Двотактний двигун

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Двотактний двигун

Двота́ктний двигу́н (англ. two-stroke engine) — поршневий двигун внутрішнього згоряння, в якому робочий процес в кожному з циліндрів відбувається за один оберт колінчастого вала, тобто за два ходи поршня.

Принцип дії[ред.ред. код]

Двотактний цикл поршневого двигуна
Такти:
1. При русі поршня вгору — стиснення паливо-повітряної суміші у поточному циклі та засмоктування суміші для наступного циклу у порожнину під поршнем
2. При русі поршня вниз — робочий хід, випуск та витіснення паливо-повітряної суміші з-під поршня в робочу порожнину циліндра

Такти стиснення і робочого ходу в двотактному двигуні відбуваються так само, як і в чотиритактному, але процеси очищення та наповнення циліндра суміщені і здійснюються не в рамках окремих тактів, а за короткий час, коли поршень знаходиться поблизу нижньої мертвої точки.

У зв'язку з тим, що в двотактному двигуні, при однаковій кількості циліндрів і частоті обертання колінчастого вала, робочі ходи відбуваються вдвічі частіше, літрова потужність двотактних двигунів є вищою, ніж чотиритактних — в 1,6-1,8 рази, так як частина корисного ходу поршня займає продування — «такт» газообміну, що суміщає впуск і вихлоп, а сам газообмін менш досконалий, ніж у чотиритактних двигунів.

На відміну від чотиритактних двигунів, де витіснення відпрацьованих газів і всмоктування свіжої суміші здійснюється самим поршнем, у скоєних двотактних двигунах газообмін виконується за рахунок подачі в циліндр робочої суміші або повітря (в дизелях) під тиском, створюваним спеціальним продувальним насосом — повітродувкою, а сам процес газообміну отримав назву — продування. У процесі продувки свіже повітря (суміш) витісняє продукти горіння з циліндра в випускні канали, займаючи їхнє місце. При цьому частина свіжого заряду теж виявляється у вихлопних каналах, що погіршує економічність карбюраторного двотактного двигуна, що викидає незгорілих суміш.

У спрощених двотактних двигунах продування здійснюється за рахунок витіснення свіжого заряду поршнем з кривошипної камери в робочу порожнину циліндра. Таке продування називається кривошипно-камерним (і найчастіше буває контурне або дефлекторне — див нижче). Для цього здійснення необхідно, щоб порожнина кривошипа конкретного циліндра була герметична і, по можливості, щоб колінвал займав можливо більший обсяг і був обтічний, щоб якомога менше впливати на газодинаміку. Таким чином, в багатоциліндрових двигунах камери кривошипів окремих циліндрів відокремлені одна від одної, а сам колінвал має досить складну конструкцію. При переміщеннях горючої суміші по камерах та каналах відбувається її розшарування, випадання крапельної фракції палива на стінки елементів конструкції. Тому слід вважати вельми перспективним впровадження на двотактних двигунах системи упорскування палива — тоді продування здійснюється чистим повітрям, а початок упорскування після закриття вихлопних каналів робить втрати палива неможливими.

За способом організації руху потоків продувочного повітря (суміші) розрізняють двотактні двигуни з контурним і прямоточним продуванням. При прямоточному продуванні гази продуваються уздовж осі циліндра в одному напрямку, при контурному потік газів спрямований по контуру циліндра спочатку від поршня до голівки, потім в протилежному напрямку напрямку.

Контурне продування[ред.ред. код]

При контурній продувці потік повітря (суміші) рухається уздовж внутрішньої поверхні циліндра і його головки, повторюючи їх контур (звідси назва). Так як повітря (суміш) у циліндрі найчастіше описує петлю, такий тип продувки називається ще зворотно-петлевий або просто петлевим продуванням. Впускні і випускні вікна розташовані в нижній частині циліндру. Напрямок потоку повітря (суміші) по контуру циліндра може здаватися спеціальними дефлекторами на днище поршня і в голівці циліндра (у цьому випадку продування називається дефлекторним) або спеціальною формою продувних каналів, направляють потік повітря (суміші) до голівки циліндра, і сферичною формою камери згоряння. Часто для поліпшення спорожнення циліндра використовується принцип Каденассі — аеродинамічна і акустична настройка трактів. Складна форма камери згоряння при дефлекторному продуванні погіршує параметри робочого процесу і підвищує схильність бензинових двигунів до детонації, а дизельних — до димлення, що перешкоджає форсуванню і підвищенню економічності двигунів, поршень з товстим днищем схильний до перегрівання. У зв'язку з цим дефлекторне продування в сучасних двотактних двигунах не застосовується. Станом на початок 2000-х років з дефлекторним продуванням випускалися лише двигуни човнових моторів «Вітерець» (Росія) і ряд недорогих моделей човнових моторів «Selva» (Італія).

До недоліків контурного продування взагалі слід віднести симетричність відкриття і закриття продувних і випускних вікон відносно мертвих точок. Справа в том, що вихлоп має розпочинатися раніше впуску, щоб частина відпрацьованих газів витекла з циліндра і тиск в ньому стало менше тиску повітря/суміші на впуску (інакше продування буде неможливе). Кут повороту колінчастого валу від початку відкриття випускного вікна до початку відкриття продувочного вікна називається кутом попереджання випуску. Для кращої продувки цей кут необхідно збільшити. По закінченні продувки випускне вікно бажано закрити раніше продувочного — тоді відбудеться дозарядки циліндра з попередніми стиском повітря суміші, що дозволить підвищити потужність, а в бензинових двигунах зменшити втрати свіжої суміші. Але при управлінні відкриттям і закриттям всіх вікон одним і тим же поршнем це зробити неможливо — моменти відкриття і закриття вікон симетричні щодо мертвих точок — випускне вікно закривається пізніше продувочного. При початку стиснення через це вікно втрачається частина повітря/суміші. Для скорочення втрат слід зменшити кут запізнювання закриття випускного вікна. Але він дорівнює куту попереджання випуску, який слід збільшити. Це змушує йти на компроміс при проектуванні двигунів або застосовувати особливі конструктивні рішення, на кшталт введення розподільних гільз або золотникових механізмів.

Крім того, при контурній продувці в циліндрі завжди є застійні (непродуваємі) зони, що погіршує техніко-економічні характеристики двигуна. Для усунення обох названих недоліків на деяких особливих двигунах використовується П-подібне (Л-подібне) продування. При цьому варіанті при одному кривошипі є два циліндри, встановлені паралельно та мають загальну камеру згоряння. Впускні і вихлопні канали розташовані окремо, один шатун причіпний, причому кривошипний палець його шатуна навмисно відноситься в сторону від осі симетрії циліндра. За рахунок несиметричності ходів причіпного і основного поршнів досягається, по-перше, несиметричність фаз газорозподілу — вихлоп випереджає впуск при робочому ході і раніше закривається при стисненні, що дозволяє запровадити ефективний наддув. По-друге, за рахунок поділу обсягу циліндра навпіл і фізичного рознесення впускних і вихлопних вікон полегшується і поліпшується власне продування, наближаючись за якістю газообміну до прямокутною (« Зірка- НАМИ»).

Ранні конструкції двотактних дизелів мали варіант продуванням з розташуванням продувних вікон в два ряди, причому внизу розташовувалися впускні вікна, а вгорі вихлопні. При певному розташуванні впускних каналів вдавалося продути центральну, традиційно застійну зону циліндра. Однак, при такому розташуванні продувних елементів, по-перше, губилося багато повітря, по-друге, було неможливо забезпечити наддування.

Простота реалізації контурної продувки (особливо при використанні підпоршневого простору в як продувочного насоса) і дешевизна забезпечили дуже широку поширеність таких двигунів на недорогих і легких пристроях. Їх встановлюють на мопедах, мотоциклах, мотодельтаплані, мотопилами, газонокосарках, моторних човнах, використовують як пускових двигунів, тобто там, де невелика потужність робить щодо малопомітними додаткові втрати і грають істотну роль дешевизна і доступність конструкції. Істотно поліпшити економічність двотактних двигунів з контурної продувкою дозволяє застосування системи упорскування палива замість карбюратора. Останні зразки мотоциклетних двотатних двигунів з уприскуванням на 50% економічніші від карбюраторних, значно перевершуючи при цьому чотиритактні мотори в літровій потужності.

Двотактні бензинові двигуни застосовувалися також на ряді автомобілів, наприклад на ДКВ, СААБ, Trabant, Wartburg, Barkas в Європі, Suzuki Jimny в Японії.

Прямоточна продувка[ред.ред. код]

При прямоточному продуванні потік повітря (суміші) рухається, не змінюючи напрямки, уздовж осі циліндра. Продування забезпечується або використанням вихлопних клапанів (двигуни 14Д40, 11Д45А, ЯАЗ-204,-20), або додаткового ряду поршнів, керуючих вихлопом (двигун з протилежно — рухомими поршнями, напр. Родина Д100); в обох випадках впускні вікна відкриваються і закриваються поршнем.

При прямоточному продуванні якість очищення циліндра від залишкових газів якісно вище, ніж при контурній. Крім того, оскільки відкриття і закриття) випускних та продувних органів здійснюється різними елементами двигуна, що не становить труднощів оптимізація фаз газорозподілу. Як правило, в двигунах з прямоточною продувкою випускний клапан (випускні вікна) закривається раніше впускних, що виключає втрату свіжого заряду і дозволяє здійснювати дозарядку циліндра під тиском, тобто наддування.

Двигуни з прямоточним продувканням по складності часом перевершують чотиритактні, але мають велику літрову потужність. Їх особливо вигідно застосовувати в тих випадках, коли чотиритактний двигун близьких розмірів не може бути форсований до необхідної потужності за рахунок підвищення числа обертів, тобто на середніх і важких судах, де двигун безпосередньо обертає гребний вал з гвинтом регульованого кроку. Як відомо, швидкість обертання гребного гвинта вигідно вибирати в межах 200–300 об/хв або нижче — на великогабаритних судах. Крім того, при низькій швидкості обертання значно нижче механічний знос навантажених деталей двигуна, що досить істотно при їх великих габаритах і високої вартості. Дизель з протилежно — рухомими поршнями з штанговим приводом верхніх поршнів був побудований у Франції в 1901 році і згодом скопійований Юнкерсом (ЮМО-201,-203) .

Вперше дизель з протилежно-рухомими поршнями з двома колінчастими валами був побудований на Коломенському заводі. Конструктор, головний інженер Коломенського заводу Раймонд Олександрович Корейво, 6 листопада запатентував двигун у Франції, потім демонстрував його на міжнародних виставках. Однією з його важливих компонувальних особливостей є відсутність газового стику. Двотактні двигуни з протилежно — рухомими поршнями використовувалися в поршневий авіації, наприклад, двигуни Юнкерса ЮМО-205 (скопійовані з двигуна Корейво), масово використовуються на тепловозах (двигуни типу Фербенкс-Морзе серії Д100 на тепловозах ТЕ3 і ТЕ10), а також у бронетанкової техніки (двигуни 5ТДФ танка Т-64 і 6ТД танків Т-80УД і Т-84) і як суднових .

У радянському автомобілебудуванні двотактні чотирициліндрові дизельні двигуни ЯАЗ-204 встановлювалися на автомобілі сімейства МАЗ-200, а двотактні шестициліндрові ЯА-206 — на тривісні вантажівки сімейства КрАЗ-214, застосовувалися вони також на військовій техніці (плаваючий транспортер К-61, артилерійський тягач АТ-Л, самохідна артилерійська установка АСУ- 85) і на автобусах.

За інших рівних умов двотактні дизельні двигуни з прямоточною продувкою забезпечують найбільшу потужність при найвищому ККД, ККД деяких моделей перевищує 50%.

Продувні насоси[ред.ред. код]

Для того, щоб здійснити продування, необхідно стиснути повітря (суміш) до подачі її в циліндр двотактного двигуна. Ця операція здійснюється продувальним насосом.

На малогабаритних бензинових двотактних двигунах роль продувочного насоса виконує підпоршневий простір — кривошипна камера. Така конструкція проста, так як не вимагає окремого продувочного агрегату, що зумовило її переважне поширення на спрощених мотоциклетних і авіамодельних моторчиках. Але тут є ряд недоліків. По-перше, використання картера двигуна як продувочного насоса не дозволяє розмістити в картері масляну ванну. Для змащення карбюраторного двигуна доводиться підмішувати масло в паливо, що обумовлює значні витрати масла, димний вихлоп, утворення нагару в циліндрі і незручність заправки (спочатку потрібно приготувати бензо-масляну суміш, прямо в баку змішувати масло і бензин небажано через вагового розшарування). По-друге, в багатоциліндрових двигунах (Вартбург) припадає відокремлювати кривошипні камери один від одного, що вимагає застосування розбірного колінчастого валу (як наслідок, істотна втрата жорсткості вала в порівнянні з цілісним) і складних ущільнювальних пристроїв. Ступінь стиснення повітря (суміші) в кривошипно камері невелика, що не дозволяє отримати істотний тиск продувочного повітря (доводиться збільшувати тривалість фази продувки, це змушує знижувати ефективний робочий об'єм).

На великих багатоциліндрових двотактних двигунах продувочний повітря стискається в окремому компресорі (найчастіше типу Рутс), що практично повністю усуває зазначені вище недоліки.

Для тих же цілей використовується і турбокомпресор, але в цьому випадку в момент пуску в двигун необхідно подавати стиснене повітря від зовнішнього джерела або використовувати двоступінчасте наддування з механічним ступенем (10Д100).

Система змащення двотактних двигунів[ред.ред. код]

Двотактні карбюраторні двигуни системи змащення не мають. Змазування проводиться маслом, розчиненим у бензині. При русі суміші в картері вона частково розшаровується, і масло у вигляді крапель осідає на деталях двигуна. Співвідношення масло/бензин становить, як правило, від 1:20 до 1:50 в залежності від типу масла.

У ряді випадків у дорожчих двигунах (Honda, Suzuki, Ява-Ойлмастер) застосовується роздільна подача масла і бензину в двигун, але все одно подача масла до пар тертя відбувається за рахунок осадження з горючої суміші. Масло подається масляним насосом або самопливом, змішування з бензином відбувається, як правило, у впускному патрубку за карбюратором. При будь-якому способі подачі масло, що потрапляє в двигун як елемент робочої суміші, частково згоряє.

Система змащення двотактних дизельних двигунів не відрізняється від аналогічної системи чотиритактних двигунів. Двигуни до 450–500 л.с. мають, як правило, систему з масляним картером, на потужніших використовується система мастила з сухим картером. Масло подається до пар тертя насосами, як правило, шестерними або колівратні, проходить через систему фільтрів, охолоджується водомасляного теплообмінниками або масляними радіаторами. Як правило, середні і важкі двотактні двигуни в обов'язковому порядку мають систему масляного охолодження поршнів. Особливо інтенсивно охолоджуються вихлопні поршні, як самі теплонапругові деталі двигуна. Саме з метою їх найбільш інтенсивного охолодження дизелі серій Д100 мають верхнє розташування вихлопного колінвала.


Посилання[ред.ред. код]

Двотактний і чотиритактний двигун внутрішнього згоряння