En tvåtaktsmotor är en förbränningsmotor där arbetsprocessen i var och en av cylindrarna fullbordas i ett varv av vevaxeln , det vill säga i två kolvslag [1] . Kompressions- och slagslagen i en tvåtaktsmotor (med undantag för Lenoir-motorn ) sker på samma sätt som i en fyrtaktsmotor (vilket innebär att samma termodynamiska cykler kan implementeras, förutom Atkinson-cykeln ), men processerna för rengöring och fyllning av cylindern kombineras och utförs inte inom ramen för individuella slag, utan under en kort tid när kolven är nära nedre dödpunkten. Processen att ta bort avgaser från cylindern och fylla den med ny laddning i en tvåtaktsmotor kallas rensning .
Ett av de första tvåtaktsmotorpatenten utfärdades 1881 till den skotske ingenjören Douglad Clerk[2] . Dess motor bestod av två cylindrar: drift och leverans. För första gången föreslogs en tvåtaktsmotor med en kammarrensning som inte krävde ytterligare kolvar av den engelske uppfinnaren Joseph Day 1891 [3] och förfinades ytterligare av en av hans underordnade, Frederick Cock [4] . Oberoende av dem byggde Karl Benz 1879 en tvåtaktsgasmotor, för vilken han fick patent 1880. 1907 byggdes en vattenkyld tvåtaktsdieselmotor med motsatt rörliga kolvar och två vevaxlar vid Kolomnafabriken. En av cylindrarna användes för rening. Designern, chefsingenjör för Kolomna-fabriken Raymond Aleksandrovich Koreyvo , patenterade den 6 november 1907 motorn i Frankrike och demonstrerade den sedan på internationella utställningar. Koreyvo-dieslar användes i serie vid konstruktion av motorfartyg. År 1908 fann en tvåtaktsmotor användning i en motorcykel byggd av Alfred Scott från Yorkshire - det var en tvåcylindrig, vattenkyld tvåtaktsmotor [5] .
Arbetscykeln för en tvåtaktsmotor sker i ett varv av vevaxeln , vilket gör att du kan ta bort 1,5-1,7 gånger mer kraft från samma arbetsvolym vid samma motorvarvtal. Detta gäller särskilt när man skapar tunga lågvarviga motorer av medelstora och tunga fartyg, anslutna direkt till propelleraxeln med reglerbar stigning , samt vid kolvflyg, där det också krävs relativt låga arbetshastigheter för effektiv drift av propellern, vilket gör det möjligt att eliminera propellerdrivningsväxellådan från designen. .
Som en bil eller, ännu mer, en motorcykelmotor, är en sådan motor mindre lönsam, men den låter dig också skapa relativt kompakta men kraftfulla kraftenheter som har funnits i motorfordon och tidigare små och små bilar (med vevkammarspolning, arbetsvolym vanligtvis upp till 1,5 - 1,7 liter), såväl som på lastbilar och bussar (med direktflödesspolning är arbetsvolymen vanligtvis från 4 liter eller mer).
På grund av dubbelt så ofta arbetscykler och genom att tvätta de delar som förser avgaserna med dubbelt så mycket avgaser, befinner sig dessa motordelar i en mer intensiv termisk regim. I högeffektsmotorer används nödvändigtvis forcerad kylning av kolvarna.
På grund av halva antalet icke-arbetande slag av kolven i varje arbetscykel, halveras friktionsförlusterna.
I tvåtaktsmotorer är det nödvändigt att hitta en kompromiss mellan kvaliteten på spolningen och förlusten av ny laddning. Till skillnad från en fyrtaktsmotor, där kolven passerar övre dödpunkten mellan avgas- och insugningsslagen , nästan helt förskjuter avgaserna, sker i en tvåtaktsmotor spolning (både avgaser och insug) medan kolven passerar genom botten av cylindern (med hjälp av kolven som ett verktyg som tränger undan avgaser, förekommer endast i en liten del av dess förlopp). I detta fall är det omöjligt att helt utesluta blandning av färsk laddning med avgaser. Problemet med laddningsförlust är särskilt relevant för förgasarmotorer, eftersom en färdig arbetsblandning kommer in i cylindern under spolning, vilket leder till ökad bränsleförbrukning och en stor mängd oförbrända kolväten i avgaserna. Generellt sett har tvåtaktsmotorer 1,5 till 2 gånger mer luftförbrukning, vilket kan kräva mer komplexa luftfilter. Till skillnad från en fyrtaktsmotor, när man använder en turboladdare, överförs energin från luften som kommer från turboladdaren inte genom kolven till motorns vevaxel, samtidigt utövar avgaserna inte mottryck på kolven när de töms .
Till sin konstruktion kan en tvåtaktsmotor vara antingen enklare (med vevkammarkontur och delvis ventilslitsrening), eller mer komplex än en fyrtaktsmotor (med direktflödesrening).
Medan i en fyrtaktsmotor sugs ny laddning in genom att kolven flyttas ner från övre dödpunkten när insugningsventilen är öppen, och tömningen sker uppåt när avgasventilen är öppen, i en tvåtaktsmotor måste ny laddning gå in i cylindern under tryck och tränger undan avgaserna. En fläkt krävs för att generera tryck . I förenklade motorer används den nedre delen av kolven och vevhushåligheten för detta ändamål - ett sådant schema kallas vevkammarrensning.
I mer komplexa motorer används Roots-fläktar, extra cylindrar (Koreivo-motor), speciella kolvkompressorer (YUMO-203) eller turbinfläktar som en källa för spolluft, som kan roteras av en motoraxel eller en turbin som drivs av avgaser . I vissa fall används en kombination av mekaniska överladdare med turboladdning för att ge ett stabilare intag av laddluft.
Vid användning av en vevkammarspolning kommer luft eller en brännbar blandning in i cylindern från vevhushåligheten , där den sugs in när kolven rör sig uppåt; när kolven rör sig nedåt ger övertryck spolning. Med detta schema är det möjligt att skapa en motor som består av ett minsta antal delar, eftersom den inte kräver en spolningspump. För att förhindra laddningsförlust genom inloppsrörledningen till atmosfären kan en tungventil eller en skivspol monterad på vevaxeln installeras innan den går in i vevhuset .
När du använder vevkammarrengöring finns det vissa funktioner som begränsar användningen av sådana motorer:
På stora flercylindriga tvåtaktsmotorer komprimeras spolluften i en separat kompressor (rottyp eller skoveltyp), vilket nästan helt eliminerar ovanstående nackdelar. I detta fall kan dock luft tillföras cylindrarna genom vevhushåligheten, som i detta fall fungerar som en mottagare . En turboladdare kan också användas för att skapa spoltryck, men i detta fall, vid starttillfället, måste tryckluft tillföras motorn från en extern källa eller en tvåstegs boost med ett mekaniskt steg (10D100) användas .
Tidiga tvåtaktsmotorer använde också kolvkompressorer som drevs av samma vevaxel som motorn. Till exempel, på Junkers PDP-diesel YuMO-203, användes speciella fyrkantiga kolvar monterade på traverserna av kolvarna i den övre raden som rensningskolvar. I motorn på den engelska minibilen Lloyd 650 (slutet av 1940-talet) användes en dubbelverkande kolvpump (”tredje cylinder”) patenterad av Roland Lloyd, som hade en kedjedrift från vevaxeln och rensade två arbetscylindrar med en bränsle- luftblandning.
I kolvmotorer med förbränningsmotorer är högkvalitativ rengöring av cylindervolymen från avgaser av stor betydelse. I bensinmotorer leder avgasrester till förtändning på grund av höga temperaturer. I vilken motor som helst leder dålig rengöring till en minskning av maximal effekt och en försämring av kvaliteten på bränsleförbränning. Eftersom rensningen sker genom hela cylindervolymen när kolven (eller kolvarna) är nära bottendödpunkten, är det mycket svårare att rengöra cylindern från avgaser kvalitativt. Reningskvaliteten kan förbättras på två sätt: genom att optimera banan för den färska laddningen under spolningen, eller genom att tillföra överskott av spolluft, som kommer att kastas in i avgasröret tillsammans med avgaserna. Den andra metoden är endast tillämplig om det finns en kompressor och direkt bränsleinsprutning i cylindern.
Eftersom i en tvåtaktsmotor alla processer sker i ett varv av vevaxeln, är det möjligt att förenkla motorns design genom att byta ut insugnings- och/eller avgasventilerna med fönster i cylinderväggen, som kommer att blockeras av arbetet kolv. Frånvaron av ventiler och ventilfjädrar gör att motorn kan köras med ett högre varvtal. Detta ger dock upphov till problemet med asymmetrisk öppning och stängning av fönster i förhållande till dödpunkter: spolningsfönstren måste öppnas senare än avgasfönstren, så att när de öppnas har trycket i cylindern minskat och avgaserna gör det. inte passera genom inloppsfönstren, men de stänger också senare, annars förskjuter avgaserna, färsk laddning kommer ut genom utloppsportarna tills de stängs av. I det här fallet, förutom förekomsten av förluster av en ny laddning, blir det omöjligt att trycksätta .
Det enklaste schemat, där det finns en kolv, och gasdistribution utförs av överlappande fönster i cylinderväggen. Insugnings- och reningsfönstren i en sådan motor är placerade i den nedre delen av cylindern, eftersom de måste blockeras under kompression och kolvens slag. Samtidigt är det omöjligt att implementera asymmetrin i gasdistributionsfaserna utan införandet av ytterligare element (spolar, hylsor, ventiler, etc.).
Lättheten att implementera konturspolning (särskilt när man använder utrymmet under kolven som en spolningspump, det vill säga en vevkammare) och låg kostnad säkerställde en mycket bred distribution av sådana motorer på billiga och lätta enheter. De är installerade på mopeder , motorcyklar , hängglidare , motorsågar , gräsklippare , motorbåtar , de används som startmotorer, det vill säga där låg effekt gör ytterligare förluster relativt omärkliga och billighet och tillgänglighet av designen spelar en betydande roll. Sådana motorer användes också på ett antal bilar, såsom DKW , SAAB , Trabant , Wartburg , Barkas i Europa, Suzuki Jimny i Japan .
Symmetrin i öppningen av insugs- och avgasportarna gör det ganska enkelt att organisera omkastningen av motorn - motorn fortsätter helt enkelt att rotera i samma riktning som den roterade när den startades. Lågvarviga diesel- och värmemotorer med stora svänghjul reverseras när hastigheten minskar: om svänghjulets tröghet blir otillräcklig när den närmar sig den övre dödpunkten för att fortsätta röra sig i samma riktning, när den blinkar i cylindern, börjar den att rotera i motsatt riktning.
Avsevärt förbättra effektiviteten hos tvåtaktsmotorer med konturspolning tillåter användning av ett bränsleinsprutningssystem istället för en förgasare. De senaste modellerna av tvåtaktsmotorcykelmotorer med insprutning är 50 % mer ekonomiska än förgasarmotorer, samtidigt som de avsevärt överträffar fyrtaktsmotorer i liter effekt [6] .
För att minska laddningsförlusterna tillämpas Cadenassi-principen - aerodynamisk och akustisk inställning av kanalerna med hjälp av en reflekterad avgasvåg. För att göra detta installeras en akustisk resonator i motorns avgassystem , som är konfigurerad så att några av de gaser som har kommit in i det kommer tillbaka innan avgasfönstren stängs. Dessutom kan den fungera effektivt i en smal del av motorvarvtalsområdet - nämligen i den där gasstrålens resonans uppstår.
Eftersom gasfördelningsfönstren är placerade i den nedre delen av cylindern är det svårt att blåsa igenom dess övre del. För att göra detta riktas en luftstråle eller en brännbar blandning så att den rör sig längs cylinderns kontur - därför kallas sådana reningsscheman kontur. Det finns flera varianter av konturrensning.
Det tvärgående reningsschemat är det enklaste: i det är utloppsfönstren placerade mittemot inloppet. Ett sådant reningsschema används inte på moderna motorer, eftersom det medför stora laddningsförluster på grund av att det rör sig längs banor av olika längd och når avgasfönstret efter en annan tid.
Deflektorrengöringen liknar den tvärgående, men det finns ett utsprång på kolven - en deflektor formad som ett visir. Deflektorn riktar spolluftflödet och förhindrar att det blandas med avgaserna. Dessutom, med en liten gasspjällsöppning, på grund av deflektorn, fördelas arbetsblandningen ojämnt: om den färska laddningen är starkt blandad med avgaser från avgasrutorna, blir den brännbara blandningen från insugsfönstren rikare och lätt antänds av ett ljus. Således fungerar deflektorrengöringen bättre vid tomgång och delbelastning. Dessutom är deflektorspolade motorcylindrar lättare att tillverka, eftersom de inte är kritiska för formen på insugningskanalen. Deflektorrengöring är dock inte lämplig för högaccelererade motorer. Den komplexa formen på förbränningskammaren under deflektorrengöring försämrar parametrarna för arbetsprocessen och ökar bensinmotorernas tendens att detonera och dieselmotorer att röka, vilket förhindrar forcering och ökar motorernas effektivitet. Dessutom är en kolv med tjock botten benägen att överhettas. I detta avseende har de flesta tillverkare av tvåtaktsmotorer övergett deflektorrening.
Med fontänspolning är spolnings- och utblåsningsfönster placerade runt hela cylinderns omkrets i två rader: avgasportar är överst och spolfönster är under dem. Ett sådant schema gör att det centrala området kan blåsas något bättre, men på grund av blandningens virvelrörelse ökar förlusten av ny laddning.
Det vanligaste är ett slingrensningsschema , där inloppsfönstren är placerade tillräckligt nära utloppen, men på grund av formen på inloppsrörledningen riktas den nya laddningen uppåt och dras mindre med av avgaserna.
Baffelrengöring
Cylinder och kolv med en vevstake av en tvåtakts kompressionsmotor för flygplansmodell " MK-12V " med fontänspolning
1 åtta spolkanaler
2 avgasportar i cylinderväggen
En vanlig layout av gasdistributionsfönster för slingrening
U-formad motor involverar närvaron av två parallella cylindrar med en gemensam förbränningskammare. Kolvarna i en sådan motor drivs av en vevaxel, en vevstake är släpande och vevstappen på dess vevstång är avsiktligt riktad bort från cylinderns symmetriaxel. Den L-formade motorn har en liknande design, men kolvarna i den sätts i rörelse av två motroterande vevar [7] . Insugs- och avgaskanalerna är placerade separat. På grund av kolvslagens asymmetri uppnås för det första asymmetrin i gasdistributionsfaserna - avgaserna ligger före intaget under arbetsslaget och stänger tidigare under kompressionen, vilket gör det möjligt att införa effektiv boost. För det andra, på grund av uppdelningen av cylindervolymen på mitten och den fysiska separationen av insugs- och avgasfönstren, underlättas och förbättras den faktiska rensningen och närmar sig direktflödet (Zvezda-NAMI) när det gäller kvaliteten på gasen utbyta.
Fyllning av cylindrar av högsta kvalitet är möjlig med direktflödesrening, när luftflödet (blandning) rör sig längs cylinderns axel. Samtidigt är det möjligt att uppnå en effektivitet på 50 % eller mer.
Sporventilspolning är en av de typer av direktflödesrening, där intaget sker genom spolningsfönster placerade runt omkretsen i den nedre delen av cylindern, och avgaserna går genom avgasventilen i huvudet. Förutom den optimala banan för rörelsen av gaser, på grund av vilken volymen av icke-rengöringsområden i cylindern minimeras, jämfört med slingrensning, låter detta schema dig stänga avgasventilen innan inloppsfönstren blockeras av kolv, vilket minskar förlusten av nyladdning och trycksättning .
I den sovjetiska bilindustrin installerades tvåtakts fyrcylindriga dieselmotorer YaAZ-204 på bilar i MAZ-200- familjen , och tvåtakts sexcylindriga YaAZ-206- motorer installerades på treaxlade lastbilar från KrAZ- 214 -familjen användes de också på militär utrustning (flytande transporter K-61 , artilleritraktor AT-L , självgående artillerifäste ASU-85 ) och bussar.
Idag används detta reningsschema på stora marina dieselmotorer, såsom Wärtsilä-Sulzer RTA96-C , och på diesellokomotiv . Liknande motorer utvecklas också med en insugningsventil placerad i botten av kolven.
I en motor med motgående kolvar utförs rensningen också längs cylinderns axel, men frigöringen sker inte genom ventilen, utan genom fönstren som blockeras av den andra kolven. Tidigare öppning och stängning av avgasfönstren i en sådan motor realiseras genom att vrida veven på denna kolv med 15-22 ° i förhållande till veven på den motsatta kolven. Kolvarna kan drivas antingen från en vevaxel - i detta fall är en eller båda kolvarna kopplade till vevaxeln med hjälp av stänger, eller från två synkront roterande axlar - i detta fall kan kraft tas från vilken som helst av dem, eller från båda vid kl. en gång.
En motgående dieselmotor med en stavdriven toppkolv byggdes i Frankrike av företaget Gobron-Brillié år 1900. 1903 nådde Gobron Brillié, driven av denna motor, 100 mph för första gången. Därefter kopierades denna typ av motor av Junkers (YuMO-201, YuMO-203).
1907 byggdes en dieselmotor med motsatt rörliga kolvar med två vevaxlar vid Kolomnafabriken. Designern, chefsingenjör för Kolomna-fabriken Raymond Aleksandrovich Koreyvo , patenterade den 6 november 1907 motorn i Frankrike och demonstrerade den sedan på internationella utställningar. En av dess viktiga layoutegenskaper är frånvaron av en gasfog . Tvåtaktsmotorer med motsatt rörliga kolvar användes i kolvflyg , till exempel Junkers YuMO-205-motorer (kopierade från Koreivo-motorn), används ofta på diesellokomotiv (D100-serien Fairbanks-Morse-motorer på TE3 och TE10 diesellokomotiv ) , såväl som i pansarfordon (motorer 5TDF i T - 64 -stridsvagnen och 6TD på T -80UD- och T-84- stridsvagnar ) och som fartyg.
Junkers Jumo 205 tvåtakts dieselmotor
Diesel 2D100, används på diesellokomotiv TE3
Treaxlad deltamotor Napier Deltic
YuMO-201-motor med stavdrivna kolvar i den övre raden
I en frikolvmotor finns det ingen vevaxel, och kolvens fram- och återgående rörelse tillhandahålls av fjäderns elasticitet, tryckluft eller gravitation. Sådana motorer används där det inte finns något behov av roterande rörelse, såsom dieselhammare , kompressorer och hetgasgeneratorer.
| Motorer | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| se även evighetsmaskin Kuggväxelmotor gummimotor | |||||||||||||||||