Двухтактный двигатель

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 авиамодельного двухтактного компрессионного двигателя «МК-12В»: 1 картер 2 цилиндр, видны выпускные окна 3 контрпоршень 4 оребрённая рубашка воздушного охлаждения с винтом изменения степени сжатия 5 паронитовые прокладки 6 карбюратор с золотниковым газораспределительным механизмом 7 штифт привода золотника 8 шатун 9 поршень 10 коленвал 11 маховик 12 шарикоподшипниковый узел и крепление воздушного винта

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 четырехтактном, 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 — теоретически в два раза, на практике в 1,5-1,7 раза, так как часть полезного хода поршня занимают процессы газообмена — продувки, а сам газообмен менее совершенен, чем у четырехтактных двигателей.

В отличие от четырёхтактных двигателей, где вытеснение отработавших газов и всасывание свежей смеси осуществляется самим поршнем, в совершенных двухтактных двигателях газообмен выполняется за счет 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) 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 (разновидность контурной продувки). Для ее осуществления необходимо, чтобы полость кривошипа была герметична и, по возможности, чтобы коленвал занимал возможно больший объем и был обтекаем, чтобы как можно меньше влиять на газодинамику. В многоцилиндровых двигателях камеры кривошипов отдельных цилиндров также отделены одна от другой. При перемещениях горючей смеси по камерам и каналам происходит ее расслоение, выпадение капельной фракции топлива на стенки элементов конструкции. Поэтому следует считать весьма перспективным введение в двухтактных двигателях системы впрыска топлива — тогда передувание 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.

Контурная продувка

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя с контурной продувкой

Петлевая продувка, поршень с дефлектором

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). Впускные и выпускные органы — окна в стенках цилиндра — расположены в его нижней части. Открытие и закрытие впускных и выпускных окон осуществляется самим поршнем, а специальный газораспределительный механизм отсутствует. Направление потока воздуха (смеси) по контуру цилиндра может осуществляться 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 головки. Так как в последнем случае воздух (смесь) в цилиндре описывает петлю, такой тип продувки называется возвратно-петлевой или просто петлевой.

Дефлекторная продувка технологически реализуется проще, так как продувочные каналы и окна выполняются простым сверлением, а при петлевой продувке для выполнения каналов требуется высокоточное литье. В то же время петлевая продувка характеризуется меньшим сопротивлением движению воздуха (смеси) и лучшей очисткой цилиндра от остаточных газов, чем дефлекторная. 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. В связи с этим дефлекторная продувка в современных конструкциях двухтактных двигателей 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 нижней мертвой точки. Дело в том, что выпускное окно должно открываться раньше продувочного, чтобы часть отработавших газов вытекла в выпускной коллектор, и давление в цилиндре стало меньше давления воздуха (смеси) в продувочном насосе (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 чуть раньше продувочного — тогда произойдет дозарядка цилиндра (предварительное сжатие воздуха или смеси, что позволит повысить мощность), а в бензиновых двигателях не будет потерь свежей смеси. Но при поршневом управлении открытием окон это сделать невозможно — моменты открытия и закрытия окон симметричны относительно нижней мертвой точки — 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.

Однако простота реализации контурной продувки (особенно при использовании подпоршневого пространства в качестве продувочного насоса) и дешевизна обеспечили очень широкую популярность таких двигателей. Их устанавливают на мопедах, мотоциклах, мотодельтапланах, мотопилах, газонокосилках, моторных лодках, то есть там, где небольшая мощность делает относительно малозаметными дополнительные потери.

Двухтактные бензиновые двигатели применялись также на некоторых автомобилях, например: Trabant, Wartburg, Barkas (ГДР); Suzuki Jimny (Япония).

Прямоточная продувка

Принцип работы двухтактного дизельного двигателя

Продувка двухтактного дизельного двигателя: внизу — продувочные окна, выпускной клапан вверху открыт

Двухтактный дизельный двигатель Junkers Jumo 205

При прямоточной продувке поток воздуха (смеси) движется, не меняя направления, вдоль оси цилиндра. Управлять открытием и закрытием продувочных и выпускных окон одним поршнем невозможно, что требует применения специальных устройств. Может использоваться клапанный механизм, установленный в головке цилиндра, через который происходит выпуск отработавших газов (впускные продувочные окна открываются и закрываются поршнем), или два поршня, встречно движущихся в одном цилиндре (один поршень управляет впускными окнами, другой выпускными).

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, подбор оптимальных фаз газораспределения не представляет затруднений. Как правило, в двигателях с прямоточной продувкой выпускной клапан (выпускное окно) закрывается раньше продувочного, это исключает потерю свежего заряда и позволяет осуществлять дозарядку с повышением давления (то есть наддув).

Несмотря на указанные достоинства, двигатели с прямоточной продувкой получили меньшее распространение. Дело в том, что по сложности они порой превосходят четырёхтактные. Двигатели с прямоточной продувкой выгодно применять в тех случаях, когда четырёхтактный двигатель близких размеров не может быть форсирован до необходимой мощности за счёт повышения числа оборотов. Такая ситуация возникает на судах дальнего плавания, где двигатель вращает гребной винт с винтом переменного шага без редуктора. 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 существенно ниже механический износ нагруженных деталей двигателя, что весьма существенно при их больших габаритах и высокой стоимости.

Ранее двухтактные двигатели с встречным движением поршней (два поршня встречного движения в одном цилиндре) использовались в поршневой авиации (например, двигатели «Юнкерс»), используются в некоторых типах тепловозов (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).

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).

Продувочные насосы

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. 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). Во-вторых, в многоцилиндровых двигателях приходится отделять кривошипные камеры друг от друга, что требует применения разборного коленчатого вала (как следствие, существенная потеря жесткости вала по сравнению с цельным) и сложных уплотнительных устройств. Степень сжатия воздуха (смеси) в кривошипной камере невелика, что не позволяет получить давление продувочного воздуха (приходится увеличивать длительность фазы продувки, что снижает эффективный рабочий объем).

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

Основная статья: Нагнетатель (автомобилестроение)

Для тех же целей можно использовать и турбокомпрессор, но в этом случае в момент пуска в двигатель необходимо подавать сжатый воздух от внешнего источника.

Применение системы впрыска топлива вместо карбюратора позволяет значительно улучшить характеристики двухтактных двигателей.

Герметизация картера двухтактного бензинового двигателя

Картер двухтактного бензинового двигателя должен быть герметичен; на концах коленвала находятся мажетные 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

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

Многие двухтактные бензиновые двигатели отдельной системы смазки не имеют, смазка производится маслом, растворённым в бензине. При работе двигателя масло сгорает. Соотношение масло/бензин составляет, как правило, от 1:20 до 1:50 в зависимости от типа масла и заводских инструкций по эксплуатации.

Основная статья: Масла для двухтактных бензиновых двигателей

В ряде случаев, на современной малогабаритной технике применяется раздельная подача масла и бензина в двигатель (находятся в отдельных баках). Масло подаётся масляным насосом, смешение с бензином происходит, как правило, во впускном патрубке за карбюратором. При раздельной подаче масло в двигателе тоже сгорает.

Система смазки двухтактных дизельных двигателей не отличается от аналогичной системы четырёхтактных двигателей. Из поддона картера масло подаётся насосом, проходит через фильтры грубой и тонкой очистки, масляный радиатор. Масло подаётся под давлением к основным трущимся деталям, затем сливается обратно в поддон.

См. также

• Газораспределительный механизм

Двигатели

 

Двигатели внутреннего сгорания (кроме турбинных)   Возвратно-поступательные Количество тактов Двухтактный двигатель (двигатель Ленуара) • Четырёхтактный двигатель • Шеститактный двигатель (двигатель Гриффина) Расположение цилиндров Рядный двигатель (U-образный двигатель) • Оппозитный двигатель • V-образный двигатель • W-образный двигатель • Звездообразный двигатель (вращающийся) • X-образный двигатель Типы поршней Свободно-поршневые • Двигатель со встречным движением поршней (дельтообразный) • Аксиальные Способ воспламенения Дизельные • Компрессионные карбюраторные • Калильно-компрессионный • Калильные карбюраторные • Батарейное зажигание • Магнето • Дуговые и искровые свечи Роторные Двигатель Ванкеля • Орбитальный двигатель (двигатель Сарича) • Роторно-лопастной двигатель Вигриянова • Роторный двигатель Карфидова Комбинированные Гибридные Воздушно-реактивные   Основные типы Бескомпрессорные Прямоточные • Пульсирующие Турбореактивные Турбовентиляторные (двухконтурные) • Турбовинтовые • Турбовинтовентиляторные • Турбовальные Модификации и гибридные системы Мотокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель • Гиперзвуковые прямоточные См. также: Газотурбинные двигатели Ракетные двигатели   Химические Жидкостные Закрытого цикла • Открытого цикла • С фазовым переходом • Двигатель Вальтера Другие Твердотопливные • Топливно-гибридные Ядерные Термоядерные • Газофазно-ядерные • Солевые Электрические Плазменные (электромагнитный ускоритель VASIMR) • Ионные • Электротермические • Электростатические Другие Клиновоздушный • Двигатель Бассарда Двигатели внешнего сгорания   Паровая машина • Двигатель Стирлинга • Пневматический двигатель Турбины и механизмы с турбинами в составе   По виду рабочего тела Газовые Газотурбинная установка • Газотурбинная электростанция • Газотурбинные двигатели‎ Паровые Парогазовая установка • Конденсационная турбина Гидравлические турбины‎ Пропеллерная турбина •  • Гидротрансформатор По конструктивным особенностям Осевая (аксиальная) турбина • Центробежная турбина (радиальная, тангенциальная) • Радиально-осевая турбина • Поворотно-лопастная турбина • Ковшовая турбина Пелтона (турбина Турго) • Ротор Дарье • Турбина Уэльса • Турбина Тесла • Турбина Франциса • Сегнерово колесо Электродвигатели   Постоянного тока • Переменного тока • Трёхфазные • Двухфазные • Однофазные • Универсальные Асинхронные Конденсаторный двигатель Синхронные Бесколлекторные • Коллекторные • Вентильные реактивные • Шаговые Другие Линейные • Гистерезисные • Униполярные • Ультразвуковые • Мендосинский мотор Биологические двигатели   Моторные белки Актин • Динеин • Кинезин • Миозин • Тропомиозин • Тропонин • Флагеллин

См. также: Вечный двигатель • Мотор-редуктор • Резиномотор