Принцип работы. Недостатком четырехтактного двигателя является то, что лишь один из четырех ходов поршня — рабочий, а три — подготовительные, совершающиеся с затратой энергии, выделяющейся за рабочий ход. Более удачное сочетание рабочей и подготовительной частей цикла у двухтактного двигателя.

Как видно, степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшился объем в цилиндре за ход сжатия. У дизелей речного флота она встречается в пределах 12—18.

При ходе всасывания, когда поршень движется вниз, объем увеличивается и в цилиндр всасывается воздух из атмосферы. Вследствие сопротивления каналов внутри крышки цилиндра и сопротивления впускного клапана давление в цилиндре бывает меньше давления окружающей среды, из которой засасывается воздух. Давление всасывания можно считать постоянным, поэтому график процесса всасывания (или линия всасывания) будет параллелен оси абсцисс и расположен ниже линии давления окружающей среды. Когда поршень во втором такте также движется вверх при закрытом впускном клапане, объем в цилиндре уменьшится, а давление повысится до рс — давления конца сжатия. Изменение давления по мере уменьшения объема характеризуется линией.

Рис. 1. Теоретическая индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля

Рис. 2. Схема работы двухтактного дизеля

В простейшем варианте двухтактный дизель не имеет впускных и выпускных клапанов. Вместо них цилиндр снабжен впускными и выпускными окнами. Окна открываются и закрываются поршнем, связанным шатуном с кривошипом коленчатого вала. Существенно, что высота выпускных окон больше, чем впускных. Цилиндр закрыт крышкой, в которую вставлена форсунка.

Предположим, что поршень движется вверх, как показано на рис. 2 а. Поскольку окна перекрыты поршнем, в цилиндре происходит сжатие воздуха примерно до тех же параметров, что и у четырехтактного дизеля При положении поршня вблизи в. м. т. в цилиндр через форсунку впрыскивается топливо, самовоспламеняющееся и сгорающее подобно тому, как это бывает в четырехтактном дизеле.

Под давлением газа поршень движется вниз, происходит процесс расширения, в течение которого совершается полезная работа. Расширение продолжается до открытия поршнем выпускных окон. С этого момента начинается выпуск отработавшего газа в выпускной (выхлопной) коллектор.

Несколько позднее поршень откроет впускные окна, через которые из ресивера в цилиндр поступит сжатый воздух. Так как давление в цилиндре двухтактного двигателя бывает всегда выше атмосферного, воздух должен находиться в ресивере под давлением, составляющим обычно 120— 150 кПа (1,2—1,5 кгс/см2). Этот воздух называется продувочным: поступая в цилиндр, он вытесняет из цилиндра отработавший газ, т. е. продувает цилиндр. Термин «продувочный» применяют и к окнам (продувочные окна), ресиверу (ресивер продувочного воздуха), к насосу, подающему воздух в ресивер (продувочный насос).

Итак, после открытия продувочных окон в цилиндре происходят выпуск и продувка. Эти процессы будут продолжаться в течение того времени, за которое поршень движется вниз до н. м. т. и затем вверх до закрытия им продувочных окон. Несколько позднее поршень закроет выпускные окна и начнется процесс сжатия.

Как видно, рабочий цикл совершился за два хода поршня, он включает в себя два такта, что и определяет название двигателя: двухтактный.

После того как движущийся вверх поршень закроет выпускные окна, начинается сжатие воздуха. По приходе поршня в в. м. т. в цилиндр впрыскивается топливо, часть которого сгорает при постоянном объеме, часть — при постоянном давлении. Степень сжатия е, давления конца сжатия и сгорания имеют те же величины, что и у четырехтактного дизеля.

Расширение рабочего газа заканчивается в тот момент, когда поршень открывает выпускные окна, через которые отработавший газ выходит в атмосферу. Таким образом, газ расширяется в пределах объема вследствие чего он и называется полезным.

После открытия выпускных окон начинается свободный выпуск. Теоретически считается, что давление в цилиндре снижается при свободном выпуске до давления ps продувочного воздуха мгновенно. Практически это давление понижается в течение того времени, которое проходит от открытия поршнем выпускных окон до открытия продувочных (точка е). При дальнейшем движении поршня до н. м. т. и от нее до закрытия продувочных окон происходит продувка. Линия еа показывает, что от закрытия продувочных окон до закрытия выпускных продолжается выпуск.

Таким образом, за время изменения объема на величину происходят процессы газообмена: выпуск, продувка. С точки зрения работы газа часть хода, соответствующая высоте окон, потеряна. Этим и объясняется термин: «потерянная часть хода поршня».

Из диаграммы видно, что в любой момент рабочего цикла давление в цилиндре двухтактного двигателя выше давления окружающей среды.

Качественные особенности двухтактных двигателей. Частота циклов в цилиндре двухтактного двигателя вдвое больше, чем у четырехтактного: у первого цикл совершается за один оборот вала, у второго— за два. Это значит, что при тех же размерах (диаметре цилиндра, ходе поршня) и при равной частоте вращения (числе оборотов вала в минуту) двухтактный двигатель должен развивать мощность вдвое большую, чем четырехтактный. Однако часть хода поршня двухтактного двигателя с точки зрения работы газа является потерянной. Поэтому практически двухтактный двигатель развивает мощность в 1,7—1,8 раза больше четырехтактного. Если же сравнивать двигатели одинаковой мощности, то двухтактный будет иметь меньшие размеры и, следовательно, меньшую массу. Работа газа в цилиндре совершается лишь в течение части цикла, т. е. импульсами, в связи с чем вал двигателя вращается неравномерно. У двухтактных двигателей импульсы слабее, но чередуются вдвое чаще, чем у четырехтактных. Из этого следует, что вал двухтактного двигателя вращается равномернее, чем у четырехтактного.

Рис. 3. Теоретическая индикаторная диаграмма двухтактного дизеля

Устройство двухтактного двигателя с продувкой через окна проще четырехтактного: у первого отсутствуют клапаны и механизм их привода. По этой причине двухтактные двигатели легче обслуживать.

К недостаткам двухтактных двигателей следует отнести прежде всего их меньшую экономичность, что объясняется худшей очисткой цилиндра, чем у четырехтактных, и потерей части энергии на привод продувочного насоса. В двухтактном двигателе процесс сгорания повторяется вдвое чаще, чем в четырехтактном, поэтому детали его испытывают более высокую тепловую нагрузку. В сочетании с повышенными механическими напряжениями это приводит к меньшему сроку службы двухтактных двигателей по сравнению с четырехтактными.

Перечисленные основные достоинства и недостатки двухтактных двигателей предопределили их распространенность. Много строится двухтактных двигателей малой мощности, в частности — подвесные лодочные моторы. Это объясняется сравнительной простотой их устройства и обслуживания, которое может осуществляться людьми с минимальной технической подготовкой. Наибольшее распространение в народном хозяйстве имеют двигатели средней мощности, поэтому они должны обладать максимальной экономичностью и максимальным сроком службы. Такому требованию удовлетворяют четырехтакные двигатели, и именно они получили в области средних мощностей преимущественное распространение. На судах речного флота двухтактных двигателей очень мало.

Чтобы уменьшить габариты и массу малооборотных двигателей большой мощности, их чаще всего строят двухтактными. Даже при двухтактном исполнении диаметр цилиндра достиг в настоящее время 1060 мм, ход поршня 2000 мм, а при четырехтактном эти размеры были бы больше. ГОСТ 4393—74 предусматривает, что дизели с рабочим объемом цилиндра свыше 215 л (такой объем будет, например, при диаметре цилиндра 550 мм и ходе поршня 900 мм) должны строитьсй двухтактными.

Очень важно, конечно, чтобы двигатели большой мощности были экономичными и имели длительный срок службы. Благоприятным для двухтактных двигателей в этом отношении является то обстоятельство, что по мере повышения мощности их экономичность приближается к экономичности четырехтактных, а срок службы мощных двухтактных достаточно велик потому, что они строятся малооборотными.