Двухтактный (или двухтактный ) двигатель — это тип двигателя внутреннего сгорания , который завершает рабочий цикл двумя ходами поршня ( одним движением вверх и одним движением вниз) за один оборот коленчатого вала. ( Четырехтактному двигателю требуется четыре хода поршня для завершения рабочего цикла за два оборота коленчатого вала.) В двухтактном двигателе конец такта сгорания и начало такта сжатия происходят одновременно, при этом функции впуска и выпуска (или продувки ) происходят одновременно.
Двухтактные двигатели часто имеют более высокое отношение мощности к весу, чем четырехтактные, поскольку их рабочий ход происходит в два раза чаще. Двухтактные двигатели также могут иметь меньше движущихся частей , и, таким образом, быть дешевле в производстве и весить меньше. В странах и регионах со строгими нормами выбросов двухтактные двигатели были постепенно выведены из использования в автомобилях и мотоциклах. В регионах, где нормы менее строгие, двухтактные двигатели с малым рабочим объемом остаются популярными в мопедах и мотоциклах. [1] Они также используются в электроинструментах, таких как бензопилы и воздуходувки .
Первый коммерческий двухтактный двигатель, включающий сжатие цилиндра, приписывается шотландскому инженеру Дугалду Клерку , который запатентовал свою конструкцию в 1881 году. [2] Однако, в отличие от большинства более поздних двухтактных двигателей, его имел отдельный зарядный цилиндр. Двигатель с продувкой картера , использующий область под поршнем в качестве зарядного насоса, обычно приписывают англичанину Джозефу Дэю . [3] [4] 31 декабря 1879 года немецкий изобретатель Карл Бенц создал двухтактный газовый двигатель, на который он получил патент в 1880 году в Германии. Первый по-настоящему практичный двухтактный двигатель приписывают йоркширцу Альфреду Ангасу Скотту , который начал производить двухцилиндровые мотоциклы с водяным охлаждением в 1908 году. [5]
Двухтактные бензиновые двигатели с электрическим искровым зажиганием особенно полезны в легких или портативных приложениях, таких как бензопилы и мотоциклы. Однако, когда вес и размер не являются проблемой, потенциал цикла для высокой термодинамической эффективности делает его идеальным для дизельных двигателей с воспламенением от сжатия, работающих в больших, нечувствительных к весу приложениях, таких как морские тяговые установки , железнодорожные локомотивы и производство электроэнергии . В двухтактном двигателе выхлопные газы передают меньше тепла в систему охлаждения, чем в четырехтактном, что означает больше энергии для приведения в действие поршня и, если имеется, турбонагнетателя.
Двухтактные двигатели с компрессией картера, такие как обычные небольшие бензиновые двигатели, смазываются смесью нефтепродуктов в системе с полным выхлопом . Масло смешивается с их бензиновым топливом заранее в соотношении топлива к маслу около 32:1. Затем это масло образует выбросы, либо сжигаясь в двигателе, либо в виде капель в выхлопных газах, что исторически приводило к большему количеству выбросов выхлопных газов, особенно углеводородов, чем у четырехтактных двигателей сопоставимой выходной мощности. Объединенное время открытия впускных и выпускных отверстий в некоторых двухтактных конструкциях также может позволить некоторому количеству несгоревших паров топлива выйти в поток выхлопных газов. Высокие температуры сгорания небольших двигателей с воздушным охлаждением также могут приводить к выбросам NOx .
Двухтактные бензиновые двигатели предпочтительны, когда механическая простота, малый вес и высокое отношение мощности к весу являются приоритетами проектирования. Смешивая масло с топливом, они могут работать в любой ориентации, поскольку масляный резервуар не зависит от силы тяжести.
Ряд основных производителей автомобилей использовали двухтактные двигатели в прошлом, включая шведский Saab , немецкие производители DKW , Auto-Union , VEB Sachsenring Automobilwerke Zwickau , VEB Automobilwerk Eisenach и VEB Fahrzeug- und Jagdwaffenwerk , а также польские производители FSO и FSM . Японские производители Suzuki и Subaru сделали то же самое в 1970-х годах. [6] Производство двухтактных автомобилей прекратилось в 1980-х годах на Западе из-за все более жесткого регулирования загрязнения воздуха . [7] Страны Восточного блока продолжали примерно до 1991 года, с Trabant и Wartburg в Восточной Германии.
Двухтактные двигатели по-прежнему встречаются в различных небольших тяговых устройствах, таких как подвесные моторы , небольшие дорожные и внедорожные мотоциклы , мопеды , скутеры , моторизованные велосипеды , тук-туки , снегоходы , картинги , сверхлегкие и модели самолетов. В частности, в развитых странах правила загрязнения окружающей среды привели к тому, что их использование для многих из этих приложений постепенно прекращается. Honda , [8] например, прекратила продажу двухтактных внедорожных мотоциклов в Соединенных Штатах в 2007 году, после того как значительно раньше отказалась от дорожных моделей.
Благодаря высокому соотношению мощности к весу и возможности использования в любом положении двухтактные двигатели широко используются в ручных электроинструментах для работы на открытом воздухе, включая воздуходувки , бензопилы и триммеры .
Двухтактные дизельные двигатели в основном используются в крупной промышленной и морской технике, а также в некоторых грузовиках и тяжелой технике.
.jpg/1280px-Kunmadaras_Motorsport_2021._szeptember_19._JM_(69).jpg)
Хотя принципы остаются теми же, механические детали различных двухтактных двигателей различаются в зависимости от типа. Типы конструкции различаются в зависимости от метода введения заряда в цилиндр, метода продувки цилиндра ( замена сгоревших выхлопных газов на свежую смесь) и метода выпуска воздуха из цилиндра.
Поршневой порт — самая простая из конструкций и самая распространенная в небольших двухтактных двигателях. Все функции контролируются исключительно поршнем, закрывающим и открывающим порты по мере его перемещения вверх и вниз в цилиндре. В 1970-х годах Yamaha разработала некоторые основные принципы для этой системы. Они обнаружили, что, в общем, расширение выпускного порта увеличивает мощность на ту же величину, что и подъем порта, но диапазон мощности не сужается, как при подъеме порта. Однако существует механическое ограничение на ширину одного выпускного порта, составляющее около 62% от диаметра отверстия для разумного срока службы поршневых колец. За пределами этого значения поршневые кольца выпирают в выпускной порт и быстро изнашиваются. Максимально возможная ширина отверстия составляет 70% в гоночных двигателях, где кольца меняются каждые несколько гонок. Продолжительность впуска составляет от 120 до 160°. Время перепускного порта установлено на уровне минимум 26°. Сильный импульс низкого давления гоночной двухтактной расширительной камеры может понизить давление до -7 фунтов на квадратный дюйм, когда поршень находится в нижней мертвой точке, а передаточные отверстия почти широко открыты. Одной из причин высокого расхода топлива в двухтактных двигателях является то, что часть входящей сжатой топливно-воздушной смеси проталкивается через верхнюю часть поршня, где она оказывает охлаждающее действие, и выходит прямо через выхлопную трубу. Расширительная камера с сильным обратным импульсом останавливает этот исходящий поток. [9]
Фундаментальное отличие от типичных четырехтактных двигателей заключается в том, что картер двухтактного двигателя герметичен и является частью процесса впуска в бензиновых и горячих двигателях . Дизельные двухтактные двигатели часто добавляют нагнетатель Рутса или поршневой насос для продувки .
Пластинчатый клапан — это простая, но высокоэффективная форма обратного клапана, обычно устанавливаемая во впускном тракте поршневого порта. Он обеспечивает асимметричный впуск топлива, улучшая мощность и экономичность, а также расширяя диапазон мощности. Такие клапаны широко используются в двигателях мотоциклов, квадроциклов и морских подвесных лодок.
Впускной канал открывается и закрывается вращающимся элементом. Знакомый тип, который иногда можно увидеть на небольших мотоциклах, — это щелевой диск, прикрепленный к коленчатому валу , который закрывает и открывает отверстие в конце картера, позволяя заряду поступать во время одной части цикла (называемой дисковым клапаном).
Другая форма вращающегося впускного клапана, используемая в двухтактных двигателях, использует два цилиндрических элемента с подходящими вырезами, расположенными так, чтобы вращаться один внутри другого - впускная труба имеет проход в картер только тогда, когда два выреза совпадают. Сам коленчатый вал может образовывать один из элементов, как в большинстве двигателей со свечами накаливания. В другой версии диск кривошипа расположен так, чтобы быть плотно посаженным в картер, и снабжен вырезом, который в соответствующее время совпадает с впускным каналом в стенке картера, как в мотороллерах Vespa .
Преимущество поворотного клапана заключается в том, что он позволяет двухтактному двигателю сделать впускной синхронизацию асимметричной, что невозможно в поршневых двигателях. Впускной синхронизация поршневого двигателя открывается и закрывается до и после верхней мертвой точки при одном и том же угле поворота коленчатого вала, что делает его симметричным, тогда как поворотный клапан позволяет открывать и закрывать раньше.
Двигатели с роторным клапаном могут быть адаптированы для обеспечения мощности в более широком диапазоне скоростей или более высокой мощности в более узком диапазоне скоростей, чем двигатели с поршневым портом или пластинчатым клапаном. Когда часть роторного клапана является частью самого картера, что особенно важно, нельзя допускать износа.
.jpg/1280px-Two-stroke_deflector_piston_(Autocar_Handbook,_13th_ed,_1935).jpg)
В двигателе с поперечным потоком передаточные и выпускные отверстия находятся на противоположных сторонах цилиндра, а дефлектор в верхней части поршня направляет свежий впускной заряд в верхнюю часть цилиндра, выталкивая остаточный выхлопной газ вниз по другой стороне дефлектора и наружу через выпускное отверстие. [10] Дефлектор увеличивает вес поршня и площадь открытой поверхности, а тот факт, что он затрудняет охлаждение поршня и достижение эффективной формы камеры сгорания, является причиной того, что эта конструкция была в значительной степени заменена прямоточной продувкой после 1960-х годов, особенно для мотоциклов, но для меньших или более медленных двигателей, использующих прямой впрыск, дефлекторный поршень все еще может быть приемлемым подходом.
Этот метод продувки использует тщательно сформированные и расположенные переходные отверстия для направления потока свежей смеси к камере сгорания, когда она попадает в цилиндр. Топливно-воздушная смесь ударяется о головку цилиндра , затем следует по изгибу камеры сгорания, а затем отклоняется вниз.
Это не только предотвращает прямой выход топливно-воздушной смеси из выпускного отверстия, но и создает вихревую турбулентность, которая повышает эффективность сгорания , мощность и экономичность. Обычно поршневой дефлектор не требуется, поэтому этот подход имеет явное преимущество перед схемой перекрестного потока (выше).
Часто называемый «Schnuerle» (или «Schnürle») петлевой очисткой в честь Адольфа Шнюрле, немецкого изобретателя ранней формы в середине 1920-х годов, он получил широкое распространение в Германии в 1930-х годах и распространился дальше после Второй мировой войны .
Продувка контура — наиболее распространенный тип передачи топливно-воздушной смеси, используемый в современных двухтактных двигателях. Suzuki был одним из первых производителей за пределами Европы, принявших двухтактные двигатели с продувкой контура. Эта эксплуатационная особенность использовалась в сочетании с выхлопом с расширительной камерой, разработанным немецким производителем мотоциклов MZ и Walter Kaaden.
Продувка контура, дисковые клапаны и расширительные камеры работали в тесной координации, чтобы значительно увеличить выходную мощность двухтактных двигателей, особенно японских производителей Suzuki, Yamaha и Kawasaki. Suzuki и Yamaha добились успеха в гонках на мотоциклах Гран-при в 1960-х годах в немалой степени благодаря увеличению мощности, обеспечиваемой продувкой контура.
Дополнительным преимуществом петлевой продувки было то, что поршень можно было сделать почти плоским или слегка куполообразным, что позволяло поршню быть значительно легче и прочнее, и, следовательно, выдерживать более высокие обороты двигателя. Поршень с «плоским верхом» также имеет лучшие тепловые свойства и менее склонен к неравномерному нагреву, расширению, заклиниванию поршня, изменению размеров и потерям при сжатии.
SAAB построила 750- и 850-кубовые трехцилиндровые двигатели на основе конструкции DKW, которая оказалась достаточно успешной с использованием петлевого наддува. Оригинальный SAAB 92 имел двухцилиндровый двигатель сравнительно низкой эффективности. На крейсерской скорости блокировка выпускного отверстия отраженной волной происходила на слишком низкой частоте. Использование асимметричного трехпортового выпускного коллектора, применяемого в идентичном двигателе DKW, улучшило топливную экономичность.
Стандартный двигатель объемом 750 куб. см выдавал от 36 до 42 л. с. в зависимости от модельного года. Вариант Monte Carlo Rally объемом 750 куб. см (с заполненным коленчатым валом для более высокой базовой компрессии) выдавал 65 л. с. Версия объемом 850 куб. см была доступна в 1966 году в SAAB Sport (стандартная модель отделки по сравнению с роскошной отделкой Monte Carlo). Базовая компрессия составляет часть общей степени сжатия двухтактного двигателя. Работа, опубликованная в SAE в 2012 году, указывает на то, что петлевая продувка при любых обстоятельствах более эффективна, чем продувка с поперечным потоком.
В двигателе с прямым потоком смесь или «наддувочный воздух» в случае дизеля поступает в один конец цилиндра, управляемый поршнем, а выхлопные газы выходят в другой конец, управляемый выпускным клапаном или поршнем. Таким образом, поток продувочного газа идет только в одном направлении, отсюда и название — «прямой поток».
Конструкция с использованием выпускного клапана(ов) распространена в дорожных, внедорожных и стационарных двухтактных двигателях ( Detroit Diesel ), некоторых небольших морских двухтактных двигателях ( Gray Marine Motor Company , которая адаптировала Detroit Diesel Series 71 для морского использования ), некоторых железнодорожных двухтактных дизельных локомотивах ( Electro-Motive Diesel ) и больших морских двухтактных главных пропульсивных двигателях ( Wärtsilä ). Портированные типы представлены конструкцией с оппозитными поршнями , в которой два поршня находятся в каждом цилиндре, работая в противоположных направлениях, например, Junkers Jumo 205 и Napier Deltic . [11] Некогда популярная конструкция split-single попадает в этот класс, будучи фактически сложенным однопоточным. Благодаря передовому углу опережения зажигания однопоточные двигатели могут наддуваться с помощью нагнетателя с приводом от коленчатого вала, как поршневого, так и типа Roots. [12] [13]
Поршень этого двигателя имеет форму «цилиндра»; верхняя часть образует обычный цилиндр, а нижняя часть выполняет функцию продувки. Агрегаты работают парами, причем нижняя половина одного поршня заряжает соседнюю камеру сгорания.
Верхняя часть поршня по-прежнему полагается на смазку с полным выносом, но другие части двигателя смазываются картером с преимуществами чистоты и надежности. Масса поршня всего на 20% больше, чем у поршня двигателя с петлевой продувкой, поскольку толщина юбки может быть меньше. [14]
Во многих современных двухтактных двигателях используется система мощностных клапанов . Клапаны обычно находятся в выпускных отверстиях или вокруг них. Они работают одним из двух способов: либо они изменяют выпускное отверстие, закрывая верхнюю часть отверстия, что изменяет синхронизацию отверстия, например, системы Rotax RAVE, Yamaha YPVS, Honda RC-Valve, Kawasaki KIPS, Cagiva CTS или Suzuki AETC, либо изменяя объем выхлопных газов, что изменяет резонансную частоту расширительной камеры , например, системы Suzuki SAEC и Honda V-TACS. Результатом является двигатель с лучшей мощностью на низких оборотах без ущерба для мощности на высоких оборотах. Однако, поскольку мощностные клапаны находятся в потоке горячего газа, для их хорошей работы требуется регулярное обслуживание.
Прямой впрыск имеет значительные преимущества в двухтактных двигателях. В карбюраторных двухтактных двигателях основной проблемой является часть топливно-воздушной смеси, которая напрямую выходит, не сгорая, через выпускной канал, и прямой впрыск эффективно устраняет эту проблему. Используются две системы: впрыск с помощью воздуха низкого давления и впрыск высокого давления.
Поскольку топливо не проходит через картер, необходим отдельный источник смазки.
Для целей этого обсуждения удобно мыслить в терминах мотоцикла, где выхлопная труба обращена в поток охлаждающего воздуха, а коленчатый вал обычно вращается в той же оси и направлении, что и колеса, т. е. «вперед». Некоторые из рассмотренных здесь соображений применимы к четырехтактным двигателям (которые не могут изменить направление вращения без значительной модификации), почти все из которых также вращаются вперед. Также полезно отметить, что «передняя» и «задняя» поверхности поршня являются — соответственно — сторонами выпускного и впускного отверстий поршня и не связаны с верхней или нижней частью поршня.
Обычные бензиновые двухтактные двигатели могут работать в обратном направлении в течение коротких периодов времени и при небольшой нагрузке без особых проблем, и это использовалось для обеспечения возможности реверса в микроавтомобилях , таких как Messerschmitt KR200 , в которых отсутствовала передача заднего хода. Если у транспортного средства есть электрический запуск, двигатель выключается и перезапускается в обратном направлении поворотом ключа в противоположном направлении. Двухтактные гольф-кары использовали похожую систему. Традиционные маховиковые магнето (использующие точки прерывателя контактов, но без внешней катушки) работали одинаково хорошо в обратном направлении, потому что кулачок, управляющий точками, симметричен, разрывая контакт перед верхней мертвой точкой одинаково хорошо, как при движении вперед, так и назад. Двигатели с пластинчатым клапаном работают в обратном направлении так же хорошо, как и поршневые управляемые порты, хотя двигатели с роторным клапаном имеют асимметричную синхронизацию впуска и работают не очень хорошо.
Существуют серьезные недостатки для работы многих двигателей в обратном направлении под нагрузкой в течение любого периода времени, и некоторые из этих причин являются общими, применимыми в равной степени как к двухтактным, так и к четырехтактным двигателям. Этот недостаток принимается в большинстве случаев, когда стоимость, вес и размер являются основными соображениями. Проблема возникает из-за того, что при «прямом» движении основная упорная поверхность поршня находится на задней поверхности цилиндра, которая в двухтактном двигателе является самой холодной и лучше всего смазываемой частью. Передняя поверхность поршня в тронковом двигателе менее подходит для того, чтобы быть основной упорной поверхностью, поскольку она закрывает и открывает выпускное отверстие в цилиндре, самой горячей части двигателя, где смазка поршня находится на самом низком уровне. Передняя поверхность поршня также более уязвима, поскольку выпускное отверстие, самое большое в двигателе, находится на передней стенке цилиндра. Юбки поршня и кольца рискуют быть выдавленными в этот порт, поэтому всегда лучше всего, чтобы они сильнее всего давили на противоположную стенку (где в двигателе с поперечным потоком есть только передаточные порты), а поддержка хороша. В некоторых двигателях малый конец смещен, чтобы уменьшить тягу в предполагаемом направлении вращения, а передняя поверхность поршня сделана тоньше и легче для компенсации, но при движении назад эта более слабая передняя поверхность испытывает повышенное механическое напряжение, которому она не была предназначена противостоять. [15] Этого можно избежать, используя крейцкопфы , а также используя упорные подшипники, чтобы изолировать двигатель от торцевых нагрузок.
Большие двухтактные судовые дизели иногда делают реверсивными. Как и четырехтактные судовые двигатели (некоторые из которых также реверсивные), они используют механически управляемые клапаны, поэтому требуют дополнительных механизмов распределительного вала. Эти двигатели используют крейцкопфы для устранения бокового тяги на поршне и изоляции подпоршневого пространства от картера.
Вдобавок ко всему прочему, масляный насос современного двухтактного двигателя может не работать в обратном направлении, в этом случае двигатель в течение короткого времени испытывает масляное голодание. Запуск двигателя мотоцикла в обратном направлении относительно легко инициируется, и в редких случаях может быть вызван обратным вспышкой. [ необходима цитата ] Это не рекомендуется.
Двигатели для моделей самолетов с пластинчатыми клапанами можно устанавливать в конфигурации тягача или толкателя без необходимости менять пропеллер. Эти двигатели имеют компрессионное воспламенение, поэтому нет проблем с синхронизацией зажигания и не наблюдается большой разницы между движением вперед и движением назад.
Junkers построил экспериментальные двухтактные дизельные авиационные двигатели с оппозитными поршнями во время Первой мировой войны, которые были получены из стационарной линии двигателя. Они имели два коленчатых вала на концах цилиндра, соединенных зубчатой передачей, которая также приводила в движение пропеллер. Два поршня, работающие в противоположных направлениях в каждом цилиндре, открывали впускные и выпускные отверстия вблизи концов своих ходов. Сначала открывалось выпускное отверстие, а когда открывалось впускное отверстие, через цилиндры продавливался заряд сжатого воздуха, практически очищая все сгоревшие газы.
Медиа, связанные с двухтактными двигателями на Wikimedia Commons