Un motor în doi timpi este un motor cu ardere internă în care procesul de lucru în fiecare dintre cilindri se finalizează într-o singură rotație a arborelui cotit , adică în două timpi de piston [1] . Cursele de compresie și cursă într-un motor în doi timpi (cu excepția motorului Lenoir ) apar în același mod ca într-un motor în patru timpi (ceea ce înseamnă că pot fi implementate aceleași cicluri termodinamice, cu excepția ciclului Atkinson ), dar procesele de curățare și umplere a cilindrului sunt combinate și nu se desfășoară în cadrul curselor individuale ale cadrului, ci pentru o perioadă scurtă de timp când pistonul este aproape de punctul mort inferior . Procesul de îndepărtare a gazelor de eșapament din cilindru și de umplere a acestuia cu încărcătură proaspătă într-un motor în doi timpi se numește scavenging .
Unul dintre primele brevete de motoare în doi timpi a fost eliberat în 1881 inginerului scoțian Douglad Clerk[2] . Motorul său era format din doi cilindri: de lucru și de livrare. Pentru prima dată, un motor în doi timpi cu o cameră de purjare care nu necesita pistoane suplimentare a fost propus de inventatorul englez Joseph Day în 1891 [3] și perfecționat în continuare de unul dintre subalternii săi, Frederick Cock [4] . Independent de ei, în 1879, Karl Benz a construit un motor pe gaz în doi timpi, pentru care a primit un brevet în 1880. În 1907, la uzina din Kolomna a fost construit un motor diesel în doi timpi răcit cu apă, cu pistoane care se mișcă opus și doi arbori cotiți. Unul dintre cilindri a fost folosit pentru purjare. Proiectantul, inginer-șef al uzinei Kolomna Raymond Aleksandrovich Koreyvo , la 6 noiembrie 1907, a brevetat motorul în Franța, apoi l-a demonstrat la expoziții internaționale. Motoarele Koreyvo au fost folosite în serie la construcția navelor cu motor. În 1908, un motor în doi timpi a găsit utilizare într-o motocicletă construită de Alfred Scott din Yorkshire - era un motor în doi timpi în doi cilindri, răcit cu apă [5] .
Ciclul de funcționare al unui motor în doi timpi are loc într-o singură rotație a arborelui cotit , ceea ce vă permite să eliminați de 1,5-1,7 ori mai multă putere de la același volum de lucru la aceeași turație a motorului. Acest lucru este valabil mai ales atunci când se creează motoare grele de viteză mică pentru nave medii și grele, conectate direct la arborele elicei cu pas controlabil , precum și în aviația cu piston, unde sunt necesare și viteze de funcționare relativ mici pentru funcționarea eficientă a elicei, care face posibilă eliminarea cutiei de viteze de antrenare a elicei din design. .
Ca motor de automobile sau, cu atât mai mult, de motocicletă, un astfel de motor este mai puțin profitabil, dar vă permite, de asemenea, să creați unități de putere relativ compacte, dar puternice, care și-au găsit aplicație în autovehicule și, mai devreme, în mașini mici și mici. (cu purjare cu manivelă, volumul de lucru de obicei până la 1,5 - 1,7 litri), precum și pe camioane și autobuze (cu purjare cu flux direct, volumul de lucru este de obicei de la 4 litri sau mai mult).
Datorită frecvenței de două ori a ciclurilor de funcționare și prin spălarea pieselor care asigură evacuarea cu dublul cantității de gaze de eșapament, aceste piese de motor se află într-un regim termic mai intens. La motoarele de mare putere, se folosește în mod necesar răcirea forțată a pistoanelor.
Datorită jumătate din numărul de curse nefuncționale ale pistonului în fiecare ciclu de lucru, pierderile prin frecare se reduc la jumătate.
La motoarele în doi timpi, este necesar să se găsească un compromis între calitatea scavengingului și pierderea încărcăturii proaspete. Spre deosebire de un motor în patru timpi, în care pistonul trece prin punctul mort superior între cursele de evacuare și de admisie , deplasând aproape complet gazele de eșapament, într-un motor în doi timpi, curățarea (atât evacuarea, cât și admisia) are loc în timp ce pistonul trece prin partea inferioară a cilindrul (folosind pistonul ca unealtă care deplasează gazele de eșapament, are loc doar într-o mică parte a cursului său). În acest caz, este imposibil să se excludă complet amestecarea încărcăturii proaspete cu gazele de eșapament. Problema pierderii de sarcină este relevantă în special pentru motoarele cu carburator, deoarece un amestec de lucru gata făcut intră în cilindru în timpul eliminării, ceea ce duce la un consum crescut de combustibil și la o cantitate mare de hidrocarburi nearse în evacuare. În general, motoarele în doi timpi au un consum de aer de 1,5 până la 2 ori mai mare, ceea ce poate necesita filtre de aer mai complexe. Spre deosebire de un motor în patru timpi, atunci când se folosește un turbocompresor, energia aerului care vine de la turbocompresor nu este transferată prin piston către arborele cotit al motorului, în același timp, gazele de evacuare nu exercită contrapresiune asupra pistonului atunci când sunt evacuate. .
Prin proiectare, un motor în doi timpi poate fi fie mai simplu (cu contur al camerei manivelei și, parțial, purjare a fantei supapei), fie mai complex decât un motor în patru timpi (cu purjare cu flux direct).
În timp ce într-un motor în patru timpi, încărcarea proaspătă este aspirată prin mișcarea pistonului în jos din punctul mort superior când supapa de admisie este deschisă, iar golirea este în sus când supapa de evacuare este deschisă, într-un motor în doi timpi, încărcarea proaspătă trebuie intră în cilindru sub presiune, deplasând gazele de eșapament. Este necesară o suflantă pentru a genera presiune . În motoarele simplificate, partea inferioară a pistonului și cavitatea carterului sunt utilizate în acest scop - o astfel de schemă se numește purjare a camerei manivelei.
În motoarele mai complexe, suflantele Roots, cilindrii suplimentari (motor Koreivo), compresoarele speciale cu piston (YUMO-203) sau suflantele cu turbină sunt utilizate ca sursă de aer de purjare, care poate fi rotită de un arbore de motor sau de o turbină antrenată de gazele de eșapament. . În unele cazuri, se utilizează o combinație de supraalimentare mecanice cu turbo pentru a asigura o admisie mai stabilă a aerului de alimentare.
Când se folosește o purjare a camerei manivelei, aerul sau un amestec combustibil intră în cilindru din cavitatea carterului , unde este aspirat când pistonul se mișcă în sus; când pistonul se mișcă în jos, presiunea în exces asigură purjare. Cu această schemă, este posibil să creați un motor format dintr-un număr minim de piese, deoarece nu necesită o pompă de evacuare. Pentru a preveni pierderea de sarcină prin conducta de admisie în atmosferă, înainte de a intra în carter poate fi instalată o supapă lamelă sau o bobină de disc montată pe arborele cotit .
Când utilizați purjarea camerei manivelei, există anumite caracteristici care limitează utilizarea unor astfel de motoare:
La motoarele mari cu mai mulți cilindri în doi timpi, aerul de captare este comprimat într-un compresor separat (tip Roots sau tip paletă), ceea ce elimină aproape complet dezavantajele de mai sus. În acest caz, totuși, aerul poate fi furnizat cilindrilor prin cavitatea carterului, care în acest caz acționează ca un receptor . Un turbocompresor poate fi, de asemenea, utilizat pentru a crea presiune de purjare, dar în acest caz, la momentul pornirii, motorul trebuie să fie alimentat cu aer comprimat dintr-o sursă externă sau trebuie utilizat un impuls în două trepte cu o treaptă mecanică (10D100). .
Motoarele timpurii în doi timpi foloseau și compresoare cu piston, alimentate de același arbore cotit ca și motorul. De exemplu, pe Junkers PDP-diesel YuMO-203, ca pistoane de purjare au fost folosite pistoane pătrate speciale montate pe traversele pistoanelor din rândul superior. În motorul minicarului englez Lloyd 650 (sfârșitul anilor 1940), a fost folosită o pompă cu piston cu dublă acțiune („al treilea cilindru”) brevetată de Roland Lloyd, care avea o transmisie cu lanț de la arborele cotit și purja doi cilindri de lucru cu un combustibil. amestec de aer.
În motoarele cu combustie internă alternativă, curățarea de înaltă calitate a volumului cilindrului de gazele de eșapament este de mare importanță. La motoarele pe benzină, reziduurile de gaze de eșapament duc la pre-aprindere din cauza temperaturilor ridicate. La orice motor, curățarea defectuoasă duce la scăderea puterii maxime și la o deteriorare a calității arderii combustibilului. Deoarece purjarea are loc prin întregul volum al cilindrului atunci când pistonul (sau pistoanele) se află aproape de punctul mort inferior, este mult mai dificil să curățați calitativ cilindrul de gazele de eșapament. Calitatea purjării poate fi îmbunătățită în două moduri: prin optimizarea traiectoriei încărcăturii proaspete în timpul purjării sau prin furnizarea de aer de purjare în exces, care va fi aruncat în conducta de evacuare împreună cu gazele de evacuare. A doua metodă este aplicabilă numai dacă există un compresor și injecție directă de combustibil în cilindru.
Deoarece într-un motor în doi timpi toate procesele au loc într-o singură rotație a arborelui cotit, este posibil să se simplifice proiectarea motorului prin înlocuirea supapelor de admisie și/sau de evacuare cu ferestre în peretele cilindrului, care vor fi blocate de funcționare. piston. Absența supapelor și a arcurilor supapelor permite motorului să funcționeze la o turație mai mare. Totuși, acest lucru ridică problema deschiderii și închiderii asimetrice a ferestrelor în raport cu punctele moarte: geamurile de purjare trebuie să se deschidă mai târziu decât ferestrele de evacuare, astfel încât, în momentul în care sunt deschise, presiunea în cilindru a scăzut și gazele de evacuare nu nu trec prin geamurile de admisie, dar se închid și mai târziu, altfel deplasând gazele de eșapament, încărcătura proaspătă va ieși prin porturile de evacuare până când acestea sunt închise. În acest caz, pe lângă apariția pierderilor unei încărcături proaspete, devine imposibilă presurizarea .
Cea mai simplă schemă, în care există un piston, iar distribuția gazului se realizează prin suprapunerea ferestrelor în peretele cilindrului. Ferestrele de admisie și de purjare la un astfel de motor sunt situate în partea inferioară a cilindrului, deoarece acestea trebuie blocate în timpul compresiei și cursei pistonului. În același timp, este imposibil să se implementeze asimetria fazelor de distribuție a gazelor fără introducerea de elemente suplimentare (bobine, manșoane, supape etc.).
Ușurința de implementare a purjării conturului (în special atunci când se folosește spațiul sub piston ca o pompă de purjare, adică o cameră manivelă) și costul redus au asigurat o distribuție foarte largă a unor astfel de motoare pe dispozitive ieftine și ușoare. Sunt instalate pe mopede , motociclete , deltaplanuri , ferăstraie cu lanț , mașini de tuns iarba , bărci cu motor , sunt folosite ca motoare de pornire, adică acolo unde puterea scăzută face pierderi suplimentare relativ insesizabile, iar ieftinitatea și accesibilitatea designului joacă un rol semnificativ. Astfel de motoare au fost folosite și pe o serie de mașini, cum ar fi DKW , SAAB , Trabant , Wartburg , Barkas în Europa, Suzuki Jimny în Japonia .
Simetria deschiderii orificiilor de admisie și evacuare face destul de ușoară organizarea inversării motorului - motorul pur și simplu continuă să se rotească în aceeași direcție în care s-a rotit atunci când a fost pornit. Motoarele diesel cu viteză redusă și motoarele calorice cu volante mari sunt inversate atunci când turația scade: dacă, la apropierea de punctul mort superior, inerția volantului devine insuficientă pentru a continua mișcarea în aceeași direcție, atunci când clipește în cilindru, acesta începe să se rotească în sens opus.
Îmbunătățirea semnificativă a eficienței motoarelor în doi timpi cu purjare contur permite utilizarea unui sistem de injecție de combustibil în locul unui carburator. Cele mai recente modele de motoare de motociclete cu injecție în doi timpi sunt cu 50% mai economice decât cele cu carburator, în timp ce depășesc semnificativ motoarele în patru timpi în litri de putere [6] .
Pentru a reduce pierderile de sarcină, se aplică principiul Cadenassi - reglarea aerodinamică și acustică a tracturilor folosind o undă de gaz de eșapament reflectată. Pentru a face acest lucru, în sistemul de evacuare al motorului este instalat un rezonator acustic , care este configurat astfel încât unele dintre gazele care au intrat în el să revină înapoi înainte de a închide geamurile de evacuare. În plus, poate funcționa eficient într-o parte îngustă a intervalului de turații a motorului - și anume, în cea în care are loc rezonanța jetului de gaz.
Deoarece ferestrele de distribuție a gazului sunt situate în partea inferioară a cilindrului, este dificil să sufleți prin partea superioară. Pentru a face acest lucru, un jet de aer sau un amestec combustibil este direcționat astfel încât să se deplaseze de-a lungul conturului cilindrului - prin urmare, astfel de scheme de purjare se numesc contur. Există mai multe varietăți de purjare de contur.
Schema de purjare transversală este cea mai simplă: în ea, ferestrele de evacuare sunt situate vizavi de cele de admisie. O astfel de schemă de purjare nu este utilizată la motoarele moderne, deoarece implică pierderi mari de sarcină datorită faptului că se deplasează pe traiectorii de lungimi diferite și ajunge la fereastra de evacuare după un timp diferit.
Purja deflectorului este similară cu cea transversală, cu toate acestea, există o proeminență pe piston - un deflector în formă de vizor. Deflectorul direcționează fluxul de aer de purjare, împiedicându-l să se amestece cu gazele de evacuare. În plus, cu o deschidere mică a accelerației, datorită deflectorului, amestecul de lucru este distribuit neuniform: dacă încărcătura proaspătă este puternic amestecată cu gazele de evacuare de la geamurile de evacuare, atunci amestecul combustibil de la geamurile de admisie este mai bogat și ușor aprins de o lumânare. Astfel, purjarea deflectorului funcționează mai bine la ralanti și la sarcini parțiale. În plus, cilindrii motorului cu deflector sunt mai ușor de fabricat, deoarece nu sunt critici pentru forma conductei de admisie. Cu toate acestea, purjarea deflectorului nu este potrivită pentru motoarele cu accelerație mare. Forma complexă a camerei de ardere în timpul purjării deflectorului înrăutățește parametrii procesului de lucru și crește tendința de detonare a motoarelor pe benzină și a motoarelor diesel de a fuma, ceea ce previne forțarea și creșterea eficienței motoarelor. În plus, un piston cu fund gros este predispus la supraîncălzire. În acest sens, majoritatea producătorilor de motoare în doi timpi au renunțat la eliminarea deflectorului.
În cazul purjării fântânii , ferestrele de purjare și de evacuare sunt amplasate pe întreaga circumferință a cilindrului pe două rânduri: orificiile de evacuare sunt deasupra, iar ferestrele de purjare sunt dedesubt. O astfel de schemă permite ca regiunea centrală să fie suflată ceva mai bine, cu toate acestea, datorită mișcării vortexului amestecului, pierderea încărcăturii proaspete crește.
Cea mai comună este o schemă de purjare în buclă , în care ferestrele de admisie sunt amplasate suficient de aproape de cele de evacuare, însă, datorită formei conductei de admisie, încărcătura proaspătă este îndreptată în sus și este mai puțin antrenată de gazele de evacuare.
Purjare deflectoare
Cilindru și piston cu o biela a unui model de aeronavă în doi timpi cu motor de compresie „ MK-12V ” cu purjare fântână
1 opt canale de purjare
2 orificii de evacuare în peretele cilindrului
Un aspect comun al ferestrelor de distribuție a gazului pentru purjarea în buclă
Motorul în formă de U implică prezența a doi cilindri paraleli cu o cameră de ardere comună. Pistoanele dintr-un astfel de motor sunt antrenate de un arbore cotit, o biela este trasă, iar știftul bielei sale este îndreptat în mod deliberat departe de axa de simetrie a cilindrului. Motorul în formă de L are un design similar, dar pistoanele din el sunt puse în mișcare de două manivele contrarotative [7] . Canalele de admisie și evacuare sunt situate separat. Datorită asimetriei curselor pistonului, în primul rând, se realizează asimetria fazelor de distribuție a gazelor - evacuarea este înaintea admisiei în timpul cursei de lucru și se închide mai devreme în timpul compresiei, ceea ce face posibilă introducerea unui impuls eficient. În al doilea rând, datorită împărțirii volumului cilindrului în jumătate și separării fizice a geamurilor de admisie și evacuare, purjarea propriu-zisă este facilitată și îmbunătățită, apropiindu-se de fluxul direct (Zvezda-NAMI) în ceea ce privește calitatea gazului. schimb valutar.
Umplerea de cea mai înaltă calitate a cilindrilor este posibilă cu purjarea cu flux direct, atunci când fluxul de aer (amestec) se mișcă de-a lungul axei cilindrului. În același timp, este posibil să se obțină o eficiență de 50% sau mai mult.
Purjarea cu supapă cu fantă este unul dintre tipurile de purjare cu flux direct, în care admisia se face prin ferestre de purjare situate în jurul circumferinței în partea inferioară a cilindrului, iar evacuarea este prin supapa de evacuare din cap. Pe lângă traiectoria optimă a mișcării gazelor, datorită căreia volumul zonelor nepurjate ale cilindrului este minimizat, în comparație cu purjarea buclei, această schemă vă permite să închideți supapa de evacuare înainte ca ferestrele de admisie să fie blocate de către piston, care reduce pierderea de încărcare proaspătă și presurizare .
În industria auto sovietică, motoarele diesel în doi timpi cu patru cilindri YaAZ-204 au fost instalate pe mașinile din familia MAZ-200 , iar motoarele în doi timpi cu șase cilindri YaAZ-206 au fost instalate pe camioanele cu trei axe ale KrAZ- 214 , au fost folosite și pe echipamente militare (transporter plutitor K-61 , tractor de artilerie AT-L , montură de artilerie autopropulsată ASU-85 ) și autobuze.
Astăzi, această schemă de purjare este utilizată pe motoarele maritime diesel mari, cum ar fi Wärtsilä-Sulzer RTA96-C și pe locomotivele diesel . Motoare similare sunt, de asemenea, dezvoltate cu o supapă de admisie situată în partea inferioară a pistonului.
Într-un motor cu pistoane în contra-mișcare, purjarea se efectuează și de-a lungul axei cilindrului, totuși, eliberarea se efectuează nu prin supapă, ci prin ferestrele blocate de al doilea piston. Deschiderea și închiderea mai devreme a ferestrelor de evacuare într-un astfel de motor se realizează prin rotirea manivela acestui piston cu 15-22 ° față de manivela pistonului opus. Pistoanele pot fi antrenate fie de la un arbore cotit - în acest caz, unul sau ambele pistoane sunt conectate la arborele cotit folosind tije, fie de la doi arbori care se rotesc sincron - în acest caz, puterea poate fi preluată de la oricare dintre ei sau de la ambele la o singura data.
Un motor diesel cu mișcare inversă cu un piston superior acționat de tijă a fost construit în Franța de compania Gobron-Brillié în 1900. În 1903, Gobron Brillié, propulsat de acest motor, a atins pentru prima dată 100 mph. Ulterior, acest tip de motor a fost copiat de Junkers (YuMO-201, YuMO-203).
În 1907, la uzina din Kolomna a fost construit un motor diesel cu pistoane cu mișcare opusă și doi arbori cotiți. Proiectantul, inginer-șef al uzinei Kolomna Raymond Aleksandrovich Koreyvo , la 6 noiembrie 1907, a brevetat motorul în Franța, apoi l-a demonstrat la expoziții internaționale. Una dintre caracteristicile sale importante de aspect este absența unei îmbinări de gaz . Motoarele în doi timpi cu pistoane în mișcare opusă au fost folosite în aviația cu piston , de exemplu, motoarele Junkers YuMO-205 (copiate din motorul Koreivo), sunt utilizate pe scară largă pe locomotive diesel (motoarele Fairbanks-Morse din seria D100 pe locomotivele diesel TE3 și TE10 ). , precum și în vehicule blindate (motoare 5TDF al tancului T -64 și 6TD al tancurilor T -80UD și T-84 ) și ca nave.
Motor diesel Junkers Jumo 205 în doi timpi
Diesel 2D100, utilizat pe locomotive diesel TE3
Motor delta cu trei arbori Napier Deltic
Motor YuMO-201 cu pistoane antrenate de tije din rândul superior
Într-un motor cu piston liber, nu există arbore cotit, iar mișcarea alternativă a pistonului este asigurată de elasticitatea arcului, a aerului comprimat sau a gravitației. Astfel de motoare sunt utilizate acolo unde nu este nevoie de mișcare rotativă, cum ar fi ciocanele diesel , compresoarele și generatoarele de gaz fierbinte.