Для того чтобы лучше понять — чем, собственно говоря, не угодил несчастный потомок антикварной конструкции Ленуара «зеленым», экологам и прочим «гринписам», рассмотрим, как, собственно, ЭТО работает на примере двигателя с дефлекторной продувкой (поршень с козырьком).

 

Первое и самое главное отличие бензинового двухтактника, скажем, от дизельного (а есть и такие) — это отсутствие специального механизма газораспределения. Все процессы впуска-выпуска осуществляются самим поршнем, который открываетзакрывает необходимые окна в стенках гильзы цилиндра. При этом разряжение и частичное поджатие рабочей смеси, состоящей из масла, бензина и воздуха, осуществляется в картере. В итоге последний исполняет роль своеобразного компрессора.

 

Принцип действия двухтактного двигателя

 

Первый такт. При ходе поршня вверх рабочая смесь сжимается — происходит такт сжатия. В это же самое время под поршнем в картере образуется разряжение, в начинающее приоткрываться впускное окно 1 в картер начинает заходить рабочая смесь (см. рис.1). Как только поршень оказывается в верхней мертвой точке (ВМТ), такт сжатия завершается (рис.2). В этот же самый момент впускное окно в картере открывается полностью, рабочая смесь продолжает поступать. По другую сторону поршня срабатывает зажигание, начинается рабочий ход, поршень идет вниз.

 

Второй такт. Опускаясь вниз, поршень перекрывает впуск (рис.3), и поступление бензо-масло-воздушной смеси в картер прекращается. Рабочий ход продолжается до тех пор, пока опускающийся поршень своим верхним срезом не начнет открывать выпускное окно 2 (рис. 4). Через выпускное окно отработавшие газы, еще сохранившие давление, начинают вырываться наружу. Одновременно в картере продолжается предварительное сжатие рабочей смеси, которое началось после закрытия выпускного окна.

 

 

 

Продолжая движение вниз, поршень открывает перепускное окно 3 (рис.5). Сжатая в картере смесь по перепускному каналу устремляется в цилиндр. Горючая смесь выталкивает отработавшие газы. Данный процесс называется перепуском или продувкой. При этом продолжается выпуск.

 

В момент, когда поршень доходит до нижней мертвой точки (НМТ), перепуск свежей смеси идет через полностью открытое перепускное окно, а отработавшие газы покидают цилиндр через полностью открытое выпускное окно (рис.6). Как только поршень начинает подниматься и перекрывает перепускное окно, выпускное все еще остается открытым. Выпуск при этом продолжается, и вместе с отработавшими газами уходит и часть рабочей смеси. Причем ее потери могут составлять 15-30% в зависимости от конструкции мотора (рис. 7). Далее поршень закрывает выпускное окно и начинает сжатие (рис.8)

Схема, двухтактный двигатель, дефлекторная продувка
Схема работы двухтактного двигателя с дефлекторной продувкой

 

ЕСТЬ ЛИ В ДВУХТАКТНОМ ДВИГАТЕЛЕ КЛАПАНЫ?

 

Главная проблема при конструировании двухтактников состоит и состояла в том, что при продувке впуск свежей смеси и выпуск отработавших газов происходят одновременно. Из-за чего часть газов остается в цилиндре, а часть смеси «выплевывается» в выхлопную трубу. Это приводит, во-первых, к повышенному расходу топлива. А во-вторых, смесь перемешивается с остатками отработавших газов, что уменьшает объем рабочей смеси в цилиндрах и несколько препятствует ее сгоранию.

 

Решить проблему можно только при помощи правильной организации движения потоков газов. В ранних версиях двухтактников для этого применяли поршни с козырьком-дефлектором, отбивавшим поток смеси вверх. Это так называемая дефлекторная продувка. Впрочем, примерно с середины 50-х годов за счет правильно рассчитанных формы, количества и расположения окон удалось обойтись без сложных по форме поршней, склонных к перегреву и дальнейшему прогару. В таких моторах горючая смесь движется по петле, подымаясь к свече . А чтобы еще уменьшить количество бессмысленно выброшенного в трубу топлива, на выпускных окнах примерно с 70-х годов начали устанавливать особую подпружиненную заслонку, работающую от разрежения в картере. Она автоматически уменьшает сечение выпускных окон на малых оборотах.

возвратнопетлевая продувка, поршневоегазораспределение
Двухтактный двигатель с возвратнопетлевой продувкой и поршневым газораспределением

Следующий важный момент (после продувки) — это собственно система впуска смеси в картер. Она может быть поршневой, клапанной и золотниковой. Поршневая система малоэффективна и потому использовалась в основном на малофорсированных двухтактниках старой конструкции. Типичный пример — трехцилиндровый мотор Wartburg-353. Причина проста — поршень слишком быстро закрывает впускные каналы, из-за чего объем воздуха, масла и бензина, попавших в цилиндры, меньше теоретически возможного. Положение можно исправить путем долгой и сложной настройки множества параметров. Например, оптимальную степень сжатия в картере, длины, сечения и формы впускного коллектора, диаметра диффузора карбюратора и т.д.

 

 

 

Однако гораздо проще и эффективнее продлить впуск смеси во впускной коллектор, установив почти сразу после карбюратора пластинчатые автоматические клапаны (обычно стальные, пластиковые или из бериллиевой бронзы). Благодаря клапанам горючая смесь еще некоторое время входит даже после начала сжатия в картере. В настоящий момент клапанное газораспределение — самое популярное среди двухтактников мощностью 10-300 л.с. В первую очередь, за счет простоты и дешевизны клапанов самых разных разновидностей и форм (начиная от лепестков, расположенных в форме звезды, и заканчивая рядными клапанами, установленными «домиком»).

возвратно-петлевая, дефлекторная продувка
Слева дефлекторная продувка, справа — возвратно-петлевая

Третий вариант, считающийся самым эффективным, — это золотниковый механизм впуска. Обычно золотники устанавливались прямо на противовесы коленчатого вала (пример — двигатель Trabant 601). Они позволяют настроить открытие и закрытие впускного окна в картер в любой момент, независимо от положения поршня. Именно золотниковое управление всасыванием обеспечивает наилучшее наполнение кривошипной камеры. Поэтому золотники часто применяли на гоночных моторах. Однако по причине сложности изготовления и сравнительно малого ресурса самих золотников (из-за трения о стенки картера) эта схема ныне почти не применяется.

 

ДОСТОИНСТВА — НЕДОСТАТКИ

 

Первое преимущество вытекает из самого рабочего процесса. Поскольку в двухтактном двигателе в сравнении с четырехтактным количество рабочих ходов в два раза больше, двухтактник обладает пусть и не удвоенной, но все равно весьма солидной литровой мощностью. В среднем она получается на 50-70% больше, чем у аналогичного по рабочему объему четырехтактника. К примеру, советский спортивный подвесной лодочный мотор «Ветерок-100» (ГЛМ-4), выпущенный в середине 70-х годов прошлого столетия, рабочим объемом 496 см3 развивал мощность 100 л.с. при 9000 об/мин (т.е. 200 л.с. с литра!).

Схема, работа, клапанный впуск
Схема работы клапанного впуска

Не отставали от него и автомобильные модификации. Гоночные версии двигателей Wartburg-353 (рабочий объем 992 см3 ) без особых проблем раскручивали до 10000 об/мин. Мощность составляла 200 л.с. И это без всяких наддувов, впрысков, закиси азота и т.д. Добавим, что степень сжатия оставалась откровенно «несерьезная» — всего-то 8,5. Окончательно сражал вес — 45 кг для ГЛМ-4, где не менее 1/3 массы приходилось на редуктор, дейдвуд, винт и прочие водомоторные «заморочки».

 

 

 

Из повышенной литровой мощности вытекает и второе преимущество — малый вес и компактные размеры. Тридцатисильный мотор (без навесного) легко помещается в среднюю сумку. Литровый 50-60-сильный от Wartburg вполне можно унести вдвоем. Третье, очень важное преимущество — простота конструкции и, как следствие, повышенная надежность. Потому нет ничего удивительного, что до недавнего времени двухтактный мотор господствовал на воде. Ведь для водителя моторной лодки, попавшего в шторм, заглохший двигатель не просто неприятность, а, скорее всего, быстрая смерть под волнами вместе с перевернувшимся судном.

Трехцилиндровый двухтактный мотор, объем 992 см3
Трехцилиндровый двухтактный мотор Wartburg-353W (1974-1985 гг.) рабочим объемом 992 см3 отличается не только малым весом и компактными размерами (помещается в сумку), но легкостью демонтажа-установки. При некотором опыте замена мотора осуществляется силами двух человек менее, чем за два часа.
 

К сожалению, за все это приходится платить увеличенным на 10-30% расходом топлива, увеличенным расходом масла, а также повышенным содержанием вредных веществ в отработавших газах. Особенно много выбрасывается в атмосферу оксидов азота (NOx) из-за высокой температуры сгорания и углеводородов CH (несгоревшее топливо и масло). Кроме того, двухтактники потребляют в среднем на 50% больше масла. Причем не абы какого, а только специального двухтактного с пониженной зольностью.

 

МАСЛО МАСЛЯНОЕ

 

Система смазки у большинства двухтактных моторов отсутствует как явление. Масло просто смешивают с бензином в пропорции от 1:16 до 1:50 в зависимости от конструкции двигателя. Понятно, что это создает дополнительные трудности при эксплуатации, ибо сначала приходится заливать бензин в канистру, потом добавлять туда масло, энергично трусить, и лишь после этого заливать получившуюся смесь в бак. Именно поэтому в Германии, как в Восточной, так и в Западной получили распространение двухтактные бензоколонки. В них масло с бензином смешивались непосредственно во время заправки. Работа на масле с бензином имеет массу недостатков. Примесь масла в топливе понижает детонационную стойкость горючей смеси. Но главное — это то, что для каждого режима работы требуется свое содержание масла в бензине. Например, если для холостых оборотов достаточно пропорции 1:70 или даже 1:150, то для движения на максимальной скорости требуется уже 1:16 или 1:13.

схема, раздельная смазка
Мотоциклетная схема раздельной смазки. Подобные применялись и на автомобилях. Слева Jamaha, справа Suzuki. 1. Масляный бак. 2. Рукоять газа. 3. Трос управления насосом (подачей масла). 4. Масляный насос. 5. Маслопроводы. 6. Привод насоса.

Если мы делаем смесь из расчета на максимальную мощность, на малых и средних оборотах масло сгорает не до конца, образуя большое количество нагара на поршне, в камере сгорания и на окнах. Из-за этого поршневые кольца быстро теряют подвижность, выпускные окна забиваются, а твердые частички несгоревших присадок пилят зеркала цилиндров. И тем самым резко снижают ресурс. Кроме того, нагар может вызвать детонацию и калильное зажигание, что приводит к прогару поршня и разрушению колец.

 

 

 

И это притом, что мы применяем специальное двухтактное масло, рассчитанное на быстрое и максимально беззольное сгорание вместе с бензином. Если же заливать обыкновенное моторное масло для четырехтактных двигателей, ситуация с нагаром будет еще хуже. Что приведет к многократному сокращению ресурса. К примеру, для советских подвесных моторов «Вихрь-20» и «Москва-25» 1968-69 годов выпуска, в которые заливали обычное автомобильное масло от «Москвичей», нормальным считался ресурс в … 500 часов! В то время как их зарубежные собратья ходили как минимум 2000 часов. Мотор Wartburg-353 на неправильном масле обычно работает 30-60 тыс. км против 150-200 тыс. км на двухтактном масле.

двигатель DKW, Sonderklasse (1940 г.)
Четырехцилиндровый двухтактный двигатель DKW Sonderklasse (1940 г.) с собственной системой смазки и поршневым продувочным компрессором, установленным в общий блок цилиндров.
 

Именно поэтому уже в 60-х годах появились двухтактные двигатели с раздельной смазкой. Масляный насос подавал масло либо только во впускной коллектор, а в наиболее продвинутых системах (DKW F12, Suzuki Fronte 500) еще и к подшипникам коленчатого вала, верхним шатунным подшипникам и к поршням. Это, конечно, усложняло конструкцию, но зато позволяло резко уменьшить расход масла на прогар и увеличить моторесурс двигателя.

 

 

 

Но наиболее радикально решили проблему инженеры DKW Паффрату и Геле еще в 30-х годах. Специально для заднеприводного DKW Sonderklasse (выпускался до 1940 года) они создали уникальный V-образный мотор с четырьмя цилиндрами и поршневым продувочным компрессором, встроенным прямо в блок цилиндров. При рабочем объеме 780 см3 мощность составляла 22 л.с. (позже 32 л.с.). Поскольку теперь рабочая смесь не пропускалась через картер, двигатель получил нормальную «четырехтактную» систему смазки. К сожалению, конструкцию посчитали слишком дорогой и после войны о ней забыли примерно до 1989 года. Именно тогда инженеры ГДР сделали решительную, но все же не доведенную до ума попытку снабдить сильно модифицированный двигатель Wartburg приводным компрессором G-Lader от Volkswagen. Увы, дальше экспериментов дело не пошло.

 

ЭТАПЫ БОЛЬШОГО ПУТИ

Suzuki Fronte 500, раздельная система смазки
Suzuki Fronte 500 с раздельной системой смазки

Славная история бензинового двухтактного двигателя началась в конце XIX века. Правда, первые работоспособные конструкции появились несколько раньше, благодаря немцу Ю. Зейланду (1875 г.) и англичанину Дугальду Клерку (1880 г.). К Первой мировой войне двухтактный бензиновый мотор уже прочно обосновался на мотоциклах, преимущественно на легких, а также начал завоевывать водные просторы. 22 августа 1911 года американский изобретатель Оле Эвинруд получает патент на первый в мире подвесной лодочный мотор мощностью 1,5 л.с. Двухтактный, разумеется.

 

 

 

Следующим важным этапом стало начало выпуска велосипедных двухтактников немецким предпринимателем датского происхождения Йоргеном Скафте Расмуссеном в 1919 году на его собственном предприятии — DKW. Очень скоро он переходит на массовый выпуск мотоциклов, а с 1928 года и автомобилей. Именно благодаря DKW начался настоящий бум двухтактников на транспорте, продолжавшийся вплоть до начала 60-х годов. В это время по дорогам Старого и Нового Света разъезжали сотни тысяч Auto-Union 1000S и DKW Junior, а также их восточноевропейских родичей в лице Wartburg и Тrabant с двухтактными моторами конструкции DKW (еще довоенной). Не остались в стороне шведы и японцы в лице фирм SAAB (моторы по лицензии DKW) и Suzuki.

 

В это же время гениальный немецкий конструктор Ганц Шеренберг делает решительную попытку раз и навсегда избавиться от всех недостатков двухтактника, устанавливая на малолитражку Gutbrod Superior (1952 год) непосредственный впрыск бензина топливным насосом высокого давления (ТНВД) дизельного типа. Увы, конструкция появилась преждевременно. Об экологии тогда еще никто не думал. А расход бензина у маломощных двухтактников был не столь уж и высок, чтобы ради его снижения переплачивать за сложную топливную аппаратуру. Единственной уступкой стало введение раздельной системы смазки на автомобилях DKW в начале 60-х.

Trabant601 1955 Goliath
Один из самых известных двухтактных автомобилей в мире — Trabant 601 1955 Goliath

Однако безоблачное существование двухтактников закончилось уже в 1966 году. В преддверии введения в США очередных экологических норм, VW, которому к тому времени достались марки Auto-Union и DKW, а также и SAAB, меняют двухтактные силовые установки на четырехтактные. В этом не было ничего удивительного. Ведь львиная доля выпущенных немцами и шведами машин уходила на богатый североамериканский рынок. Второй сдалась фирма Suzuki уже 1982 году и, наконец, последними распрощались с двухтактной техникой восточные немцы в конце 80-х (двухтактники некоторое время выпускались параллельно с четырехтактниками). А вскоре не стало ни Wartburg, ни Тrabant, ни, собственно,

 

ГДР. ПРЯМОЙ ВПРЫСК КАК СПАСАТЕЛЬНЫЙ КРУГ

 

Последним двухтактным заповедником, где не стеснялись экспериментировать с моторами большой мощности, стал водный транспорт. Здесь моторостроители не торопились отправлять двухтактники на свалку истории. Подчиняясь давлениюобщественности, они последовательно вводили раздельные системы смазки и дожиг масла в глушителе, что позволило резко уменьшить выброс CH в воду. А в середине 80-х годов Brunswick Mercury Marine и Outboard Marine (OMC) почти одновременно приобретают у австралийской фирмы Orbital Engine Corporation лицензию на производство двигателей с непосредственным впрыском бензина в цилиндры. Чуть позже разработками Orbital заинтересовалась корпорация Chrysler, построившая в 1991 году двухтактный концепткар Dodge Neon.

Bosch, система впрыска, Ганц Шеренберг
Система впрыска Bosch для двухтактных двигателей конструкции Ганца Шеренберга: 1 — масляный бак; 2 — вентиляционная труба; 3 — топливный бак; 4 — фильтр; 5 — нагнетательный топливопровод; 6 — маслопровод; 7 — впрыскивающая форсунка; 8 — свеча зажигания; 9 — перепускной клапан; 10 — впрыскивающий топливный насос; 11 — пневматический регулятор; 12 — штуцер трубки, создающей разрежение у мембраны регулятора; 13 — цилиндр двигателя; 14 — вал привода подкачивающего и впрыскивающего топливных насосов; 15 — гибкий трос; 16 — масляный насос с регулируемой подачей; 17 — подкачивающий топливный насос

Идея, посетившая Ральфа Сарича, руководителя австралийской фирмы Orbital, была во многом позаимствована у Шеренберга, а также у американской компании McCulloch, экспериментировавшей с непосредственным впрыском для двухтактников в начале 60-х годов. Принцип работы был прост: впрыскивать топливо непосредственно в цилиндры уже после закрытия впускных и выпускных окон. Тогда продувка будет осуществляться одним воздухом, что позволяло сэкономить от 10 до 40% бензина соответственно на полных и средних оборотах. На холостых же расход топлива падал на 80%! Но главное — при этом резко снизилось содержание CH и CO в отработавших газах.

 

 

 

Правда, при продувке цилиндров воздухом неизбежно повышалась концентрация NOx. При этом тогдашние катализаторы не могли нейтрализовать NOx, при наличии кислорода в выхлопе. А когда такие нейтрализаторы появились, исчезла сама корпорация Chrysler. А руководство новорожденного концерна DaimlerChrysler, вероятно, просто не решилось вкладывать деньги в двухтактники. В итоге непосредственный впрыск на двухтактных двигателях пока прижился в основном на подвесных моторах. Первым стал Mercury со своей моделью 200 DFI, дебютировавшей в 1996 году на лодочном салоне в Париже. Затем подтянулась OMC, чуть позже японцы в лице Yamaha, Tohatsu, а затем и последний европейский производитель лодочных моторов — итальянская Selva. Естественно, что мнения, как именно надо подавать бензин в цилиндры, разделились.

 

 

Первому варианту, который получил название Orbital–процесс, отдали предпочтение Mercury (OptiMax) и Tohatsu (TLDI). Суть его состоит в том, что бензин впрыскивается в цилиндр не в чистом виде, как общепринято, а одновременно с воздухом, и попадает в камеру сгорания в виде прекрасно распыленной порции маленьких капелек, диаметром около 10 микрон. Получается сравнительно простая конструкция с низким давлением впрыска (7,3 атм), что положительно сказывается на надежности. Правда, пришлось пойти на серьезное усложнение в виде поршневого компрессора, подающего воздух в форсунки. Интересно, что на холостом ходу масло подается в соотношении 300- 400:1, а на максимальных оборотах 60:1. Причем масло впрыскивается в самые ответственные места двигателя, а его подачу, работу системы впрыска и зажигания контролирует компьютер ECU, снимающий показания со множества датчиков.

 топливо-воздушная смесь, впрыск, Orbital

Схема работы впрыска Orbital. В камеру сгорания впрыскивается не топливо, а топливо-воздушная смесь

 

Второй вариант предложила OMC, ныне входящая в состав канадского концерна Bombardier Recreational Products (BRP). Электронная система впрыска FichtRam образца 1995 года, модернизированная в 2000 году, включала в себя топливный насос, подающий бензин под давлением 2,1 атм в электромагнитные насос-форсунки. При этом была использована послойная схема зажигания, подобная той, что ныне применяется на многих автомобильных моторах (свеча поджигает облачко богатой смеси, а та воспламеняет бедную смесь). Правда, только до достижения 1200 об/мин. После чего мотор работает на гомогенной смеси. Ныне на подвесниках OMC устанавливается система E-TEC, отличающаяся от FichtRam большей надежностью и мягкостью работы.

SAAB 93, компоновка, автомобиль
Компоновка типичного двухтактного автомобиля 60-х годов прошлого столетия. Здесь изображен SAAB 93

Третий вариант HPDI в исполнении Yamaha практически ничем не отличается от автомобильного непосредственного впрыска. Точно так же, как и у сухопутно-четырехтактных «коллег», бензин впрыскивается в цилиндры при помощи электромагнитных форсунок и ТНВД под давлением 69 атм. А при работе на оборотах меньше 2500 применяется принципиально похожее на OMC E-TEC послойное воспламенение смеси.

 

 

 

Естественно, что система HPDI также не смогла обойтись без электронного управления в лице компьютера и множества датчиков, которые следят в частности за положением дроссельной заслонки, температурой двигателя и воздуха, давления топлива и воздуха и т.д. Все как в автомобильных моторах! Интересно, что максимальные мощности супердвухтактников уже добрались до 250-300 л.с. (пример — Evinrude E250DPL, Yamaha Z300). И это явно не предел. И очень жаль, что консерватизм автомобилестроителей мешает триумфальному возвращению двух тактов на бренную землю.

 

Фото под заголовком статьи: SAAB 96.

Все фотографии, использованные в статье, взяты из коллекции автора.

 

Статья была опубликована в мартовском номере журнала "Наука и техника" за 2011 год

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!