Автомобили с двухтактными двигателями
Двухтактный работяга
Есть в нашей автомобильной истории страницы, за которые не стыдно. Речь в данном случае не о выдающихся конструкторских решениях — о другом. О разработках, десятки лет честно служивших во всех отраслях огромной страны. К таковым относятся двухтактные дизели марки ЯАЗ.
Первая попытка создания отечественного автомобильного дизеля была предпринята в начале 30-х годов прошлого века. Под руководством профессора НАТИ Николая Брилинга построили два опытных экземпляра дизель-мотора. Название этого агрегата расшифровывалось как «Коба Джугашвили» (псевдоним и фамилия И.В. Сталина).
Шестицилиндровые десятилитровые моторы развивали мощность 110 л.с. Двигатели в 1934 году были установлены на ярославских пятитонных грузовиках Я-5. Сравнительные испытания показали, что эти машины могли двигаться почти в 2 раза быстрее автомобилей, оснащенными заграничными движками.
Однако истории было угодно, чтобы нашим первым серийным послевоенным дизелем стал другой мотор. А именно аналог двигателя «Джи-Эм-Си». Он получил название ЯАЗ-204.
Четырехцилиндровый рядный двухтактный двигатель ЯАЗ-М 204 был установлен на новых опытных семитонных грузовиках уже в 1945 году, а с 1946 года в Ярославле и с 1947 года в Минске был налажен выпуск бортовых грузовиков ЯАЗ-200 и самосвалов ЯАЗ-205. Эти же машины, выпускавшиеся в Белоруссии, носили имя «МАЗ».
Дизели, о которых мы рассказываем, работали не только на автомобилях. Ими оснащали специальную технику, в том числе и армейскую, малые речные и морские суда, а также электростанции. Сколько «лампочек Ильича» питалось от дизель-генераторов, трудно даже представить.
А теперь немного технических подробностей. Двухтактные дизели ЯАЗ имеют несколько принципиальных различий не только с четырехтактными дизелями, но и с четырехцилиндровыми бензиновыми моторами.
Главным отличием двухтактных моторов является отсутствие впускных клапанов в газораспределительных механизмах первых агрегатов. Но есть работающие синхронно пары выпускных клапанов в каждом цилиндре. Функции впускных клапанов выполняют так называемые продувочные окна, расположенные в середине высоты гильз цилиндров. И цилиндры в начале такта сжатия запираются непосредственно поршнями.
В отличие от четырехтактных двигателей, где каждому полному ходу поршня соответствует лишь один такт работы мотора, у двухтактных дизелей за один ход поршня совершаются два такта. Или продувка и сжатие, при движении поршня вверх, или рабочий ход и выпуск вместе с началом продувки, при движении поршня вниз.
Двигатель ЯАЗ-М 204А с инерционно-масляными воздушными фильтрами
Второй принципиальной технической особенностью двигателей ЯАЗ-М 204 перед четырехтактными дизелями является отсутствие топливных насосов высокого давления (ТНВД) и регуляторов опережения впрыска топлива. Угол опережения впрыска топлива в эксплуатации не регулируется ни в зависимости от переходных режимов, ни от числа оборотов. Такой технической возможности нет вообще. А топливо подается в цилиндры так называемыми насос-форсунками, которые управляются кулачками распределительного вала, установленного в головке блока цилиндров. В отличие от моторов легковых машин привод распределительного вала осуществляется не цепью (или зубчатым ремнем), а системой цилиндрических шестерен.
Третье различие в том, что эти агрегаты имеют пары валов (распределительный и уравновешивающий), которые вращаются синхронно вместе со своими противовесами в головках блока, образуя так называемый механизм уравновешивания. Благодаря этому 800-килограммовые двигатели ЯАЗ-М 204 при работе имеют меньший уровень вибрации, чем 150–200-килограммовые силовые агрегаты большинства отечественных легковушек. Укажем для сведения, что кабины грузовиков ЯАЗ и МАЗ 1940–1950-х годов имеют деревянные каркасы, собранные на деревянных же «шипах», винтах-«саморезах» с угольниками-подкосами и в значительно меньших местах — на резьбовых болтах-стяжках. И сколько-нибудь продолжительных и повышенных вибраций они бы просто не выдерживали.
Двигатель ЯАЗ-М 206Б
И наконец, различие с четырехцилиндровыми бензиновыми моторами определяется тем, что у моторов ЯАЗ-М 204 каждый поршень движется в своей фазе, а кривошипы коленчатого вала расположены четырехлучевой «звездой», если смотреть с торца вала. А у карбюраторных двигателей попарно и синхронно работают поршни 1–4-го и 2–3-го цилиндров, и кривошипы лежат в одной плоскости.
Рассматриваемые двигатели комплектуются двумя типами воздушных фильтров, в зависимости от того, в каких условиях придется работать силовому агрегату. Инерционно-масляные очистители применяются при малой запыленности окружающего воздуха, а центробежно-контактные фильтры — при большой. Не будем подробно останавливаться на различиях этих вспомогательных устройств. Отметим лишь два факта. Во-первых, у центробежно-контактных фильтров имеется система частичной, эжекторной (за счет отсоса части воздуха в выпускной коллектор), постоянной очистки фильтроэлементов при работе мотора, тогда как у инерционно-масляных фильтров очистка производится лишь при техобслуживании всего агрегата. А во-вторых, вне зависимости от типа фильтров, они применяются в количествах из расчета один фильтр на два цилиндра. То есть мотор ЯАЗ-М 204 оснащается двумя установленными вдоль оси двигателя фильтрами, а появившийся позднее шестицилиндровый силовой агрегат ЯАЗ-М 206 — тремя воздухоочистителями.
Во впускных коллекторах, после воздушных фильтров и перед нагнетателями, установлены воздушные заслонки аварийной остановки («аварийного останова» по терминологии того времени) двигателей. Как известно, без доступа воздуха не горит ни костер, ни топливо в цилиндрах двигателя. Аварийная остановка требуется в тех случаях, когда двигатель «идет вразнос» и неуправляемо увеличиваются обороты коленчатого вала, вплоть до запредельных. «Разнос» может происходить из-за попадания в цилиндры избыточного количества топлива (при неисправностях насос-форсунок) или даже масла системы смазки при износе поршневых колец. Потому аварийную остановку не всегда можно осуществить просто прекращением подачи горючего.
Кстати сказать, попытка аварийной остановки двигателя с помощью включенной передачи в КПП и тормозов в ряде случаев была бесполезной, если на пути автомобиля не оказывалось большой кучи песка, щебня или других непреодолимых препятствий. Ну а попытки заглушить двигатель торможением автомобиля применялись при неисправности или обрыве привода аварийного останова. Такие случаи истории тоже известны.
Двухтактный чудо-мотор для пикапа: его придумали русские, выпускали немцы, а довели до ума американцы
Американский разработчик двухтактных оппозитных двигателей Achates Power Inc. испытывает прототип бензинового ДВС с воспламенением от сжатия. Решение, позволяющее значительно сократить объемы вредных выбросов, будет адресовано сегменту LCV.
Недавно сформированное стратегическое партнерство компаний Ricardo и Achates Power Inc. (API) может оказаться полезным для мировой автоиндустрии. Калифорнийский альянс получил грант ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy, Агентство передовых исследований в области энергетики) на разработку решений по повышению энергоэффективности и снижению вредных выбросов ДВС полноразмерных пикапов.
Двухтактный 2,7‑литровый двигатель OP-3 мощностью 270 л. с. разработки Achates Power. 
Новая программа под условным наименованием Gen II основывается на конструкторских решениях двигателя первой генерации (API Gen I) с встречно движущимися поршнями, делая упор на совершенствование характеристик мощности, крутящего момента, оптимизацию весовых и габаритных параметров, а также снижение вредных выбросов. Упомянутая конфигурация представляет собой ДВС с расположением поршней в два ряда, один напротив другого в общих цилиндрах таким образом, что поршни каждого цилиндра движутся навстречу друг другу и образуют общую камеру сгорания. Компоновка обеспечивает прямоточную продувку — самую совершенную для двухтактного цикла.
Стендовые испытания показали сравнительно низкий уровень вредных выбросов.
Интересно, что идея использования моторов со встречным движением поршней отнюдь не нова. Создателем подобного силового агрегата является российский инженер Раймонд Корейво, который запатентовал свое изобретение в 1907 году. А известным примером реализации этого решения в промышленных масштабах является двухтактный авиационный дизель Junkers Jumo, разработанный в конце 20‑х годов и находившийся в производстве по 1943 год. Однако впоследствии идея не получила ожидаемого отклика со стороны автопрома (одна из причин — в высоком уровне вредных выбросов, что обусловлено неполным окислением продуктов сгорания). Среди тех, кто снова взялся за разработку редких поршневых оппозитников, — вышеупомянутая API. Недавно компания опубликовала технический документ, в котором говорилось о 30 %‑ном улучшении экономии топлива, когда ее двигатель был сравнен с дизелем современного поколения.
Двухтактные авиационные дизели Junkers Jumo с встречно движущимися поршнями были разработаны в конце 20‑х годов, производились по 1943 год.
Разрабатываемый API трехцилиндровый мотор будет иметь рабочий процесс с воспламенением от сжатия бензина — версия OP-3 GCI (Gasoline Cоmpression Ignition). Такой двигатель сочетает в себе характеристики бензинового и дизельного двигателей. Так же как в бензиновом ДВС, в GCI впрыск топлива происходит на такте впуска. Однако вместо использования электрической искры для зажигания части топливной смеси GCI сжимает смесь целиком и сразу, увеличивая ее плотность и температуру, пока она одновременно не воспламенится по всему объему. При этом выбросы NOx, несмотря на чрезвычайно бедную топливную смесь, останутся, как обещают разработчики, на сравнительно низком уровне.
В моторах с встречным движением поршней последние располагались вертикально друг над другом. Из-за того что они находятся в одном цилиндре, создается единая камера сгорания.
Прототип Gen II также получил усовершенствованную систему турбонаддува, электрооборудование напряжением 48 В, проведена оптимизация массогабаритных параметров агрегата. Сообщается, что тестовый пикап Ford F150, оснащенный 2,7‑литровым мотором GCI мощностью 270 л. с., в ходе испытаний показал расход топлива 6,3 л/100 км, что вписывается в нормы американского стандарта CAFÉ до 2025 года.
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания
Двухтактным называется двигатель внутреннего сгорания, завершающий полный рабочий цикл за один оборот коленвала.
История создания двухтактного двигателя
Во многих источниках создание первого двигателя внутреннего сгорания приписывают Готтлибу Даймлеру, другие считают изобретателем Николаса Отто. Однако существует версия, что и те, и другие ошибаются. Еще в 1858 году бельгиец Жан Жозеф Этьен Ленуар создал двухтактный двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе.
В отличии от паровой машины он был проще и экономичнее. Однако двигатель бельгийского инженера был далек от совершенства. Это доказал Николас Отто, представив свой четырехтактный мотор. Его КПД был гораздо выше, чем у мотора Ленуара, а сам двигатель имел меньшие габариты. Двухтактный двигатель резко потерял популярность, и до начала ХХ века почти полностью исчез.
В России хорошо известны мотоциклы ИЖ «Планета» и «Юпитер» с двухтактными двигателями. В Германии в период Второй мировой двухтактные двигатели активно применялись в самолетостроении. В наше время, к примеру, моторы марки Rotax, широко используются в малой авиации.
С ужесточением норм токсичности двухтактные двигатели перестали рассматриваться в качестве силовых установок для гражданского транспорта, но на скутерах, снегоходах, катерах и в авиамодельном спорте, то есть там, где требуются моторы малого объема и веса, конкурентов им по-прежнему нет.
Устройство двухтактного двигателя
Конструктивно двухтактный и четырехтактный двигатели схожи. Основное различие между ними заключено в принципе газораспределения и в том, что рабочий цикл в двухтактном двигателе совершается за один оборот коленчатого вала.
Отдельного газораспределительного механизма в двухтактном двигателе нет. Роль впускных и выпускных клапанов выполняют отверстия в стенках цилиндра, а выталкивает выхлопные газы наружу и втягивает внутрь очередную порцию рабочей смеси сам поршень. В процессе газообмена участвует и кривошипная камера.
Для наполнения цилиндра топливовоздушной смесью используется впускное окно, которое также называют продувочным. Второе, выпускное окно, служит для удаления отработавших газов из цилиндра. Оно расположено выше впускного.
В течение первого такта поршень движется вверх, перекрывая продувочное окно, а затем и выпускное. Происходит сжатие топливовоздушной смеси. В это время в кривошипной камере создается разрежение, которое используется для всасывания топливо-воздушной смеси из карбюратора в полость картера.
Далее начинается второй такт. Свеча зажигания воспламеняет сжатую топливовоздушную смесь. Расширяясь, газы толкают поршень вниз. По мере движения поршня вниз открывается выпускное окно, и часть газов удаляется из цилиндра. При движении поршня вниз в кривошипной камере создается избыточное давление. Поршень продолжает двигаться вниз, к нижней мертвой точке, и открывает продувочное отверстие. Начинается наполнение цилиндра топливовоздушной смесью из кривошипной камеры. Свежая смесь выталкивает из цилиндра остатки отработавших газов.
Описанная схема работы характерна для карбюраторных моторов. Схема работы дизельных и инжекторных бензиновых двухтактных моторов отличается тем, что топливо впрыскивается в камеру сгорания через форсунку, а в полость кривошипной камеры засасывается чистый воздух.
Преимущества и недостатки двухтактных двигателей
Самое главное преимущество двухтактных двигателей – более высокая, по сравнению с четырехтактными, литровая мощность. Дело здесь в том, что при равном количестве цилиндров и количестве оборотов коленчатого вала в минуту, каждый цилиндр совершает рабочий ход вдвое чаще. При этом, за счет того, что фактический рабочий ход двухтактного двигателя короче (он укорочен за счет процессов газообмена), реально объем двигателя увеличивается на 50-60%.
Не менее важное преимущество — компактность. Благодаря этому качеству двухтактные двигатели нашли широкое применение не только в небольших транспортных средствах наподобие снегоходов, но и в садовой технике, а также инструментах (к примеру, в бензопилах). Кроме того, отсутствие газораспределительного механизма заметно делает конструкцию проще и дешевле в производстве.
Есть у двухтактных ДВС и существенные недостатки. Они расходуют больше топлива впустую, так как при открытии выпускного окна в систему выхлопа попадает часть несгоревшей смеси. Система смазки классического двухтактного мотора крайне примитивна – бензин смешивается с маслом заранее, и оба эти вещества попадают в камеру сгорания одновременно. Обусловлено это тем, что организовать масляную ванну в картере невозможно – картер участвует в процессе газообмена. В результате масло, не пошедшее на смазывания стенок цилиндра, сгорает вместе с топливом. Ресурс двухтактного двигателя также значительно меньше, главным образом, за счет высоких оборотов коленвала. По этой причине в двигателях этого типа применяется только специальное высококачественное масло, разработанное для применения в двухтактных двигателях. Экологические параметры также оставляют желать лучшего: в выхлопе, из-за особенностей газораспределения, содержится большое количество СО и СН.
Эксплуатация двухтактного двигателя
Для смазывания поршневой группы двухтактного двигателя необходимо добавлять масло непосредственно в топливо. Причем, бензин и масло, перед тем как залить в бак, нужно предварительно смешать. Правда, некоторые производители избавляют владельцев от этой проблемы установкой отдельного бачка для масла. В этом случае оно добавляется в топливо автоматически в нужной пропорции.
Не следует забывать, что картер мотора также участвует в газораспределении и должен быть герметичен. Поэтому необходимо тщательно следить за состоянием прокладок.
Что может двухтактный двигатель
Мой хороший знакомый, очень уважаемый мною моторист и бывший мотогонщик когда то сказал фразу о двухтактном моторе, которая мне очень запомнилась: «Жизнь двухтактного мотора как у бабочки, очень яркая, но недолгая».
Эта фраза мне вспомнилась после того как, я наткнулся на статью о гоночном двухтактном двигателе Honda-NSR500.
Ведь действительно автомобилисты редко сталкиваются с двухтактными двигателями и поэтому мало о них знают. А ведь двухтактники обладают двумя огромными преимуществами — огромная литровая мощность и очень малый вес. Эти характиристики идеально подходят для гоночных мотоциклов.
Технические характеристики HONDA NSR500.
Год выпуска: 1992
Мощность двигателя: до 200 лс при 14000 оборотов в минуту на 2000 год.
Крутящий момент: 106 н/м при 11450 оборотов в минуту
Рабочий объем: 498 куб. см.
Двухтактный, 60-градусный, 4 цилиндровый, V образный
Ширина двигателя 300 мм
Масса двигателя 45 кг
Масса мотоцикла без топлива 135 кг
Запас топлива 32 литра
Максимальная скорость более 320 км/час
Разгон до 100 около 2 сек. Сильно зависит от массы пилота и топлива.
HONDA NSR500 был самым успешным из полулитровых двухтактных Гран при мотоциклов, и зачастую наиболее опасным из всех. Это было связано главным образом из-за его двигателя V4, который был вообще самый мощным на гоночной сетке. Норов и мощность его была настолько жесткой, что лучшие гонщики мира в том числе и Валентино Росси, не всегда могли его полностью контролировать.
NSR дебютировал в 1984 году и с тех пор на этом мотоцикле за 18 лет, было выиграно 10 Гран-При в классе 500 и 130 отдельных гонок. Такой успех прежде всего связан с устройством двигателя и малым весом самого болида. Двухтактный двигатель HONDA NSR500 с одним коленвалом, без дополнительных балансиров, получился очень легким и обладал малым гироскопическим эффектом, что позволяло улучшить маневренность мотоцикла в поворотах. Огромная мощность позволяла быстро разгоняться.
Мощность двигателя постоянно росла и в 1989 году она составляла уже 190 лс а в 2000г 200 лс. Около 18 лет мотоциклы HONDA, оснащенные этим безумным двигателем состязались и выигрывали на гоночных трассах по всему миру. По сей день двигатель NSR500 является одним из самых безумных двигателей из когда либо созданных.
Но за все надо платить. В данном случае охренительный расход топлива (это вообще особенность двухтактных моторов обусловленная гениально простой системой газораспределения), а у гоночных моторов так тем более, и очень малый моторесурс.
Получается фраза бывалого мотогонщика очень точно отображает жизнь двухтактного двигателя — как у бабочки, очень яркая, но недолгая.
Двухтакный двигатель: простота и надежность
Что такое двухтактный двигатель: кто не знает?
Сегодня мы узнаем что такое двухтактный двигатель. Разберемся в принципе его работы, в его конструктивной простоте и почему же не ставят двухтактный двигатель на автомобили все уважающие себя автопроизводители. Поэтому за дело, друзья!
Что такое двухтактный двигатель?
Так как же устроен этот поршневой мотор, встречающийся в газонокосилке, скутере, и мотоцикле? Почему двухтактный?
Принцип действия этого агрегата заложен в самом его названии «двухтактный двигатель внутреннего сгорания». То есть внутри его что-то сгорает за два такта.
А сгорает в нём не что иное, как топливная смесь, состоящая из топлива и воздуха.
В результате взрыва и сгорания этой смеси происходит движение поршня с передачей этой энергии в крутящий момент, который в свою очередь передается на колёса наших квадроциклов, скутеров и иногда автомобилей.
Но в чём же секрет сокращения тактности в два раза?
Чтобы разобраться в этом, смотрим схему, как работает простейший одноцилиндровый двухтактный мотор.
Как работает двухтактный ДВС
Итак, главная роль в этом устройстве принадлежит поршню, который, двигаясь вверх и вниз в цилиндре, преобразует энергию сгоревшего топлива в механическое движение коленвала.
Почему двухтактный, какое ключевое отличие от его более сложных четырёхтактных сородичей?
Отличие заключается в том, что такт сжатия в двухтактном ДВС, совмещен с тактом выпуска. А такт рабочего хода совмещен с тактом впуска
Такт сжатия, двухтактный мотор, начинает после момента прохождения поршнем нижней точки и начала его движения вверх.
В этот миг в цилиндре, в пространстве над поршнем, уже находится свежая порция воздушно топливной смеси, поступившая из карбюратора через перепускной канал и продувочное окно во время такта рабочего хода.
При приближении поршня к верхней точке движения, смесь в цилиндре воспламеняется от искры свечи зажигания и двигатель переходит в рабочий такт – именно в этот момент выполняется полезная работа.
Движущийся вниз под воздействием расширяющихся продуктов горения топлива поршень двухтактного мотора, открывает выпускное окно, в которое под давлением устремляются выхлопные газы.
Дальнейшая их судьба – глушитель. Он-то и принимает всю сгоревшую смесь и глушит по средством специальных каналов громкий хлопок взрыва этой самой смеси.
Если ещё не скучно про двухтактный мотр, идем дальше.
Заканчивается рабочий такт мотора в нижнем положение Н.М.Т., а не задолго до этого открывается продувочное окно, из которого в цилиндр устремляется очередная порция топливной смеси из под поршня.
Она вытесняет последние остатки выхлопных газов. Эта нехитрая процедура называется продувкой.
Затем повторяется первый такт Сжатие-впуск и второй Рабочий ход-выпуск. И так бесконечно, пока есть воля к движению.
Вот где нужен двухтактный мотор
Таким образом, мы вкратце рассмотрели принцип работы простейшего двухтактного двигателя.
Стоит отметить, что такой тип двухтактного мотора, по сравнению с четырёхтактным, аналогичного объёма, имеет большую мощность.
Но двухтактным моторам присущи и недостатки – к примеру, низкая экологичность и высокий расход топлива. Именно по этой причине нет смысла устанавливать его на автомобиль.
Простота двухтактного двигателя состоит в том, что он не имеет сложного механизма газораспределения, распредвалов, клапанов, сложных головок блока цилиндров двигателя, требующих больших трудозатрат на их изготовление.
Тем не менее, благодаря своей простоте двухтактные агрегаты находят широкое применение в различных отраслях.
Они крайне популярны у авиамоделистов. Почти все простые мотоциклы и скутеры имеют двухтактный двигатель.
Повсеместно применяются в различных моторизированных устройствах, к примеру, в бензопилах, газонокосилках, генераторах, сельскохозяйственной технике.
Наверное в каждой нормальной семье присутствует хоть один механизм, имеющий двухтактный двигатель.
Надеюсь, это краткое повествование помогло разобраться что такое двухтактный двигатель, в принципах его работы.