Двухтактный (или двухтактный ) двигатель — это тип двигателя внутреннего сгорания , который совершает рабочий цикл двумя ходами поршня ( один вверх и один 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 ) выполняются одновременно.
Двухтактные двигатели часто имеют высокое соотношение мощности к весу , причем мощность доступна в узком диапазоне скоростей вращения, называемом диапазоном мощности . Двухтактные двигатели имеют меньше движущихся частей , чем четырехтактные, поэтому их производство дешевле. В странах и регионах со строгими нормами выбросов двухтактные двигатели постепенно выводятся из использования в автомобилях и мотоциклах. В регионах, где правила менее строгие, двухтактные двигатели малого объема по-прежнему популярны в мопедах и мотоциклах. [1] Они также используются в электроинструментах, таких как бензопилы и воздуходувки .
Первый коммерческий двухтактный двигатель со сжатием цилиндров приписывают шотландскому инженеру Дугалду Клерку , который запатентовал свою конструкцию в 1881 году. [2] Однако, в отличие от большинства более поздних двухтактных двигателей, у него был отдельный зарядный цилиндр. Двигатель с продувкой картера , использующий область под поршнем в качестве подкачивающего насоса, обычно приписывают англичанину Джозефу Дэю . [3] [4] 31 декабря 1879 года немецкий изобретатель Карл Бенц изготовил двухтактный газовый двигатель, на который он получил патент в 1880 году в Германии. Первый по-настоящему практичный двухтактный двигатель приписывают жителю Йоркшира 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 устройствах, таких как бензопилы и мотоциклы. Однако, когда вес и размер не являются проблемой, потенциал цикла в отношении высокого термодинамического КПД делает его идеальным для дизельных двигателей с воспламенением от сжатия, работающих в крупных, нечувствительных к весу приложениях, таких как морские силовые установки , железнодорожные локомотивы и производство электроэнергии . В двухтактном двигателе выхлопные газы передают меньше тепла системе охлаждения, чем в четырехтактном, а это означает больше энергии для привода поршня и, если он имеется, турбокомпрессора.
Двухтактные двигатели с картерным сжатием, такие как обычные небольшие бензиновые двигатели, смазываются бензиновой смесью в системе с полной потерей смазки . Масло заранее смешивают с бензиновым топливом в соотношении топливо-масло примерно 32:1. Затем это масло образует выбросы, либо сгорая 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. Совместное 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 вызывать выбросы NO x .
Двухтактные бензиновые двигатели предпочтительнее, когда приоритетами конструкции являются механическая простота, малый вес и высокое соотношение мощности к весу . Смешивая масло с топливом, они могут работать в любом положении, поскольку масляный резервуар не зависит от силы тяжести.
В прошлом ряд основных производителей автомобилей использовали двухтактные двигатели, в том числе 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 ФСМ . 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 ужесточения регулирования загрязнения воздуха . [7] Страны Восточного блока продолжали существовать примерно до 1991 года, когда Трабант и Вартбург находились в Восточной Германии.
Двухтактные двигатели до сих пор используются в различных небольших силовых установках, таких как подвесные моторы , небольшие дорожные и внедорожные мотоциклы , мопеды , скутеры , моторизованные велосипеды , тук-туки , снегоходы , картинги , сверхлегкие самолеты и модели самолетов. . В частности, в развитых странах правила загрязнения означают, что их использование для многих из этих применений постепенно прекращается. Например, компания Honda [8] прекратила продажу двухтактных внедорожных мотоциклов в США 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 распространены в ручных уличных электроинструментах, включая воздуходувки , бензопилы и триммеры .
Двухтактные дизельные двигатели используются в основном в крупных промышленных и морских установках, а также в некоторых грузовых автомобилях и тяжелой технике.
.jpg/1280px-Kunmadaras_Motorsport_2021._szeptember_19._JM_(69).jpg)
Хотя принципы остаются прежними, механические детали различных двухтактных двигателей различаются в зависимости от типа. Типы конструкций различаются по способу подачи заряда в цилиндр, методу продувки цилиндра ( замена сгоревших выхлопных газов на свежую смесь) и методу опорожнения цилиндра.
Поршневой порт — самая простая конструкция и наиболее распространенная в небольших двухтактных двигателях. Все функции контролируются исключительно поршнем, закрывающим и открывающим отверстия при его движении вверх и вниз в цилиндре. В 1970-х годах компания Yamaha разработала некоторые основные принципы этой системы. Они обнаружили, что в целом расширение выпускного отверстия увеличивает мощность на ту же величину, что и его подъем, но диапазон мощности не сужается, как при поднятии отверстия. Однако существует механическое ограничение ширины одного выпускного отверстия, составляющее около 62% диаметра отверстия для обеспечения разумного срока службы поршневых колец. Кроме того, поршневые кольца выпирают в выпускное отверстие и быстро изнашиваются. В гоночных двигателях возможна максимальная ширина отверстия 70%, где кольца меняются каждые несколько гонок. Продолжительность всасывания составляет от 120 до 160°. Время порта передачи установлено минимум на 26°. Сильный импульс низкого давления гоночной двухтактной камеры расширения может снизить давление до -7 фунтов на квадратный дюйм, когда поршень находится в нижней мертвой точке, а перепускные каналы почти широко открыты. Одна из причин высокого расхода топлива в двухтактных двигателях заключается в том, что часть поступающей топливно-воздушной смеси под давлением проходит через верхнюю часть поршня, где она оказывает охлаждающее действие, и выходит прямо в выхлопную трубу. Расширительная камера с сильным обратным импульсом останавливает этот исходящий поток. [9]
Фундаментальное отличие от типичных четырехтактных двигателей заключается в том, что картер двухтактных двигателей герметичен и участвует в процессе индукции в бензиновых двигателях и двигателях с горячей лампой . Дизельные двухтактные двигатели часто оснащаются нагнетателем Рутса или поршневым насосом для продувки .
Пластинчатый клапан представляет собой простую, но высокоэффективную форму обратного клапана, обычно устанавливаемую во впускном тракте порта с поршневым управлением. Это обеспечивает асимметричный прием топливного заряда, улучшая мощность и экономичность, одновременно расширяя диапазон мощности. Такие клапаны широко используются в мотоциклах, квадроциклах и морских подвесных двигателях.
Впускной канал открывается и закрывается вращающимся элементом. Знакомый тип, который иногда можно увидеть на небольших мотоциклах, — это диск с прорезями, прикрепленный к коленчатому валу , который закрывает и открывает отверстие в конце картера, позволяя заряду поступать в течение одной части цикла (так называемый дисковый клапан).
В другой форме поворотного впускного клапана, используемого в двухтактных двигателях, используются два цилиндрических элемента с подходящими вырезами, расположенными с возможностью вращения один внутри другого - впускная труба имеет проход в картер только тогда, когда два выреза совпадают. Сам коленчатый вал может составлять один из элементов, как и в большинстве моделей двигателей со свечами накаливания. В другом варианте кривошипный диск выполнен с плотным прилеганием к картеру и снабжен вырезом, который в соответствующий момент совпадает с впускным каналом в стенке картера, как в мотороллерах Vespa .
Преимущество поворотного клапана заключается в том, что он позволяет сделать момент впуска двухтактного двигателя асимметричным, что невозможно для двигателей с поршневым портом. Впускной клапан двигателя с поршневым портом 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 поворотным 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 двигателем с пластинчатым клапаном. Если часть поворотного клапана является частью самого картера, что особенно важно, не допускается никакого износа.
.jpg/1280px-Two-stroke_deflector_piston_(Autocar_Handbook,_13th_ed,_1935).jpg)
В двигателе с перекрестным потоком перепускное и выпускное отверстия находятся на противоположных сторонах цилиндра, а дефлектор в верхней части поршня направляет свежий всасываемый заряд в верхнюю часть цилиндра, выталкивая остаточный выхлопной газ вниз в другую часть. сторону дефлектора и наружу из выпускного отверстия. [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 после 1960-х годов эта конструкция была в значительной степени заменена однопоточной продувкой, особенно для мотоциклов. но для меньших или более медленных двигателей, использующих непосредственный впрыск, дефлекторный поршень все равно может быть приемлемым подходом.
В этом методе продувки используются тщательно продуманные и расположенные перепускные отверстия, которые направляют поток свежей смеси в камеру сгорания при ее попадании в цилиндр. Топливно-воздушная смесь ударяется о головку блока цилиндров , затем следует по кривизне камеры сгорания и затем отклоняется вниз.
Это не только предотвращает выход топливно-воздушной смеси непосредственно из выпускного отверстия, но также создает завихрения, которые повышают эффективность сгорания, мощность и экономичность. Обычно поршневой дефлектор не требуется, поэтому этот подход имеет явное преимущество перед перекрестноточной схемой (см. выше).
Часто называемый петлевой очисткой «Шнуерле» (или «Шнурле») в честь Адольфа Шнурле, немецкого изобретателя ранней формы в середине 1920-х годов, он получил широкое распространение в этой стране в 1930-х годах и распространился дальше после Второй мировой войны. .
Продувка контура — наиболее распространенный тип перекачки топливно-воздушной смеси, используемый в современных двухтактных двигателях. Suzuki была одним из первых производителей за пределами Европы, принявших на вооружение двухтактные двигатели с продувкой контура. Эта эксплуатационная особенность использовалась в сочетании с выхлопной камерой расширительной камеры, разработанной немецким производителем мотоциклов MZ и Walter Kaaden.
Петля продувки, тарельчатые клапаны и расширительные камеры работали слаженно, значительно увеличивая 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 увеличенной мощности, обеспечиваемой продувкой петель.
Дополнительным преимуществом продувки контура было то, что поршень можно было сделать почти плоским или слегка куполообразным, что позволяло сделать поршень значительно легче и прочнее и, следовательно, выдерживать более высокие обороты двигателя. Поршень с «плоским верхом» также имеет лучшие тепловые свойства и менее подвержен неравномерному нагреву, расширению, заеданиям поршня, изменениям размеров и потерям при сжатии.
Компания SAAB построила трехцилиндровые двигатели объемом 750 и 850 куб.см на основе конструкции DKW, которая оказалась достаточно успешной с использованием контурного наддува. Оригинальный SAAB 92 имел двухцилиндровый двигатель сравнительно низкой эффективности. На крейсерской скорости блокировка выхлопных отверстий отраженной волной происходила на слишком низкой частоте. Использование асимметричного трехпортового выпускного коллектора, используемого в том же двигателе DKW, улучшило экономию топлива.
Стандартный двигатель объемом 750 куб.см выдавал от 36 до 42 л.с. в зависимости от года выпуска. Вариант Monte Carlo Rally, 750-кубовый (с заполненным коленвалом для более высокой базовой компрессии), выдавал 65 л.с. Версия с двигателем объемом 850 куб.см была доступна в SAAB Sport 1966 года (стандартная модель комплектации по сравнению с роскошной комплектацией Monte Carlo). Базовое сжатие составляет часть общей степени сжатия двухтактного двигателя. Работа, опубликованная в SAE в 2012 году, указывает на то, что очистка контуров при любых обстоятельствах более эффективна, чем очистка поперечного потока.
В прямоточном двигателе смесь или «наддувочный воздух» в случае дизеля поступает на один конец цилиндра, управляемый поршнем, а выхлопные газы выходят на другом конце, управляемом выпускным клапаном или поршнем. Таким образом, поток продувочного газа движется только в одном направлении, отсюда и название «однопоточный».
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 ), некоторые железнодорожные двухтактные тепловозы ( Electro-Motive Diesel ) и большие морские двухтактные главные силовые двигатели ( Wärtsilä ). Портированные типы представлены оппозитной конструкцией поршней , при которой в каждом цилиндре находятся два поршня, работающие в противоположных направлениях, например Junkers Jumo 205 и Napier Deltic . [11] Некогда популярная конструкция с раздельным одинарным потоком попадает в этот класс, поскольку фактически представляет собой сложенный однопоточный. Благодаря расширенному углу опережения выхлопа прямоточные двигатели могут иметь наддув с помощью нагнетателя с приводом от коленчатого вала, поршневого или типа Рутса. [12] [13]
Поршень этого двигателя имеет форму цилиндра; верхняя часть образует обычный цилиндр, а нижняя часть выполняет продувочную функцию. Агрегаты работают парами, при этом нижняя половина одного поршня заряжает соседнюю камеру сгорания.
Верхняя часть поршня по-прежнему использует смазку с полной потерей, но другие части двигателя смазываются картером, обеспечивая чистоту и надежность. Масса поршня всего примерно на 20% больше, чем у поршня двигателя с петлевой продувкой, поскольку толщина юбки может быть меньше. [14]
Многие современные двухтактные двигатели используют систему силовых клапанов . Клапаны обычно располагаются внутри или вокруг выпускных отверстий. Они работают одним из двух способов; либо они изменяют выпускное отверстие, закрывая верхнюю часть отверстия, что изменяет синхронизацию порта, например, системы Rotax RAVE, Yamaha YPVS, Honda RC-Valve, Kawasaki KIPS, Cagiva CTS или Suzuki AETC, либо изменяя громкость выхлопа, который изменяет резонансную частоту расширительной камеры , например системы Suzuki SAEC и Honda V-TACS. В результате получается двигатель с лучшей мощностью на низких оборотах без ущерба для мощности на высоких оборотах. Однако, поскольку силовые клапаны находятся в потоке горячего газа, для их хорошей работы требуется регулярное техническое обслуживание.
Непосредственный впрыск имеет значительные преимущества в двухтактных двигателях. В карбюраторных двухтактных двигателях основная проблема заключается в том, что часть топливно-воздушной смеси выходит непосредственно, несгоревшей, через выпускное отверстие, а непосредственный впрыск эффективно устраняет эту проблему. Используются две системы: впрыск воздуха под низким давлением и впрыск высокого давления.
Поскольку топливо не проходит через картер, необходим отдельный источник смазки.
Для целей этого обсуждения удобно думать в терминах мотоцикла, где выхлопная труба обращена к потоку охлаждающего воздуха, а коленчатый вал обычно вращается в той же оси и направлении, что и колеса, то есть «вперед». Некоторые из обсуждаемых здесь соображений применимы к четырехтактным двигателям (которые не могут изменить направление вращения без значительных модификаций), почти все из которых также вращаются вперед. Также полезно отметить, что «передняя» и «задняя» поверхности поршня являются, соответственно, сторонами выпускного и впускного отверстий, а не верхней или нижней части поршня.
Обычные бензиновые двухтактные двигатели могут без особых проблем работать задним ходом в течение коротких периодов времени и при небольшой нагрузке, и это использовалось для обеспечения реверса в микроавтомобилях , таких как Messerschmitt KR200 , в которых отсутствовала задняя передача. Если автомобиль имеет электрический запуск, двигатель выключается и повторно запускается в обратном направлении поворотом ключа в противоположном направлении. В двухтактных гольф-карах используется аналогичная система. Традиционные магнето маховика (с точками прерывателя контакта, но без внешней катушки) работали одинаково хорошо в обратном направлении, поскольку кулачок, управляющий точками, симметричен, разрывая контакт перед верхней мертвой точкой одинаково хорошо при движении вперед или назад. Двигатели с пластинчатым клапаном работают назад так же, как и двигатели с поршневым управлением, хотя двигатели с поворотным клапаном имеют асимметричный момент впуска и работают не очень хорошо.
Серьезные недостатки существуют при работе многих двигателей назад под нагрузкой в течение любого периода времени, и некоторые из этих причин являются общими и в равной степени применимы как к двухтактным, так и к четырехтактным двигателям. Этот недостаток признается в большинстве случаев, когда основными факторами являются стоимость, вес и размер. Проблема возникает из-за того, что при движении «вперед» основная упорная поверхность поршня находится на задней поверхности цилиндра, которая, особенно в двухтактном двигателе, является самой холодной и лучше всего смазываемой частью. Передняя поверхность поршня в тронковом двигателе менее подходит в качестве основной упорной поверхности, поскольку она закрывает и открывает выпускное отверстие в цилиндре, самую горячую часть двигателя, где смазка поршня наиболее минимальна. Передняя поверхность поршня также более уязвима, поскольку выпускное отверстие, самое большое в двигателе, находится в передней стенке цилиндра. Юбки и кольца поршней рискуют выдавиться в это отверстие, поэтому всегда лучше всего прижимать их сильнее всего к противоположной стенке (там, где в двигателе с поперечным потоком есть только передаточные каналы), и поддержка хорошая. В некоторых двигателях малый конец смещен, чтобы уменьшить тягу в заданном направлении вращения, а передняя поверхность поршня сделана тоньше и легче, чтобы компенсировать это, но при движении назад эта более слабая передняя поверхность испытывает повышенное механическое напряжение, оно не было спроектировано. сопротивляться. [15] Этого можно избежать, используя крейцкопфы , а также упорные подшипники для изоляции двигателя от концевых нагрузок.
Большие двухтактные судовые дизели иногда делают реверсивными. Как и в четырехтактных судовых двигателях (некоторые из которых также являются реверсивными), в них используются клапаны с механическим управлением, поэтому требуются дополнительные механизмы распределительного вала. В этих двигателях используются крейцкопфы для устранения боковой тяги на поршне и изоляции подпоршневого пространства от картера.
Помимо прочего, масляный насос современного двухтактного двигателя может не работать в обратном направлении, и в этом случае двигатель в течение короткого времени испытывает масляное голодание. Запуск двигателя мотоцикла назад относительно легко инициировать, и в редких случаях он может быть вызван обратным ударом. [ необходима цитата ] Это не рекомендуется.
Двигатели моделей самолетов с лепестковыми клапанами можно устанавливать как в тягачей, так и в толкающей конфигурации без необходимости замены воздушного винта. Эти двигатели имеют воспламенение от сжатия, поэтому не наблюдается проблем с моментом зажигания и небольшой разницы между движением вперед и назад.
Во время Первой мировой войны Юнкерс построил экспериментальные двухтактные оппозитные дизельные авиационные двигатели, которые были заимствованы из линейки стационарных двигателей. Они имели два коленчатых вала на концах цилиндров, соединенных зубчатой передачей, которая также приводила в движение гребной винт. Два поршня, работающие в противоположных направлениях в каждом цилиндре, открывали впускные и выпускные отверстия в конце своего хода. Первым открывалось выпускное отверстие, а когда открывалось впускное, через цилиндры прогоняли заряд сжатого воздуха, практически удаляя все сгоревшие газы.
СМИ, связанные с двухтактными двигателями, на Викискладе?