Когда речь заходит о двухтактных двигателях, в голове сразу всплывают бензопилы, мопеды и газонокосилки — лёгкие, шумные, прожорливые агрегаты, работающие на смеси бензина с маслом. И почти каждый, кто хоть немного разбирается в технике, уверенно скажет: никаких клапанов у двухтактника нет и быть не может. Но именно в этом месте и кроется одно из самых любопытных заблуждений, которое разбивается о реальность морского флота.
Мне самому когда-то казалось, что клапанный механизм — это исключительно атрибут четырёхтактных моторов. Пока однажды я не оказался в машинном отделении сухогруза и не увидел вблизи судовой дизель, у которого на каждом цилиндре красовался самый настоящий выпускной клапан. С этого момента пришлось пересматривать всю картину мира, связанную с двухтактным циклом.
Рабочий цикл судового двухтактника: два хода, но совсем другая механика
У стандартного бензинового двухтактника весь цикл укладывается в один оборот коленчатого вала. Поршень движется вверх, перекрывает продувочные окна, сжимает топливовоздушную смесь, а свеча поджигает её. Затем поршень уходит вниз, открываются окна, отработавшие газы вылетают наружу, а свежая порция смеси заполняет цилиндр. Всё просто, быстро и без каких-либо клапанов.
У судового дизеля принципиально иная логика. Здесь тоже два такта, но рабочим телом служит не готовая бензиновая смесь, а чистый воздух, который затем встречается с впрыснутым дизельным топливом. Цикл начинается с того, что поршень идёт от нижней мёртвой точки вверх. Продувочные окна ещё открыты, и через них в цилиндр поступает свежий воздух, который выталкивает остатки отработавших газов через выпускной клапан. Как только поршень поднимается выше окон, клапан закрывается, и начинается полноценное сжатие.
За несколько градусов до верхней мёртвой точки форсунка впрыскивает топливо. Внутри цилиндра царит турбулентность, воздух раскалён от сжатия, и дизельное топливо воспламеняется самопроизвольно — без свечей зажигания. К моменту, когда поршень достигает верхней точки, давление уже на пике, и начинается рабочий ход. Поршень устремляется вниз, превращая химическую энергию топлива в механическую работу на валу.
Дальше всё повторяется: давление падает, выпускной клапан открывается раньше, чем поршень опустится до продувочных окон, газы уходят, окна открываются, и цилиндр наполняется свежим воздухом. Обороты у таких машин настолько низкие — около сотни на полном ходу, — что каждый такт можно буквально услышать.
Принципиальные отличия от бензинового двухтактника
Первое, что бросается в глаза, — это способ продувки. У бензопилы или мопеда выпуск и впуск идут через окна в стенках цилиндра, без каких-либо клапанов. Отработавшие газы покидают цилиндр через те же самые окна, через которые поступает свежая смесь. У судового дизеля выпуск управляется клапаном, а впуск — продувочными окнами. Такая схема позволяет гораздо точнее контролировать газообмен и эффективнее очищать цилиндр.
Второе различие касается смазки. Бензиновый двухтактник смазывается маслом, подмешанным в топливо. Никакого масляного насоса и поддона у него нет, поэтому вся цилиндропоршневая группа довольствуется той плёнкой, которую оставляет бензино-масляная смесь. У тяжёлого судового дизеля всё иначе: здесь есть отдельная система лубрикаторов, встроенных во втулку цилиндра. Они подают масло непосредственно к поршню, и это масло целенаправленно сгорает, не возвращаясь в картер.
Помню, как в первые месяцы работы механиком я постоянно забывал пополнять расходную цистерну с этим маслом. Мне тогда казалось, что если двигатель работает, значит всё в порядке. А он, между прочим, выдавал 25 000 лошадиных сил и съедал около 500 литров масла в сутки. Хорошо, что старшие коллеги вовремя обращали внимание на уровень.
Третье отличие — это топливо. Двухтактные дизели нашли себя в танках, локомотивах и судовых установках, тогда как бензиновые двухтактники остались в нише лёгкой техники. Бензиновому мотору нужна свеча зажигания, дизель же обходится без неё, полагаясь на воспламенение от сжатия.
Крейцкопф: инженерное решение для гигантского хода поршня
Обычный кривошипно-шатунный механизм, знакомый каждому по автомобильному двигателю, соединяет поршень с шатуном напрямую через поршневой палец. Но что делать, если ход поршня не тридцать сантиметров, а три метра? В этом случае боковые нагрузки, возникающие от наклона шатуна, были бы колоссальными. Поршень прижимался бы к стенке цилиндра с чудовищной силой, перегревался и быстро выходил из строя.
Решение пришло из немецкого языка — Kreuzkopf, что переводится как крестовина. Крейцкопф представляет собой ползун, который соединён с поршнем длинным штоком и скользит по направляющим внутри двигателя. Шатун крепится не к поршню, а к этому ползуну. В результате поршень движется строго поступательно, без малейших боковых нагрузок, а все косые силы принимает на себя крейцкопф.
Такая конструкция открывает путь к ходам поршня в два с половиной и даже три метра. Крейцкопф находится внизу, вдали от камеры сгорания, и не испытывает тех температур, которые выпадают на долю поршня. Именно поэтому все самые мощные дизели в мире — крейцкопфные. Если бы автомобильный поршень имел ход три метра, ему потребовалась бы юбка длиной в метр, весящая около тонны. Такая болванка тёрлась бы о цилиндр с силой, которую не выдержали бы никакие кольца.
Дополнительно поршни у таких двигателей делают составными: головка из жаропрочной стали, юбка из лёгкого алюминиевого сплава, а внутри циркулирует масло для охлаждения. Между крейцкопфом и цилиндром устанавливается уплотнитель, который не пускает масло из картера в камеру сгорания и не даёт газам прорваться вниз. Картер остаётся относительно сухим, а цилиндр смазывается отдельной системой.
Запуск сжатым воздухом и реверс без коробки передач
Запустить такую махину обычным стартером невозможно. Вместо этого в каждый цилиндр подаётся сжатый воздух, который толкает поршни и раскручивает коленчатый вал до тех пор, пока двигатель не начнёт работать самостоятельно. Это похоже на запуск паровой машины, только вместо пара — воздух под высоким давлением.
Наддув для судовых двухтактников — не опция, а необходимость. На них устанавливают турбокомпрессоры размером с легковой автомобиль. При низких оборотах турбина еле крутится, поэтому на малом ходу включаются электрические нагнетатели, которые помогают двигателю дышать, пока турбонаддув не выйдет на рабочие обороты.
А что если судну нужно идти задним ходом? Никакой коробки передач у таких установок нет. Достаточно переключить систему газораспределения, и двигатель начнёт вращаться в обратную сторону. Весь реверс обеспечивается самим мотором, что для судна с винтом фиксированного шага является единственно возможным решением.
Самые мощные двухтактники планеты
Лидерами в производстве судовых двухтактных дизелей остаются MAN B&W и Wärtsilä. Финская компания, ранее известная как Sulzer, выпускает 14-цилиндровый RT-flex96C — один из самых мощных двигателей в мире. Его паспортная мощность приближается к 100 000 лошадиных сил при 102 оборотах в минуту. Диаметр каждого цилиндра почти метр, ход поршня — два с половиной метра, а сам поршень весит несколько тонн. Высота двигателя сопоставима с пятиэтажным домом.
При этом гигант остаётся на удивление экономичным. КПД малооборотных судовых дизелей превышает 50 процентов, тогда как у бензинового легкового мотора хорошим результатом считается 35 процентов. Получается, что старый большой дизель на деле оказывается куда более эффективной машиной, чем его компактные бензиновые собратья.
Двухтактные дизели прижились и в другой тяжёлой технике. Многие американские тепловозы оснащались V-образными двухтактными двигателями, простыми и тяговитыми. А советский танк Т-64 получил уникальный 5ТДФ — пятицилиндровый двухтактный дизель с противоположно движущимися поршнями. В одном цилиндре там работают сразу два поршня, движущихся навстречу друг другу. Клапанов нет, зато схема продувки очень сложная. Мотор вышел компактным и мощным для своего времени, но крайне капризным в обслуживании.
Почему у двухтактника нет маслосъёмного кольца
В классическом бензиновом двухтактнике нет масляного поддона и насоса. Масло, смешанное с бензином, само смазывает цилиндр и сгорает вместе с топливом. Если бы на поршне стояло маслосъёмное кольцо, оно соскребало бы эту плёнку, оставляя поршень сухим. Двигатель быстро износился бы и заклинил. К тому же возвращать соскобленное масло было бы некуда — картера с маслом в таком моторе просто нет. Поэтому обходятся только компрессионными кольцами.
В больших судовых дизелях смазка цилиндра принудительная, но масло всё равно сгорает и обратно не возвращается. Поэтому классического маслосъёмного кольца там тоже может не быть. Так что когда в следующий раз кто-то скажет, что у двухтактника не бывает клапанов, можно смело уточнить: у бензопилы — да, а у судового гиганта — очень даже бывает.
Обсудить статью
