями происходит без использования дроссельной заслонки.

С использованием продувочных насосов[править | править вики-текст]

Двухроторный нагнетатель типа Рутс.

На крупных многоцилиндровых двухтактных двигателях продувочный воздух сжимается в отдельном компрессоре (типа Рутс, либо пластинчатый), что практически полностью устраняет указанные выше недостатки. При этом, однако, воздух может подаваться в цилиндры через полость картера, которая в этом случае выполняет функции ресивера. Для создания давления продувки может использоваться 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).

В ранних двухтактных двигателях также применяли поршневые компрессоры, работающие от одного коленчатого вала с двигателем. Например, на ПДП-дизеле ЮМО-203 Юнкерса в качестве продувочных использовались особые квадратные поршни, установленные на траверсах поршней верхнего ряда.

Схемы продувки[править | править вики-текст]

Контурная продувка[править | править вики-текст]

Дефлекторная продувка

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. 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 большинство производителей двухтактных двигателей отказались от дефлекторной продувки.

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 нём 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 мёртвых точек — выпускное окно закрывается позже продувочного. При начале сжатия через это окно теряется часть воздуха/смеси. По этой же причине в двигателях с контурной продувкой невозможно организовывать наддув. 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.

Для улучшения опорожнения цилиндра используется принцип Каденасси — аэродинамическая и акустическая настройка трактов с использованием отражённой волны выхлопных газов. Для этого в выхлопной системе двигателя устанавливаются акустический резонатор, который настраивается так, чтобы часть попавших в неё газов возвращалась обратно перед закрытием выпускных окон. Кроме того, она может эффективно работать в узкой части диапазона оборотов двигателя — а именно в той, на которой происходит резонанс газовой струи.

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

Цилиндр и поршень с шатуном двухтактного авиамодельного компрессионного двигателя «МК-12В»
1 восемь продувочных каналов
2 выпускные окна в стенке цилиндра

При фонтанной продувке продувочные и выпускные окна располагаются по всей окружности цилиндра в два ряда: сверху — выпускные, а под ними — продувочные окна. Такая схема позволяет несколько лучше продуть центральную область, однако увеличивается потеря свежего заряда.

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

Симметрия открытия впускных и выпускных окон позволяет достаточно просто организовать реверсирование двигателя — двигатель просто продолжает вращаться в том же направлении, в котором он вращался при запуске. Низкооборотные дизельные и калоризаторные двигатели с маховиками большой массы реверсируются при снижении оборотов: если при подходе к верхней мёртвой точке инерции маховика становится недостаточно для продолжения движения в том же направлении, при вспышке в цилиндре он начинает вращаться в обратном.

Существенно улучшить экономичность двухтактных двигателей с контурной продувкой позволяет применение системы впрыска топлива вместо карбюратора. Последние образцы мотоциклетных двухтактных двигателей с впрыском на 50 % экономичней карбюраторных, значительно превосходя при этом четырёхтактные моторы в литровой мощности[2].

П-образные и Л-образные двигатели Цоллера[править | править вики-текст]

П-образный двигатель
Л-образный двигатель

П-образный двигатель предполагает наличие двух параллельно расположенных цилиндров, имеющих общую камеру сгорания. Поршни в таком двигателе приводятся в движение одним коленчатым валом, один шатун прицепной, причем кривошипный палец его шатуна намеренно относится в сторону от оси симметрии цилиндра. Л-образный двигатель имеет аналогичную конструкцию, но поршни в нём приводятся в движение двумя встречно вращающимися кривошипами[3]. Впускные и выхлопные каналы расположены раздельно. За счет несимметричности ходов 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 счёт разделения объёма цилиндра пополам и физического разнесения впускных и выхлопных окон облегчается и улучшается собственно продувка, приближаясь по качеству газообмена к прямоточной («Звезда-НАМИ»).

Клапанно-щелевая продувка[править | править вики-текст]

Клапанно-щелевая продувка: внизу — продувочные окна, выпускной клапан вверху открыт

Наиболее качественное наполнение цилиндров возможно при прямоточной продувке, когда поток воздуха (смеси) движется вдоль оси цилиндра. При этом возможно достижение КПД 50% и выше.

Клапанно-щелевая продувка — один из видов прямоточной продувки, при которой впуск осуществляется через продувочные окна, расположенные по окружности в нижней части цилиндра, а выпуск — через клапан в противоположной его части. Кроме оптимальной траектории движения газов, благодаря которой объём непродуваемых областей цилиндра сводится к минимуму, по сравнению с контурной продувкой, такая схема позволяет закрывать выпускной клапан раньше, чем впускные окна перекрываются поршнем, что позволяет снизить потери свежего заряда и осуществлять наддув.

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 автобусах.

Сегодня такая схема продувки используется на крупных судовых дизелях, например Wärtsilä-Sulzer RTA96-C. Ведутся также разработки подобных двигателей с впускным клапаном, расположенном на поршне.

Двигатель со встречным движением поршней[править | править вики-текст]

Opposite piston engine.gif
Устройство двигателя со встречным движением поршней:
1 — впускной патрубок;
2 — нагнетатель;
3 — воздухопровод;
4 — предохранительный клапан;
5 — выпускной КШМ;
6 — впускной КШМ (запаздывает на ~20° от выпускного);
7 — цилиндр со впускными и выпускными окнами;
8 — выпуск;
9 — рубашка водяного охлаждения;
10 — форсунка.
Просмотреть анимированную версию • изометрия

В двигателе со встречным движением поршней продувка также осуществляется вдоль оси цилиндра, однако выпуск осуществляется не через клапан, а через окна, перекрываемые вторым поршнем. Более раннее открытие и закрытие выпускных окон в таком двигателе реализуется за счёт поворота кривошипа этого поршня на 15-22° относительно кривошипа противоположного поршня. Привод поршней может осуществляться как от одного коленвала — при этом один или оба поршня соединяются с коленвалом при помощи штанг, либо от двух синхронно вращающихся валов — отбор мощности в этом случае может осуществляться с любого из них, либо сразу с обоих.

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

В 1907 году 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.

Свободнопоршневые двигатели[править | править вики-текст]

В свободнопоршневом двигателе отсутствует коленчатый вал, а возвратно-поступательное движение поршня обеспечивается за счёт упругости пружины, сжатого воздуха либо силы тяжести. Такие двигатели применяются там, где нет необходимости во вращательном движении, например в дизель-молотах, компрессорах и генераторах горячего газа.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Двухтактный двигатель — статья из Большой советской энциклопедии
  2. Возрождение двухтактного двигателя в мотоцикле: вымысел или реальность?. Проверено 1 сентября 2013.
  3. А. А. Сабинин. Скоростные автомобили. — М.: Физкультура и спорт, 1953. — С. 70-76. — 249 с. — 15 000 экз.

Ссылки[править | править вики-текст]

  • Рикардо Г.Р. Быстроходные двигатели внутреннего сгорания. — М.: ГНТИ Машиностроительной литературы, 1960.
  • Е.И. Фишбейн Устройство системы продувки // Катера и Яхты. — 1974. — № 3(49).