Двухтактный двигатель в автомобиле

Мир автомобилей повидал немало разработок силовых агрегатов. Одни из них так и застыли во времени из-за того, что у конструктора не было средств для дальнейшего развития своего детища. Другие оказались малоэффективными, поэтому у таких разработок не было перспективного будущего.

Помимо классического рядного или V-образного мотора производители выпускали автомобили и с другими конструкциями силовых агрегатов. Под капотом некоторых моделей можно было увидеть двигатель Ванкеля, боксер (или оппозитный), водородный мотор. Некоторые автопроизводители до сих пор могут использовать такие экзотические силовые агрегаты в своих моделях. Помимо этих модификаций история знает еще несколько успешных нестандартных моторов (о некоторых из них есть отдельная статья).

Сейчас поговорим о таком двигателе, с которым практически никто из автомобилистов не сталкивается, если не говорить о необходимости покосить траву газонокосилкой или спилить дерево бензопилой. Это двухтактный силовой агрегат. В основном эта разновидность двс используется в мототехнике, в танках, поршневой авиации и т.д., но крайне редко в машинах.

Также двухтактные двигатели пользуются большим успехом в мотоспорте, так как у этих агрегатов есть существенные преимущества. Во-первых, на небольшой литраж у них огромная мощность. Во-вторых, благодаря упрощенной конструкции эти двигатели имеют небольшой вес. Эти факторы очень важны для спортивного двухколесного транспорта.

Рассмотрим особенности устройства таких модификаций, а также возможно ли использовать их в автомобилях.

Что такое двухтактный двигатель?

Впервые патент на создание двухтактного двс появился в начале 1880-х годов. Разработку представил инженер Дуглад Клерк. В устройство его детища входило два цилиндра. Один был рабочим, а другой нагнетал свежую порцию ВТС.

Спустя 10 лет появилась модификация с камерной продувкой, в которой уже не было нагнетательного поршня. Этот мотор спроектировал Джозеф Дэй.

Параллельно с этими разработками Карл Бэнц создавал собственный газовый агрегат, патент на производство которого появился в 1880-м году.

Двухтактный двигун, как следует из его названия, за один поворот коленчатого вала выполняет все такты, необходимые для подачи и сгорания воздушно-топливной смеси, а также для удаления продуктов горения в выхлопную систему транспорта. Эту способность обеспечивает особенность конструкции агрегата.

За один ход поршня в цилиндре выполняется два такта:

1. Когда поршень находится в нижней мертвой точке, цилиндр продувается, то есть удаляются продукты горения. Этот такт обеспечивается поступлением свежей порции ВТС, которая вытесняет выхлоп в выпускной тракт. В этот же момент происходит такт наполнения камеры свежей порцией ВТС.
2. Поднимаясь к верхней мертвой точке, поршень закрывает впускное и выпускное отверстие, благодаря чему обеспечивается сжатие ВТС в надпоршневом пространстве (без этого процесса невозможно эффективное сгорание смеси и нужной отдачи силового агрегата). В тот же момент в полость под поршнем всасывается дополнительная порция смеси воздуха и топлива. В ВМТ поршня создается искра, воспламеняющая воздушно-топливную смесь. Начинается рабочий ход.

На этом цикл мотора повторяется. Получается, в двухтактнике все такты выполняются за два хода поршня: пока он движется вверх и вниз.

Устройство двухтактного двигателя?

Классический двухтактный ДВС состоит из:

• Картера. Это основная часть конструкции, в которой при помощи шариковых подшипников закреплен коленвал. В зависимости от размеров цилиндропоршневой группы на коленчатом валу будет соответствующее количество кривошипов.
• Поршня. Это деталь в виде стакана, который закреплен на шатуне, подобно аналогу, использующемуся в четырехтактных моторах. В нем сделаны канавки для компрессионных колец. От плотности посадки поршня, как и в других разновидностях моторов, зависит КПД агрегата во время сгорания ВТС.
• Впускного и выпускного отверстий. Они сделаны в самом корпусе ДВС, куда подсоединены впускной и выпускной коллекторы. Газораспределительного механизма в таком двигателе нет, благодаря чему двухтактники обладают небольшим весом.
• Клапана. Эта деталь предотвращает выброс воздушно-топливной смеси обратно во впускной тракт агрегата. Когда поршень поднимается, под ним создается разрежение, перемещающее заслонку, через которую в полость поступает свежая порция ВТС. Как только происходит такт рабочего хода (сработала искра и смесь загорелась, перемещая поршень к нижней мертвой точке), этот клапан закрывается.
• Компрессионных колец. Это такие же детали, как и в любых других двигателях внутреннего сгорания. Их размеры подбираются строго под размеры конкретного поршня.

Конструкция двухтактника Хофбауэра

Из-за многих инженерных препятствий идею использования двухтактных модификаций в легковом автотранспорте до недавнего времени не получалось реализовать. В 2010-м году был совершен прорыв в этом отношении. Компания EcoMotors получила приличную инвестицию от Билла Гейтса и фирмы Khosla Ventures. Причиной таких растрат послужила презентация оригинального оппозитного двигателя.

Хотя такая модификация уже давно существует, Петер Хофбауэр создал концепцию двухтактника, который работал по принципу классического боксера. Компания назвала свое произведение ОРОС (переводится как оппозитные цилиндры и оппозитные поршни). Работать такой агрегат может не только на бензине, но и на дизеле, однако разработчик пока остановился на твердом топливе.

Если рассматривать в этом качестве классическую конструкцию двухтактника, то по идее его можно использовать в подобной модификации и устанавливать на легковой 4-колесный транспорт. Можно было бы, если бы не экологические стандарты и дороговизна топлива. В процессе работы обычного двухтактного ДВС часть воздушно-топливной смеси удаляется через выпускное отверстие в процессе продувки. Также в процессе сгорания ВТС сжигается и масло.

Несмотря на большой скептицизм инженеров ведущих автопроизводителей, двигатель Хофбауэра открыл двухтактникам возможность попасть под капот элитных автомобилей. Если сравнивать его разработку с классическим оппозитником, то новинка на 30 процентов легче, так как его конструкция насчитывает меньше запчастей. Также агрегат демонстрирует более эффективную выработку энергии в процессе работы по сравнению с четырехтактным боксером (повышение КПД в пределах 15-50 процентов).

Первая рабочая модель получила маркировку ЕМ100. Как заявляет разработчик, вес мотора составляет 134 кг. Его мощность составляет 325 л.с., а крутящий момент – 900Нм.

Особенность конструкции нового боксера заключается в том, что в одном цилиндре расположено два поршня. Они закреплены на одном коленчатом валу. Сгорание ВТС происходит между ними, благодаря чему высвобождающаяся энергия одновременно воздействует на оба поршня. Этим объясняется такой огромный крутящий момент.

Противоположный цилиндр настроен так, чтобы он срабатывал асинхронно с соседним. Благодаря этому обеспечивается плавность вращения коленвала без рывков со стабильным крутящим моментом.

В следующем видео сам Петер Хофбауэр наглядно демонстрирует, как работает его мотор:

opoc engine how it works.mp4

Рассмотрим подробней его внутреннее строение и общую схему работы.

Турбонаддув

Турбонаддув обеспечивается крыльчаткой, на валу которой установлен электрический двигатель. Хотя он частично будет работать от потока выхлопных газов, электронаддув позволяет крыльчатке быстрее набирать обороты и создавать напор воздуха. Чтобы компенсировать энергозатраты на раскрутку крыльчатки, устройство генерирует электричество, когда на лопасти действует давление выхлопных газов. Электроника также контролирует поток выхлопа, чтобы снизить загрязнение окружающей среды.

Этот элемент в инновационном двухтактнике довольно спорный. Чтобы быстро создать необходимый напор воздуха, электромотор будет расходовать приличное количество энергии. Для этого будущий автомобиль, в котором будет применяться данная технология, должен будет оснащаться более производительным генератором и аккумуляторными батареями с увеличенной емкостью.

На сегодняшний день эффективность электронаддува пока остается на бумаге. Производитель утверждает, что такая система улучшает продувку цилиндра, и вместе с тем позволяет извлечь максимум выгоды от двухтактного цикла. В теории эта установка позволяет в два раза увеличить литровую мощность агрегата, если сравнивать его с четырехтактными аналогами.

Внедрение такого оборудования однозначно сделает силовую установку более дорогостоящей, из-за чего пока дешевле использовать мощный и прожорливый классический ДВС, чем новый облегченный оппозитник.

Стальные шатуны

По своей конструкции агрегат напоминает двигатели ТДФ. Только в данной модификации встречные поршни приводят в движение не два коленвала, а один за счет длинных шатунов внешних поршней.

Внешние поршни в моторе закреплены на длинных стальных шатунах, которые соединены с коленвалом. Он расположен не по краям, как в классической модификации боксера, которая применяется в военной технике, а между цилиндрами.

Внутренние элементы тоже соединены с кривошипно-шатунным механизмом. Такое устройство позволяет извлекать больше энергии из процесса сгорания воздушно-топливной смеси. Мотор ведет себя так, словно в нем установлены кривошипы, которые обеспечивают увеличенный ход поршня, но при этом вал сохраняет компактные размеры и имеет небольшой вес.

Коленчатый вал

Мотор Хофбауэра имеет модульную конструкцию. Электроника способна отключать часть цилиндров, благодаря чему автомобиль может быть более экономичным, когда на ДВС оказывается минимальная нагрузка (например, при крейсерской скорости по ровной трассе).

В 4-тактных моторах с непосредственным впрыском (подробно о разновидностях систем впрыска читайте в другом обзоре) отключение цилиндров обеспечивается прекращением подачи топлива. В этом случае поршни все равно перемещаются в цилиндрах за счет вращения коленвала. Просто в них не происходит сгорание топлива.

Что касается инновационной разработки Хофбауэра, то отключение пары цилиндров обеспечивается специальной муфтой, установленной на коленчатом валу между соответствующими парами цилиндр-поршень. При отключении модуля муфта просто отсоединяет ту часть коленвала, которая отвечает за данную секцию.

Так как движущиеся поршни в классическом 2-тактном ДВС на холостом ходу все равно будут всасывать свежую порцию ВТС, в данной модификации этот модуль вообще перестает работать (поршни остаются обездвиженными). Как только нагрузка на силовой агрегат повышается, в определенный момент муфта подключает неработающую секцию коленвала, и мотор увеличивает мощность.

Цилиндр

Классические 2-тактники в процессе проветривания цилиндра выбрасывают в атмосферу часть несгоревшей смеси. Из-за этого транспорт, оснащенный таким силовым агрегатом, не способен соответствовать экологическим стандартам.

Чтобы исправить этот недостаток, разработчик двухтактного оппозитника спроектировал особенную конструкцию цилиндров. В них также сделаны впускные и выпускные отверстия, но их расположение снижает вредные выбросы.

Как работает двухтактный ДВС

Особенность работы классической двухтактной модификации заключается в том, что коленвал и поршень находятся в полости, заполненной воздушно-топливной смесью. На впускном отверстии установлен впускной клапан. Его наличие позволяет создать давление в полости под поршнем, когда он начинает движение вниз. Этот напор ускоряет продувку цилиндра и удаление отработанных газов.

Когда поршень перемещается внутри цилиндра, он поочередно открывает/закрывает впускное и выпускное отверстия. По этой причине конструктивные особенности агрегата позволяют не использовать газораспределительный механизм.

Чтобы трущиеся элементы чрезмерно не изнашивались, они нуждаются в качественной смазке. Так как данные моторы имеют простое строение, они лишены сложной системы смазки, которая доставляла бы масло к каждой детали ДВС. По этой причине в топливо добавляют некоторое количество моторного масла. Для этого используется специальная марка для двухтактных агрегатов. Этот материал должен сохранять смазывающие свойства при высоких температурах, а при сгорании вместе с топливом не оставлять нагара.

Хотя двухтактные двигатели не нашли широкое применение в автомобилях, история знает периоды, когда под капотом некоторых грузовых (!) автомобилей стояли именно такие моторы. Примером тому служит дизельный силовой агрегат ЯАЗ.

В 1947-м году на 7-тонные грузовики ЯАЗ-200 и ЯАЗ-205 устанавливался рядный 4-цилиндровый дизель данной разработки. Несмотря на большой вес (около 800 кг.), агрегат имел меньшие вибрации, чем многие ДВС отечественных легковых автомобилей. Причина в том, что в устройство этой модификации входит два вала, которые синхронно вращаются. Этот уравновешивающий механизм гасил большинство вибраций мотора, из-за которых деревянный кузов грузовика быстро рассыпался бы.

Подробней о работе 2-тактных моторов рассказывается в следующем видео:

2 ТАКТА. Попробуем понять...

Где нужен двухтактный мотор

Устройство 2-тактного мотора более простое по сравнению с 4-тактным аналогом, благодаря чему их применяют в тех отраслях, где вес и объемы имеют большее значение, чем расход топлива и другие параметры.

Так, подобные моторы устанавливаются на легких колесных газонокосилках и ручных триммерах для садоводов. В руках держать тяжелый мотор очень затрудняет работу в саду. Эта же концепция прослеживается при изготовлении бензопил.

От веса водного и авиатранспорта также зависит его эффективность, поэтому производители идут на компромисс с большим расходом топлива ради создания более легких конструкций.

Однако 2-таткники используются не только в сельскохозяйственной и некоторых разновидностях авиатехники. В авто/мотто спорте вес играет не меньшее значение, чем в планерах или газонокосилках. Чтобы болид или мотоцикл развивал большую скорость, конструкторы, создавая такой транспорт, используют облегченные материалы. Подробно о том, из каких материалов изготавливаются кузова автомобилей, рассказывается здесь. По этой причине данные двигатели имеют преимущество перед тяжелыми и сложными в техническом плане 4-тактных аналогов.

Вот небольшой пример эффективности двухтактной модификации двс в спорте. Начиная с 1992-го года, на мотогогонках MottoGP в некоторых мотоциклах использовался японский V-образный двухтактный мотор с 4-мя цилиндрами Honda NSR500. При объеме в 0.5 литра этот агрегат развивал 200 лошадиных сил, а коленчатый вал раскручивался до 14 тысяч оборотов в минуту.

Крутящий момент в 106 Нм. достигался уже на 11.5 тысячах. Пиковую скорость, которую был способен развить такой малыш, составляла более 320 километров в час (в зависимости от веса мотоциклиста). Вес самого двигателя составлял всего 45кг. На один килограмм веса транспорта приходится почти полторы лошадиные силы. Большинство спорткаров позавидует такому соотношению мощности и веса.

Сравнение двухтактного и четырехтактного двигателя

Спрашивается, почему тогда машина не может иметь такой производительный агрегат? Во-первых, классический двухтактник самый неэкономный агрегат из всех, которые используются в автотранспорте. Причина тому в особенностях продувки и наполнении цилиндра. Во-вторых, что касается гоночных модификаций, подобных Honda NSR500, то из-за высоких оборотов рабочий ресурс агрегата очень маленький.

К преимуществам 2-тактного агрегата перед 4-тактным аналогом относятся:

• Возможность с одного оборота коленвала снять мощность, в полтора-1.7 раза превышающую той, которая вырабатывается классическим мотором с газораспределительным механизмом. Этот параметр имеет большее значение для тихоходной морской техники и моделей поршневой авиации.
• За счет особенностей конструкции ДВС имеет меньшие габариты и вес. Этот параметр очень важен для легкой техники, например, скутеров. Раньше такие силовые агрегаты (обычно их объем не превышал 1.7 литра) устанавливались в малолитражных автомобилях. В таких модификациях обеспечивалась кривошипно-камерная продувка. Некоторые модели грузовиков тоже оснащались двухтактными моторами. Обычно объем таких двс составлял минимум 4.0 литра. Продувка в таких модификациях осуществлялась прямоточным типом.
• Их детали меньше изнашиваются, так как подвижные элементы для достижения того же эффекта, что и в 4-тактных аналогах, выполняют в два раза меньше движений (два такта совмещены в один ход поршня).

4-тактный мотор

Несмотря на эти плюсы, у двухтактной модификации двигателей есть существенные недостатки, из-за которых пока не практично использовать ее в автомобилях. Вот некоторые из этих минусов:

• Карбюраторные модели работают с потерей свежего заряда ВТС в процессе продувки камеры цилиндра.
• В 4-тактном варианте отработанные газы удаляются в большей степени, чем у рассматриваемого аналога. Причина тому, что в 2-тактнике при продувке поршень не достигает верхней мертвой точки, а этот процесс обеспечивается только во время его небольшого хода. Из-за этого некоторая часть воздушно-топливной смеси попадает в выпускной тракт, а в самом цилиндре остается больше отработанных газов. Чтобы снизить количество несгоревшего топлива в выхлопе, современные производители разработали модификации с инжекторной системой, но и в этом случае невозможно полностью удалить остатки горения из цилиндра.
• Эти моторы более прожорливые по сравнению с 4-тактными модификациями с идентичным объемом.
• Для продувки цилиндров в инжекторных моторах используются турбонагнетатели с большой производительностью. В таких моторах воздуха расходуется в полтора-два раза больше. По этой причине требуется установка особенных воздушных фильтров.
• При достижении максимальных оборотов 2-тактный агрегат создает больше шума.
• Они сильнее дымят.
• На низких оборотах они создают сильные вибрации. Разницы у одноцилиндровых моторов с четырьмя и двумя тактами в этом отношении нет.

Что касается долговечности двухтактных двигателей, то бытует мнение, что из-за плохой смазки они быстрее выходят из строя. Но, если не брать во внимание агрегаты для спортивных мотоциклов (большие обороты быстрее выводят из строя детали), то в механике работает ключевое правило: чем проще конструкция механизма, тем дольше он прослужит.

У 4-тактников большее количество мелких деталей, особенно в газораспределительном механизме (о том, как работают фазы газораспределения, читайте здесь), которые в любой момент могут сломаться.

Как видно, развитие двигателей внутреннего сгорания до сих пор не остановилось, поэтому кто знает, какой прорыв в этой области совершат инженеры. Появление новой разработки двухтактного двигателя подает надежды, что в ближайшем будущем автомобили будут оснащаться легкими и более производительными силовыми агрегатами.

В завершение предлагаем посмотреть на еще одну модификацию двухтактного мотора с поршнями, двигающимися навстречу друг другу. Правда, эту технологию нельзя назвать инновационной, как у варианта Хофбауэра, потому что такие двс начали использоваться еще в 1930-х годах в военной технике. Однако для легкового транспорта подобные 2-тактники еще не применялись:

Ошеломляющий Двигатель Со Встречным Движением Поршней 2018

Вопросы и ответы:

Что значит 2 х тактный двигатель? В отличие от 4-тактного мотора все такты выполняются за один оборот коленчатого вала (за один ход поршня выполняется два такта). В нем процесс наполнения цилиндра и его проветривания совмещены.

Как смазывается двухтактный двигатель? Смазка всех трущихся внутренних поверхностей двигателя осуществляется за счет масла, находящегося в топливе. Поэтому масло в таком моторе нужно постоянно доливать.

Как работает 2 тактный двигатель? В этом ДВС четко выражены два такта: сжатие (поршень движется к ВМТ и постепенно перекрывает сначала продувочное, а затем выпускное окно) и рабочий ход (после воспламенения ВТС поршень движется к НМТ, открывая те же окна для продувки).