Двигателей внутреннего сгорания за последние 200 лет придумали великое множество, это поршневые двигатели, роторные, газотурбинные, реактивные, турбореактивные и множество их разновидностей и модификаций, но наибольшее распространение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания, нет в мире практически ни одного человека, не сталкивавшегося в своей жизни, и не использовавшего данный чудесный агрегат. Объять необъятное невозможно, да и скучно, поэтому пробежимся по основным видам данных моторов, основным принципам их действия, применении, и особенностях.
Для начала попробуем немного разбить разнообразие и классифицировать наиболее популярные модификации.
Бензиновые ДВС:
- двухтактные с впускной системой золотникового типа
- двухтактные в спускной системой оборудованной лепестковым клапаном.
- четырехтактные простейших конструкций (нижнеклапанные, карбюраторные)
- четырехтактные усовершенствованной конструкции (верхнеклапанные, с верхним расположение распредвала, с простыми системами впрыска топлива)
- четырехтактные современной конструкции (атмосферные и с турбонаддувом, изменением фаз газораспределения, изменением конфигурации впускного тракта, непосредственным впрыском топлива)
Дизельные ДВС:
- двухтактные с турбонаддувом и без
- четырехтактные с механической системой управления впрыском топлива (форкамерные и с непосредственным впрыском)
- четырехтактные с аккумуляторной системой впрыска топлива (common rail и аналоги)
И так, начнем, все пишу из головы, картинки не мои, поэтому могут быть неточности, это мое хобби, ковыряться в автомобилях и прочей технике.
Двухтактные поршневые двс, в народе - двухтактники. Эти моторы получили огромное распространение в тех областях, где необходима компактность и низкий вес. Это различный ручной бензоинструмент, мопеды и мотоциклы, модели, бензогенераторы. Также реже, но двухтактные моторы используются в качестве стартера - пускача на тяжелых моторах промышленной техники (на бульдозерах к примеру). В далекие годы, фирма SAAB ставила двухтактные моторы на автомобили модели 95, где они не прижились (наши инвалидки с мотоциклетным двигателем не в счет, хотя тоже стоит упомянуть)
Исходя из названия становится понятно, что рабочий цикл этих моторов состоит всего из двух тактов, а именно:
1. сжатие совмещенное с впуском рабочей смеси в картер
2. рабочий ход совмещенный с выпуском и наполнением цилиндра свежей ТВС из картерного пространства.
схематичное изображение двухтактного мотора рассмотрим ниже
Здесь изображен двухтактный двигатель с впуском золотникового типа, где роль золотника выполняет поршень. Данный тип моторов наиболее распространен на различного рода бензоинструменте и старых советских мотоциклах.
Принцип его работы очень прост. Поршень, при вращении коленвала совершает обратно-поступательное движение в цилиндре, который в большинстве случаев представляет собой монолитную отливку из чугуна или алюминия, либо залитую в алюминий чугунную гильзу. При движении вверх поршень закрывает собой выпускное окно в цилиндре и продувочные окна по его бокам, и почти одновременно открывает впускное окно. В картере, при движении поршня вверх, образуется разряжение, благодаря которому происходит всасывание свежей топливовоздушной смеси в картерное пространство, одновременно поршень сжимает рабочую смесь в камере сгорания, и при достижении определенного угла поворота коленвала (обычно 25 градусов до верхней мертвой точки) происходит воспламенение рабочей смеси и начинается второй такт, во время которого поршень, под действием расширяющегося газа, двигается вниз до тех пор, пока не откроет выпускное окно, куда устремляется отработавший газ, одновременно с этим поршень перекрывает своей юбкой впускное окно и начинает сжимать свежую ТВС в картерном пространстве. Опускаясь ниже, поршень открывает продувочные окна, расположенные по бокам цилиндра, их можно увидеть здесь
и топливная смесь благодаря избыточному давлению в картере, поступает по продувочным окнам в цилиндр, вытесняя остатки отработавших газов. И так по кругу.
Бывает, что в двигателе устанавливается отдельный золотник, схематично изображенный здесь
В таком случае поршень не перекрывает впускное окно, за него это делает золотник, прорезью в котором регулируется фаза впуска, но такие системы используются разве что в авиамодельных калильных двухтактниках, работающих на эфире.
Теперь мы плавно подошли к такому понятию, как фазы впуска и выпуска. Фаза, это время, в течении которого открыто соответствующее окно в цилиндре, измеряется это время в градусах поворота коленвала, и схематично изображается так
Фазы двухтактного двигателя сильно отличаются от таковых в четырехтактных ДВС, это сплошная фаза перекрытия, о чем мы поговорим в теме про 4 такта.
Из графика мы видим, что выпускное окно открывается раньше продувочного, но продувочное закрывается позже выпускного, дабы улучшить наполнение и впустую не выдувать смесь в выхлоп. Настройка фаз зависит от требуемых параметров мотора, от резонансной частоты глушителя и длины впуска. Золотниковые моторы не славятся особой эластичностью, как правило они настроены на определенный узкий режим работы, к котором выдают заявленную мощность. Например в бензогенераторах, где моторы настраиваются на работу на 3000 об\мин, впускное окно закрывается раньше, так как скорость невысока, наполнение происходит быстро, глушитель большой, с низким резонансом, такие фазы называют "узкими" или низовыми. В бензопилах наоборот, рабочий режим находится на 12000-15000 об\мин, глушитель маленький, с высоким резонансом, скорость вращения коленвала очень большая, и времени на наполнение цилиндра очень мало, поэтому фаза впуска делается как можно шире, дабы ТВС успела перетечь в цилиндр. Золотниковый впуск вообще сильно ограничивает возможности двухтактника, делает диапазон работы узким, съедает эластичность, так как разряжение в картере в разных режимах работы появляется в разное время, и вне рабочего диапазона мотор хотел бы начать наполнение цилиндра, да золотник закрыт, и наоборот, на низких оборотах, из-за инерционности воздушного потока, ТВС, из-за создавшегося избыточного давления в картере, но не закрывшемся впускном окне, частично вылетает обратно во впуск, в таких режимах мотор становится вялым, "не тянет". Дабы исключить эти негативные явления, светлые умы убрали золотник и придумали новую схему впуска - с лепестковым обратным клапаном, выглядит он примерно так
Устанавливается в конце впускного патрубка, на месте его соединения с картером двигателя.
Впускной патрубок у нас переехал с цилиндра на картер, стал меньше передавать тепло к карбюратору, а заодно и дал нам огромное преимущество, теперь свежая ТВС может поступать в картер по любому требованию и при первой-же возможности, а вот назад из картера во впуск ее не выпустит клапан, покинуть картер она может только через продувочное окно. Данная конструкция кардинально улучшила качество продувки цилиндра и позволила снимать с двухтактников просто чумовую литровую мощность. В завершении обзора самого мотора стоит сказать о том, что в двухтактных моторах не используются подшипники скольжения, так как картер участвует в процессе смесеобразования и там нельзя расположить подшипники скольжения, требующие постоянной подачи масла. Двухтактный мотор полностью смазывается топливовоздушной смесью, именно поэтому бензин для них смешивается со специальным двухтактным маслом, которое отличается способностью к полному сгоранию. Твс на пути к воспламенению смазывает коренные шариковые подшипники коленвала и игольчатые подшипники нижней головки шатуна, также масло оседает на стенках цилиндра и попадает во втулку поршневого пальца. Работа двухтактника на чистом бензине - смерть. Бензин обычно мешается в пропорциях от 1:50, до 1:30. То есть от 20 до 30 мл масла на литр бензина. Это золотая середина, чем сильнее форсирован двигатель, тем более жирную пропорцию стоит выбирать, но лить больше 30мл не стоит, это приведет только к повышенному нагарообразованию, кашу маслом можно и подпортить. Многие двигатели на мопедах и мотоциклах оборудуются автоматическими системами подачи масла, в этом случае масло заливается в отдельный бак и подается масляным насосом во впуск в установленной производителем пропорции.
Мы плавно подошли к самой интересной теме касаемо двухтактников, это выхлопная система. Вообще, настройка данных двигателей это искусство, найти баланс среди резонансов и фаз, и получить наибольшую отдачу это кайф. Ни один двухтактник не может работать без выпускной системы, точнее работать то он будет, но выдаст в лучшем случае половину мощности, и глушителя у двухтактника в общем то и нет, точнее он может быть, но только в качестве оконечного компонента выпускной системы. Основная-же деталь называется резонатор. Наибольшее распространение получили два типа резонаторов: четвертьволновой и полуволновой.
Типичный четвертьволновой резонатор
На данном фото изображен разрезанный заводской четвертьволновой резонатор совмещенный с глушителем. Четвертьволновым он называется, так как ударная волна (фронт высокого давления, движущийся из выпускного окна, отражается четыре раза, сначала он выходит из раструба и отражается от средней стенки, затем он отражается от переднего конуса, который фокусирует его снова на передней стенке, после чего он движется обратно к выпускному окну. Выпускная система входит в рабочий режим, когда низкое давление в приемной трубе помогает осуществить продувку цилиндра, а перед самым закрытием выпускного окна волна возвращается обратно и заталкивает обратно в цилиндр излишки вылетевшей во впуск рабочей смеси, однако достигает среза окна в момент, когда поршень его перекрыл и она упирается в его юбку. Получается некое подобие наддува, в таких режимах чувствуется резкий подхват и изменяется звук мотора. Четвертьволновики не слишком эффективны, зато тихие и компактные, за что их и любят. Также они позволяют при компактных размерах обладать довольно низкой частотой, что улучшает тягу на низких оборотах. Однако самая песня это полуволновые резонаторы, схематично они выглядят так
На технике, из-за больших габаритов, полуволновые резонаторы могут обладать очень причудливыми формами
Как уже стало понятно, волна в них переотражается всего один раз, резонансная частота зависит от длины приемной трубы, длины и угла раструба первого и второго конуса, и от длины цилиндрической вставки между ними. Такие резонаторы очень эффективны, однако работают в очень узком диапазоне оборотов, обычно не превышающем 1500 об\мин. Используются в основном в авто и мотоспорте. Такие резонаторы очень громкие, поэтому всегда комплектуются оконечным прямоточным глушителем.
Подведем итоги.
Двухтактные моторы надолго застолбили себе место в нашей жизни, так как они очень простые, легкие, и очень мощные. Они могут крутиться до запредельных оборотов, в них полностью отсутствует громоздкий механизм газораспределения, они не требовательны к впускному тракту, чем шире тем лучше, их почти не надо обслуживать, системы смазки у них нет. Эти качества очень востребованы в ручном инструменте, мобильных генераторах, в картинге, мотоспорте. С мотора объемом в 80кубиков можно снять до 20лс мощности, что является запредельной цифрой для четырехтактных атмосферников, которые как правило в двое тяжелее двухтактных моторов.
Однако они обладают и весомыми минусами:
1. Полное отсутствие экологичности. Топливо с маслом, отсутствие нормального контроля за смесеобразованием, эти факторы наливают кровью глаза гринписовцев, и эта проблема не решаема, некоторые производители пытаются прикрутить на пилу катализатор, но это больше для отмазки. Есть также системы впрыска, однако и они не способны решить проблему с вонючим выхлопом.
2. Низкая эффективность на низких оборотах. Для эффективного наполнения на низких оборотах резонатор двухтактника вырастет в двухсотлитровую бочку, да и эффективности не будет, поэтому о тракторной тяге на низах можно забыть.
3. Низкая долговечность, ресурс мотора не велик, из-за проблем со смазкой. Подшипники качения изнашиваются гораздо быстрее подшипников скольжения, да и поршневые кольца истончаются активнее, процесс износа поршневых колец еще усугубляет наличие большого обилия окон в цилиндре, из-за чего кстати поршень двухтактника имеет штифты фиксации поршневых колец, чтобы замок кольца не мог попасть в окно и разломать все к чертям.
4. Прожорливость. Аппетит у двухтактников конский, он самый большой среди поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Однако эти моторы чудесны в своей безумности. У кого был двухтактный мотоцикл - поймет меня.
Ну вот и закончили с первой частью. Далее у нас пойдут 4 такта, дизеля, можно поговорить о системах питания и прочих интересностях.
