Двухтактные двигатели

Двухтактный двигатель — 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 мертвой точки, с помощью вспомогательного агрегата — продувочного насоса.

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

В отличии от четырехтактных двигателей, где вытеснение отработавших газов и всасывание свежей смеси осуществляется самим поршнем, в двухтактных двигателях газообмен выполняется за счет подачи в цилиндр рабочей смеси или воздуха (в дизелях) под давлением, создаваемым продувочным насосом, а сам процесс газообмена получил название — продувка. В процессе продувки свежий воздух (смесь) вытесняет продукты сгорания из цилиндра в выпускные органы, занимая их место.

По способу организации движения потоков продувочного воздуха (смеси) различают двухтактные двигатели с контурной и прямоточной продувкой.

Рабочий цикл двухтактного двигателя с контурной продувкой

Контурная продувка

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 создает большие трудности при проектировании двигателей.

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

Однако простота реализации контурной продувки (особенно при использовании подпоршневого пространства в качестве продувочного насоса) обеспечили очень широкую популярность таких двигателей. Их устанавливают на мотоциклах, мотодельтапланах, мотопилах, газонокосилках, моторных лодках.

Прямоточная продувка

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 (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 существенно лучше, чем при контурной. Кроме того, поскольку открытие (и закрытие) выпускных и продувочных органов осуществляется различными элементами двигателя, подбор оптимальных фаз газораспределения не представляет затруднейний. Как правило, в двигателях с прямоточной продувкой выпускной клапан (выпускное окно) закрывается раньше продувочного, что исключает потерю свежего заряда и позволяет осуществлять дозарядку с повышение давления (то есть наддув).

Несмотря на указанные достоинства, двигатели с прямоточной продувкой получили меньшее распространение. Дело в том, что по сложности они не уступают, а порой и превосходят четырёхтактные. Двухтактные двигатели с прямоточной продувкой выгодно применять в тех случаях, когда четырехтактный двигатель близких размеров не может быть форсирован за счет повышения числа оборотов до необходимой мощности. Такая ситуация возникает на судах дальнего плавания, где двигатель вращает гребной винт без редуктора. Как известно, скрость вращения гребного винта выгодно выбирать в пределах 200—300 об/мин и даже ниже — на крупногабаритных судах.

Двухтактный двигатель Юнкерс Jumo 205a

Ранее двухтактные оппозитные двигатели (два поршня встречного движения в одном цилиндре) использовались в поршневой авиации (например, двигатели «Юнкерс»), используются в устаревших типах тепловозах, а так же в бронетанковой технике (двигатели 5ТДФ танка Т-64 и 6ТД танков Т-80УД и Т-84).

Продувочные насосы

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 маслянную ванну. Приходится для смазки двигателя подавать масло вместе с топливом, что обуславливает значительный расход масла, дымный выхлоп и образование нагара в цилиндре. Во-вторых, во 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 не высока, 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. Для тех же целей можно использовать и турбокомпрессор, но в этом случае в момент пуска в двигатель необходимо подавать сжатый воздух от внешнего источника.