Двухтактные двигатели внутреннего сгорания широко используются в самых разных областях благодаря ряду конструктивных особенностей и эксплуатационных преимуществ.
История создания двухтактных двигателей
Первые образцы двухтактных двигателей появились еще в XIX веке. В 1881 году шотландский инженер Дуглад Клерк запатентовал конструкцию, состоящую из двух параллельных цилиндров — рабочего и нагнетательного. А спустя 10 лет, в 1891 году, Джозеф Дей предложил более компактный вариант без дополнительных поршней.
Первые серийные образцы стали использоваться в начале XX века. В 1908 году инженер Альфред Скотт установил 2-тактный 2-цилиндровый двигатель на свой мотоцикл в Англии. А в СССР в 1930-1950-х годах выпускался целый ряд 2-тактных дизелей для грузовиков, тепловозов и другой техники.
Принцип работы двухтактного двигателя
Основное отличие 2-тактного ДВС в том, что рабочий цикл происходит за один оборот коленчатого вала. Все 4 такта — впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск — выполняются за 2 хода поршня. Это позволяет получить бóльшую отдачу от того же рабочего объема. Но в то же время возникает проблема некачественной продувки цилиндров.
Преимущества 2-тактного ДВС:
- Увеличенная на 50-70% литровая мощность
- Компактные габариты и масса
- Более высокий КПД (до 50%)
- Возможность прямого привода гребного винта
Недостатки:
- Бо́льший расход топлива
- Повышенное содержание вредных веществ в выхлопе
- Повышенный износ отдельных деталей
Таким образом, при эксплуатации 2-тактного двигателя всегда нужно находить компромисс между мощностью и экономичностью. Главный путь решения — улучшение качества продувки цилиндров.
Устройство 2-тактного ДВС
По компоновке 2-тактный двигатель может быть как проще, так и сложнее 4-тактного аналога. Это зависит от типа применяемой системы продувки.
Основные системы и узлы:
- Кривошипно-шатунный механизм
- Система смазки
- Система охлаждения
- Впускной и выпускной тракты
- Турбонагнетатель (опционально)
- Система зажигания (для бензиновых ДВС)
| Тип продувки | Сложность конструкции |
| Кривошипно-камерная | Проще 4-тактного |
| Петлевая | Сравнима с 4-тактным |
| Клапанно-щелевая | Сложнее 4-тактного |
Как видим, все зависит от типа газораспределения. При контурной кривошипно-камерной продувке 2-тактный двигатель может содержать минимум деталей и механизмов. А при прямоточной или клапанно-щелевой схеме требуется более сложная система наддува и дополнительные узлы.
Системы наддува и охлаждения 2-тактного ДВС
Для качественной продувки цилиндров важно обеспечить стабильное поступление сжатого воздуха. Поэтому на многих 2-тактных двигателях используется турбонаддув либо механический нагнетатель. На дизеле ЯАЗ-206 грузовиков КрАЗ применялся как турбокомпрессор, так и поршневой нагнетатель для более стабильной подачи воздуха.
Что касается системы охлаждения, то ее конструкция мало отличается от 4-тактных аналогов. Однако из-за более высоких тепловых нагрузок часто возникает необходимость в дополнительном охлаждении поршней и выхлопного тракта.
Таким образом, при выборе 2-тактного ДВС важно обращать внимание на тип систем наддува и охлаждения, чтобы избежать перегрева и проблем с подачей воздуха.
Организация рабочего процесса
От того, насколько эффективно организован газообмен в цилиндре, зависят основные характеристики двигателя. Рассмотрим основные способы организации рабочего процесса в 2-тактных ДВС.
Способы газораспределения
Существует несколько решений по организации подачи и выпуска газов:
- Через клапаны в головке цилиндра
- Через окна в стенках цилиндра
- Комбинированный вариант (окна + клапаны)
Первые два варианта проще в изготовлении, но имеют ограничения по максимальным оборотам. Комбинация же позволяет реализовать преимущества обеих схем.
Схемы организации продувки
Существует несколько способов организации движения газовых потоков в цилиндре:
- Контурная продувка через окна в нижней части
- Клапанно-щелевая продувка вдоль оси цилиндра
- Со встречным движением поршней
Первые два типа проще в реализации, а третий обеспечивает лучшее качество продувки и возможность наддува.
Фазы открытия окон и клапанов
От согласования моментов открытия и закрытия газораспределительных окон/клапанов напрямую зависят потери свежего заряда. Оптимальный вариант – открывать выпуск раньше впуска и закрывать выпуск позже впуска.
Достоинства 2-тактных ДВС
Несмотря на ряд недостатков, 2-тактные двигатели имеют и существенные преимущества, за счет которых они до сих пор находят широкое применение во многих отраслях.
Повышенная литровая мощность
Благодаря вдвое меньшему количеству холостых ходов поршня удельная мощность (на 1 литр рабочего объема) может быть выше в 1,5-1,7 раза по сравнению с 4-тактными ДВС.
Компактные размеры и масса
Возможность размещения при той же мощности меньшего по объему двигателя позволяет выиграть в габаритах и весе силовой установки.
Прямой привод гребного винта
Более низкая частота вращения коленвала способствует использованию 2-тактных ДВС в составе судовых энергетических комплексов с прямой передачей крутящего момента на гребной винт.
Недостатки 2-тактных ДВС
Вместе с тем конструкция 2-тактного двигателя имеет некоторые врожденные недостатки, ограничивающие сферы их эффективного применения.
Повышенный расход топлива
Из-за неизбежных потерь части свежего заряда через выпускной тракт удельный расход топлива может быть выше на 30-50%. Особенно актуально для карбюраторных двигателей.
Повышенная токсичность отработавших газов
Проскок несгоревшего топлива вместе с отработавшими газами приводит к увеличению выбросов СО, NOx, углеводородов по сравнению с 4-тактными аналогами.
Повышенный износ отдельных деталей
Удвоенная частота рабочих циклов ведет к ускоренному изнашиванию поршней, поршневых колец, цилиндров, подшипников. Требуется более частое ТО.
Области применения 2-тактных ДВС
Несмотря на перечисленные выше недостатки, 2-тактные двигатели внутреннего сгорания до сих пор активно применяются в ряде областей.
Малолитражные автомобили и мототехника
Компактные размеры и высокая удельная мощность делают их незаменимыми для мопедов, мотоциклов, а также некоторых легковушек.
Стационарные энергоустановки
Простота и надежность 2-тактных двигателей позволяет эффективно использовать их в составе дизель-генераторов и компрессорных станций.
Судовые и тепловозные силовые установки
Высокий крутящий момент, возможность прямой передачи на гребной винт и относительная простота обслуживания обеспечивают им преимущества в морском флоте и железнодорожном транспорте.
Рекомендации по эксплуатации 2-тактных ДВС
Чтобы максимально реализовать потенциал 2-тактного двигателя и избежать возможных проблем, важно правильно подобрать режимы работы и строго соблюдать регламент техобслуживания.
