Двухтактный двигатель — принцип действия и устройство, преимущества и недостатки

Преимущества и недостатки двухтактного двигателя

В двухтактных двигателях в каждом цилиндре за каждый оборот коленчатого вала происходит один рабочий ход. Это вдвое больше, чем в четырехтактных двигателях, поэтому и мощность такого двигателя теоретически должна быть вдвое большей. Однако двигатели, в которых наполнение происходит с вентилируемым картером, развивают гораздо меньшую мощность, потому что при эффективной продувке камеры сгорания величина среднего эффективного давления двухтактного двигателя приблизительно вдвое ниже, чем четырехтактного, поэтому литровая мощность двигателей обоих типов также приблизительно одинакова.

Рис. 1. Двухтактный двигатель Закс-Стамо 30.

Если улучшить качество продувки золотниковым газораспределением или специальным продувочным воздухонагнетателем, то литровую мощность удается увеличить практически вдвое, особенно в дизелях. В таком случае двухтактный рабочий цикл имеет серьезные преимущества, особенно в судовых дизелях, где кривошипный механизм имеет более совершенную конструктивную схему, и в очень малых двигателях, где важна простота конструкции.

Для самых малых двигателей двухтактный процесс вне конкуренции. В качестве примера на рис. 1 изображен двигатель Фихтель и Закс-Стамо 30 с рабочим объемом 33 см³, развивающий мощность 1,25 кВт (1,7 л. с.) при 7000 об/мин. и массе 4,2 кг.

Масса такого двигателя со всем вспомогательным оборудование равна всего лишь 4,2 кг, а в особо легком исполнении (для ручных пил и т. д.) имеет удельную массу менее 2,7 кг/кВт (2 кг/л. с.). Единственным очень серьезным недостатком таких двигателей является резкий треск при работе.

Газораспределение двухтактного двигателя — принцип действия, фазы и схемы

Симметричность фаз газораспределения у двигателей с вентилируемым картером имеет определенные недостатки. Если отверстие в картер двигателя открывается слишком поздно, то для наполнения цилиндров остается слишком мало времени. Если же это отверстие открывается раньше, оно и закрывается после того, как поршень пройдет в. м. т., в результате чего часть рабочей смеси поступившей в картер, возвратится обратно в карбюратор.

Симметричность фаз открытия и закрытия выпускного отверстия также невыгодна. Желательно, чтобы выпускное отверстие открывалось раньше, перед наполнением, и давление в цилиндре успело снизиться. Однако потом выпускной канал должен закрываться только после закрытия впускного канала, что ведет к выбросу из цилиндра части заряда рабочей смеси через выпускные каналы.

Из сказанного ясно, что симметричность фаз газораспределения ведет к несовершенству наполнения и очистки камеры сгорания, а, следовательно, к уменьшению среднего эффективного давления и увеличению удельного расхода топлива. Несимметричность фаз газораспределения двигателя с картерной продувкой достигается с помощью золотникового газораспределения. Канал, соединяющий картер с карбюратором, открывается в данном случае не нижней кромкой поршня, а цилиндрическим золотником. В результате впускной канал может быть открыт в самом начале такта впуска, а продолжительность открытия — достаточной для того, чтобы наполнение было более совершенным, что позволит увеличить мощность двигателя. Пример такого золотникового устройства четырехцилиндрового двигателя Ява показан на рис. 2.

Рис. 2. Двухтактный гоночный двигатель Ява 350 имеет четыре отдельных цилиндра и золотниковое газораспределение. Вращающийся дисковый золотник виден с правой стороны рисунка сразу за карбюратором.

Несимметричные фазы газораспределения можно получить, установив два поршня в каждом цилиндре или применив клапанный механизм газораспределения. Пример двухпоршневого двигателя с общей камерой сгорания и одним коленчатым валом показан на рис. 3.

Рис. 3. Несимметричное газораспределение двухтактного двигателя с помощью двух поршней, движущихся в параллельных цилиндрах с общей камерой сгорания.

Такая схема была применена на двигателе Мане. Тот же эффект был достигнут и при противоположном расположении поршней в одном цилиндре. При этом в двигателе имеются два коленчатых вала, несколько повернутых относительно друг друга, или один коленчатый вал с соответственно повернутыми шатунами и коромыслами. Пример такого исполнения дизеля Коммер показан на рис. 4, где двигатель изображен во всех четырех фазах работы.

Рис. 4. Двигатель Коммер с противоположно движущимися цилиндрами. Движение продувочного воздуха показано стрелками.

Система продувки

Для продувки такого многоцилиндрового двигателя применяется специальный ротационный воздухонагнетатель модели Рутс. Продувка цилиндров может быть прямоточная или петлевая; первая применена у только что рассмотренного двигателя с противоположно движущимися поршнями, вторая — у трехканальных двигателей. В последнем случае оба канала расположены друг против друга в н. м. т. поршня, так что трудно воспрепятствовать попаданию части заряда свежей рабочей смеси сразу же в выпускной канал и выбрасыванию ее из цилиндра. В ранних конструкциях для предотвращения этого на головке поршня делали отражатель — дефлектор в виде выступа, который направлял поступающую смесь вверх, заставляя ее продувать верхнюю часть цилиндра. Однако дефлектор увеличивал массу поршня и поверхность его головки, через которую поступает больше тепла. Поэтому в современных двигателях от них отказались, а от радиального расположения каналов перешли к системе Шнюрль (рис. 5).

Рис. 5. Схема продувки системы Шнюрль.

В этом случае рабочая смесь поступает в цилиндры по двум каналам, направленным тангенциально вверх, идет вдоль стенки цилиндра вверх к головке цилиндра, а затем вдоль противоположной стенки цилиндра возвращается вниз, к выпускному каналу. В этом случае поршень имеет плоское или слегка выпуклое днище. Иногда делают несколько каналов, их конфигурация бывает другой, но принцип продувки остается прежним. Очевидно, что и в этом случае трудно исключить унос свежей рабочей смеси в выпускной коллектор, но он значительно менее интенсивен, и, кроме того, смесь лучше перемешивается в камере сгорания. Совершенство продувки оценивается по тому, какая часть свежей рабочей смеси остается в цилиндрах, а какая уходит в выпускной коллектор.

В двухтактных дизелях применяется и клапанная система газораспределения. Впуск воздуха в цилиндры и в этом случае управляется движением поршня и остается симметричным, а выпуск же осуществляется через клапаны и поэтому является несимметричным. Выпускной клапан может открываться сразу же после снижения давления в цилиндре, а закрываться перед самым закрытием поршнем впускных окон. Схема такого газораспределения применена в двигателе ЯАЗ 204 (рис. 6).

Рис. 6. Двухтактный дизель с выпускными клапанами и продувочными каналами в стенках цилиндра (двигатель ЯA3 204).

Поступающий в цилиндры воздух хорошо охлаждает днище поршня, благодаря чему снижается закоксовывание поршневых колец. Выпускных клапанов делают два или даже четыре, причем открываются они одновременно. Клапанный механизм газораспределения двухтактного двигателя гораздо более нагружен, чем четырехтактного. Время открытия выпускного клапана равно приблизительно 134° поворота коленчатого вала, что составляет лишь половину времени открытия клапана четырехтактного двигателя.

Двухтактные двигатели также могут быть оснащены системой турбонаддува. Избыток воздуха при турбонаддуве снижает температуру отработавших газов, ведет к снижению теплонапряженности турбинных лопаток и повышает их долговечность, но с другой стороны снижает энергоемкость отработавших газов. Для запуска двигателей фирма Дженерал Моторс применяет н продувочный нагнетатель и устанавливаемый перед ним центробежный компрессор. При подаче в нагнетатель Рутс сжатого воздуха турбина начинает поворачиваться, не затрачивая энергии двигателя.

Система смазки двухтактных двигателей

Смазка двухтактных двигателей с картерной продувкой обычно осуществляется маслом, добавляемым в топливо в пропорции 1 : 20 — 1 : 50. Отпадает необходимость в масляном насосе. Однако все масло, попавшее в цилиндры, сгорает и уходит с отработавшими газами. Причем сгорает оно неполностью, что приводит к дымлению двигателя, особенно на режиме холостого хода. Образующиеся при этом токсичные вещества являются главным недостатком двухтактных двигателей со смазкой топливомасляной смесью, вследствие этого на автомобилях такие двигателя почти не применяются. Вместе с тем необходимо признать, что более низкие температуры сгорания и большое количество остаточных газов от предыдущего рабочего процесса снижают образование окислов азота, однако этого недостаточно для компенсации других недостатков двухтактных двигателей. В мотоциклетных двигателях начинают применять масляные насосы для принудительной подачи масла в двигатель. В этом случае бензин и масло подаются отдельно, и количество масла дозируется в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя. Это позволяет не только уменьшить дымление двигателя, но и снизить расход масла и упростить процедуру заправки мотоцикла топливом и маслом, так как отпадает необходимость приготовления топливомасляной смеси.

Двухтактные двигатели по-прежнему применяются на гоночных мотоциклах. Двойное количество рабочих циклов является все-таки очень важным преимуществом, а использование колебаний давления во впускном и выпускном трубопроводах позволяет обеспечить достаточно хорошую очистку цилиндров. При малом диаметре поршня проще обеспечить необходимое его охлаждение, а более высокая литровая мощность такого двигателя позволяет уменьшить количество цилиндров.

В качестве примера в таблице приведено сравнение рабочих параметров четырехтактного двигателя Хонда и двухтактного Ява.

Сравнение рабочих параметров двухтактного двигателя Ява
и четырехтактного Хонда

Параметр	Модель двигателя
	Ява 350	Хонда 250	Хонда 125
Диаметр цилиндра, мм	48	38	35,5
Ход поршя, мм	47,6	36,5	25,1
Число и расположение цилиндров	4V	6P	5
Рабочий объем двигателя, см³	344	250	125
Мощность двигателя:
кВт	51,5	48,2	25
л.с.	70	52	34
при частоте вращения, об/мин	13000	16500	21000
Среднее эффективное давление:
МПа	0,705	1,13	1,17
кгс/см²	7,05	11,3	11,7
Средняя скорость поршня, м/с	20,6	20,0	17,5
Литровая мощность:
кВт/л	150	153	200
л.с./л	204	208	272
Примечание. V — V-образный двигатель, Р — плоский двигатель.

Из таблицы видно, что для своего класса двигатель Ява имеет более высокие параметры и может быть сравнен с четырехцилиндровым двигателем с рабочим объемом 350 см³. Двигатель Хонда уже при объеме 250 см³ должен быть шестицилиндровым, а при объеме 125 см³ — пятицилиндровым. Средние скорости поршней двигателей Хонда 250 и Ява 350 одинаковы, но при этом частота вращения у двигателя Ява равна только 13000 об/мин. Среднее эффективное давление двигателя Явы выше, чем половина этого параметра двигателя Хонды. Увеличенный по принципу геометрического подобия до объема 350 см³ двигатель Хонда имел бы при шести цилиндрах, таком же среднем эффективном давлении 1,13 МПа (11,3 кг/см²) и той же средней скорости поршня 20 м/с мощность только 48,5 кВт (66 л. с.) и литровую мощность 139 кВт/л (189 л. с./л)!

Ява 350 представляет собой четырехцилиндровый двигатель, конструкция которого хорошо показана на рис. 2. Двигатель как бы составлен из четырех одноцилиндровых двигателей с золотниковым газораспределением. Коленчатый вал короткий, так что затруднения с крутильными колебаниями при высоких частотах вращения не возникают, вокруг каждого цилиндра имеется достаточное пространство для водяной рубашки. И хотя тепловой режим четырехтактного двигателя проще регулировать, возможность получения более высоких литровых мощностей у двухтактных двигателей является серьезным преимуществом.

Еще об устройстве, ремонте, обслуживании и эксплуатации автомототехники

Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки:

Другие материалы о двигателях на сайте:
	Уход за двигателем автомобиля: главные моменты
	Ремонт и диагностика дизельного двигателя
	Причины перегрева двигателя автомобиля