Двухтактный двигатель внутреннего cгорания

История и будущее

Двигатели внутреннего сгорания (в дальнейшем – ДВС) в основном работают или на дизельном, или на бензиновом топливе. Бензиновые ДВС («двигатель Отто» по фамилии изобретателя) также называются «двигателями с постоянным объемом».

На рис. 1 показан идеальный рабочий цикл ДВС с постоянным объемом. У таких ДВС зажигание происходит в верхней мертвой точке поршня при постоянном объеме. Рабочий процесс у бензиновых ДВС называется «постоянного объема» потому, что между точками 2 и 3 (в момент роста давления в камере сгорания, см. рис. 1) удельный объем двигателя не меняется. В действительности объем не совсем постоянный из-за потерь энергии на работу механических деталей.

Дизельные ДВС (двигатель «Дизель» назван по фамилии изобретателя, см. рис. 2) в противоположность «двигателю Отто» работают по принципу постоянного давления, т.е. воспламенение топливо-воздушной смеси здесь происходит при постоянном давлении. Значит, у дизельных ДВС давление между точками 2 и 3 остается на постоянном уровне.

Как и у ДВС с постоянным объемом, действительный цикл сгорания отличается от идеального цикла по тем же причинам, что и у ДВС с постоянным объемом.

Бензиновые ДВС также называются «двигателями с искровым зажиганием», дизельные – «двигатели с самовоспламенением от сжатия».

У ДВС обоих типов по используемому топливу существуют также разновидности по количеству тактов работы: двухтактные и четырехтактные. У четырехтактных ДВС коленчатый вал при каждом рабочем цикле делает два оборота. Рабочий цикл двухтактного двигателя происходит за один оборот коленчатого вала.

Расчет мощности ДВС проводится по формуле [1]:

где:

Ni – индикаторная (внутренняя) мощность (л.с.),

F – площадь поршней (м²),

pm – среднее давление (кг/м²),

n – частота вращения коленчатого вала (мин^-1).

Формула 1 представляет расчет индикаторной мощности двухтактного ДВС в л.с., при этом 1 л.с. равна 0,735 кВт.

Индикаторной называют мощность, которую развивают расширяющиеся газы, воздействующие на поршни в цилиндрах (не учитываются механические и прочие потери). Так как у четырехтактного ДВС для отдачи мощности потребуется два оборота коленчатого вала, теоретическая мощность составляет половину мощности двухтактного ДВС (как указано в формуле 2).

Как работают двухтактные двигатели

Теория теорией, а это на самом деле так? И если не так, где скрываются причины такого расхождения?

Двухтактные ДВС в принципе работают без клапанов. Циклы работы 2-тактных двигателей состоят в следующем.

1 – Поршень в цилиндре движется вниз и при этом всасывает горючую смесь, открывая при этом впускное окно. Горючая смесь перед впуском в камеру сгорания находится в кривошипной камере и подвергается там предварительному сжатию.

2 – При открытии впускного окна предварительно сжатая смесь поступает в камеру сгорания. Затем поршень при движении к верхней мертвой точке окончательно сжимает горючую смесь до того момента, когда происходит зажигание.

Недостаток этой простой схемы в том, что свежей горючей смесью проходится вытеснять сгоревший газ. В процессе работы нет четкой границы между свежим и отработавшим газом. Горючая смесь состоит из бензина, воздуха и смазочного масла в определенных соотношениях. Масло – необходимая примесь, которая нужна для смазки поршней и прочих механических деталей и уменьшения износа от трения между ними. Масло сгорает вместе с горючей смесью и вместе с отработавшими газами выходит через систему выпуска. Схема рабочего цикла 2-тактных ДВС представлена на рис. 4 и 5.

Несомненно, 2-тактные двигатели – весьма эффективный привод как на бензиновом, так и на дизельном топливе. Кстати, почти 100% судовых ДВС относятся к типу двухтактных, работающих на тяжелом нефтяном топливе, что в конце концов не что иное, как дизель. Конструкция и схематика их работы несколько отличается от высокооборотных ДВС. У таких крупных двигателей частоты вращения не превышают 1000 об/мин. Поэтому в данной статье мы будем рассматривать только высокооборотные двигатели. Все исследования с целью улучшения их эффективности нацелены на уменьшение потерь при газообмене и снижение содержания в горючей смеси смазочного масла. Эти исследования идут уже с самого начала их появления на рынке.

Широкое применение 2-тактных ДВС на транспортных средствах закончилось в начале 60-х гг. прошлого века. Исключением оставались мотоциклы, мопеды и легковые автомобили в ГДР.

В 1970 г. в Евросоюзе были введены предельно допустимые нормы токсичности отработавших газов двигателей. С этого момента из-за бóльшего содержания углеводородов в отработавших газах у 2-тактных двигателей такое решение означало конец этих двигателей. Интересно, что в положениях экологического закона не было ограничения уровня углеводородов в отработавших газах вообще, а были ограничения только для монооксида углерода (СО). Поэтому в ГДР легковые машины и мотоциклы с двухтактными двигателями выпускались до начала 1990-х гг.

Повышение эффективности двухтактных ДВС

Оглядываясь назад на историю развития двухтактных ДВС, можно коротко описать попытки инженеров улучшить их эффективность. На ранних этапах существования этих ДВС уже целенаправленно занимались улучшением качества процесса продувки цилиндра. Продувка, т.е. замена сгоревшего газа на свежую смесь без потерь от слишком большого остатка сгоревшего газа или слишком большой доли свежей смеси, выходящей в несгоревшем виде в систему выпуска.

На рис. 6 показаны разные виды продувки. Первая картинка изображает идеальный вид продувки, когда свежая смесь последовательно вытесняет сгоревший газ – продувка вытеснением. Вторая картинка – продувка смешением, т.е. струя свежей смеси направляется непосредственно в сторону головки цилиндра, при этом смешиваясь со сгоревшим газом. А на третьей картинке так называемая продувка коротким замыканием, при которой свежая смесь напрямую течет из впускного окна в противоложное выпускное окно.

На рис. 7 представлены характеристики разных видов продувки. Изображено отношение доли горючей смеси в цилиндре к коэффициенту продувки поступающей смеси. Очевидно, что продувка коротким замыканием дает самый плохой эффект, а продувка вытеснением самый лучший. Вопрос теперь в том, как осуществлять этот вид продувки в реальных условиях.

Продувка вытеснением – это необходимость перенаправлять поток свежей смеси к стенке цилиндра, так называемая поперечная продувка. Картинка A – перенаправление потока перед цилиндром с помощью крутого изгиба на входе, который направляет свежую смесь к головке цилиндра. Следующий вариант B – направление смеси к головке цилиндра с применением т.н. «носового» поршня (поршень с выступом на днище). На картинке C показана продувка с отсосом. При этом используется отсосное устройство, чтобы помочь отработавшему газу в короткий срок покидать камеру сгорания.

Адольф Шнюрле (1897–1951 гг.) в 1924 г. в Штутгартском политехническом институте защитил диссертацию по теме: «Теоретико-термические исследования процесса преобразования тепла в механическую работу при использовании твердых топлив». В 1925 г. он разработал систему трехканальной продувки для двухтактных двигателей. В 1932 г. фирма DKW приобрела лицензию Адольфа Шнюрле на метод поперечной продувки цилиндра двухтактного двигателя и эксклюзивное право его использования в своих бензиновых двигателях. Этот патент сделал революцию в моторостроении.

Продувка подбором под головкой цилиндра была изобретена для того, чтобы обходить патент Шнюрле. Эта система продувки имеет тот недостаток, что нежелательная часть сгоревшей горючей смеси накапливается прямо под головкой вокруг свечи зажигания. После прекращения действия патента Шнюрле эта система больше нигде не применялась.

На рис. 11 представлена другая идея, как уменьшать потери топлива и повысить мощность 2-тактных ДВС. Это регулирование газообмена с минимальными потерями в т.н. П-образных двигателях. Первый такой двигатель 2-тактного типа был разработан Арнольдом Цоллером (1882–1934) в 1920-х гг. Такие двигатели широко применялись в основном в мотоциклах.

П-образные двигатели (в Германии их называют U-образными) предполагают наличие двух параллельно расположенных цилиндров, имеющих одну общую камеру сгорания. Поршни в таком двигателе приводятся в движение одним коленчатым валом, один шатун прицепной, причем кривошипный палец этого шатуна намеренно смещается в сторону от оси симметрии цилиндра. Впускные и выпускные каналы расположены раздельно каждый в одном из цилиндров. За счет несимметричности ходов поршней достигается, во-первых, несимметричность фаз газораспределения – выпуск опережает впуск при рабочем ходе и раньше закрывается при сжатии, что позволяет выполнить продувку более эффективно. Во-вторых, за счет разделения объема цилиндра пополам и физического разнесения впускных и выпускных окон облегчается и улучшается собственно продувка, приближаясь по качеству газообмена к прямоточной.

Все двигатели, показанные на рис. 12, работают с грузовыми насосами разного pасположения и пластинчато-роторными компрессорами.

Кульминация появления 2-тактных двигателей с недостижимо высокой мощностью пришла в сороковых – начале пятидесятых годов прошлого века с разработкой и применением оппозитных поршневых двигателей. На рис. 13 показан гоночный мотоцикл DKW US 250, а на рис. 14 – работающий на нем двигатель с оппозитным расположением поршней.

Двигатель на рис. 14 разработал конструктор гоночных двигателей Курт Банг. Этот двигатель послужил основой для разработки двигателя СКТБ 10 для советских гоночных мотоциклов. В 1945 г. по решению военной администрации центральной части Германии был выдан приказ вывезти в СССР в счет репараций оборудование завода DKW в г. Чопау (Zschopau). Все оборудование завода было демонтировано и вместе с большим коллективом сотрудников, включая почти весь инженерно-конструкторский и технологический персонал, было вывезено в Ижевск. В Ижевске создали завод для производства мотоциклов, который начал свою деятельностъ с производства модели ИЖ-350, 100%-ной копии мотоцикла DKW NZ 350.

Помимо гражданских мотоциклов в 1945 г. также весь отдел гоночных мотоциклов был переведен в СССР. На основе конструкций и материальной базы была создана основа для разработки гоночных мотоциклов в СССР. Созданием этих гоночных мотоциклов занимались те же конструкторы, которые в 1930-х гг. изобрели успешные гоночные мотоциклы компании DKW.

Результат этих разработок показан на рис. 16 – советский гоночный мотоцикл ГК 1. В нем использовался двигатель с оппозитными поршнями, который, выражаясь современным языком, был подвергнут реинжинирингу главным конструктором гоночных мотоциклов серпуховского ЦКЭБ Святославом Иваницким.

Резонансная настройка системы выпуска

Кроме работ по повышению эффективности с помощью разных систем продувки и конструкции двигателей в 1960-х гг. были выполнены целенаправленные исследования систем выпуска. Исследовалось главным образом влияние резонанса в трубе. Помимо исследований в области продувки в конце 1960-х гг. в городе Чопау специалисты предприятия-преемника MZ целенаправленно работали над улучшением работы 2-тактных двигателей с помощью настройки выхлопной трубы.

На рис. 19 изображены варианты системы выпуска 2-тактных ДВС. На левой стороне видны двигатель и его выпускная труба, в центре – кривые изменения давления (единица измерения давления: атм) до выхлопного отверстия (зона обнаружения в красном цвете). На правой стороне показаны кривые мощности двигателя с выхлопными трубами разной конструкции.

А) Традиционная разрядка с выхлопной трубой постоянного сечения.

В) Разрядка с выпускным резонатором с расширяющимся сечением.

С) Резонансная расширяющаяся выхлопная труба.

Резонансная зарядка – способ повышения мощности и снижения расхода топлива у 2-тактных двигателей с помощью использования специальной выхлопной трубы. Резонансная зарядка осуществляется колебанием выхлопного газа в так называемой резонансной выхлопной трубе. Трубе при этом придана такая форма, чтобы в момент максимального крутящего момента из картера высасывалось больше свежей смеси, чем это получается только за счет вытеснения поршнем газов из цилиндра. Избыточная свежая смесь первым делом вытекает в выпускной тракт и была бы потеряна при продувке. Но при резонансе свежая смесь отражается ударной волной, образующейся у встречного конуса, и отталкивается назад в цилиндр. Возникающий эффект зарядки дает двигателю максимальную выходную мощность в весьма узком диапазоне числа оборотов. Этот диапазон оборотов может быть использован только у гоночных мотоциклов. Выхлопная труба получается очень крупноразмерной.

Еще в 1930-х гг. инженеры компании DKW в г. Чопау в Саксонии знали, что важный аспект будущего 2-тактного ДВС – впрыск горючего в камеру сгорания. Август Прюсинг (1882–1934 гг.), начальник отдела гоночных мотоциклов в компании DKW, спрогнозировал следующее: в будущем нужно найти решение для того, чтобы смесеобразование имело место не вне цилиндров двигателя (т.е. в карбюраторе), а непременно внутри его. Это возможно только при применении системы впрыска с помощью топливного насоса. Топливной насос в этом случае может иметь более низкое давление, чем в дизельных ДВС. Разработка таких насосов – это первоочередная задача инженеров. Впрыск дает возможность вводить чистый воздух в цилиндр и впрыскивать топливо только в момент зажигания непосредственно перед верхней мертвой точкой поршня. В результате исключается смешение сгоревшего газа со свежей смесью, потому что в момент продувки в цилиндре нет свежей смеси, а только воздух.

Новейшие изобретения в области 2-тактных двигателей в начале 2000-х гг. полностью подтвердили эти прогнозы. Показанный на рис. 21 двигатель получает горючую смесь, состоящую из бензина и смазочного масла, через впрыскивающую форсунку низкого давления. Одна часть смеси попадает в кривошипную камеру, а другая часть прямо в продувочный канал. Такие двигатели работают в газонокосилках, садовых пилах и т.п.

Для более мощных гоночных мотоциклов австрийская компания КТМ разработала систему впрыска, в которой впрыскиваемая смесь содержит только бензин. Бензин впрыскивается в воздух при его выходе из кривошипной камеры. А смазочное масло подается прямо в кривошипную камеру. Это решение позволяет 2-тактному двигателю выполнять все требования экологических норм по чистоте выхлопных газов.

Оснащенный резонансной выхлопной трубой, этот мотоцикл превосходит в соревнованиях мотокросса многие мотоциклы с 4-тактными двигателями и подтверждает, что до конца двухтактных двигателей еще очень далеко.

Кстати, этот «печально известный» ГДР-овский Trabant в серийном варианте имел 26 л.с. своего 2-цилиндрового 600-кубового двигателя. Даже в домашних условиях путем доработки проточных каналов было возможно доводить его до 35 л.с., а в гоночном исполнении его мощность составляла до 75 л.с.