Двотактний двигун в автомобілі

Світ автомобілів побачив чимало розробок силових агрегатів. Одні з них так і застигли в часі через те, що у конструктора не було коштів для подальшого розвитку свого дітища. Інші виявилися малоефективними, тому у таких розробок не було перспективного майбутнього.

Крім класичного рядного або V-образного мотора виробники випускали автомобілі і з іншими конструкціями силових агрегатів. Під капотом деяких моделей можна було побачити двигун Ванкеля, боксер (або опозитний), водневий мотор. Деякі автовиробники досі можуть використовувати такі екзотичні силові агрегати в своїх моделях. Крім цих модифікацій історія знає ще кілька успішних нестандартних моторів (про деякі з них є окрема стаття).

Зараз поговоримо про такому двигуні, з яким практично ніхто з автомобілістів не стикається, якщо не говорити про необхідність покосити траву газонокосаркою або спиляти дерево бензопилою. Це двотактний силовий агрегат. В основному цей різновид ДВС використовується в мототехніки, в танках, поршневий авіації і т.д., але вкрай рідко в машинах.

Також двотактні двигуни мають більший успіх у мотоспорті, так як у цих агрегатів є істотні переваги. По-перше, на невеликій літраж у них величезна потужність. По-друге, завдяки спрощеній конструкції ці двигуни мають невелику вагу. Ці фактори дуже важливі для спортивного двоколісного транспорту.

Розглянемо особливості пристрою таких модифікацій, а також чи можливо використовувати їх в автомобілях.

Що таке двотактний двигун?

Вперше патент на створення двотактного ДВС з'явився на початку 1880-х років. Розробку представив інженер Дуглад Клерк. У пристрій його дітища входило два циліндра. Один був робочим, а інший нагнітав свіжу порцію ВТС.

Через 10 років з'явилася модифікація з камерної продувкою, в якій вже не було нагнетательного поршня. Цей мотор спроектував Джозеф Дей.

Паралельно з цими розробками Карл Бенц створював власний газовий агрегат, патент на виробництво якого з'явився в 1880-му році.

Двотактний двигун, як випливає з його назви, за один поворот колінчастого вала виконує всі такти, необхідні для подачі і згоряння повітряно-паливної суміші, а також для видалення продуктів горіння в вихлопну систему транспорту. Цю здатність забезпечує особливість конструкції агрегату.

За один хід поршня в циліндрі виконується два такту:

1. Коли поршень знаходиться в нижній мертвій точці, циліндр продувається, тобто віддаляються продукти горіння. Цей такт забезпечується надходженням свіжої порції ВТС, яка витісняє вихлоп в випускний тракт. В цей же момент відбувається такт наповнення камери свіжою порцією ВТС.
2. Піднімаючись до верхньої мертвої точки, поршень закриває впускний і випускний отвір, завдяки чому забезпечується стиснення ВТС в надпоршневомупросторі (без цього процесу неможливо ефективне згорання суміші та потрібної віддачі силового агрегату). У той же момент в порожнину під поршнем всмоктується додаткова порція суміші повітря і палива. В ВМТ поршня створюється іскра, що запалює повітряно-паливну суміш. Починається робочий хід.

На цьому цикл мотора повторюється. Виходить, в двотактники все такти виконуються за два ходи поршня: поки він рухається вгору і вниз.

Пристрій двотактного двигуна?

Класичний двотактний ДВС складається з:

• Картера. Це основна частина конструкції, в якій за допомогою кулькових підшипників закріплений колінвал. Залежно від розмірів циліндропоршневої групи на колінчастому валу буде відповідна кількість кривошипів.
• Поршня. Це деталь у вигляді склянки, який закріплений на шатуне, подібно аналогу, що використовується в чотиритактних моторах. У ньому зроблені канавки для компресійних кілець. Від щільності посадки поршня, як і в інших різновидах моторів, залежить ККД агрегату під час згоряння ВТС.
• Впускного і випускного отворів. Вони зроблені в самому корпусі ДВС, куди під'єднані впускний і випускний колектори. Газорозподільного механізму в такому двигуні немає, завдяки чому двотактники мають невелику вагу.
• Клапана. Ця деталь запобігає викид повітряно-паливної суміші назад у впускний тракт агрегату. Коли поршень піднімається, під ним створюється розрідження, що переміщує заслінку, через яку в порожнину надходить свіжа порція ВТС. Як тільки відбувається такт робочого ходу (спрацювала іскра і суміш загорілася, переміщаючи поршень до нижньої мертвої точки), цей клапан закривається.
• Компресійних кілець. Це такі ж деталі, як і в будь-яких інших двигунах внутрішнього згоряння. Їх розміри підбираються строго під розміри конкретного поршня.

Конструкція двотактники Хофбауера

Через багатьох інженерних перешкод ідею використання двотактних модифікацій в легковому автотранспорті до недавнього часу не виходило реалізувати. У 2010-му році був здійснений прорив в цьому відношенні. Компанія EcoMotors отримала пристойну інвестицію від Білла Гейтса і фірми Khosla Ventures. Причиною такої розтрати послужила презентація оригінального опозитного двигуна.

Хоча така модифікація вже давно існує, Петер Хофбауер створив концепцію двотактники, який працював за принципом класичного боксера. Компанія назвала свій твір ОРД (перекладається як оппозітниє циліндри і оппозітниє поршні). Працювати такий агрегат може не тільки на бензині, але і на дизелі, проте розробник поки зупинився на твердому паливі.

Якщо розглядати в цій якості класичну конструкцію двотактники, то по ідеї його можна використовувати в подібній модифікації і встановлювати на легковий 4-колісний транспорт. Можна було б, якби не екологічні стандарти і дорожнеча палива. В процесі роботи звичайного двотактного ДВС частина повітряно-паливної суміші видаляється через вихідний отвір в процесі продувки. Також в процесі згоряння ВТС спалюється і масло.

Незважаючи на великий скептицизм інженерів провідних автовиробників, двигун Хофбауера відкрив двотактники можливість потрапити під капот елітних автомобілів. Якщо порівнювати його розробку з класичним оппозитником, то новинка на 30 відсотків легше, так як його конструкція налічує менше запчастин. Також агрегат демонструє більш ефективну вироблення енергії в процесі роботи в порівнянні з чотиритактним боксером (підвищення ККД в межах 15-50 відсотків).

Перша робоча модель має маркування ЕМ100. Як заявляє розробник, вага мотора становить 134 кг. Його потужність становить 325 к.с., а крутний момент - 900Нм.

Особливість конструкції нового боксера полягає в тому, що в одному циліндрі розташовано два поршня. Вони закріплені на одному колінчастому валу. Від згоряння ВТС відбувається між ними, завдяки чому вивільняється енергія одночасно впливає на обидва поршня. Цим пояснюється такий величезний крутний момент.

Протилежний циліндр налаштований так, щоб він спрацьовував асинхронно з сусіднім. Завдяки цьому забезпечується плавність обертання коленвала без ривків зі стабільним крутним моментом.

У наступному відео сам Петер Хофбауер наочно демонструє, як працює його мотор:

движок opoc, як це працює .mp4

Розглянемо детальніше його внутрішню будову і загальну схему роботи.

Наддувши

Наддувши забезпечується крильчаткою, на валу якої встановлений електричний двигун. Хоча він частково буде працювати від потоку вихлопних газів, електронаддув дозволяє крильчатці швидше набирати обертів і створювати напір повітря. Щоб компенсувати енерговитрати на розкрутку крильчатки, пристрій генерує електрику, коли на лопаті діє тиск вихлопних газів. Електроніка також контролює потік вихлопу, щоб знизити забруднення навколишнього середовища.

Цей елемент в інноваційному двотактники досить спірне. Щоб швидко створити необхідний напір повітря, електромотор буде витрачати пристойну кількість енергії. Для цього майбутній автомобіль, в якому буде застосовуватися дана технологія, повинен буде оснащуватися більш продуктивним генератором і акумуляторними батареями зі збільшеною ємністю.

На сьогоднішній день ефективність електронаддува поки залишається на папері. Виробник стверджує, що така система покращує продування циліндра, і в той же час дозволяє витягти максимум вигоди від двотактного циклу. В теорії ця установка дозволяє в два рази збільшити літрову потужність агрегату, якщо порівнювати його з четирехтактнимі аналогами.

Впровадження такого обладнання однозначно зробить силову установку більш дорогої, через що поки дешевше використовувати потужний і ненажерливий класичний ДВС, ніж новий полегшений оппозітник.

сталеві шатуни

За своєю конструкцією агрегат нагадує двигуни ТДФ. Тільки в даній модифікації зустрічні поршні приводять в рух не два коленвала, а один за рахунок довгих шатунів зовнішніх поршнів.

Зовнішні поршні в моторі закріплені на довгих сталевих шатунах, які з'єднані з коленвалом. Він розташований не по краях, як у класичній модифікації боксера, яка застосовується у військовій техніці, а між циліндрами.

Внутрішні елементи теж з'єднані з кривошипно-шатунним механізмом. Такий пристрій дозволяє отримувати більше енергії з процесу згоряння повітряно-паливної суміші. Мотор поводиться так, немов у ньому встановлені кривошипи, які забезпечують збільшений хід поршня, але при цьому вал зберігає компактні розміри і має невелику вагу.

Колінчастий вал

Мотор Хофбауера має модульну конструкцію. Електроніка здатна відключати частину циліндрів, завдяки чому автомобіль може бути більш економічним, коли на ДВС виявляється мінімальне навантаження (наприклад, при крейсерській швидкості по рівній трасі).

У 4-тактних моторах з безпосереднім уприскуванням (детально про різновиди систем уприскування читайте в іншому огляді) Відключення циліндрів забезпечується припиненням подачі палива. В цьому випадку поршні все одно переміщаються в циліндрах за рахунок обертання коленвала. Просто в них не відбувається згорання палива.

Що стосується інноваційної розробки Хофбауера, то відключення пари циліндрів забезпечується спеціальною муфтою, встановленої на колінчастому валу між відповідними парами циліндр-поршень. При відключенні модуля муфта просто від'єднує ту частину коленвала, яка відповідає за дану секцію.

Так як рухомі поршні в класичному 2-тактном ДВС на холостому ходу все одно будуть всмоктувати свіжу порцію ВТС, в даній модифікації цей модуль взагалі перестає працювати (поршні залишаються нерухомими). Як тільки навантаження на силовий агрегат підвищується, в певний момент муфта підключає непрацюючу секцію клонували, і мотор збільшує потужність.

циліндр

Класичні 2-тактнікі в процесі провітрювання циліндра викидають в атмосферу частину незгорілої суміші. Через це транспорт, оснащений таким силовим агрегатом, не здатний відповідати екологічним стандартам.

Щоб виправити цей недолік, розробник двухтактного оппозитника спроектував особливу конструкцію циліндрів. У них також зроблені впускні і випускні отвори, але їх розташування знижує шкідливі викиди.

Як працює двотактний ДВС

Особливість роботи класичної двотактної модифікації полягає в тому, що колінвал і поршень знаходяться в порожнині, заповненої повітряно-паливної сумішшю. На впускному отворі встановлений впускний клапан. Його наявність дозволяє створити тиск в порожнині під поршнем, коли він починає рух вниз. Цей натиск прискорює продувку циліндра і видалення відпрацьованих газів.

Коли поршень переміщається усередині циліндра, він по черзі відкриває / закриває впускний і випускний отвори. З цієї причини конструктивні особливості агрегату дозволяють не використовувати газорозподільний механізм.

Щоб труться елементи надмірно не зношується, вони потребують якісної мастилі. Так як дані мотори мають просту будову, вони позбавлені складної системи змащення, яка доставляла б масло до кожної деталі ДВС. З цієї причини в паливо додають деяку кількість моторного масла. Для цього використовується спеціальна марка для двотактних агрегатів. Цей матеріал повинен зберігати змащувальні властивості при високих температурах, а при згорянні разом з паливом не залишати нагару.

Хоча двотактні двигуни не знайшли широке застосування в автомобілях, історія знає періоди, коли під капотом деяких вантажних (!) Автомобілів стояли саме такі мотори. Прикладом тому служить дизельний силовий агрегат ЯАЗ.

У 1947-му році на 7-тонні вантажівки ЯАЗ-200 і ЯАЗ-205 встановлювався рядний 4-циліндровий дизель даної розробки. Незважаючи на велику вагу (близько 800 кг.), Агрегат мав менші вібрації, ніж багато ДВС вітчизняних легкових автомобілів. Причина в тому, що в пристрій цієї модифікації входить два вала, які синхронно обертаються. Цей врівноважує механізм гасив більшість вібрацій мотора, через які дерев'яний кузов вантажівки швидко розсипався б.

Детальніше про роботу 2-тактних моторів розповідається в наступному відео:

2 ТАКТ. Спробуємо зрозуміти ...

Де потрібен двотактний мотор

Пристрій 2-тактного двигуна більш просте в порівнянні з 4-тактним аналогом, завдяки чому їх застосовують в тих галузях, де вага і об'єми мають більше значення, ніж витрата палива та інші параметри.

Так, подібні мотори встановлюються на легких колісних газонокосарках і ручних Дзеркала садівників. В руках тримати важкий мотор дуже ускладнює роботу в саду. Ця ж концепція простежується при виготовленні бензопил.

Від ваги водного і авіатранспорту також залежить його ефективність, тому виробники йдуть на компроміс з великою витратою палива заради створення більш легких конструкцій.

Однак 2-таткнікі використовуються не тільки в сільськогосподарській і деяких різновидах авіатехніки. В авто / мотто спорті вага грає не менш важливе значення, ніж в планерах або газонокосарках. Щоб болід або мотоцикл розвивав велику швидкість, конструктори, створюючи такий транспорт, використовують полегшені матеріали. Детально про те, з яких матеріалів виготовляються кузова автомобілів, розповідається тут. З цієї причини дані двигуни мають перевагу перед важкими і складними в технічному плані 4-тактних аналогів.

Ось невеликий приклад ефективності двотактної модифікації ДВС в спорті. Починаючи з 1992-го року, на мотогогонках MottoGP в деяких мотоциклах використовувався японський V-подібний двотактний мотор з 4-ма циліндрами Honda NSR500. При обсязі в 0.5 літра цей агрегат розвивав 200 кінських сил, а колінчастий вал розкручувався до 14 тисяч обертів на хвилину.

Крутний момент в 106 Нм. досягався вже на 11.5 тисячах. Пікову швидкість, яку був здатний розвинути такий малюк, становила понад 320 кілометрів на годину (в залежності від ваги мотоцикліста). Вага самого двигуна становив всього 45кг. На один кілограм ваги транспорту припадає майже півтори кінські сили. Більшість спорткарів позаздрить такому співвідношенню потужності і ваги.

Порівняння двухтактного і чотиритактного двигуна

Питається, чому тоді машина не може мати такий продуктивний агрегат? По-перше, класичний двотактники самий неощадливий агрегат з усіх, які використовуються в автотранспорті. Причина тому в особливостях продувки і наповненні циліндра. По-друге, що стосується гоночних модифікацій, подібних Honda NSR500, то через високі оборотів робочий ресурс агрегату дуже маленький.

До переваг 2-тактного агрегату перед 4-тактним аналогом відносяться:

• Можливість з одного обороту коленвала зняти потужність, в півтора-1.7 рази перевищує ту, яка виробляється класичним мотором з газорозподільним механізмом. Цей параметр має більше значення для тихохідної морської техніки і моделей поршневий авіації.
• За рахунок особливостей конструкції ДВС має менші габарити і вага. Цей параметр дуже важливий для легкої техніки, наприклад, скутерів. Раніше такі силові агрегати (зазвичай їх обсяг не перевищував 1.7 літра) встановлювалися в малолітражних автомобілях. У таких модифікаціях забезпечувалася кривошипно-камерна продування. Деякі моделі вантажівок теж оснащувалися двотактними моторами. Зазвичай обсяг таких ДВС становив мінімум 4.0 літра. Продування в таких модифікаціях здійснювалася прямоточним типом.
• Їх деталі менше зношуються, так як рухомі елементи для досягнення того ж ефекту, що і в 4-тактних аналогах, виконують в два рази менше рухів (два такту суміщені в один хід поршня).

4-тактний мотор

Незважаючи на ці плюси, у двотактної модифікації двигунів є істотні недоліки, через які поки не практично використовувати її в автомобілях. Ось деякі з цих мінусів:

• Карбюраторні моделі працюють з втратою свіжого заряду ВТС в процесі продувки камери циліндра.
• У 4-тактном варіанті відпрацьовані гази видаляються більшою мірою, ніж у розглянутого аналога. Причина тому, що в 2-тактнікі під час продування поршень не досягає верхньої мертвої точки, а цей процес забезпечується тільки під час його невеликого ходу. Через це деяка частина повітряно-паливної суміші потрапляє в випускний тракт, а в самому циліндрі залишається більше відпрацьованих газів. Щоб знизити кількість незгорілого палива в вихлопі, сучасні виробники розробили модифікації з інжекторної системою, але і в цьому випадку неможливо повністю видалити залишки горіння з циліндра.
• Ці мотори більш ненажерливі в порівнянні з 4-тактними модифікаціями з ідентичним об'ємом.
• Для продувки циліндрів в інжекторних моторах використовуються турбонагнетатели з великою продуктивністю. У таких моторах повітря витрачається в півтора-два рази більше. З цієї причини потрібно установка особливих повітряних фільтрів.
• При досягненні максимальних обертів 2-тактний агрегат створює більше шуму.
• Вони сильніше димлять.
• На низьких оборотах вони створюють сильні вібрації. Різниці у одноциліндрових моторів з чотирма і двома тактами в цьому відношенні немає.

Що стосується довговічності двотактних двигунів, то існує думка, що через погану мастила вони швидше виходять з ладу. Але, якщо не брати до уваги агрегати для спортивних мотоциклів (більших обертів швидше виводять з ладу деталі), то в механіці працює ключове правило: чим простіше конструкція механізму, тим довше він прослужить.

У 4-тактніков більшу кількість дрібних деталей, особливо в газорозподільному механізмі (про те, як працюють фази газорозподілу, читайте тут), Які в будь-який момент можуть зламатися.

Як видно, розвиток двигунів внутрішнього згоряння до сих пір не зупинилося, тому хто знає, який прорив в цій області здійснять інженери. Поява нової розробки двотактного двигуна подає надії, що в найближчому майбутньому автомобілі будуть оснащуватися легкими і більш продуктивними силовими агрегатами.

На завершення пропонуємо подивитися на ще одну модифікацію двотактного мотора з поршнями, що рухаються назустріч один одному. Правда, цю технологію можна назвати інноваційною, як у випадку Хофбауера, тому що такі ДВС почали використовуватися ще в 1930-х роках у військовій техніці. Однак для легкового транспорту подібні 2-тактнікі ще не застосовувалися:

Приголомшливий Двигун З Зустрічним Рухом Поршнів 2018

Питання та відповіді:

Що означає 2-х тактний двигун? На відміну від 4-тактного двигуна всі такти виконуються за один оберт колінчастого валу (за один хід поршня виконується два такти). У ньому процес наповнення циліндра та його провітрювання поєднані.

Як змащується двотактний двигун? Змащування всіх внутрішніх поверхонь двигуна, що труться, здійснюється за рахунок масла, що знаходиться в паливі. Тому масло в такому двигуні потрібно постійно доливати.

Як працює 2 тактний двигун? У цьому ДВЗ чітко виражені два такти: стиснення (поршень рухається до ВМТ і поступово перекриває спочатку продувне, а потім випускне вікно) і робочий хід (після займання ВТС поршень рухається до НМТ, відкриваючи ті ж вікна для продування).