Двухтактный двигатель¶

Двухтактный двигатель — это тип двигателя внутреннего сгорания, в котором рабочий цикл (совокупность процессов впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска) совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня (такта). В отличие от четырёхтактного двигателя, где полный цикл занимает два оборота вала, двухтактная схема обеспечивает вдвое большее число рабочих ходов при той же частоте вращения, что теоретически позволяет получить большую мощность при равном рабочем объёме.

¶Принцип работы

Рабочий цикл двухтактного двигателя состоит из двух тактов: сжатия и рабочего хода. Процессы газообмена (выпуск отработавших газов и впуск свежего заряда) происходят не в отдельных тактах, а в конце рабочего хода и начале сжатия, совмещаясь во времени.

¶Первый такт: сжатие

Поршень движется от нижней мёртвой точки (НМТ) к верхней мёртвой точке (ВМТ). В этот момент цилиндр уже заполнен свежей топливовоздушной смесью (в бензиновых двигателях) или воздухом (в дизелях). При движении вверх поршень перекрывает продувочные (впускные) и выпускные окна, после чего сжимает рабочее тело. В конце такта сжатия происходит воспламенение смеси от искры (бензиновый двигатель) или от сжатия (дизель).

¶Второй такт: рабочий ход

Под давлением расширяющихся газов поршень движется вниз, совершая механическую работу. При подходе к НМТ поршень открывает сначала выпускные окна, через которые отработавшие газы выходят в выпускной коллектор. Затем открываются продувочные окна, и свежий заряд, находящийся под давлением в кривошипной камере (или от нагнетателя), поступает в цилиндр, вытесняя остатки отработавших газов. Этот процесс называется продувкой. Далее цикл повторяется.

¶Классификация

Двухтактные двигатели классифицируются по нескольким признакам.

¶По способу организации газообмена

• С кривошипно-камерной продувкой — наиболее распространённая схема для малолитражных двигателей (мотоциклы, бензопилы, мопеды). Свежий заряд сначала попадает в герметичную кривошипную камеру, где предварительно сжимается движущимся вниз поршнем, а затем через продувочные каналы поступает в цилиндр.
• С прямоточной продувкой — применяется в крупных судовых и тепловозных дизелях. Впускные и выпускные окна расположены в противоположных концах цилиндра (например, впуск в нижней части, выпуск в верхней), что обеспечивает более эффективное удаление газов. Для подачи воздуха используется отдельный нагнетатель (турбо- или механический компрессор).
• С клапанно-щелевой продувкой — гибридная схема, где выпуск осуществляется через клапан в головке цилиндра (как у четырёхтактного двигателя), а впуск — через окна в стенке цилиндра. Используется в некоторых мощных мотоциклетных и автомобильных двигателях.

¶По типу рабочего тела

• Бензиновые — работают на бензине с воспламенением от искры. Чаще всего используют смесь бензина с маслом для смазки трущихся деталей.
• Дизельные — работают на дизельном топливе с воспламенением от сжатия. Обычно имеют отдельную систему смазки и более высокую степень сжатия.
• Газовые — работают на сжатом или сжиженном газе (пропан-бутан, метан). Могут быть как с искровым зажиганием, так и с воспламенением от сжатия.

¶История

Первый практически пригодный двухтактный двигатель был создан шотландским инженером Дугалдом Клерком в 1878 году. В 1889 году английский конструктор Джозеф Дэй разработал более совершенную схему с кривошипно-камерной продувкой, которая стала основой для большинства малых двухтактных двигателей.

В начале XX века двухтактные двигатели получили широкое распространение на мотоциклах, моторных лодках и в стационарных установках. В 1920-х годах немецкий инженер Адольф Шнитцле (фирма «ДКВ») предложил асимметричную схему расположения окон, что значительно улучшило продувку. В 1930-х годах двухтактные дизели начали применяться на судах и тепловозах (например, в СССР — двигатели семейства Д100 для тепловозов ТЭ3).

В 1950–1970-х годах двухтактные двигатели активно использовались в автомобилях (например, Trabant, Wartburg, «Запорожец» — на ранних моделях), однако из-за высокого расхода топлива и токсичности выхлопа к концу XX века были вытеснены четырёхтактными. В настоящее время двухтактные двигатели сохраняются в нишевых областях: малая мототехника, судовые двигатели, авиамоделизм, а также в некоторых военных и промышленных применениях.

¶Устройство и основные элементы

Конструкция двухтактного двигателя в целом аналогична четырёхтактному, но имеет ряд особенностей.

• Цилиндр — имеет окна (продувочные и выпускные) в стенках, а не клапаны в головке. Форма и расположение окон критически важны для эффективности продувки.
• Поршень — выполняет также функцию золотника, открывая и закрывая окна при движении.
• Кривошипная камера — герметичный отсек под поршнем, в котором предварительно сжимается свежий заряд (в двигателях с кривошипно-камерной продувкой).
• Карбюратор или система впрыска — для приготовления топливовоздушной смеси. В современных малых двигателях всё чаще применяется электронный впрыск.
• Система зажигания — для бензиновых двигателей (катушка, свеча, прерыватель или электронный модуль).
• Глушитель — для снижения шума выпуска.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Меньшая масса и габариты при той же мощности — за счёт отсутствия газораспределительного механизма (клапанов, распредвала, ремня/цепи).
• Простота конструкции — меньше деталей, дешевле в производстве и ремонте.
• Высокая удельная мощность — рабочий ход происходит каждый оборот, что даёт больший крутящий момент на низких оборотах.
• Меньшая чувствительность к наклону — отсутствие масляного поддона позволяет работать в любом положении (важно для бензопил и триммеров).
• Быстрый запуск — особенно в холодную погоду.

¶Недостатки

• Низкая топливная экономичность — до 30–40% топлива выбрасывается в выпускной тракт при продувке (потери свежего заряда).
• Высокая токсичность выхлопа — из-за неполного сгорания и выброса несгоревшей смеси.
• Больший расход масла — в бензиновых двигателях масло добавляется в топливо, что увеличивает эксплуатационные расходы и загрязнение.
• Меньший ресурс — более высокие тепловые нагрузки и отсутствие полноценной смазки (в двигателях с кривошипно-камерной продувкой).
• Сложность регулировки — особенно на режимах частичных нагрузок.

¶Применение

¶Малая мототехника

Наиболее массовая область применения — бензопилы, триммеры, кусторезы, мопеды, скутеры, лёгкие мотоциклы, а также подвесные лодочные моторы малой и средней мощности. В этой нише двухтактные двигатели доминируют благодаря низкой массе, простоте и возможности работы в любом положении.

¶Судовые двигатели

Крупные двухтактные дизели (мощностью до 100 000 л.с. и более) устанавливаются на морских судах — танкерах, контейнеровозах, сухогрузах. Они отличаются высокой экономичностью (КПД до 50%) и способностью работать на тяжёлом топливе (мазуте). В России такие двигатели выпускаются, например, на «Брянском машиностроительном заводе» (серия 8ДМ) и «Коломенском заводе» (серия Д49).

¶Тепловозные двигатели

Двухтактные дизели применялись на тепловозах в СССР (ТЭ3, ТЭ10, 2ТЭ116) и за рубежом (например, американские EMD). В настоящее время в России двухтактные тепловозные двигатели постепенно вытесняются четырёхтактными, но всё ещё эксплуатируются.

¶Авиамоделизм и спортивная техника

Малые двухтактные двигатели используются в авиамоделях, гоночных мотоциклах и картах. В спорте они ценятся за высокую мощность при малом весе, хотя экологические нормы ограничивают их применение.

¶Военная техника

В некоторых образцах вооружения (например, мотоциклы для десанта, лёгкие генераторы) двухтактные двигатели применяются из-за простоты и надёжности.

¶Интересные факты

• В 1960-х годах советский инженер Борис Сергеевич Стечкин разработал двухтактный дизель с противоположно движущимися поршнями, который устанавливался на танки Т-64 и Т-72 (двигатель 5ТДФ). Этот двигатель имел высокую удельную мощность и работал на нескольких видах топлива.
• В 1970-х годах японская компания Suzuki выпускала мотоцикл GT750 с трёхцилиндровым двухтактным двигателем, который из-за характерного звука получил прозвище «Водяной буйвол».
• В 1990-х годах компания Orbital Engine Corporation (Австралия) разработала систему непосредственного впрыска топлива для двухтактных двигателей, которая позволила снизить расход топлива и токсичность выхлопа до уровня четырёхтактных. Однако коммерческого успеха технология не получила из-за высокой стоимости.
• В 2010-х годах компания EcoMotors (США) представила оппозитный двухтактный дизель с электромеханическим приводом клапанов, который обещал КПД до 45%. Проект не был доведён до серийного производства.
• В России двухтактные двигатели до сих пор выпускаются для бензопил (например, «Урал», «Дружба») и подвесных лодочных моторов («Вихрь», «Нептун»).

¶Источники

• Двигатели внутреннего сгорания: теория и конструкция / под ред. В. Н. Луканина. — М.: Высшая школа, 2005.
• Ховах М. С., Маслов Г. С. Двухтактные двигатели внутреннего сгорания. — М.: Машиностроение, 1976.
• Стечкин Б. С. Избранные труды: Теория и конструкция двигателей. — М.: Наука, 1977.
• Heywood J. B. Internal Combustion Engine Fundamentals. — McGraw-Hill, 1988.
• Bosch Automotive Handbook. — 9th ed. — Robert Bosch GmbH, 2014.