Двухтактный двигатель: секреты конструкции и эксплуатации

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:

1. Кривошипно-шатунный механизм
2. Система смазки
3. Система охлаждения
4. Впускной и выпускной тракты
5. Турбонагнетатель (опционально)
6. Система зажигания (для бензиновых ДВС)

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:

1. Контурная продувка через окна в нижней части
2. Клапанно-щелевая продувка вдоль оси цилиндра
3. 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.