Двухтактный дизельный двигатель – почему редко используется?

Особенности и принцип работы 2т двигателя

Любой хозяин мототехники должен иметь представление о конструкции двигателя и принципе его функционирования. Силовой агрегат двухтактного типа применяется не только в мототехнике, но и в других технических устройствах – бензокосилках, триммерах и прочих. Несмотря на комплектацию многих моделей современной техники четырехтактниками, двухтактный мотор по-прежнему широко используется. Он прост в эксплуатации, удобен в обслуживании и ремонте, а также достаточно надежен.

Рабочий цикл такого двигателя осуществляется за пару тактов сжатия и рабочего хода в результате энергии от воспламенения топлива. Оба цикла осуществляются во время одного оборота коленвала. У двухтактного мотора отсутствует фаза впуска топливной смеси и выпускной цикл, характерные для четырехтактников. Процесс впуска топлива и выпуска отработанных газов происходит во время фаз сжатия и расширения.

Благодаря такой конструктивной особенности повышается крутящий момент и развиваемая мотором мощность при одинаковой с 4-тактным мотором кубатуре. И хотя КПД двухтактной силовой установки ниже по сравнению с четырехтактной, благодаря двухтактной работе поршня, элементы двигателя выполняют меньшее количество перемещений. При условии качественной смазки сопрягаемых деталей мотора, он имеет достаточно высокий ресурс эксплуатации и менее подвержен внутреннему износу.

Для функционирования двухтактника необходимо включить зажигание, обеспечить подачу топлива и прокрутить стартером или кикстартером коленвал двигателя.

Дальнейшая работа двухтактного мотора осуществляется по следующему алгоритму:

• поршень начинает перемещаться в сторону свечи зажигания с нижней мертвой точки. В это время топливная смесь попадает в рабочую камеру цилиндра. Происходит открытие выпускного окна, предназначенного для выхода выхлопных газов, и рабочая смесь сжимается;
• в начальной фазе цикла сжатия в камере кривошипно-шатунного механизма происходит перепад давления, способствующий поступлению новой порции бензина. В верхней фазе перемещения поршня происходит воспламенение рабочей смеси искрой от свечи;
• возникшая в результате воспламенения бензина энергия заставляет поршень смещаться к нижней точке. Благодаря открытому каналу выпускного окна выходят отработанные газы через колено, соединенное с глушителем;
• последующее перемещение поршня вызывает открытие продувочного канала и поступление бензина в рабочую зону цилиндра. Фаза смещения поршня к нижней точке завершает рабочий цикл мотора и цикл повторяется.

В процессе подачи бензина, перемешанного с маслом, происходит смазывание составных элементов силового агрегата. Этим отличается смазочная система двухтактного мотора от системы смазки четырехтактника, в котором имеется шестеренный насос для подачи масла в зону сопрягаемых частей мотора.

Масло смешанное с бензином осуществляют смазку в кривошипно-шатунном механизме

История

По словам разработчика первого работающего дизельного двигателя Имануэля Лаустера , Дизель никогда не намеревался использовать двухтактный принцип для дизельного двигателя. Считается, что Хьюго Гюльднер изобрел двухтактный дизельный двигатель. Он спроектировал первый действующий двухтактный дизельный двигатель в 1899 году и убедил компании MAN , Krupp и Diesel профинансировать строительство этого двигателя по 10 000 фунтов стерлингов каждый. Двигатель Гюльднера имел рабочий цилиндр 175 мм и продувочный цилиндр 185 мм; у обоих был ход 210 мм. Указанная выходная мощность составляла 12 л.с. (9 кВт; 12 л.с.). В феврале 1900 года этот двигатель впервые заработал своим ходом. Однако с его фактической выходной мощностью всего 6,95 л.с. (5 кВт; 7 л.с.) и высоким расходом топлива 380 г · л.с. −1 · ч −1 (517 г · кВт −1 · ч −1 ), это не помогло. быть успешным; Проект двухтактного дизельного двигателя Гюльднера был заброшен в 1901 году.

В 1908 году компания MAN Nürnberg предложила поршневые двухтактные дизельные двигатели одностороннего действия для использования на море, первый поршневой двигатель двустороннего действия от MAN Nürnberg был изготовлен в 1912 году для электростанции. В 1913/1914 году в сотрудничестве с Blohm + Voss в Гамбурге компания MAN Nürnberg построила первый поршневой двухтактный двигатель двустороннего действия для морского применения. Пол Генри Швейцер утверждает, что двухтактные дизельные двигатели с оппозитными поршнями были изобретены Хьюго Юнкерсом . Во время Первой мировой войны компания MAN Nürnberg построила шестицилиндровый поршневой двухтактный дизельный двигатель двустороннего действия номинальной мощностью 12400 л.с. (9 120 кВт; 12 230 л.с.). В 1919 году компания MAN перевела свой цех по производству двухтактных дизельных двигателей из Нюрнберга в Аугсбург.

К 1939 году несколько типов двухтактных дизелей получили широкое распространение, а другие разрабатывались для мощных двигателей.

Из нескольких концепций двухтактных авиационных дизельных двигателей Junkers Jumo 205 был единственным типом, который производился в значительных количествах, всего около 900 единиц. Представленная в 1939 году концепция дизайна была впервые предложена в 1914 году. Дизайн был произведен по лицензии в нескольких странах. Последующие достижения в технологии впрыска бензина сделали двухтактный авиационный двигатель устаревшим. Хотя Napier Culverin , лицензионная версия более крупного Jumo 204 , не был запущен в производство, более поздняя модель Napier Deltic включала переработанную треугольную конструкцию с тремя цилиндрами на ряд и успешно применялась в локомотивах и на морских судах в послевоенную эпоху. .

С 1923 по 1982 год компания MAN использовала продувку обратным потоком для своих морских двухтактных двигателей. С 1945 года был установлен золотниковый клапан для эффекта индукции поршня, а с 1954 года применялся наддув с постоянным потоком газа с промежуточным охлаждением. Нагнетание было достигнуто за счет комбинации четырех методов наддува: нагнетателя типа Рутса с приводом от коленчатого вала, турбонагнетателя, нижней стороны поршней двигателя и нагнетателя, приводимого в действие электродвигателем. Золотниковый клапан для эффекта индукции плунжера в конечном итоге оказался склонным к отказам и был признан устаревшим из-за увеличения скорости наддува в начале 1960-х годов. В начале 1980-х годов все основные производители двухтактных дизельных двигателей перешли с продувки с обратным потоком на продувку без обратного потока, поскольку последняя, ​​несмотря на свою сложность, позволяет повысить эффективность двигателя и, следовательно, снизить расход топлива.

Чарльз Ф. Кеттеринг и его коллеги, работавшие в и дочерней компании GM Winton Engine Corporation в 1930-х годах, разработали двухтактные дизельные двигатели для дорожного использования с гораздо более высокими отношениями мощности к массе и диапазоном мощности, чем у современных четырех двигателей. -тактные дизели. Первым мобильным применением двухтактного дизельного двигателя стали дизельные обтекаемые модели середины 1930-х годов. Постоянные разработки привели к созданию улучшенных двухтактных дизелей для локомотивов и судов в конце 1930-х годов. Эта работа заложила основу для дизелизации железных дорог в 1940-х и 1950-х годах в Соединенных Штатах.

К концу двадцатого века интерес к авиационным дизельным двигателям возродился, и в 2015 году в разработке находились двухтактные модели, такие как Superior Air Parts Gemini Diesel 100 .

Как работает двухтактный ДВС

Рабочий цикл двухтактного двигателя состоит из двух движений поршня внутри цилиндра: вверх и вниз, которые и называются тактами. В отличие от четырехтактного агрегата, впуск топливной смеси и вывод отработки совмещены с рабочими процессами сжатия и расширения рабочих газов.

Мотор Honda AF18E для скутеров и мопедов.

Устройство двухтактного двигателя

Перед тем, как подробно разобрать принцип работы 2х тактного двигателя, остановимся на его строении. Агрегат состоит из:

• картера и кривошипной камеры, внутри которой находится цилиндр и коленвал с подшипниками;
• поршня, установленного на коленчатый вал и двигающегося внутри цилиндра;
• свечи зажигания (в моторах, работающих на бензине);
• впускного и выпускного коллекторов.

Силовые агрегаты обычно конструируют так, чтобы они получали максимальное воздушное охлаждение, но модели, установленные на сложной технике, могут иметь дополнительный водный контур.

Как смазывается коленвал на 2 тактном двигателе скутера с раздельной системой смазки.

Принцип работы 2-тактного ДВС

Первый такт (подъем поршня) вызывает сжатие газов:

• Поршень движется к верхней мертвой точке (ВМТ), выталкивая выхлопные газы.
• Когда элемент перекроет выпускное отверстие, начинается сжатие топливовоздушной смеси. Одновременно с этим открывается впускное окно и в кривошипную камеру поступает новая порция горючего.
• По достижении поршнем ВМТ (когда смесь в камере сгорания сжата до максимально возможной степени) свеча зажигания подает искру, воспламеняя горючее.
• За счет давления расширяющихся газов, деталь отбрасывается вниз, к нижней мертвой точке (НМТ).

Второй такт (опускание и вывод отработки), который также называется рабочим ходом:

• Поршень движется по направлению к нижней мертвой точке придавая вращение кривошипу, по ходу следования он открывает выпускное отверстие и освобождает кривошипную камеру от отработанных газов.
• Впускное окно закрывается, предотвращая попадание отработки в систему подачи топлива.
• Когда откроется продувочное окно, из кривошипной камеры в надпоршневую область поднимается топливовоздушная смесь. Цилиндр заполняется, и одновременно продувается от ненужных более газов.
• Такт заканчивается, когда поршень достигает НМТ. Далее деталь по инерции снова поднимается и цикл повторяется.

Анимированная схема работы двухтактного двигателя:

Отличия в работе дизельного силового агрегата

Входное окно, подающее кислород, необходимый для сгорания топлива расположено в нижней части камеры дизельного ДВС. Поднимаясь от НМТ, поршень сначала закрывает впускное окно, останавливая забор воздуха, а потом и выпускное — прекращая процесс выхлопа.

Далее деталь продолжает двигаться вверх, сжимая и нагревая находящийся в камере кислород, когда поршень доходит до ВМТ, форсунки впрыскивают в камеру сгорания раскаленное и распыленное на мельчайшие капли дизтопливо. Происходит взрыв, и поршень отбрасывается вниз, по пути открывая входное и выходное окна, аналогично бензиновому ДВС, далее цикл повторяется.

Двухтактный двигатель на дизтопливе.

Отличие двухтактного двигателя от четырёхтактного

Авто владельцы задаются вопросом: что лучше двухтактный или четырехтактный двигатель. Однозначного ответа нет, у каждого механизма положительные и отрицательные стороны, зависящие от предъявляемых к мотору требований.

Казалось бы, мощность мотора выполняющего два такта, в сравнении с равнозначным мотором, выполняющим четыре такта, больше, а значит он лучше. Однако, реальность сложней. На практике, возникают дополнительные утраты: частичное попадание и смешивание газовой отработки со свежим горючим, выброс части топлива при продувке. Результат, при выполнении одинакового цикла, агрегат, выполняющий два такта, по показателю экономичности уступает агрегату с четырьмя тактами.

Различен способ смазки силовых установок на четыре и два такта. Установка на два такта смазывается посредством смешивания масла для мотора и бензина. В четырёхтактном агрегате предусмотрен механизм смазки с использованием насоса, который расходует масла столько, сколько требует эксплуатация установки.

Двухтактные моторы не имеют клапанов, роль детали играет поршень, он открывает и закрывает отверстия впуска и выпуска. Отсутствие механизмов газораспределения упрощает силовой агрегат, делая обслуживание простым. Мощность установки, выполняющей два такта, считается выше, так как её цикличность выше. Однако, не полностью используя поршневой ход, потери мощности при продувке и остатках отработанных газов снижают показатель мощности.

Что бы было легче определить, какой двигатель лучше, двухтактный или четырёхтактный, представим краткое описание обоих силовых установок в виде таблицы:

Четырёхтактная силовая установка	Двухтактная силовая установка
Рабочий процесс – оборотов коленчатого вала два.	Рабочий процесс — оборотов коленчатого вала один.
Воспламенение рабочей жидкости происходит каждый раз при совершении второго оборота, как следствие, неравномерное распределение импульса и использование противовеса для устранения биений.	Воспламенение рабочей жидкости происходит каждый раз при совершении оборота, как следствие, равномерное распределение импульса, работа мотора сбалансирована лучше.
Агрегат тяжёлый.	Агрегат лёгкий.
Сложная конструкция силовой установки, присутствует газораспределительный механизм.	Простота конструкции, отсутствие клапанов.
Агрегат дорогой.	Стоимость ниже четырёхтактного.
Сложные устройства и механизмы приводят к заниженному показателю механического коэффициента полезного действия.	Механический коэффициент полезного действия выше, чем у агрегата с четырьмя тактами.
Полное удаление паров отработки, следствие, повышенный показатель производительности.	Остатки отработки смешиваются с новым горючим, из-за чего производительность мотора ниже.
Рабочая температура ниже.	Рабочая температура мотора выше из-за нарушения смесеобразования.
Охлаждение жидкостное.	Охлаждение воздушное.
Расход топлива ниже.	Показатель расхода топлива увеличен, обусловлено смесеобразованием и продувкой.
Габариты силовой установки увеличены.	Габариты силовой установки ниже.
Требует применения сложных механизмов смазки.	Механизм смазки прост.
Работа агрегата менее шумная.	Агрегат работает с большим шумом.
Клапанный механизм газораспределения.	Функцию механизма газораспределения выполняет поршень и каналы.
Показатель использования тепла эффективен.	Показатель использования тепла не эффективен.
Расход масла занижен.	Показатель расхода масла завышен, поскольку часть смазки выбрасывается с отработанными газами.

Применять двигатель, выполняющий два такта при работе, целесообразно в моменты, когда речь не идёт об экономии топлива и смазки, а на первом месте стоят габариты и вес установки.

В то же время, в конструкции двухтактного двигателя кроется потенциал, который никак не удается реализовать на практике. Расчетный показатель мощности и экономичности в этом агрегате высок, сложность реализовать возникает из-за тонкости настроек. Возможно, в скором будущем благодаря применению электронных датчиков и механизмов контроля и настроек, двухтактным агрегатам удастся занять лидирующие позиции на автомобильном рынке.

Сажевые фильтры

Для снижения уровня выбросов в атмосферу твердых частиц на автомобили с дизельными моторами устанавливают сажевые фильтры. Они задерживают абразивные частицы, содержащиеся в отработанных газах.

Теоретически этот элемент должен выдерживать от 200 000 до 300 000 км пробега, но практически его ресурс значительно меньше. Сокращается он при езде по городу на короткие дистанции. В таком режиме абразивные частицы не сгорают, а оседают, снижая технические характеристики силового агрегата.

Если сажевый фильтр оборудован системой самоочистки, то для удаления накопившейся сажи водителю нужно просто набрать скорость и проехать в таком режиме определенное расстояние. Это обеспечит сгорание собравшейся сажи. Второй вариант очистки – промывка сажевого фильтра специальными составами.

О том, что элемент засорился, свидетельствует падение динамики, плавающие холостые обороты, увеличение расхода топлива. Так, решение экологических проблем полностью легло на плечи владельцев авто, а производители сажевых фильтров и средств для их промывки получают прибыль.

Повышенная тепловая нагрузка

Мы рассмотрели ключевые особенности данного мотора. К примеру, теперь вы знаете какой вес двигателя и в чем заключаются его сильные и слабые стороны. Но хотелось бы рассмотреть еще несколько конструктивных особенностей силового агрегата. В частности, речь пойдет о системе охлаждения. Дело в том, что двухтактный дизель является более теплонагруженный, нежели 4-тактный. Обусловлено это повышенной частотой работы поршня. Получается, что существенно увеличивается температура в камере. Для её снижения необходимо эффективное охлаждение. Если речь об авиации, то тут все понятно. Высокие скорости и потоки встречного воздуха делают свое дело. Это же касается и эксплуатации в большие морозы, когда низкая температура окружающей среды является только плюсом.

В остальных же случаях необходимо жидкостное охлаждение. Обычно это классическая система

Единственное на что стоит обратить внимание, так это на исправность всех систем. Перегрев, даже кратковременный, может привести к заклиниванию или другим проблемам

В любом случае возможность такого исхода необходимо исключить.

3.6. Индикаторные показатели работы двс

Показатели работы двигателя подразделяются на индикатор­ные (внутренние), характеризующие совершенство рабочего цикла в цилиндре и учитывающие только тепловые потери в самом цилиндре, и эффективные (внешние), учитывающие по­мимо тепловых и механические потери, которые имеются при передаче энергии расшире­ния газов через поршень и кривошипно-шатунный ме­ханизм на коленчатый вал двигателя

К индикаторным показа­телям двигателя относятся среднее индикаторное дав­ление р_i, индикаторная мощ­ность N_i, индикаторный удельный расход топлива b_i и индикаторный КПД η_i.

В результате осуществле­ния цикла тепловая энергия, выделяющаяся при сгора­нии топлива, с известной степенью совершенства (определяемой индикаторным КПД) превращается в полезную работу, развиваемую газами в цилиндре двигателя и называемую индикаторной работой цикла ℓ_i. При этом давление в цилиндре непрерывно меняется.

Для удобства ведения расчетов и сравнения разных двига­телей переменные по ходу поршня давления можно заменить постоянным (фиктивным) давлением, которое обеспечивает по­лучение той же работы, что и цикл с переменным давлением. Это среднее постоянное давление называется средним индика­торным давлением p_i. Следовательно, под средним индикатор­ным давлением подразумевается условное постоянное давление, действующее на поршень на рабочем ходе и совершающее за один цикл работу, равную индикаторной работе замкнутого цикла.

Графически среднее индии-каторное давление представ­ляет собой высоту прямоугольника, площадь которого равна пло-щади индикаторной диаграммы, а основание – длине диа­граммы (рис. 28). Среднее индикаторное давление позволяет сравнивать любые циклы и двигатели, независимо от способа осуществления рабочих процессов. Чем больше р_i, тем больше мощность двигателя при прочих равных условиях (размерах, частоте вращения и т.д.).

Рис. 28. К определению среднего индикаторного даления

Индикаторной мощностью N_i называется мощность, разви-ваемая продуктами сгорания над поршнем, т.е. такой мощностью обладал бы двигатель, не имеющий поршня, коленвала и остальных деталей группы движения.

Вспомнив, что мощность – это работа в единицу времени, а работа – это сила, умноженная на перемещение, запишем выражение для определения индикаторной мощности ДВС:

, кВт, (6)

где – диаметр цилиндра;

–ход поршня;

–частота вращения в 1/мин.;

i – количество цилиндров;

–сила продуктов сгорания;

–работа продуктов сгорания;

–мощность одного цилиндра;

–коэффициент тактности, равен 1 для двухтактных и ½ для четырехтактных ДВС;

–перевод оборотов в минуту в обороты в секунду;

1000 – перевод Вт в кВт.

Индикаторный коэффициент полезного действия η учитывает все потери теплоты, связанные с работой реального двигателя. При этом следует помнить, что потерю теплоты g₂, связанную с необходимостью выполнения 2-го закона термодинамики, учитывает термический КПД η_і. Таким образом, η_i называется отношение количества теплоты, преобразованной в работу без учета механических потерь (т.е. как будто бы у двигателя, не имеющего деталей группы движения – поршней, штоков, шатунов, коленвала), ко всему количеству подведенной теплоты:

, (7)

где – индикаторный расход топлива на двигатель;

–низшая теплота сгорания топлива;

–удельный (на 1 кВт) индикаторный расход топлива ().

Очевидно, что , и являются расчетными величинами.

Двигатели внутреннего сгорания построены по одному принципу – энергия сгорания топлива превращается в кинетическую энергия вращения коленвала. Существуют два типа моторов – двухтактные и четырехтактные. Оба обладают своими преимуществами и недостатками, попробуем разобраться в чем отличия.

ТУРБОДИЗЕЛЬ

Эффективным средством повышения мощности и гибкости работы дизеля является турбонаддув.

Он позволяет подать в цилиндры дополнительное количество воздуха и соответственно увеличить подачу топлива на рабочем цикле, в результате чего увеличивается мощность двигателя.

Отсутствие дроссельной заслонки в дизеле позволяет обеспечить эффективное наполнение цилиндров на всех оборотах без применения сложной схемы управления турбокомпрессором. На многих автомобилях устанавливается интеркулер, позволяющий поднять массовое наполнение цилиндров и на 15-20 % увеличить мощность.

Порядок работы

Описанные этапы составляют рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя. Нужно понимать, что каких-либо строгих соответствий между тактами и процессами в поршневых двигателях нет. Это легко объяснить тем, что при эксплуатации силового агрегата фазы газораспределительного механизма и то, в каком состоянии находятся клапаны, будет накладываться на движения поршней в различных моторах совершенно по-разному.

В любом цилиндре рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя протекает именно таким образом. Каждая камера сгорания в двигателе нужна для вращения единственного коленчатого вала, воспринимающего усилие от поршней.

Это чередование называют порядком работы. Такой порядок задается на этапе конструирования силового агрегата через особенности распределительного и коленчатого валов. Он не изменяется в процессе эксплуатации механизма.

Реализация порядка работы осуществляется чередованием искр, которые поступают на свечи от системы зажигания. Так, четырехцилиндровый мотор может работать в следующих порядках – 1, 3, 4, 2 и 1, 2, 4, 3.

Ресурс дизеля

Отдельного внимания заслуживает плановый ресурс данного мотора. Дело в том, что сам по себе дизель менее жизнеспособен, нежели бензиновый силовой агрегат. Обусловлено это использованием своеобразного топлива. Оно оставляет нагар в камере сгорания и форсунках. Все это существенно сокращает срок службы. Что же касается двухтактных ДВС на дизеле, то тут многое зависит от условий эксплуатации и своевременного обслуживания. Если масло меняется вовремя, а мотор не перегревается, то может работать 200 000 километров. Для бронетехники ресурс значительно меньше и составляет порядка 100 000 километров.

Как эксплуатировать дизельный двигатель зимой?

Зимняя эксплуатация силового агрегата с дизельным топливом происходит несколько сложнее. Если бензин не застывает вообще в принципе, то температура помутнения дизельного топлива составляет -25 градусов Цельсия. Температура замерзания уже при -35 градусах исключает эксплуатацию авто в таких условия. Впрочем, сегодня есть солярка с присадками, которая без проблем используется в любых условиях. Есть ряд осторожных моментов:

• зимой в дизельном двигателе неплохо было бы установить турботаймер, который продолжал бы медленно снижать температуру двигателя после поездки, когда вы уже вышли из авто;
• также следует выбирать зимнее топливо на заправке, выбрав изначально нормальную заправочную станцию, на которой вы не зальете в бак некачественную жидкость;
• можно также использовать ряд присадок для снижения температуру кристаллизации топлива, когда залитое в бак горючее превращается в гелеобразную массу;
• после превращения солярки в гель придется везти машину на сервис, причем на эвакуаторе, чтобы вычистить топливные элементы и шланги для дальнейшего использования.

По этим причинам дизельные машины в северных условиях — это не самый удачный вариант. В средней полосе России такие авто вполне приемлемы и могут выполнять свои функции прекрасно. На юге вообще не возникает проблем с их эксплуатацией. Тем не менее, нужно учитывать ряд особенностей по использованию топлива и качеству сервисного обслуживания вашего авто. Предлагаем посмотреть небольшое видео про особенности дизельного автомобиля:

Подведем итоги

В общем и целом, двухтактные дизели будут развиваться и совершенствоваться. Равно, как и роторно-поршневые ДВС, они считаются недоработанными. Однако в скором будущем они займут свою нишу в автомобилестроении. Уже сегодня они используются в авиации и на крупных промышленных и военных судах. Это надежный и относительно неприхотливый мотор, который при должном обслуживании будет работать исправно. В это же время он не лишен и проблем. К примеру, остро стоит вопрос охлаждения и смазки. Еще более важным является вопрос экологии. Необходима сложная система фильтрации для достижения экологических норм. По этой простой причине массовое производство, использование таких моторов на всех типах авто затруднительно и пока не представляется возможным. Но улучшение системы очистки отработавших газов способно решить эту проблему и приведет к тому, что двухтактные моторы будут широко распространены.