Двухтактный двигатель внутреннего сгорания

Двухтактный двигатель чаще всего применяется в случаях, когда требуется небольшая максимальная мощность. Малоразмерный одноцилиндровый двухтактный двигатель воздушного охлаждения имеет очень простую конструкцию и небольшое количество деталей. Предельным случаем может служить двигатель с компрессорным (калильным) зажиганием для авиамоделей.

Самые большие, созданные для судов, поршневые двигатели также являются двухтактными с крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом. Низкую частоту вращения этих двигателей выгодно использовать для непосредственного привода корабельных винтов. У этих двухтактных двигателей легко изменяется направление вращения, и они не требуют применения для этого реверс-редуктора.

Двухтактные двигатели применяются в автомобилях гораздо реже, что вызвано более высоким удельным расходом топлива и повышенной токсичностью отработавших газов. Эти два фактора вызваны организацией процессов газообмена и смазывания двигателя. У малоразмерных двухтактных двигателей, имеющих не более четырех цилиндров, применяется кривошипно-камерная продувка. Эта схема проста, не вызывает возрастания массы двигателя и хорошо зарекомендовала себя, однако КПД ее низок и ведет к уменьшению объёма свежего заряда в цилиндре. Об этом свидетельствуют сравнительные диаграммы фаз газораспределения четырёхтактного а и двухтактного б двигателей, приведённые на рис. 1.

Рис. 1 Фазы газораспределения двухтактного и четырёхтактного двигателей: 1 — начало впуска; 2 — конец впуска; 3 — начало выпуска; 4 — конец выпуска.

У четырёхтактного двигателя выпускной клапан открывается, когда поршень от ВМТ проходит 87 % длины своего полного хода. Впускной клапан закрывается, когда поршень пройдет 90 % длины полного хода от ВМТ. Этим точкам соответствует поворот коленчатого вала приблизительно на 440°. У двухтактного двигателя с симметричными фазами газораспределения режим продувки крайне невыгоден. Выпускное окно открывается перед открытием, а закрывается — уже после закрытия впускного (продувочного) окна, поэтому часть свежего заряда проникает в открытое выпускное окно. Более целесообразно, когда симметричны лишь фазы газораспределения впускного (продувочного) окна. В этом случае выпускное окно открывается после прохождения поршнем 55 % длины его полного хода от ВМТ, а впускное (продувочное) окно закрывается после прохождения 83 % полной длины хода от ВМТ. Таким образом, в четырёхтактном двигателе для наполнения цилиндра свежей смесью, и отвода продуктов сгорания необходимо, чтобы коленчатый вал повернулся на 440°, а в двухтактном — только на 135°. Очевидно, что у двухтактного двигателя за 1/3 периода вращения коленчатого вала невозможно достичь такого же хорошего наполнения цилиндра свежим зарядом, как у четырёхтактного двигателя.

Недостатком кривошипно-камерной продувки является очень короткий период впуска, особенно при симметричном открытии третьего (впускного) окна нижней кромкой юбки поршня. Чтобы улучшить процесс газообмена, часто применяют золотник, приводимый коленчатым валом, или пластинчатый обратный клапан в выпускном окне. Несмотря на эти устройства, а также на то, что двухтактный двигатель имеет число тактов рабочего хода в единицу времени в 2 раза больше, чем четырёхтактный двигатель, удельные мощности обоих типов двигателей весьма близки.

Главный недостаток двухтактных двигателей заключается в повышенном содержании вредных CO и CHx в отработавших газах. Выброс NOx относительно невелик, так как очистка цилиндров двухтактных двигателей от отработавших газов происходит хуже и поэтому в них достигается такой же эффект, как и при рециркуляции отработавших газов в четырёхтактном двигателе. Однако низкая температура отработавших газов, сопровождающая малый выброс NOx, при использовании для дожигания CO и CHx тепловых реакторов нежелательна. Указанные особенности двухтактных двигателей представляют большие препятствия для их использования в автомобилях, поскольку устранения этих недостатков простыми способами пока не найдено.

Было бы несправедливым, однако, не указать на некоторые преимущества этих двигателей, особенно дизельных. Универсальность, например, двигателей типа «GMC» и «ЯАЗ-204» (см. рис. 2) является до настоящего времени практически уникальной.

Рис. 2 Двухтактный двигатель «ЯАЗ-204» с коробкой передач

В этих двигателях применяется механизм газораспределения с двумя выпускными клапанами и подачей свежего воздуха через окна в гильзе цилиндра посредством приводного нагнетателя типа «Рутс». Оригинальна и конструкция топливной аппаратуры, состоящей из выполненных в одном корпусе секции топливного насоса и форсунки. Уравновешивание моментов сил инерции первого порядка возвратно-поступательно движущихся масс осуществляется противовесами на распределительном валу (у двухтактного двигателя он вращается с частотой коленчатого) и на симметрично расположенном уравновешивающем валу. Взаимозаменяемость этих двух валов и возможность поворота головки цилиндра позволяют разместить выпускной трубопровод на левой или правой стороне ряда цилиндров. Направление вращения двигателя можно изменить с помощью замены шестерен привода распределительного вала. Хорошая организация продувки дала возможность достичь в этом дизеле такого же среднего эффективного давления, как и в четырёхтактном, и его удельная мощность почти в 2 раза выше мощности четырёхтактного дизеля.

Применение турбонаддува и четырёх клапанов в цилиндре четырёхтактного дизеля снизило преимущества высокой удельной мощности двухтактных дизелей типа «GMC» и «ЯАЗ-204». Турбонаддув двухтактных двигателей является более сложным, так как их отработавшие газы имеют низкую температуру из-за содержания холодного продувочного воздуха. Кроме того, двигатель при неработающем турбокомпрессоре пускается труднее. Тем не менее, в двухтактных дизелях «GMC» также начали применять турбонаддув. Турбокомпрессор подает воздух в нагнетатель типа «Рутс», при этом часть мощности турбокомпрессора может быть передана через него на коленчатый вал.

Существует ряд интересных конструкций двухтактных двигателей. Примером такой конструкции является экспериментальный двигатель «Орион», разработанный в США (рис. 3).

Рис. 3 Комбинированный двухтактный двигатель «Орион»

Схема этого двигателя дана на рис. 4. Двигатель состоит из поршневого генератора горячих газов и источника механической энергии, в качестве которого служит газовая турбина.

Рис. 4 Схема комбинированного двухтактного двигателя «Орион»: 1 — центробежный нагнетатель; 2 — газовая турбина; 3 — охлаждающие рёбра.

Поршневая часть выполнена в виде двухтактного двигателя со встречно движущимися в цилиндре поршнями. От поршневого двигателя приводится большой центробежный нагнетатель, подающий воздух как для сгорания в цилиндры, так и для охлаждения их воздухом. Для преобразования тепловой энергии в механическую служит газовая турбина, работающая на отработавших газах, смешанных с охлаждающим воздухом. Таким образом, в двигателе «Орион» для выработки механической энергии используется как теплота отработавших газов, так и теплота, отводимая в охлаждающий воздух от рёбер.