Двухта́ктный дви́гатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе (за исключением двигателя Ленуара) происходят так же, как и в четырёхтактном (а значит, возможна реализация тех же термодинамических циклов, кроме цикла Аткинсона), но процессы очистки и наполнения цилиндра совмещены и осуществляются не в рамках отдельных тактов, а за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мёртвой точки. Процесс удаления из цилиндра отработавших газов и наполнения его свежим зарядом в двухтактном двигателе называется продувкой.

История Один из первых патентов на двухтактный двигатель был выдан в 1881 году шотландскому инженеру См. Clerk, Dugald ; English patent no. 1,089 (issued: March 14, 1881). Clerk, Dugald "Motor worked by combustible gas or vapor," U.S. patent no. 249,307 (filed: September 2, 1881 ; issued: November 8, 1881).. Его двигатель состоял из двух цилиндров: рабочего и нагнетательного. Впервые двухтактный двигатель с камерной продувкой, не требующей дополнительных поршней, предложил английский изобретатель в 1891 году* Day, Joseph ; British patent no. 6,410 (issued: April 14, 1891). Day, Joseph ; British patent no. 9,247 (issued: July 1, 1891). Day, Joseph "Gas-engine" US patent no. 543,614 (filed: May 21, 1892 ; issued: July 30, 1895). , и в дальнейшем доработан одним из его подчинённых Фредериком КокомСм. Cock, Frederic William Caswell ; British patent no. 18,513 (issued: October 15, 1892). Cock, Frederic William Caswell "Gas-engine" US patent no. 544,210 (filed: March 10, 1894 ; issued: August 6, 1895). The Day-Cock engine is illustrated in: ; see p. 48.. Независимо от них, в 1879 году, Карл Бенц построил двухтактный газовый двигатель, на который получил патент в 1880 году. В 1907 году двухтактный дизель водяного охлаждения с противоположно-движущимися поршнями с двумя коленвалами был построен на Коломенском заводе. Для продувки использовался один из цилиндров. Конструктор, главный инженер Коломенского завода Раймонд Александрович Корейво, 6 ноября 1907 года запатентовал двигатель во Франции, потом демонстрировал его на международных выставках. Дизели Корейво серийно использовались при постройке теплоходов. В 1908 году двухтактный двигатель нашёл применение на построенном из Йоркшира мотоцикле — это был двухцилиндровый двухтактный двигатель с водяным охлаждением.

Сравнение двухтактного и четырёхтактного двигателя Рабочий цикл двухтактного двигателя происходит за один оборот коленчатого вала, что позволяет снимать в 1,5-1,7 раза бо́льшую мощность с того же рабочего объёма при тех же оборотах двигателя. Это особенно актуально при создании тяжёлых тихоходных двигателей средних и тяжёлых судов, соединяемых непосредственно с валом гребного винта регулируемого шага, а также в поршневой авиации, где для эффективной работы воздушного винта также требуются сравнительно низкие рабочие обороты, что позволяет устранить из конструкции редуктор привода на винт.

В качестве автомобильного или, тем более, мотоциклетного такой двигатель менее выгоден, тем не менее также позволяет создать сравнительно компактные, но мощные силовые агрегаты, нашедшие применение в мототехнике и, ранее, микролитражных и малолитражных легковых автомобилях (с кривошипно-камерной продувкой, рабочим объёмом обычно до 1,5 — 1,7 литра), а также на грузовых автомобилях и автобусах (с прямоточной продувкой, рабочим объёмом обычно от 4 литров и более). Также, невыгодна и более низкая экологичность двухтактных бензиновых двигателей — вместе с топливом в цилиндр поступает и специальное масло, которое также подвергается сгоранию, выделяя ядовитые продукты горения и пиролиза. Выхлоп двухтактных бензиновых двигателей более токсичен, чем у четырëхтактных.

Из-за вдвое большей частоты рабочих тактов и за счет омывания деталей, обеспечивающих выхлоп, удвоенным количеством выхлопных газов, эти детали двигателя находятся в более напряжённом тепловом режиме. В двигателях большой мощности обязательно используется принудительное охлаждение поршней.

За счёт вдвое меньшего количества нерабочих ходов поршня в каждом рабочем цикле вдвое уменьшаются потери на трение.

Конструкторам двухтактных двигателей всегда приходится искать компромисс между качеством продувки и потерями свежеей воздушно-топливной смеси. В отличие от четырёхтактного двигателя, где между тактами выпуска и впуска поршень проходит верхнюю мёртвую точку, почти полностью вытесняя выхлопные газы, в двухтактном продувка (и выпуск, и впуск) происходит во время прохождения поршнем нижней части цилиндра (использование поршня в качестве инструмента, вытесняющего выхлопные газы, происходит лишь в небольшой части его хода). При этом невозможно полностью исключить смешивание свежей воздушно-топливной смеси с выхлопными газами. Особенно проблема потерь воздушно-топливной смеси актуальна для карбюраторных двигателей, так как в них в цилиндр во время продувки поступает готовая рабочая смесь, что приводит к увеличенному расходу топлива и большому количеству несгоревших углеводородов в выхлопе. В целом, двухтактные двигатели имеют в 1,5-2 раза больший расход воздуха, из-за чего могут требовать более сложных воздушных фильтров. В отличие от четырёхтактного двигателя, при использовании турбонаддува энергия поступающего из турбокомпрессора воздуха не передаётся через поршень на коленчатый вал двигателя, в то же время выхлопные газы при выпуске не оказывают противодавления на поршень.

По конструкции двухтактный двигатель может быть как более простым (при контурной кривошипно-камерной и, отчасти, клапанно-щелевой продувке), так и более сложным, чем четырёхтактный (при прямоточной продувке).

Источники продувочного воздуха В то время как в четырёхтактном двигателе всасывание свежего заряда происходит за счёт движения поршня из верхней мёртвой точки вниз при открытом впускном клапане, а опорожнение — вверх при открытом выпускном, в двухтактном свежий заряд должен поступать в цилиндр под давлением, вытесняя отработавшие газы. Для создания давления требуется нагнетатель. В упрощённых двигателях для этой цели используется нижняя часть поршня и полость картера — такая схема называется кривошипно-камерной продувкой.

В двигателях более сложных в качестве источника продувочного воздуха используются воздуходувки системы Рутс, дополнительные цилиндры (двигатель Корейво), специальные поршневые компрессоры (ЮМО-203) или турбинные нагнетатели, которые могут вращаться валом двигателя или турбиной, приводимой выхлопными газами. В некоторых случаях для обеспечения более стабильного поступления наддувочного воздуха используется сочетание механических нагнетателей с турбонаддувом (10Д100).

Кривошипно-камерная продувка

При использовании кривошипно-камерной продувки воздух или горючая смесь поступает в цилиндр из полости картера двигателя, куда всасывается при движении поршня вверх, при движении поршня вниз избыточное давление обеспечивает продувку. При такой схеме можно создать двигатель, состоящий из минимального количества деталей, не содержащий механизма газораспределения и не имеющий продувочного насоса. Чтобы не допустить потерь заряда через впускной трубопровод в атмосферу, перед входом в картер может устанавливаться лепестковый клапан, либо насаженный на коленчатый вал дисковый золотник.

При использовании кривошипно-камерной продувки существуют определённые особенности, ограничивающие применение таких двигателей: Необходимо, чтобы полость кривошипной камеры конкретного цилиндра была герметична и, по возможности, чтобы коленвал занимал возможно больший объём и был обтекаем, чтобы как можно меньше влиять на газодинамику, а большой объём металла существенно утяжеляет вал. Каждую кривошипную камеру многоцилиндрового двигателя приходится уплотнять сальниками с каждой стороны каждой коренной шейки, что требует применения разборного коленчатого вала (как следствие, существенная потеря жёсткости вала по сравнению с цельным). Давление сжатия воздуха (смеси) в кривошипной камере невелико, — оно меньше степени сжатия, это не позволяет получить существенного давления продувочного воздуха (приходится увеличивать длительность фазы продувки, это вынуждает укорачивать рабочий ход и снижать эффективный рабочий объём с потерей КПД). Двигатели такой конструкции не позволяют разместить в картере масляную ванну. Для смазки карбюраторного двигателя приходится подмешивать моторное масло в топливо. В случаях с упрощёнными конструкциями это может считаться достоинством, так как редуцирует систему смазки двигателя как таковую. В ряде двигателей применяется раздельная подача масла и бензина в карбюратор («Ява-ОйлМастер»), но всё равно, подача масла к парам трения происходит за счёт осаждения из горючей смеси, из-за чего у таких двигателей высокий расход масла, которое, вдобавок, сгорает в цилиндре вместе с топливом. По этой же причине в двухтактных двигателях без системы смазки приходится использовать специальные масла, не содержащие присадок, способствующих закоксовыванию каналов и поверхностей деталей цилиндро-поршневой группы. Дизельные и калоризаторные двигатели подобной конструкции также не имели масляной ванны в картере, так как пары масла, попадающие в цилиндр, могли бы привести к разносу. В них использовались схемы смазки с «сухим» картером. В двигателях простой конструкции, не рассчитанных на длительную непрерывную работу, применялась незамкнутая система смазки, где вместо масляного насоса часто применялась пневматические маслёнки — в этом случае требовалось регулярно сливать накапливающееся в картере отработавшее масло.

На холостом ходу и при малых углах открытия дроссельной заслонки свежего заряда недостаточно для того, чтобы цилиндр мог полностью очиститься от выхлопных газов за один оборот коленчатого вала. Поэтому работа таких двигателей на холостом ходу часто неустойчива, после вспышки в цилиндре следует несколько холостых оборотов, при которых смесь в цилиндре слишком бедная, чтобы воспламениться от искры. Для дизельных и калоризаторных двигателей такая особенность не характерна за счет иного способа организации процесса горения и наполнения цилиндра при впуске только свежим воздухом.

С использованием продувочных насосов

На некоторых двухтактных двигателях продувочный воздух сжимается в отдельном компрессоре (типа Рутс, либо пластинчатый, либо винтовой, либо центробежный), что практически полностью устраняет указанные выше недостатки. При этом, однако, воздух может подаваться в цилиндры через полость картера, которая в этом случае выполняет функции ресивера. Для создания давления продувки может использоваться и турбонагнетатель, но в этом случае в момент пуска в двигатель необходимо подавать сжатый воздух от внешнего источника либо использовать двухступенчатый наддув с механической ступенью (10Д100 - два параллельно турбонагнетателя и один центробежный нагнетатель).

В ранних двухтактных двигателях также применяли поршневые компрессоры, работающие от одного коленчатого вала с двигателем. Например, на ПДП-дизеле ЮМО-203 Юнкерса в качестве продувочных использовались особые квадратные поршни, установленные на траверсах поршней верхнего ряда. В двигателе английского микролитражного автомобиля Lloyd 650 (конец 1940-х годов) использовался запатентованный Роландом Ллойдом поршневой насос двойного действия («третий цилиндр»), имевший цепной привод от коленвала и продувавший два рабочих цилиндра бензовоздушной смесью.

Схемы продувки