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…
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.
Click to viewМедитативное 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…