Двухтактный дизель

Ср, 09/11/2013 - 22:04

Дизель Хуго Юнкерса со встречнодвижущимися поршнями

Авиационный дизель Нэпир-Делтик. В дефорсированном варианте применялся на флоте и на спецтехнике

Схема работы советского танкового двухтактного многотопливного дизеля 5ТДФ



Двухтактный двигатель внутреннего сгорания по многим параметрам на голову превосходит четырехтактник. Причем, как в бензиновом, так и в дизельном варианте. Интересно и то, что самый первый ДВС Жана Ленуара образца 1860 года тоже был двухтактным. И тем не менее двухтактник по-прежнему остается в тени своего более удачливого четырехтактного собрата. Более того, в массовом сознании уже давно создан негативный образ данной конструкции. Ведь подобные моторы, как известно, дымят, загрязняют окружающую среду, расходуют непомерное количество топлива, да еще и требуют обязательного смешения масла с бензином. Поэтому двухтактники можно терпеть разве что на кордовых моделях, подвесных моторах да на некоторых мотоциклах и мотороллерах. А на автомобиле им не место! Справедливо? В определенной мере, но лишь для карбюраторных двигателей старого образца. С дизелями же не все так просто.

Здесь двухтактная схема до сих пор остается неплохой альтернативой четырехтактной, особенно там, где речь идет о значительных мощностях и небольших габаритах силовой установки. Это в первую очередь судовые, особенно малооборотные дизели. Часто двухтактными делают стационарные и тепловозные двигатели, популярны они на танках, встречались на некоторых самолетах и до сих пор не редкость на тяжелых грузовиках, преимущественно американских.

Достоинства и недостатки

Почему? Чтобы разобраться в этом, рассмотрим сначала преимущества двухтактных двигателей над четырехтактными. Основные достоинства, делающие двухтактную силовую установку столь привлекательной — это, во-первых, более высокая (на 50-70 %) литровая мощность, что при грамотном конструировании позволяет сделать двигатель легче и компактнее. Во-вторых, большая равномерность хода, чем у четырехтактных двигателей поскольку рабочий ход происходит каждые 2 такта, а не 4, за счет чего крутящий момент по углу поворота коленчатого вала изменяется более плавно. При этом шатуны, коленчатый вал и некоторые другие детали поршневой группы испытывают меньшие нагрузки, а потому запас прочности получается больше. Кроме того, большинство двухтактных силовых установок конструктивно проще. Кстати, для увеличения срока службы деталей двигателя рекомендуется применять высокотемпературную пасту "Буран". Паста "Буран" - это смазка до +500 градусов.

Превосходные характеристики, не правда ли? Но, к сожалению, у двухтактных моторов есть и свои недостатки. Самые главные — это солидный расход топлива, а также более токсичный выхлоп. Правда, все это характерно для устаревших карбюраторных двигателей, где продувка осуществлялась топливо-воздушной смесью с добавлением масла. Для двухтактных дизелей, где продувка производится воздухом, все это не так критично. Кроме того, двухтактники отличаются весьма нескромным масляным аппетитом. Масло либо сгорает вместе с бензином, либо собирается на кромках продувочных окон и увлекается в выпускную систему.

Далее следует высокая температура двухтактного процесса, поскольку вспышка в цилиндрах этого типа двигателей происходит в 2 раза чаще. Следствие этого — тепловая перенапряженность поршней, гильз и головки блока цилиндра. А это требует более интенсивного охлаждения и применения особых конструкций поршней, обычно разборных, с жаропрочными вставками.

Наблюдаются и более тяжелые, в сравнении с четырехтактными, условия работы шатунных и коренных вкладышей и подшипников поршневого пальца, по причине плохого отвода теплоты от трущихся поверхностей. Происходит это из-за односторонней нагрузки, характерной для двухтактного дизеля. При этом количество масла, прокачиваемого между поверхностями, уменьшается. Справляются с этим, применяя более мощный (а значит, и тяжелый) масляный насос.

Еще один недостаток, который проявился при эксплуатации советских танков Т-64 и Т-80УД (Т-84), оснащенных двухтактными дизелями Завода имени Малышева 5ТДФ (700 л.с.) и 6ТДФ-2 (1200 л.с.) — это повышенный расход воздуха. Особенно это было заметно в сравнении со старым четырехтактным В-2 (он же В-46). В условиях повышенной запыленности это приводит к быстрому засорению воздушных фильтров.

При этом двухтактные дизели требуют еще более тщательных и сложных расчетов при проектировании, чем четырехтактные. А поскольку во многих странах работы по ним прекращены еще с середины-конца 60-х годов, некоторые аспекты двухтактного процесса по-прежнему остаются мало, а то и вовсе неизученными. Неудивительно и то, что у двигателистов элементарно не достает опыта работы с таким типом двигателей.

И зря. Ведь двухтактная схема не создает никаких ограничений для полета фантазии инженеров-конструкторов. Только здесь можно встретить такие удивительные конструкции, как двигатель конструкции Хуго Юнкерса со встречнодвижущимися поршнями в одном цилиндре.


В конце 30-х голландские импортеры американских грузовиков White меняли бензиновые моторы на дизели Юнкерса со встречнодвижущимися поршнями. Здесь на фото изображена модель 700-й серии 1937 года

Двигатель Detroit Diesel 6V-71 английского грузовика BEDFORD TM (1980 год)

Танк Т-80УД завода имени Малышева, оснащенный двухтактным оппозитным дизелем 6ТДФ-2 мощностью 1200 л.с.

Вполне нормальное дело — один (!) клапан-цилиндр (судовые дизели), крановое, золотниковое и даже гильзовое газораспределение. А двухступенчатые, от приводного нагнетателя и турбокомпрессора, наддувы, настроенные впускные и выпускные коллекторы были опробованы на двухтактных дизелях еще 30-40 лет назад. К сожалению, ознакомиться в одном коротком обзоре со всеми интересными и необычными конструкциями невозможно, поэтому остановимся лишь на некоторых, самых распространенных.

Схемы продувки

Конструктивно все двухтактные дизели различаются в основном по схемам газообмена (продувки). Собственно продувкой называется наполнение цилиндра свежим зарядом при одновременном вытеснении отработавших газов. Условно их можно поделить на петлевые и прямоточные. Какая из них лучше, а какая хуже — сказать тяжело. Дело в том, что за каждой из этих конструкций обычно стоит одна определенная фирма, которая впервые ее применила для того или иного типа транспортной или боевой техники и за долгие годы довела до совершенства.

При петлевой продувке воздух движется с поворотом (петлей) внутри цилиндра. Иногда, если петля образуется движением потока воздуха по контуру цилиндра, эту схему называют контурной. Преимущество такой конструкции — простота. Не нужны клапаны и сложные приводы к ним, проще организовать охлаждение головки блока цилиндров, весьма удобно осуществлять реверс — ценное качество для корабельных силовых установок. Винт при такой схеме напрямую связан с двигателем, что дает возможность обойтись без громоздких и неудобных редукторов. Недостатки: большое количество непродутых зон в цилиндре, невысокий коэффициент наполнения.

Вторая схема продувки — прямоточная — имеет несколько разновидностей. Первая — это прямоточная схема газообмена в двигателях с золотниковым газораспределением, которая сама имеет несколько вариантов конструктивного исполнения. Это гильзовое газораспределение (двигатель Найта), крановое (с вращающимся золотником) и др. Вторая — прямоточная схема газообмена с двумя поршнями в одном цилиндре. Третья — клапанно-щелевая продувка.

Прямоточная схема газообмена в двигателях с золотниковым газораспределением

Преимущество такой конструкции: хорошее качество очистки и наполнения, меньшая длина поршней, ненужность выпускных клапанов и привода к ним. Однако из-за серьезных недостатков — трудности обеспечения уплотнения золотников и отвода от них теплоты, повышенный износ золотникового устройства, трудность обеспечения смазки, необходимость мощного привода золотникового механизма — золотниковое газораспределение применяется редко и в основном на судовых дизелях, как, например на V-образном 12-ти цилиндровом дизеле американской фирмы Fairbanks-Morse, модель 38А20. Двигатель развивает мощность в 12000 л.с. при

400 об/мин и устанавливается в основном на дизель-электрические подводные лодки. Впрочем, в опытном порядке, в 60-х годах на американский карьерный самосвал Haulpac был установлен мотор этой же фирмы с такой же системой газораспределения, мощностью, правда, в несколько раз меньше. Но далее экспериментов дело не продвинулось.

Прямоточная схема газообмена с двумя поршнями в одном цилиндре

Несмотря на свою конструктивную сложность, двигатели, построенные по такой схеме, встречаются довольно часто, особенно в варианте с двумя коленчатыми валами. Главное их преимущество — это теоретически в 2 раза большая мощность, в сравнении с обычным двухтактным мотором. Ничего удивительного, ведь это, по существу, получаются уже 2 двигателя, соединенные между собой. Другие ценные свойства — сравнительно небольшие тепловые потери и высокое качество процессов газообмена. Кроме того, для подобной конструкции несложно измененять фазы газораспределения. Недостатки — тепловая перенапряженность поршней, сложность конструкции, трудность осуществления реверса.

Впервые такую конструкцию предложил гениальный немецкий конструктор и промышленник Хуго Юнкерс в 1927 году. Дизели Юнкерса JUMO изначально разрабатывались как авиационные, хотя в дефорсированных версиях встречались на некоторых тяжелых грузовиках. Одной из модификаций планировали оснастить сверхдальний бомбардировщик, который, по замыслу Гитлера, должен был бомбить Америку.


Артиллерийский тягач Я-12 (1943 год)

GMC COE (1952 год) с дизелем GM 4-71

Самосвал «Днепр» КрАЗ-222 (1959-63 гг.), оснащенный дизелем ЯАЗ-206

Любопытно, параллельно с дизелем JUMO для того же самого стратегического бомбардировщика была создана паротурбинная (!) силовая установка, работающая на угольной пыли. Работы велись вплоть до весны 1945 года, но по понятным причинам так и не были завершены.

После войны чертежи попали в руки союзников. Англичане на базе немецкой конструкции разработали многотопливный танковый двигатель Leyland L60. А в СССР наладили производство танковых дизелей 5ТДФ и 6ТДФ, а также тепловозного 10Д100. Все эти силовые установки были разработаны инженерами КБ Харьковского завода транспортного машиностроения имени В.А. Малышева. К слову, в начале 90-х Малышевскими дизелями в дефорсированном варианте оснащали некоторые Ikarus 280. Увы, без особого успеха. Расход топлива «конверсионного» дизеля оказался высоким, ресурс недостаточным. А уж про проблемы с ремонтом, возникающие у обычного автослесаря, и вовсе промолчу.

Двумя поршнями в одном цилиндре в свое время «грешили» и такие известные английские фирмы, как Rolls-Royce и Coventry-Climax. Еще один интересный двигатель, выполненный по такой схеме, но уже с тремя (!) коленчатыми валами, выпускала в свое время английская фирма Napier. Это двухтактный дизель Deltic СТ18-42К, развивавший в различных вариантах от 2790 л.с. до 3750 л.с. при 1800-2100 об/мин и предназначавшийся в основном для быстроходных катеров, хотя были попытки установить его и на карьерные самосвалы.

Рассмотрим, как работает схема Юнкерса на примере дизеля завода имени Малышева — 5ТДФ образца 1964 года. Начнем с того, что двигатель пятицилиндровый, горизонтальный. Каждый из цилиндров имеет окна: с одной стороны продувочные (впускные), с другой — выпускные. В цилиндре размещены два противоположно движущихся поршня. Между ними при максимальном сближении образуется камера сгорания. Каждый поршень воздействует на свой коленчатый вал. А те, в свою очередь, связаны между собой шестеренчатым редуктором. Поршни, открывающие и закрывающие продувочные окна, называются продувочными, а поршни, управляющие выпускными окнами — выпускными. Для продувки используется турбокомпрессор с дополнительным приводом колеса нагнетателя от коленвала двигателя.

Такт расширения. Начало соответствует положению кривошипно-шатунного механизма (КШМ) во внутренней объемной мертвой точке (ВОМТ), которая соответствует минимальному объему внутрицилиндрового пространства. Через 106 градусов после ВОМТ выпускной поршень начинает открывать выпускные окна. Отработавшие газы поступают в турбину. Через 123 градуса после ВОМТ продувочный поршень начинает открывать продувочные окна цилиндра. Через постепенно открывающиеся продувочные окна из ресивера в цилиндры устремляется сжатый воздух, вытесняя из цилиндров отработавшие газы. По достижению поршнями наружной объемной мертвой точки (НОМТ), т.е. положения КШМ, при котором объем внутрицилиндрового пространства достигает максимального значения, такт расширения заканчивается. Выпускные и продувочные окна полностью открыты.
Такт сжатия. Он осуществляется при схождении поршней от НОМТ к ВОМТ. В начале такта при одновременно открытых продувочных и выпускных окнах продолжается продувка цилиндра. Затем выпускные окна закрываются, что соответствует окончанию выпуска и продувки цилиндра. После закрытия выпускных окон продувочные окна остаются открытыми в течение 3 градусов поворота коленвала. В этот период, который называется фазой наддува, продолжается наполнение цилиндра свежим зарядом воздуха. С момента закрытия продувочных окон начинается сжатие.

В конце такта сжатия (за 22 градуса до ВОМТ) топливный насос высокого давления начинает подачу топлива. Впрыск топлива осуществляется немного позже. Горение топлива начинается в конце такта сжатия и продолжается в начальный период такта расширения.

Двухтактные двигатели с клапанно-щелевой продувкой

Своему успешному применению на грузовых автомобилях такая схема в основном обязана стараниям инженеров-конструкторов из фирмы Detroit-Diesel, долгое время бывшей отделением корпорации General Motors. Впрочем, под этой маркой они известны примерно с середины 60-х, а до этого двухтактные дизельные силовые установки для автомобилей, кораблей и тепловозов назывались по-простому — GMC.

Рассмотрим, как работает такой двигатель на примере рядного дизеля GMC серии 71. Поскольку эффективно очистить цилиндр от выхлопных газов сам двигатель не может, что, кстати, характерно почти для всех схем газообмена, применяемых на двухтактных двигателях, здесь могут применяться разные виды нагнетателей. В данном случае применяется приводной нагнетатель типа Roots.

Воздух из него поступает в цилиндры через воздушную камеру (ресивер), расположенную по окружности цилиндра, и окна в стенках цилиндра. Отработанные газы выходят через выпускные клапаны. В течение первого такта поршень движется от н.м.т. к в.м.т. В начале этого такта впускные (продувочные) окна и выпускные клапаны открыты и происходит продувка воздухом. Далее поршень продолжает двигаться к в.м.т., при этом продувочные окна и выпускные клапаны закрываются, и осуществляется сжатие воздуха. Затем через насос-форсунку впрыскивается топливо, и в течение второго такта (рабочий ход) поршень движется от в.м.т. к н.м.т.. При подходе поршня к н.м.т. отработанные газы выпускаются через открывшиеся выпускные клапаны. После того, как давление в цилиндре понизилось, открываются продувочные окна, и начинается продувка цилиндра воздухом, поступающим от компрессора, причем продолжается она и при начале движения поршня к в.н.м.

У двигателя, работающего по такой схеме, меньше тепловая напряженность поршней, поскольку при выпуске они омываются воздухом, который обеспечивает хорошее охлаждение. При этом проще организовать охлаждение головки цилиндра с клапанами, чем охлаждать перемычки выпускных окон, несложно сделать реверсирования хода. А при доводке двигателя возможно изменять профиль кулачка распредвала и тем самым относительно просто изменять фазы газораспределения.

Недостатки же этой схемы прямо вытекают из ее конструктивных особенностей. Во-первых, трудно добиться хорошей очистки цилиндров от продуктов сгорания, т.к. из-за особенности конструкции клапаны обычно закрываются раньше, чем это необходимо. Поэтому значительная часть отработанных газов просто не успевает покинуть цилиндр. Во-вторых, возникают серьезные трудности с обеспечением надежной работы клапанных пружин, обладающих большой инерцией, а также охлаждением клапанов. Потому-то на всех поздних моделях двухтактных двигателей GMC — Detroit Diesel применяют 4 выпускных клапана на цилиндр, вместо двух, как раньше.

С определенными проблемами столкнулись в Советском Союзе, где также выпускали автомобильные двухтактные дизели, по лицензии GM. Американцы продали оборудование и техническую документацию для производства двухтактных дизелей модели GMC 4-71 и GMC 6-71, переименованные у нас в ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206 (ЯАЗ — Ярославский Автомобильный Завод). Рабочий объем их составлял соответственно 4650 куб. см и 6970 куб.см, мощность в первоначальном варианте 110 л.с. при 2000 об/мин и 165 л.с. при 2000 об/мин. Устанавливали их на тяжелые грузовики ЯАЗ-204 (МАЗ-204), МАЗ-205 (на заставке), ЯАЗ-210, ЯАЗ-214, а затем на КрАЗ-214, КрАЗ-219, КраЗ-222 и др.

К сожалению, с целью удешевления, вместо дорогих высоколегированных сталей были применены материалы попроще и подешевле. Кроме того, сложная даже по нынешним меркам заокеанская техника требовала высокой культуры производства. Не хватало также и квалифицированных специалистов по обслуживанию и ремонту. Не говоря уже о простых шоферах, которые элементарно ленились прочесть инструкцию по эксплуатации. Неудивительно, что с двухтактными дизелями советского производства происходили невообразимые случаи, когда гильза цилиндра обрывалась в зоне впускных окон. По той же причине у GMC ярославского производства ресурс оказался намного ниже, чем у GMC американского, и сколько наши специалисты ни старались, достичь уровня оригинала не удавалось. А последний гвоздь в гроб забило некондиционное топливо.

В конце концов, автомобильные двухтактные дизели в СССР были сняты с производства. Случилось это в 1963-67 годах, одновременно с постепенным переходом на новые ярославские четырехтактные дизели ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238. При этом все научно-исследовательские работы в этой области были прекращены. Однако тепловозные и судовые двухтактные дизели с клапанно-щелевой продувкой, работы над которыми начались еще в 30-е годы, продолжали выпускать. Это двигатели модели 40Д и 45Д, V-образные 12-ти и 16-ти цилиндровые с двухступенчатым наддувом.

В Америке же работы по совершенствованию двухтактных моторов были продолжены. К примеру, еще в 50-х годах на двигателях GMC серии 71E были применены овальные окна и увеличена степень сжатия, установлена новая головка блока цилиндров с 4 клапанами на цилиндр. Мощность поднялась до 145 л.с. для модели 4-71 и 218 л.с. для 6-71. Чуть позже на новом двигателе GMC 8V-71Т (8 цилиндров рабочим объемом 9,3 литра, 263 л.с.) была установлена двухступенчатая система наддува. Она включала в себя турбонагнетатель (первая ступень) и приводной компрессор (вторая ступень). Мощность при этом достигла 405 л.с. Подобные же усовершенствования были произведены с двухтактными дизелями для кораблей, локомотивов и карьерных самосвалов.

В начале 60-х годов на моторах GM появилось одно весьма полезное устройство, в электронном варианте дожившее до наших дней. Оно облегчало пуск двигателя в холодную погоду с помощью впрыска эфира в цилиндры. Эта система позволяла запустить двигатель даже в 30-градусный мороз без риска оказаться в положении одного неопытного советского шофера. Он, воспользовавшись советом «старших товарищей», налил эфир в цилиндры двухтактного мотора своего полноприводного
КрАЗ-214 по принципу «маслом кашу не испортишь». При запуске эфир, естественно, взорвался, сорвав головку блока, а в кабину, как настоящая шрапнель, полетели обломки двигателя, обрывки капота, клапаны, коромысла и прочее железо... Особо впечатлительных читателей, уже представивших себе кровавые подробности этого весьма несчастного случая, спешу успокоить. Водитель отделался лишь царапинами, да и то неглубокими. А вот ни в чем не повинный дизель ЯАЗ-206 умер и был торжественно установлен в качестве надгробного памятника самому себе во дворе АТП, в назидание другим разгильдяям.

В 80-х годах Detroit Diesel впервые в мире применила электронную систему DDEC (Detroit Diesel Electronic Control) управления впрыском, установив ее на сравнительно новом, разработки 70-х годов, двухтактном дизеле модели 8V-92T, что позволило достичь вполне приемлемого уровня токсичности выхлопа и расхода топлива, очень близкого к четырехтактным дизелям. Однако с ужесточением экологических норм будущее двухтактников остается под большим вопросом. Хотя опыт японской фирмы Daihatsu говорит о том, что для двухтактных дизелей еще не все потеряно. Судите сами. В 1999 году Daihatsu приступила к серийному производству нового сверхэкономичного авто Sirion (расход всего 3л/100 км) с двухтактником под капотом мощностью 63 л.с.

Сама идея позаимствована с американского дизеля GMC 8V-71T разработки 50-х годов (см. выше). Использована та же клапанно-щелевая продувка, те же четыре клапана на цилиндр и, наконец, двухступенчатый наддув с промежуточным охлаждением воздуха. Он осуществляется одновременно приводным нагнетателем и турбокомпрессором. Но в отличие от сверхмощного прототипа, приводившего в движение огромные магистральные тягачи, боевые машины и даже катера, двигатель Daihatsu E202 предназначен только для легкового автомобиля. Отсюда и небольшой рабочий объем — 987 см3 и короткий, всего в три цилиндра, блок, из-за чего пришлось снабдить его уравновешивающим валом.

Кроме того, в лице Е202 двухтактный дизель впервые в мире получил систему впрыска топлива типа Common Rail с общим накопителем-резервуаром для всех трех форсунок. Кроме того, он снабжен регулируемыми фазами газораспределения -- система DVVT (Dynamic Variable Valve Timing). Из других особенностей отметим титановые клапаны (!), керамические поршневые пальцы и особые чугунные составные поршни с мощным масляным охлаждением. Кроме того, наконец-то решена проблема содержания вредных веществ в отработавших газах, что в последнее время стало почти непреодолимым барьером на пути развития двухтактных двигателей. Для этого в Е202 применена рециркуляция отработавших газов. А также установлены два специально разработанных катализатора. Все это вместе позволяет новому мотору полностью соответствовать требованиям как Евро III, так и Евро IV.