Обзор двухтактных дизелей, часть 2

В первой части статьи мы говорили о принципах двухтактных двигателей и разобрали схему двухтактного двигателя со встречно-движущимися поршнями на примере советских и британских танковых дизелей. Теперь мы рассмотрим двигатели с клапанно-щелевой продувкой и петлевой продувкой Шнюрле. Последняя тема особенно интересна, поскольку о развитии двухтактных дизелей Klöckner-Humboldt-Deutz времён Второй мировой войны мало кто знает. После поражения Германии многие наработки были утеряны, опытные образцы по большей части пропали, а сохранившиеся описания осели в архивах. Многие сведения из этой статьи впервые публикуются на русском языке. А публиковать есть что: немцы не только развивали вторую линейку двухтактных авиадизелей Dz 710 параллельно с двигателями Junkers, но и первыми в мире спроектировали специальный танковый двухтактный дизель.

Второй путь: двухтактные дизели с клапанами
У двухтактных двигателей со встречно-движущимися поршнями есть ряд достоинств. Они позволяют отказаться от клапанов и в то же время эффективно продувать цилиндры, а за счёт того, что камера сгорания образуется между двумя поршнями, уменьшается теплоотдача в воду (поскольку охлаждаемая водой поверхность сводится к минимуму). Однако из-за длинных цилиндров эти двигатели получаются или низкими и широкими, или узкими и высокими, что не всегда удобно. А когда инженеры пытались соединить несколько рядов цилиндров, на свет появлялись монструозные конструкции вроде Fairbanks-Morse Diamond, Napier Deltic или Jumo 223.

Двухтактный дизель Napier Deltic с тремя рядами по 6 цилиндров и 12 поршней каждый

Модель Napier Deltic C18 (E185) на скромные 5500 л.с.

Но что если нам нужен более традиционный и компактный дизель в габаритах обычного рядного или V-образного двигателя? В этом случае можно перейти к классической схеме с одним поршнем в цилиндре и заменить выходные окна на клапаны по типу четырёхтактных моторов. Этот способ продувки называется клапанно-щелевым: свежий воздух поступает через впускные окна (щели или множество круглых окошек) в нижней части цилиндра, а отработавшие газы удаляются через выпускные клапаны. Двигатели с клапанно-щелевой продувкой более гибкие в компоновке, они могут быть рядными или V-образными, однако за это приходится платить введением клапанов и распределительных валов.

Иллюстрация клапанно-щелевой продувки Detroit Diesel 71

Значительное развитие двухтактные дизели водяного охлаждения с клапанно-щелевой продувкой получили в США. В 30-х годах корпорация General Motors задумала линейку универсальных двухтактных дизелей, более лёгких, чем имеющиеся большие двигатели для генераторов и поездов. Для производства этих дизелей в 1938 году было организовано подразделение Detroit Diesel.

Дизели этой линейки известны как Detroit Diesel Series 71, поскольку объём цилиндра составлял 1,2 литра или 71 кубический дюйм. Первым в 1938 году появился рядный 6-цилиндровый дизель 6-71, за ним последовали рядные моторы с 2, 3 и 4 цилиндрами (под названиями 2-71, 3-71 и 4-71 соответственно), а самым маленьким в семействе был одноцилиндровый мотор 1-71. В 50-х годах появились и V-образные модели, например, 12-цилиндровый 12V-71. Двигатели этого семейства устанавливались на грузовики, автобусы и суда, а также на бронетехнику включая танки.

Характерная черта линейки 71 — клапанно-щелевая продувка. Роторный нагнетатель типа Рутс подаёт воздух в особую полость вокруг цилиндра с множеством круглых окон. Поршень уходит вниз и открывает множество круглых окошек, создающих воздушный вихрь. Тем временем отработавшие газы выдуваются через клапаны, а цилиндр продувается насквозь. В зависимости от требуемой мощности производились версии с двумя или четырьмя клапанами на цилиндр. Кроме того, в рядных моторах нагнетатель Рутс, стартер, выхлопная система и другое оборудование могут быть смонтированы на любой стороне двигателя для удобства компоновки. В целом дизель хорошо сбалансирован, распределительный вал не нарушает симметрию, поскольку с другой стороны имеется балансировочный вал. Для охлаждения дно поршня интенсивно омывается маслом.

GMC 6046 — спарка двух 6-71. Возможность установки нагнетателя и воздушных фильтров с любой стороны оказалась очень кстати.

Чертёж GMC 6046

После вступления США во Вторую мировую войну выпуск дизелей 71-ой линейки был доведён до 6 тысяч ежемесячно. Вариант двигателя 6-71 под индексом General Motors 6004 ставился на танки Valentine, а General Motors 6046, спарка из двух 6-71, применялся на танках M3A3 и M4A2, а также на самоходных орудиях M10 и M36B2. Ещё шире дизели серии 71 использовались на флоте.

В СССР не только применяли американские танки с двухтактными дизелями, но и строили гусеничные тягачи Я-12 с двигателями 4-71. После войны было освоено производство двухтактных дизелей ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206 — фактически 4-71 и 6-71 с небольшими изменениями. Качество советских дизелей было ниже американских, да и культура обслуживания оставляла желать лучшего, поэтому эти двигатели имели посредственную репутацию, дескать, что взять с якобы примитивных устаревших и неудачных двухтактников. Основные проблемы, насколько можно судить по многочисленным высказываниям, были с уходом дизеля в разнос, а также с непредсказуемым запуском, когда коленвал начинал вращаться в противоположном направлении. В дальнейшем мы ещё упомянем возможность двухтактных дизелей работать с вращением коленвала в обе стороны. Что до ухода в разнос, когда дизель неконтролируемо повышает свои обороты и не останавливается даже после перекрытия подачи топлива, то на этот случай была предусмотрена заслонка, перекрывающая доступ воздуха к нагнетателю. Само собой, если дизель начинает пожирать масло вместо солярки, он продолжит работать даже при перекрытой подаче топлива, поэтому необходимо прекратить подачу воздуха, без которого горение невозможно.

Схема подачи воздуха в ярославских двухтактных дизелях. Обратите внимание на заслонку для глушения двигателя и упрощённую гильзу цилиндра с одним рядом круглых окошек.

На своё время дизели серии 71 были довольно продвинутыми конструкциями с высокими удельными показателями, поэтому они требовали соответствующего качества изготовления и обслуживания. Например, Ярославский завод не смог освоить производство долговечных тонкостенных гильз с 64 отверстиями диаметром 8 мм в два ряда и был вынужден перейти к гильзам с одним рядом из 17 отверстий диаметром 16 мм. Так что за фразами вроде «заменили допотопный двухтактник на нормальный четырёхтактный дизель» скрывается банальное «неосилили». Американцы же успешно развивали это направление до середины 1990-х годов, когда выпуск коммерческих двухтактных дизелей завершился из-за несоответствия новым экологическим нормам. Однако дизели General Motors всё ещё выпускаются для военных. Например, на бронетранспортёре M113 стоит двухтактный V-образный дизель 6V53.

Наш разговор о Detroit Diesel будет неполным без упоминания его волшебного звука работы. Так как в двухтактном дизеле каждый оборот коленвала рабочий, то в сравнении с четырёхтактными моторами возникает ощущение, будто он работает на очень высоких оборотах. Не зря детройтские двухтактники прозвали Screaming Jimmy, то бишь кричащим Джимми. Отмотайте видео на 5:30 и убедитесь сами:

Наконец, хочется остановить недоразумение, связанное с обозначением нагнетателя типа Рутс. Как его у нас его только не записывают: РУТ, Рут, типа Рута и так далее. Между тем, всё просто. Нагнетатель этого типа был запатентован в Америке братьями Рутс (Roots) в 1866 году. Изначально братья Рутс наладили производство нагнетателей для вентиляции помещений, а позже их идея была применена и на двигателях внутреннего сгорания. Поэтому данный нагнетатель правильно обозначается как Roots blower — нагнетатель Рутс.

Третий путь: петлевая продувка
В описанных выше двигателях разными способами реализована самая эффективная прямоточная продувка. В первом случае за это приходится платить неудобством в компоновке и наличием второго коленвала (или же дополнительных коромысел), а во втором использованием клапанной системы. Между тем, двухтактный цикл привлекал инженеров как раз возможностью построить более простой механически бесклапанный двигатель с компактными головками цилиндров.

Представим простейший двухтактный бесклапанный двигатель с одним поршнем в цилиндре. Окна впуска и выпуска находятся напротив друг друга внизу цилиндра. Проблема в том, что при такой схеме будет хорошо продуваться лишь нижняя часть цилиндра, но что делать с верхней? В некоторых двигателях вместо поперечной устраивали дефлекторную продувку. На поршне имелся выступ (дефлектор), по форме напоминающий козырёк. Благодаря нему воздух направлялся вверх для более качественной продувки, однако сложная форма камеры сгорания ухудшает рабочий процесс.

Схема двухтактного двигателя с дефлектором на поршне. При его отсутствии верхняя часть поршня продувалась бы очень плохо.

Проект двухтактного дизеля воздушного охлаждения фирмы Porsche для Volkswagen показывает другое решение проблемы: поршень имеет выпуклую форму

В 1925 году немецкий инженер Адольф Шнюрле (Adolf Schnürle) запатентовал более эффективный способ петлевой продувки, при котором возможно иметь поршень оптимальной формы (его приоритет оспаривается, но для нашего повествования это не принципиально). Идея очень проста: впускные и выпускные окна расположены рядом, но форма впускных окон подобрана таким образом, что воздух устремляется к стенке цилиндра под углом вверх, отражается от неё и образует петлю. Выпускные окна находились несколько выше впускных чтобы дать больше времени на удаление отработавших газов. Обратная петлевая продувка улучшила характеристики двухтактных двигателей практически без усложнения конструкции.

Схема обратной петлевой продувки Шнюрле. Два потока свежего воздуха отражаются от стенки и образуют петлю.

Адольф Шнюрле работал на фирме Klöckner-Humboldt-Deutz, где при его участии был создан целый ряд двухтактных дизелей для различного применения. В 1935 году KHD получила заказ от Рейхсминистерства авиации на создание двухтактных авиадизелей. Работу вела группа инженеров под руководством Шнюрле. В 1937 году был спроектирован звездообразный восьмицилиндровый двухтактный дизель Dz 700 воздушного охлаждения. Диаметр цилиндров составлял 80 мм, что при ходе 100 мм давало суммарный объём 4 литра. Мощность двигателя весом 55 кг составляла около 160 л.с. при 2700 об/мин. Всего было построено четыре опытных образца, которые прошли стендовые испытания. В 1938 году был подготовлен проект 6-цилиндрового дизеля воздушного охлаждения объёмом 3,8 литра (благодаря увеличению диаметра до 90 мм объём уменьшился незначительно) для тренировочных самолётов с упором в минимальное число деталей и максимальную надёжность. Он был построен в единственном экземпляре. Отметим, что оба этих двигателя назывались Dz 700, то есть данное обозначение относилось ко всей программе, а не к конкретному изделию.

Восьмицилидровый двухтактный авиадизель Dz 700. В отличие от других образцов, он каким-то образом смог уцелеть

Параллельно с Dz 700 фирма KHD проводила исследования одноцилиндровых макетов, которые послужили основой для проектов мощных двухтактных бензиновых и дизельных авиамоторов мощностью 3000-4000 л.с. С началом Второй мировой войны все работы по дизелям для малой авиации были остановлены и это направление вышло на первый план. Теперь KHD получила задание на создание мощных двигателей для тяжёлых бомбардировщиков. В ответ инженеры предложили проекты двухтактных бензиновых оппозитных авиамоторов водяного охлаждения Dz 710 с обратной петлевой продувкой и непосредственным впрыском топлива. Как и в случае с Dz 700, это название отсылает к семейству проектов. В октябре 1940 года был предложен 24-цилиндровый двигатель из двух 12-цилиндровых оппозитных блоков один над другим взлётной мощностью 4000 л. с. Он предназначался для бомбардировщиков и конкурировал с линейкой многорядных двухтактных авиадизелей Junkers. Его лётные испытания намечались на 1945 год.

Ранний проект 24-цилиндрового двухтактного авиамотора водяного охлаждения

В 1942 году с ростом требований инженеры KHD переключились на 16- и 32-цилиндровые авиамоторы большей мощности. Были проведены обширные испытания одно- и двухцилиндровых макетов и началось изготовление трёх 16-цилиндровых двигателей мощностью 2700 л.с. у земли. 32-цилиндровый H-образный двигатель назывался Dz 720, по другим данным Dz 710P2. Его мощность планировали довести до 6000 л.с.

16-цилиндровый двухтактный авиадизель Dz 710

Испытательный стенд на заводе в Оберурзеле, где велись работы по линейке Dz 710

В 1943 году для программы настают тяжёлые времена. Из-за ухудшающейся обстановки на фронтах разработки KHD потеряли приоритет, а контракт был урезан на 2/3. Однако инженеры защищали свои наработки, указывая, что двигатели Dz 710 гораздо более простые механически, чем многорядные Jumo 223 и Jumo 224 с четырьмя коленвалами. И хотя Dz 710 потерял актуальность как массовый двигатель для бомбардировщиков, у немцев ещё был интерес к мощным авиадизелям для дальних перелётов. Поэтому во время переговоров KHD с Junkers было решено переделать Dz 710 в двухтактный дизельный двигатель. Дальнейшие работы по дизельным Dz 710 проводились в опытном порядке до конца войны. Незадолго до захвата завода союзниками 16-цилиндровый дизель Dz 710 за номером VI развил мощностью 2360 л.с. при 2700 об/мин.

Чертёж одноцилиндрового макета Dz 710, на котором видна конфигурация окон: выходные сделаны выше и потому дольше остаются открытыми для более качественной продувки. Фотография
Calum Douglas (https://www.calum-douglas.com/)

32-цилиндровый Dz 720

В дальнейшем следы двухтактных авиадизелей KHD теряются. Известно, что двигатели были вывезены в США для исследований, однако 16- и 32-цилиндровые Dz 710 и Dz 720 исчезли и сегодня известны лишь по фотографиям. Dz 700 повезло куда больше. Существует предположение, что он был установлен на самолёт и после аварии попал к торговцу металлолома в 1964 году. Затем он находился в музее, а в 90-х годах его выкупил немецкий коллекционер. Правда, остаётся вопрос, как уникальный опытный авиадизель был установлен на самолёте и каковы были результаты его эксплуатации.

После захвата KHD, осмотра последних разработок и допросов персонала союзники выяснили следующее. Как рассказал инженер Ганс Драйер (Ing. Hans Dreyer), фирма KHD сделала ставку на двухтактные дизельные двигатели с продувкой Шнюрле воздушного охлаждения при малых диаметрах цилиндров и водяного при больших. Эксперименты показали, что быстроходные двухтактные дизели нормально охлаждаются воздухом при диаметре цилиндра 100 мм и меньше. При испытании макета двухтактного дизеля воздушного охлаждения с цилиндром диаметром 110 мм возникли серьёзные проблемы с неравномерным и недостаточным охлаждением, поэтому для многоцелевого наземного дизеля были выбраны цилиндры диаметром 90 мм. Чертежи и макеты этих двигателей были уничтожены во время войны. В отличие от американцев, немцы предпочитали бесклапанные двигатели. По мнению Драйера, если проектировать двухтактный двигатель с клапанами, то с таким же успехом можно было сделать и четырёхтактный мотор.

Двухцилиндровый макет T2M114 со снятыми головками цилиндров (фотография Harold Biondo https://www.patreon.com/haroldbiondo/posts)

В 1942 году немецкий флот заказал морской дизельный двигатель мощностью 400 л.с. Инженеры KHD подготовили проект 12-цилиндрого V-образного двухтактного дизеля водяного охлаждения диаметром 130 мм и ходом 140 мм. В рамках этой программы был построен двухцилиндровый макет T2M114, который выдал 70 л.с. при 1600 об/мин, что соответствовало продолжительному режиму и давало 420 л.с. у полного 12-цилиндрового двигателя. Двухтактный бесклапанный двигатель с обратной петлевой продувкой интересовал моряков возможностью реверса: в отличие от четырёхтактного, двухтактный бесклапанный двигатель может работать при любом направлении вращения коленвала. Многие чертежи этого двигателя были утеряны во время эвакуации, однако сохранились материалы по двухцилиндровому макету.

Чертёж T2M114 (фотография Harold Boindo)

Гильза T2M114 с 10 впускными и 3 большими выпускными окнами (фотография Harold Boindo)

Ближе к концу 1943 года KHD по заданию OKH начала работы по двухтактному танковому дизелю водяного охлаждения T8 M118 (встречается другое название TM118) мощностью 700 л.с. при 2000 об/мин. Поскольку этот двигатель требовалось вписать в имеющиеся моторные отделения, рассчитанные на компактные карбюраторные моторы Maybach, инженеры выбрали V-образную 8-цилиндровую схему под углом 90 градусов. При диаметре 170 мм и ходе 180 мм объём двигателя составлял 32,7 литра. Обратная петлевая продувка осуществлялась центробежным вентилятором в развале цилиндров. При 2000 об/мин коленвала его скорость составляла 7560 об/мин. По словам Книпкампа, продувка осуществлялась от отдельного вспомогательного мотора, но подтверждений этому я не нашёл.

Сперва были построены и испытаны два одноцилиндровых макета, которые выдали 86,5 л.с. при 2000 об/мин, что соответствовало 692 л. с. полного двигателя (позже мощность планировали довести до 800 л.с.). Затем был получен заказ на три двигателя. Немцы успели изготовить детали для сборки двигателя, но большая их часть была утеряна во время эвакуации в Ульм. Идея создать морскую версию этого двигателя продолжительной мощностью 550 л.с. при 1500 об/мин осталась на бумаге.

Двухцилиндровый макет T8M118. На данный момент это единственная известная мне иллюстрация, касающаяся этого двигателя.

T8 M118 ожидался к осени 1945 года и оценивался как тяговитый и простой в производстве. При его создании активно использовался богатый опыт линейки Dz 710. Если Гитлер и Заур предпочитали четырёхтактные дизели воздушного охлаждения, то Управление вооружений продвигало двухтактный дизель водяного охлаждения. Не зря T8 M118 был одним из перспективных вариантов силовой установки для E 50 и E 75. На допросе Книпкамп сказал, что если бы перед ним стояла задача создать танковый двигатель мощностью 1000 л.с. за десять лет, то при наличии единственного варианта он бы выбрал двухтактный дизель водяного охлаждения.

Вместо послесловия
Эта статья постепенно выросла из моих исследований темы двухтактных дизелей, поэтому в конце я приведу несколько мыслей на этот счёт.

Во-первых, японские двухтактные танковые дизели воздушного охлаждения попросту выдуманы. Вопреки утверждениям, которые можно встретить в нашей литературе, японцы использовали обычные четырёхтактные дизели на танках. Чертежи наглядно показывают, что они не могут работать по двухтактному циклу в принципе. Об этом я уже писал в соответствующей заметке. Однако мимо двухтактных дизелей японцы не прошли: на современном танке Type 90 стоит двухтактный дизельный двигатель водяного охлаждения.

Во-вторых, несмотря на стереотипы о нацистском танкостроении, именно немцы первыми в мире спроектировали специальный танковый двухтактный дизель — T8M118. Да, американцы ещё раньше наладили производство танков с двухтактными дизелями линейки Detroit Diesel 71, но это была адаптация имеющихся двигателей в условиях дефицита моторов. Но если говорить о разработке специального двигателя для танков, то здесь первыми были именно немцы. Причём в отличие от других танковых двухтактных дизелей, у T8M118 была продувка Шнюрле.

В-третьих, двухтактные дизели бывают очень, очень разными, поэтому простые ответы на сложные вопросы обычно не работают. Сколько я видел высказываний вроде «зря столько возились с 5ТДФ, он же двухтактный» или «вот и британцы поставили нормальные дизели вместо двухтактных». Однако проблема 5ТДФ и ему подобных заключается в попытке получить как можно больше удельной мощности. Само собой, работающий в напряжённом режиме двигатель требует кропотливого доведения до ума. И двухтактный цикл был лишь средством для достижения этой цели, а не корнем всех бед.

На своё время 5ТДФ был очень сложным и дорогим в изготовлении двигателем с очень высокими удельными показателями. T8M118, напротив, создавался с упором в простоту производства и использовал менее эффективный тип продувки, а его литровая мощность была на уровне четырёхтактного дизеля Sla 16 с наддувом, что более чем вдвое ниже, чем у раннего 5ТДФ. Оба этих двигателя — двухтактные дизели, но двухтактный цикл в них использовался для достижения разных целей.

Источники

• А. С. Антонов, Б. А. Артамонович, Б. М. Коробков, Е. И. Магидович. Танк — Военное издательство министерства обороны СССР, 1954
• В. В. Чобиток, М. В. Саенко, А. А. Тарасенко, В. Л. Чернышев. Основной танк Т-64. 50 лет в строю — Яуза, 2016
• Энциклопедический справочник Машиностроение под редакцией академика Е. А. Чудакова, том 10 — Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1948
• Серийный авиационный дизельный двигатель Jumo-205. Германия
• Двигатель 5ТДФ. Техническое описание — Военное издательство министерства обороны СССР, 1977
• Исследование технологичности английских танковых двигателей «Л-60» и «К-60» (Вестник бронетанковой техники. № 2/1974 г.)
• Двигатели ЯАЗ-М204 и ЯАЗ-М206 (описание и инструкция по эксплуатации)
• Who IS Roots? And Why Does He Have a Blower Named After Him?
• Vickers — Examination & Testing of Auxiliary Gasoline Driven Hydraulic Power Unit for German Tank Turret (https://www. patreon.com/haroldbiondo/posts)
• Commer TS3 & Two Stroke Diesels (фотоальбом)
• BIOS Final Report 1391 — Development of Loopscavenged Two-cycle High-speed Compression Ignition Engines of Small Bore (https://www.patreon.com/haroldbiondo/posts)
• BIOS Final Report No.343. German Diesel Engine Industry (прислал Calum Douglas https://www.calum-douglas.com/)
• William Pearce. Klöckner-Humboldt-Deutz (KHD) Dz 700, Dz 710, and Dz 720
• Helmut Hujer. Die Entwicklung von Großflugmotoren in Oberursel 1941 bis 1945
• Museumsführer zum Werksmuseum Motorenfabrik Oberursel
• Report on Interrogation of Dipl.-Ing. Ernest Kniepkamp (tank engines)

Обзор двухтактных дизелей, часть 1

Просматривая материалы по Е-серии я заинтересовался упоминаниями двухтактного танкового дизельного двигателя TM118 фирмы Klöckner-Humboldt-Deutz, который, возможно, был первым специализированным танковым двухтактным дизелем в мире. Углубившись в тему я пробежался и по другим танковым, авиационным, морским и стационарным двухтактным дизелям, уделяя основное внимание их принципиальным особенностям. Попутно небольшая заметка для себя превратилась в такую объёмную статью, что её пришлось разделить на две части.

Эта статья — лишь описание базовых принципов с поверхностным обзором избранных конструкций, на большее она не претендует. Но и в таком виде она будет полезной. Я неоднократно встречал заблуждения вроде «двухтактные дизели примитивны, там нужно подмешивать масло в топливо» или «какой же это двухтактник, у него есть клапаны». Надеюсь, этот обзор поможет избежать подобных заблуждений.

КДДДПВ:

Всё повествование разделено на несколько глав по типам продувки, поскольку именно они во многом определяют своеобразие двухтактных моторов. Сегодня мы рассмотрим кривошипно-камерную продувку, а также схему со встречно-движущимися поршнями и прямоточной продувкой, а в следующий раз речь пойдёт о двигателях с клапанно-щелевой продувкой и петлевой продувкой Шнюрле.

Суть вопроса
Прежде всего рассмотрим фундаментальную разницу между двухтактными и четырёхтактными двигателями. Как следует из названия, в четырёхтактном двигателе рабочий цикл проходит за два оборота коленвала, что соответствует четырём тактам — ходам поршня. Каждый второй оборот коленвала отводится на такты впуска и выпуска. Сперва поршень идёт вверх и принудительно выдувает отработавшую смесь практически без остатка, а затем уходит в нижнюю мёртвую точку закачивая в цилиндр чистый воздух.

Впуск и выпуск в четырёхтактном двигателе

В двухтактном двигателе рабочий цикл проходит за один оборот коленвала, что соответствует двум ходам поршня. Впуск свежего воздуха (или рабочей смеси) и выпуск отработавших газов происходят практически одновременно, этот процесс называется продувкой цилиндра. Он начинается в конце рабочего такта и заканчивается в начале такта сжатия. Этот фундаментальный принцип совмещения продувки с тактами сжатия и расширения во многом определяет особенности конструкции двухтактных ДВС, а также их достоинства и недостатки.

В отличие от четырёхтактного, в двухтактном двигателе каждый оборот коленвала рабочий, поэтому при том же объёме цилиндра на тех же оборотах мы можем получить в 1,5-1,7 раз больше мощности. Почему не в два раза? Это связано с тем, что часть каждого такта отводится на продувку, поэтому некоторый объём цилиндра как бы исключается из работы. Далее, появляется возможность крайне упростить газораспределительный механизм. В простейшем случае отсутствуют клапаны и распределительные валы, вместо них в цилиндре имеются впускные и выпускные окна. Когда поршень идёт вниз, окна открываются и начинается продувка цилиндра. Затем поршень идёт вверх, перекрывает окна и начинается процесс сжатия.

Цикл двухтактного двигателя. Продувка осуществляется нагнетателем типа Рутс

Обратите внимание: в двухтактном двигателе нужно различать такт сжатия и сам процесс сжатия. В начале такта сжатия окна ещё открыты, поэтому сжатие невозможно. Процесс сжатия начинается лишь после того, как поршень перекрывает окна, и занимает не всё время такта сжатия. Когда мы выше говорили о том, что некоторый объём цилиндра как бы исключается из работы, то имели ввиду как раз эту особенность.

Однако за преимущества приходится платить. Значительное увеличение литровой мощности означает более напряжённый тепловой режим, поэтому мощные двухтактники требуют водяной системы охлаждения. Возникает проблема эффективной продувки цилиндра за крайне ограниченное время, что приводит к более высокому расходу воздуха и мощности на его нагнетание. Последнее, впрочем, отчасти компенсируется отсутствием потерь мощности на холостые обороты коленвала и привод газораспределительного механизма. Наконец, в случае карбюраторных двухтактных двигателей ещё и наблюдается повышенный расход топлива, связанный с тем, что продувка осуществляется не чистым воздухом, а топливо-воздушной смесью.

То, что все знают
В четырёхтактном двигателе впуск и выпуск осуществляются поршнем во время холостого оборота коленвала. В двухтактном же двигателе продувка может производиться как самим поршнем, так и неким отдельным нагнетателем, поэтому возможны различные варианты конструкции. В этой статье мы рассмотрим достоинства двухтактных дизелей и несколько ветвей их развития по типам продувки. Но сперва в качестве отправной точки немного поговорим о простейших двигателях, хорошо знакомых по мотоциклам, бензопилам и прочим генераторам. Это карбюраторные двухтактники с кривошипно-камерной продувкой.

В двигателе с кривошипно-камерной продувкой карбюратор подаёт горючую смесь в картер, объём которого связан с цилиндрами через специальные каналы. Работает это следующим образом. Когда поршень идёт вверх сжимая рабочую смесь, объём картера увеличивается, поэтому в него засасывается горючая смесь из карбюратора. Затем смесь поджигается и поршень идёт вниз, открывая окна впуска и выпуска. Расширяющиеся горячие газы начинают выходить через выпускное окно. Одновременно с этим, раз поршень идёт вниз, в картере создаётся повышенное давление. Это давление вытесняет горючую смесь из картера по каналу через впускное окно в цилиндр. Горючая смесь выдувает остатки отработавших газов, поршень перекрывает окна, сжимает смесь и цикл повторяется снова.

Кривошипно-камерная продувка: поршень идёт вниз и вытесняет смесь в цилиндр по каналу

Главное достоинство двигателя такого типа — крайняя механическая простота и дешевизна. Продувка осуществляется самим поршнем, поэтому не нужен отдельный нагнетатель. Горючая смесь омывает картер, а масло подливается в бензин, так что отдельная система смазки как таковая отсутствует. Нет в этой конструкции и клапанов с распределительными валами. В итоге получается лёгкий, очень простой, компактный и недорогой двигатель. Однако ему присущи серьёзные принципиальные недостатки. Вместе с бензином неизбежно сгорает и масло, что увеличивает его расход и загрязняет выхлоп. Когда открывается выпускное окно, поток отработавших газов создаёт низкое давление и высасывает из цилиндра часть горючей смеси, то есть бензин и масло буквально вылетают в выхлопную трубу, ухудшая экономичность. Во время продувки горючая смесь частично смешивается с отработавшими газами, поэтому качество рабочей смеси оставляет желать лучшего. Наконец, интенсивность продувки зависит от положения заслонки в карбюраторе, поэтому на малых оборотах двигатель может работать нестабильно пропуская рабочие такты.

Двухтактный карбюраторный двигатель DKW ZW500 использовался как вспомогательная силовая установка на Pz.Kpfw.IV. Кривошипно-камерная продувка, два цилиндра, водяное охлаждение, 10 л.с. при 2800 об/мин. Фотография Харольда Биондо (https://www.patreon.com/haroldbiondo/).

У многих людей двухтактные двигатели прочно ассоциируются именно с двигателями с кривошипно-камерной продувкой, отсюда и пренебрежительное отношение к двухтактникам вообще. Действительно, создать мощный, практичный и экономичный танковый или судовой двигатель по описанным выше принципам невозможно. Однако бензиновый двухтактник можно значительно улучшить внедрив непосредственный впрыск топлива. В таком двигателе продувка осуществляется чистым воздухом, а топливо впрыскивается в тот момент, когда окна уже перекрыты. Первым серийным автомобильным двигателем с непосредственным впрыском топлива стал двухтактный бензиновый мотор немецкой фирмы Gutbrod, который ставился в автомобили Superior 700e и Goliath GP700e. Он был мощнее и экономичнее карбюраторных аналогов, вдобавок у него была полноценная система смазки. Однако и стоил он гораздо дороже, поэтому популярностью не пользовался и был снят с производства. В те бедные послевоенные годы немцы скупали автомобили DKW с очень простыми и дешёвыми двухтактными карбюраторными моторами, а о топливной экономичности и грязном выхлопе никто особенно не думал.

Двухтактные дизели
Описанные выше проблемы двухтактных двигателей естественным образом решаются на дизелях водяного охлаждения. Действительно, в дизельном двигателе топливо впрыскивается в сжатый воздух, поэтому цилиндр продувается чистым воздухом и проблема с высасыванием горючего в выхлоп исключена. Дизель экономичен, поскольку более полно использует энергию топлива, отсюда менее напряжённый тепловой режим, что важно для двухтактного двигателя. Четырёхтактный дизель проигрывает бензиновому двигателю по литровой мощности, весу и габаритам, однако двухтактные двигатели отличаются как раз более высокой литровой мощностью. Выходит, двухтактный дизель в наименьшей степени подвержен недостаткам двухтактных двигателей при сохранении высокой литровой мощности. И разумеется, у него возможна полноценная система смазки.

Медитативное видео работы стационарного двухтактного дизеля MODAG. Оператор заснял крупным планом выпускные окна и нагнетатель типа Рутс, подающий воздух в цилиндры

На заре своего развития четырёхтактные дизели были ещё слишком тихоходными, тяжёлыми и громоздкими, что ограничивало их применение. Именно двухтактные дизели сыграли важную историческую роль и принесли высокую топливную экономичность в те области, где ранее царствовали паровые и бензиновые двигатели. И сегодня продолжают выпускаться огромные двухтактные судовые дизели, поскольку они позволяют получить как можно больше мощности на низких оборотах. А вот на грузовиках двухтактные дизельные моторы сдали свои позиции из-за ужесточившихся требований к чистоте выхлопа. Это связано с тем, что какая-то часть масла, смазывающего цилиндры, неизбежно попадает в выпускные окна.

Далее мы рассмотрим три ветви развития двухтактных дизельных двигателей по типам продувки. Основное внимание будет уделено, конечно, мощным танковым и авиационным двухтактным дизелям.

Первый путь: двигатель со встречно-движущимися поршнями
Здравый смысл подсказывает, что для наиболее эффективной продувки цилиндра нужно разместить впускные окна как можно ниже, а выпускные окна как можно выше, тогда воздух будет насквозь продувать весь объём цилиндра снизу вверх, выдувая остатки отработавших газов. Проблема в том, что такой двигатель не сможет работать, ведь поршень в верхней мёртвой точке перекроет лишь впускные окна, а выпускные останутся частично открытыми и сжатия не произойдёт.

Принцип двигателя со встречно движущимися поршнями на примере Fairbanks-Morse

Как совместить отказ от клапанов и распредвалов с эффективной продувкой? Да очень просто. Пусть в каждом цилиндре будет два встречно движущихся поршня, один закрывает впускные окна, а второй выпускные. Так мы получим двухтактный двигатель со встречным движением поршней и прямоточной продувкой — наилучшей из возможных. В рамках обзорной статьи мы не можем долго останавливаться на ранних конструкциях вроде двухтактных двигателей Oechelhäuser и Реймонда Корейво, поэтому сразу перейдём к линейке двухтактных авиадизелей Junkers.

Между мировыми войнами многие пытались создать практичные авиационные дизели, но получилось это лишь у фирмы Junkers. Под руководством Хуго Юнкерса и его последователей была разработана целая линейка авиационных двухтактных дизелей Jumo (сокращение от Junkers Motoren) водяного охлаждения со встречным движением поршней и двумя коленвалами. Эти двигатели не просто прошли испытания, но строились серийно и применялись в гражданской авиации, где в целом хорошо себя показали.

Сравнение авиадизелей Junkers: слева Jumo 205, справа Jumo 204

Главная трудность в создании авиадизеля — обеспечить высокую мощность при небольшой массе и удержать адекватную надёжность с ростом удельных характеристик. Если дизель Jumo 204 весом 750 кг и объёмом 28,5 л выдавал 750 л.с. при 1800 об/мин, то Jumo 205D объёмом 16,6 л весил 595 кг и выдавал 880 л.с. при 2800 об/мин. Это значительные обороты даже по меркам четырёхтактных дизелей тех лет, не говоря уже о двухтактных. Из-за высокой тепловой напряжённости потребовался поршень особой конструкции. У него была жаропрочная накладка с увеличенным уплотнительным кольцом вдобавок к обычным уплотнительным и маслосъёмным кольцам. Она стягивалась специальными шпильками конструкции инженера Герлаха.

Поршень дизеля Jumo 205 с жаропрочной накладкой на шпильках Герлаха. Жаропрочные накладки также использовались на советских и британских танковых двухтактных дизелях.

Сперва инженеры Junkers применяли аналогичные впускные и выпускные окна (как на схеме Fairbanks-Morse выше), но начиная с Jumo 205 большие впускные окна были заменены множеством круглых окошек. Их геометрия была подобрана таким образом, чтобы воздух входил под углом и закручивался вихрем для наилучшей продувки. Давление создавалось турбиной с механическим приводом. Один коленвал был повернут относительно другого на небольшой угол чтобы выпускные окна открывались раньше впускных.

Jumo 205 в разрезе. Снизу множество маленьких окошек для впуска воздуха, сверху большие выпускные окна.

Помимо Германии авиационными дизелями активно занимались в СССР. В 30-х годах ЦИАМ (Центральный институт авиационного моторостроения) изучил двигатель Jumo 204 и представил собственные проекты двухтактных дизелей. После войны советские специалисты ознакомились с последними разработками фирмы Junkers. Опираясь на обширный опыт отдел нефтяных двигателей ЦИАМ под руководством Алексея Чаромского разработал проект 28-цилиндрового двухтактного дизеля М-305 с противоположно-движущимися поршнями мощностью 10000 л.с. Одноцилиндровый испытательный стенд У-305 выдал 350 л.с. при 3500 об/мин в форсированном режиме, что соответствовало 9800 л.с. полного двигателя. Однако после войны происходил переход на турбореактивные двигатели, поэтому необходимость в мощных авиадизелях отпала сама собой.

Изначальный проект Объекта 430 с двухтактным дизелем 4ТД. Удивительно, насколько удалось ужать моторно-трансмиссионное отделение.

Зато появился запрос на новый мощный дизель со стороны танкового конструктора Александра Морозова. Морозов искал пути максимального сокращения объёма моторно-трансмиссионного отделения, поэтому компактный двухтактный дизель с высокой литровой мощностью выглядел хорошим вариантом. Используя богатый опыт по авиадизелям в 1953 году завод №75 подготовил эскизный проект линейки двухтактных дизелей с разным числом цилиндров, научным руководителем выступил профессор Чаромский. Для перспективного танка был утверждён 5-цилиндровый двухтактный дизель со встречно-движущимися поршнями 5ТД. Это был очень компактный многотопливный двигатель объёмом 13,6 л с высокими удельными характеристиками. Он позволял снимать мощность с обоих концов коленвала и как раз помещался между двумя бортовыми коробками передач. Как и на Jumo 205, впуск воздуха происходил через множество круглых окон, а у поршней были жаропрочные накладки на стягивающих шпильках. Приводной центробежный нагнетатель был связан с турбиной, которая использовала энергию выхлопных газов для экономии мощности.

Фотография дизеля 5ТД со стороны турбины

Чертёж 5ТД. Материалы прислал Василий Чобиток

В 1959 году 5ТД испытывался на танке Объект 430 и выдал расчётную мощность 580 л.с. Этот показатель уже не считался достаточным, для будущего Т-64 требовался дизель на 700 л.с. Конечно, можно было добавить ещё один цилиндр и получить двигатель 6ТД, пространства в моторно-трансмиссионном отделении для этого было достаточно. Однако вместо этого было решено форсировать имеющийся пятицилиндровый дизель. Крайне высокая тепловая напряжённость двигателя 5ТДФ требовала фактически авиационных технологий производства, соответствующей культуры обслуживания и применения специальных высокотемпературных масел и присадок в воду для системы охлаждения. Двигатели первых серий были очень проблемными, качество изготовления гуляло от изделия к изделию, а недостатки устранялись в течение многих лет путём проб и ошибок. Надо ли говорить, как это сказалось на репутации двухтактных дизелей. Значительный опыт доведения до ума 5ТДФ был использован на шестицилиндровом 1000-сильном дизеле 6ТД-1, однако его введение задержалось из-за лоббирования танковых газотурбинных двигателей.

Цилиндр 5ТДФ с окнами по типу Jumo 205

Схема подачи чистого воздуха в цилиндры двигателя 5ТДФ

Выход отработавших газов в двигателе 5ТДФ

Двигатели 5ТД и 6ТД интересны не только сами по себе, но и в комплексе технических решений. Для эффективной продувки цилиндров в двухтактном двигателе приходится нагнетать воздух с некоторым избытком, на что требуется расходовать часть мощности. Но на танке Т-64 была применена безвентиляторная эжекционная система охлаждения. Принцип её работы заключался в том, что поток отработавших газов создавал зону низкого давления и засасывал воздух через радиатор. Вдобавок отработавшие газы вращали турбину, соединённую с нагнетателем. Таким образом экономилась мощность двигателя и снижалась температура выхлопных газов, демаскирующих танк. Кроме того, раз камера сгорания находилась между двумя поршнями, то её поверхность, охлаждаемая водой, сводилась к минимуму, что позволяло уменьшить теплоотдачу в воду и сократить площадь радиатора. В сумме эти и другие технические решения давали предельно компактное моторно-трансмиссионное отделение.

Помимо СССР двухтактные танковые дизели со встречно-движущимися поршнями разрабатывались в Великобритании. На танке Chieftain применили шестицилиндровый многотопливный дизель Leyland L60 объёмом 19 литров и мощностью 750 л.с. (позже мощность была доведена до 810 л.с.). В отличие от Т-64, он устанавливался продольно и вертикально, поэтому систему охлаждения расположили слева и справа, а не над ним. Кроме того, сбоку нашлось место для вспомогательного двигателя, тоже двухтактного дизеля. Другой британский шестицилиндровый двухтактный дизель, Rolls-Royce K60 мощностью 240 л.с., в паре с газотурбинным двигателем применялся на шведском танке Strv 103.

Фотография дизеля K60

Дизель K60 в разрезе

Интересно сравнить советские и британские двухтактные дизели. С одной стороны, по удельным характеристикам 5ТДФ далеко впереди. Если L60 с литра выдаёт 38,4 л.с., K60 — 36,6 л.с., то 5ТДФ куда больше — 51 л.с. По габаритной мощности советский дизель и вовсе превосходит K60 более чем в два раза. С другой стороны, за это пришлось заплатить значительно большей ценой и трудоёмкостью изготовления. По оценкам советских специалистов, трудоёмкость L60 и K60 составляет 49% и 23% трудоемкости двигателя 5ТДФ. Это не удивительно. Нагнетатель типа Рутс содержит в три раза меньше деталей (притом, менее точных), чем нагнетатель 5ТДФ. Британские поршни состоят из 15 деталей, а советские из 42. В цилиндре двигателей L60 и K60 предусмотрено 14 и 10 окон соответственно, а в цилиндре 5ТДФ окон 136, и так далее. В целом британский танковый дизель L60 представляется более сбалансированным по соотношению производительности к трудоёмкости изготовления и доведения до ума.

Схема двигателя Commer TS3: окна открыты, осуществляется продувка цилиндра

Поршни сжали воздух, через мгновение начнётся ход расширения

В описанных выше дизелях со встречным движением поршней используется два коленвала. Однако в британском многотопливном трёхцилиндровом дизеле Commer TS3 была принята другая конструкция. Единственный коленвал располагался под цилиндрами, а поршни связывались с ним через коромысла. Этот двухтактный дизель устанавливался на лодки, автобусы и грузовики, в том числе на британский армейский полноприводный грузовик FV13901.

Читать вторую часть…

Могут ли наши автомобили получить двухтактные дизели?

Renault Powerful — это экспериментальный двухцилиндровый двухтактный дизельный двигатель, который был недавно представлен в рамках множества экспериментальных технологий.

Дизельный двигатель, который когда-то был только оплотом грузовиков и европейских легковых автомобилей, с каждым годом становится все более популярным, даже здесь, в Соединенных Штатах. И наоборот, одна технология, которая не так популярна, — это двухтактный двигатель. После успешного использования в нескольких автомобилях на протяжении десятилетий двухтактный двигатель теперь, кажется, в основном ушел в историю, даже будучи в значительной степени узурпирован в небольших приложениях, таких как мотоциклы, газонокосилки и персональные водные транспортные средства.

Вот почему Renault потрясла мир в начале этого месяца, когда они представили двухтактный дизельный двигатель (на фото выше) якобы для возможного будущего автомобильного применения, как часть множества экспериментальных технологий, над которыми они в настоящее время работают. Французский автогигант заявил, что разрабатывает двигатель с рядом партнеров по всей Европе для возможного использования в малолитражках и микроавтомобилях. Этот шаг заставил многих задуматься, сможет ли прочный двухтактный дизель однажды появиться в наших автомобилях?

Этот вопрос интересен для изучения. В настоящее время двухтактный дизель является предпочтительным двигателем для больших океанских судов, супертанкеров и контейнеровозов. Многие дизель-электрические силовые установки, используемые в поездах, также используют двигатели этой конфигурации, которые заряжают аккумуляторы, направляя мощность на колеса с необходимой мощностью через электродвигатель. Однако, несмотря на все преимущества двухтактных двигателей, у них есть несколько косвенных недостатков, которые в значительной степени препятствуют их внедрению в автомобили в последние годы. Конечно, традиционный двухтактный двигатель имеет проблемы с загрязнением окружающей среды. Во многом это связано с тем, что масло необходимо смешивать с топливной смесью. Двигатель не только имеет более высокий процент несгоревшего топлива (основной виновник угарного газа и других загрязняющих веществ), но также производит гораздо больше загрязняющих веществ из-за побочных продуктов сгорания масла. Также возникают проблемы с выходом несгоревшего топлива из выхлопных газов, особенно в более традиционных конструкциях, где цилиндр также служит клапанным механизмом.

Saab Sonnet II, выпускавшийся с 1966 по 1969 год, оснащался рядным трехцилиндровым бензиновым двигателем Saab объемом 764 куб. см. Как один из наиболее известных двухтактных автомобилей, он содержал одну из первых систем «автоматической смазки», в которой топливо и масло добавлялись по отдельности и автоматически смешивались перед подачей на впуск с помощью масляного насоса, установленного на блоке цилиндров.

Есть также причина, по которой этот двигатель используется на больших кораблях и поездах. Хотя двухтактный дизель выдает большую мощность и большой крутящий момент, диапазон мощности двигателя довольно узок по сравнению с другими двигателями. Конечно, это не имеет значения для большого корабля, который целыми днями движется с одной и той же скоростью, или для поезда, в котором двигатель используется только для питания аккумуляторов и генератора. Однако на городском автомобиле, которому необходимо работать в более широком диапазоне оборотов, это может быть проблематично.

Но, несмотря на все недостатки, которые не позволили двухтактному дизелю когда-либо поселиться под капотом наших повседневных водителей, у него есть несколько преимуществ по сравнению с его четырехтактным двоюродным братом. Теоретически двухтактный двигатель может производить вдвое большую мощность, чем четырехтактный, из-за того, что рабочий ход данного цилиндра происходит один раз за каждый оборот коленчатого вала, а не один раз через каждые два, как в четырехтактном; следовательно, двухтактный двигатель может пропорционально производить гораздо большую мощность при меньшем рабочем объеме. Простота двухтактного двигателя также становится преимуществом. Из-за того, что в двухтактном двигателе меньше движущихся частей, можно реализовать гораздо более высокую тепловую эффективность по сравнению с четырехтактным. Мы говорим о 50-процентном тепловом КПД двухтактного дизеля по сравнению с 35-процентным КПД четырехтактного дизеля. В сочетании с более высокой эффективностью дизельного двигателя эта комбинация может дать многообещающие результаты в мире, где эффективность и экономия топлива решают все. Здесь очевидна экономия веса за счет более легкой конструкции, а также более низкие производственные затраты.

Detroit Diesel производил свои двухтактные двигатели Series 71 почти 60 лет, прежде чем эта линия была окончательно прекращена в 1995 году. Здесь изображен двигатель 24V71, представляющий собой 27,9-литровый двигатель V-24 с четырьмя турбонагнетателями. Ходят слухи, что Series 71 наконец-то сняли с продажи из-за плохих показателей выбросов. Миллионы, вероятно, остаются на дорогах в качестве подхалимов, найденных в грузовиках по всему миру.

Хотя перспективы использования двухтактных дизельных двигателей в дорожных автомобилях до сих пор были безрадостными, в этом должны быть хоть какие-то надежды, если Renault инвестирует. Двухтактный дизельный двигатель Renault представляет собой двухцилиндровый двигатель объемом 730 куб. см (0,73 л), называемый «Мощный», который производит около 67 лошадиных сил и 107 футо-фунтов. крутящего момента от 1500 об/мин. В двигателе используется относительно новая технология двойного наддува, которая все чаще используется на современном автомобильном рынке для увеличения мощности. В этой установке используется турбонагнетатель для увеличения мощности в пределах нормального рабочего диапазона двигателя, в то время как нагнетатель, который может иметь или не иметь электрический привод, запускает компрессор на более низких выходных мощностях, когда турбонагнетатель создает недостаточное давление; другими словами, вы пожинаете плоды обеих технологий.

Разумеется, любой двухтактный дизельный двигатель, устанавливаемый на автомобиль, также будет иметь закрытую масляную систему, что устраняет связанные с этим проблемы с выбросами. Вопреки распространенному мнению, двухтактный двигатель не обязан иметь открытую масляную систему, для которой требуется смесь топлива и масла. Это гарантируется только для небольших двигателей, где встроенная система смазки неэффективна с точки зрения затрат и места. Большинство небольших двигателей обычно были двухтактными, следовательно, предполагалось, что двухтактные двигатели не могут иметь автономных систем смазки. Это правда, что открытый картер необходим на двухтактном двигателе, чтобы правильно создать давление на впуске и нагнетать воздух в цилиндр. Однако двухтактные дизели, используемые в коммерческих целях, обходятся без использования закрытого картера с автономной системой смазки, используя нагнетатель или другие средства продувки, чтобы нагнетать достаточное количество воздуха в цилиндр. Во многих случаях для этого использовались более архаичные воздуходувки с вращающимися лопастями в стиле Рутса.

В двигателе Renault используется автономная масляная система, и, похоже, были предприняты другие меры для адаптации двухтактного дизельного цикла к небольшим дорожным автомобилям. Одной из основных проблем, требующих исправления, является подача мощности в более широком диапазоне мощности. Установка с двойным наддувом, несомненно, увеличит мощность двигателя, а наддув, в отличие от турбонаддува, используемого на многих дизелях, позволит повысить производительность в более низких диапазонах. Вполне вероятно, что современные высокотехнологичные технологии наддува обеспечат заметное улучшение по сравнению с традиционными наддувом в стиле Рутса или методами наддува на основе выхлопных газов с точки зрения повышения производительности двигателя в более широком диапазоне. В двигателе Renault также не используется традиционная система «портирования», в которой цилиндр функционирует как клапанный механизм. Фактически, большинство коммерческих двухтактных дизельных двигателей в любом случае используют тарельчатые клапаны для выпуска и сохраняют только традиционную настройку для впуска. Тем не менее, Renault сделала еще один шаг вперед, применив тарельчатые клапаны и для впуска. Это также было сделано Briggs & Stratton на их одноцилиндровом двухтактном двигателе, созданном для их генераторов и газонокосилок. Просто представьте, как впускной клапан открывается, когда цилиндр приближается к нижней мертвой точке, и выпускной клапан открывается, когда поршень приближается к верхней мертвой точке. В двигателе Renault используется сложная система продувки клапанов, чтобы контролировать поток и направление газа. Renault также утверждает, что показатели выбросов CO2 и других выбросов сопоставимы, если не ниже, с другими двигателями того же размера.

Двигатель Renault якобы использует четыре клапана на цилиндр и систему изменения фаз газораспределения. Эти усовершенствования в сочетании с системой впрыска топлива Common Rail высокого давления, впрыскивающей топливо под давлением 2000 бар (29 000 фунтов на кв. дюйм), помогают значительно улучшить характеристики двигателя. Это, вероятно, позволяет двигателю работать лучше и значительно расширяет диапазон мощности двигателя, возможно, до такой степени, что он очень подходит для вождения по городу. Powerful также, по-видимому, создан специально для соединения с бесступенчатой ​​трансмиссией (CVT). Для тех из вас, кто не знаком с вариаторами (на фото ниже), они используют один из нескольких методов, наиболее распространенным из которых являются регулируемые конусы, расположенные напротив, соединенные ремнем или цепью, чтобы обеспечить практически неограниченные передаточные числа. Кроме того, они допускают одно непрерывное переключение, а не отдельные эпизодические передачи. Обилие передаточных чисел позволяет двигателю более адекватно работать в пределах оптимального диапазона топливной экономичности или диапазона мощности. Бесступенчатые трансмиссии также обеспечивают гораздо большую эффективность использования топлива по сравнению с их аналогами с ручным или автоматическим управлением благодаря тому факту, что передаточное число можно мгновенно отрегулировать до наиболее эффективного передаточного числа при заданной мощности.

Вариатор Renault-Nissan уже предлагается на нескольких автомобилях Nissan в США и по всему миру.

Помимо достижения гораздо более высокого теплового КПД по сравнению с четырехтактными дизельными аналогами и создания двигателя, который намного легче, команда Renault утверждает, что добилась отношения мощности к весу, которое в 1,7 раза больше, чем у сопоставимых четырехтактных двигателей. Однако, естественно, Renault и их партнеры не будут удовлетворены, пока это число не приблизится к теоретическому 2.0, возможному в этом сценарии. Французский автопроизводитель также хочет увеличить выходную мощность двигателя еще на несколько лошадиных сил, пока он не перейдет на любые дорожные автомобили. Хотя 67 лошадиных сил, вероятно, будет достаточно для питания городского автомобиля или малолитражного автомобиля, такого как Twingo (на фото ниже), Powerful может выиграть еще от 10-20 лошадиных сил, чтобы поставить его за пределы безопасного диапазона.

Twingo, городской автомобиль Renault, имеет снаряженную массу 2200 фунтов. и доступен с 1,5-литровым рядным четырехцилиндровым дизельным двигателем мощностью 80 л. с. или 1,2-литровым рядным четырехцилиндровым бензиновым двигателем мощностью 60 л.с. Twingo был назван возможным целевым транспортным средством для Powerful.

Хотя многие люди, вероятно, не могут себе представить перспективу того, что в автомобили войдут двухтактные дизельные двигатели, это может произойти в ближайшие годы. Renault планирует продолжить разработку Powerful, прежде чем делать какие-либо объявления о будущем двигателя. Стартап с северо-востока Америки также стремился вывести на рынок двухтактные дизельные двигатели с оппозитными цилиндрами и оппозитными поршнями и, как сообщается, привлек инвестиции от Билла Гейтса, но эти усилия, похоже, прекратились примерно в 2011 году. Если одно ясно, так это то, что Зеленая революция не оставит камня на камне в стремлении добиться все более и более высоких показателей топливной эффективности и выбросов.

Статья предоставлена ​​Speedville.com.

Как работает двухтактный цикл зажигания от сжатия (двухтактный дизельный двигатель)?

Двухтактные двигатели с воспламенением от сжатия (двухтактные дизельные двигатели) используются в основном в морской промышленности. 2-тактный цикл воспламенения от сжатия или 2-тактный дизельный двигатель отличаются от 4-тактного дизельного двигателя тем, как он вырабатывает мощность в числе оборотов коленчатого вала. В отличие от 4-тактного дизельного двигателя, 2-тактный цикл воспламенения от сжатия вырабатывает мощность при каждом своем обороте. Двухтактное воспламенение от сжатия уступает место традиционным четырехтактным двигателям, выполняющим полный цикл. Вместо этого он объединяет два штриха в один; тем самым совершая один ход вверх и один ход вниз за каждый оборот коленчатого вала.

Следовательно, двухтактный двигатель вырабатывает мощность при каждом ходе поршня вниз. Таким образом, он производит вдвое больше выходной мощности по сравнению с 4-тактным двигателем того же размера. Двухтактный цикл воспламенения от сжатия исключает такты всасывания и выпуска. Он использует только два оставшихся такта: такт сжатия и рабочий такт. Они известны как ход вверх и ход вниз соответственно.

Ход вверх в 2-тактном цикле зажигания от сжатия:

При ходе вверх поршень перемещается вверх, т. е. от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. Двигаясь вверх, он сжимает воздух в камере сгорания. Воздуходувка нагнетает свежий воздух и хранит его в воздушном сундуке.

2-тактный цикл воспламенения от сжатия, ход вверх

Когда поршень находится в верхней мертвой точке, он закрывает/закрывает впускные отверстия или очищает отверстия. Сжатие воздуха поднимает его температуру выше 500 ^⁰ C. Форсунка впрыскивает дизельное топливо в горячий воздух, который воспламеняет его в камере сгорания и производит рабочий ход. Рабочий ход толкает поршень вниз и вращает коленчатый вал.

Нисходящий ход в 2-тактном цикле зажигания от сжатия:

Как только происходит зажигание, горячие газы расширяются и толкают поршень вниз, вращая коленчатый вал. Дальнейшее движение поршня вниз сначала открывает выпускной клапан. Это позволяет выхлопным газам выходить через открытое выпускное отверстие.

Во время этого хода поршень сначала открывает впускные/выпускные каналы. Как только открывается порт очистки; он нагнетает свежий воздух в цилиндр. Воздух собирается над днищем поршня и поднимается к верхней части цилиндра. Он выталкивает оставшиеся выхлопные газы из цилиндра в процессе, известном как «продувка».

2-тактный цикл воспламенения от сжатия

Теперь поршень находится в нижней мертвой точке, цилиндр полностью заполнен свежим воздухом. Он начинает двигаться вверх по цилиндру, закрывая выпускные отверстия. Затем выпускной клапан полностью закрывается и начинается сжатие. Форсунка распыляет дизельное топливо в горячем воздухе во время хода вверх. Этот цикл повторяется, и поршень совершает два хода за каждый оборот коленчатого вала.

Что такое двухтактный магистральный поршневой двигатель?

Двухтактный двигатель с воспламенением от сжатия также известен как двухтактный двигатель с магистральным поршнем. В этом типе двигателя угловатость шатуна вызывает боковую тягу, которую он передает на гильзу цилиндра через юбку поршня или ствол.