В продолжение поднятой в комментариях темы двухтактных автомобильных двигателей. Надо сказать, что у меня по ней имеется своё личное мнение, в основном сводящееся к тому, что им по целому ряду причин попросту не было дано возможности реализовать весь имевшийся у них потенциал. И главным фактором здесь было то, что массовые конструкции двухтактных автомобильных двигателей появились уже после того, как четырёхтактные получили широкое распространение и были доведены до достаточно высокой степени совершенства - по сути, как более дешёвая альтернатива им. Поэтому любое существенное усложнение и удорожание устоявшейся конструкции двухтактного мотора неизбежно лишало его основного конкурентного преимущества - низкой цены, заранее ставя под сомнение целесообразность всей затеи.
Данная статья посвящена специально разработанным автомобильным двухтактным моторам; мотоциклы, а также использующие мотоциклетные агрегаты мотоколяски, трициклы, тук-туки и подобный транспорт, не рассматриваются.
В самом деле - если не брать эпоху пионеров автомобилестроения (а двухтактным был ещё самый первый автомобиль Бенца), то практически все двухтактные бензиновые автомобильные моторы специальной разработки по своему принципу действия и базовым конструктивным решениям так или иначе происходили от одной и той же конструкции, созданной под руководством Йоргена Расмуссена, основателя компании DKW, в 1920-х годах:
Естественно, было это очень давно - потому и конструкция мотора по необходимости вышла достаточно примитивной. DKW "вылизала" её, довела до пригодного к широкой эксплуатации уровня, отмасштабировала от одного цилиндра до двух, трёх и четырёх (что в мире "двухтактников" является аналогом четвёрки, шестёрки и восьмёрки, соответственно)... и на этом по большому счёту всё и закончилось.
Все остальные - Jawa, Aero, Saab, Glas, Goliath, Hansa-Lloyd, Daihatsu, Subaru и многие другие - брали за основу своих двухтактных моторов уже готовые решения, а часто и напрямую копировали продукцию DKW. Вносимые время от времени небольшие частные улучшения, вроде экспериментов с задающими путь рабочей смеси при продувке козырьками на днищах поршней или лепестковыми клапанами на впуске, не меняли сути конструкции в целом, а смелые попытки создать что-то революционно новое так и оставались на стадии прототипа или, в лучшем случае, небольшой серии.
То есть - когда мы говорим о недостатках двухтактных моторов, таких, как смазка поступающим вместе с топливом маслом - нужно помнить, что речь идёт о технологии, которая "застряла" на стадии "отрочества", и на автомобильном транспорте "умерла", так и не достигнув хотя бы "зрелости" - и уж тем более не "состарившись" естественным путём. Причём конечно не потому, что её в принципе невозможно было улучшить...
Это примерно как если бы мы рассуждали о недостатках четырёхтактного автомобильного двигателя, опираясь на то, каким он был на заре своего существования - в 1890-х... 1900-х годах: с открытым картером и лубрикаторной системой смазки, в которой масло подавалось к парам трения из капельных маслёнок и далее летело прямо на дорогу. Но четырёхтактный мотор с тех пор непрерывно развивался - в то время, как конструкция двухтактного оказалась на автомобилях практически "заморожена во времени" на уровне 1920-х.
При этом двухтактные моторы имели (и до сих пор продолжают иметь) немало привлекательных качеств - в первую очередь то, что рабочие такты в их цилиндрах происходят вдвое чаще, чем при четырёхтактном рабочем цикле, а значит с тех же рабочего объёма и массы потенциально можно снять больше момента и мощности. Отсутствие впускных клапанов потенциально позволяет добиться более высокой эффективности газообмена и с самого начала дало возможность использовать камеру сгорания наиболее эффективной - полусферической - формы, что на четырёхтактном двигателе требует целого ряда сложных технических решений. И так далее.
Увы, получившая массовое распространение схема двухтактного автомобильного двигателя "разбавила" эти преимущества огромным количеством компромиссов, целью которых изначально было сделать выводимую на рынок технологию конкурентоспособной с уже ставшими привычными для потребителя четырёхтактными моторами и предложить покупателю самый бюджетный из всех имеющихся на рынке полноценных автомобилей. В частности, во многом именно благодаря DKW в данном жанре стали "стандартом де-факто" поршневое (за счёт открывания и закрывания поршнем окон в стенках цилиндра) газораспределение, кривошипно-камерная продувка цилиндров, осуществляемая за счёт пульсаций давления, возникающих в полости картера при движении поршня, и смазывание всех основных пар трения масляным туманом, поступающим в картер из карбюратора вместе с воздушно-топливной смесью.
Всё это позволило отказаться от отдельного продувочного нагнетателя, масляного насоса, клапанов, распредвала - и в целом сделать двухтактный двигатель очень простым и дешёвым в производстве:
Последний факт позволял до поры, до времени не обращать внимания на недостатки этой конкретной схемы, вроде необходимости добавления масла в бензин, его расхода, сравнимого по порядку величин с расходом топлива - и, соответственно, остающегося за автомобилем шлейфа сизого дыма, повышенного расхода самого топлива из-за потери части рабочей смеси при продувке цилиндра, невозможности нормальной работы двигателя в режиме торможения компрессией из-за отсутствия полноценной смазки основных пар трения при закрытой дроссельной заслонке, сильно зависящего от правильности эксплуатации моторесурса или необходимости иметь менее жёсткий составной коленвал для возможности установки открытых роликовых подшипников качения на его шейки.
Даже в середине шестидесятых годов западные европейцы ещё были достаточно "не гордыми" для того, чтобы закрывать на всё это глаза ради более низкой по сравнению с аналогами цены. Хотя на рынке США к тому времени у представленных там "двухтактников" (а их было не так уж мало - как минимум, DKW / Auto Union, Saab и Subaru) уже начались проблемы, связанные, в частности, с введением с 1967 года первой редакции требований ко вредным выбросам - в которые основанная на довоенных разработках конструкция двухтактного мотора, естественно, не вписывалась: выхлоп с продуктами сгорания масла и изрядной долей несгоревших углеводородов был ещё более токсичен, чем у тогдашних карбюраторных четырёхтактных двигателей.
При этой крайне симптоматично то, что, делая выбор между внесением принципиальных изменений в существующую конструкцию двухтактного мотора и освоением "с нуля" производства полностью нового четырёхтактного, даже компании вроде DKW / Auto-Union и Saab, для которых два такта были одной из важных составляющих образа продукции, выбирали именно второй вариант (хотя, Saab купил готовый V4 у "Форда"). Не потому - хочу отметить это особо - что "двухтактникам" было уже некуда развиваться (чуть позже мы увидим, что это далеко не так, и потенциальные пути развития уже были хорошо намечены), а просто ввиду того, что с точки зрения бизнеса это был "путь наименьшего сопротивления" и, к тому же, наименьшего риска.
В результате к середине 1970-х двухтактные автомобильные моторы специальной разработки можно было массово найти только на продукции автопрома ГДР и некоторых кей-карах из Японии. А после 1982 года окончательно "соскочили" с этой темы и японцы, оставив восточных немцев в одиночестве.
Однако, не следует путать самую распространённую конструкцию с единственно возможной: как бы ни были привычны упомянутые выше решения, они не являются для двухтактного двигателя обязательными. Например, двухтактные дизели с самого начала имели нормальную систему смазки под давлением с "мокрым" картером, продувочный нагнетатель, клапанное управление газораспределением и непосредственный впрыск топлива в цилиндры:
И это даже не вспоминая о более экзотических конструкциях, используемых в военной технике, движущихся навстречу друг другу в одном цилиндре двух поршнях и прочих шпильках Герлаха...
Пытались ли хотя бы часть этих наработок перенести в устоявшуюся конструкцию бензинового двухтактного мотора ? О да !.. Но, насколько мне известно, результаты этих попыток, во-первых, не находили массового применения, а во-вторых - оставались изолированными друг от друга, так никогда и не "встретившись" в одном моторе.
Как самый простой пример, в начале 1960-х сама DKW нашла способ отказаться от одного из пороков "двухтактников" - необходимости заливать в бак не чистое топливо, а его готовую смесь со смазочным маслом. Предложенное ей решение проблемы было простым и не особо элегантным - масло попросту подмешивалось в бензин при помощи насоса с автоматическим дозатором, учитывающим число оборотов коленвала и нагрузку на двигатель (через величину разрежения во впуске). Общая суть системы смазки при этом не изменилась - разве что роликовые подшипники коленчатого вала сделали полностью герметичными, что позволило вместо ненадёжного смазывания масляным туманом заложить в них высококачественную густую смазку на весь срок службы.
Аналогичные устройства для добавления масла в топливо также устанавливали на своих двухтактных моделях Saab и некоторые японские фирмы. Они несколько повышали удобство автомобиля в эксплуатации, но принципиально его свойств не меняли.
Также DKW долго и упорно работала над решением другой проблемы - устранения картера двигателя из процесса его продувки, что позволяло перейти на более надёжную систему смазки и дать возможность мотору нормально работать в режиме "торможения двигателем", устранив из трансмиссии муфту свободного хода:
Самым простым вариантом оказалось использование в качестве нагнетателя "лишнего" цилиндра с движущимся в нём поршнем, причём имеющим двойное действие - то есть, создающим давление воздуха и при ходе вверх, и при ходе вниз. Такой мотор с 1929 года устанавливался на более дорогую заднеприводную модель DKW Sonderklasse, также известную под обозначением "4=8" - поскольку её двигатель "в мире двух тактов" считался неким условным аналогом четырёхтактного V8.
К сожалению, DKW продешевила и не стала ставить на него нормальную систему смазки под давлением от насоса - а вместо этого применила привычные роликовые подшипники и смазывание разбрызгиванием, от черпачков на нижних головках шатунов. В том числе из-за этого V4 преследовали постоянные проблемы с задирами стенок цилиндров и заклиниванием подшипников коленвала, а также множество иных технических дефектов. С ними промучились до 1940 года, но ни одна из предпринятых попыток модернизации желаемого успеха в полной мере не принесла, и в конечном итоге он был заменён на устроенный традиционно для "двухтактника" трёхцилиндровый мотор 3=6, хорошо известный по "Вартбургу" и "Саабам". И вот он как раз оказался вполне удачен, дожив практически без изменений до 1980-х годов.
Отчасти похожую конструкцию применила после войны и английская фирма Lloyd на спортивной модели "650" (не путать с германским "Ллойдом", также делавшим автомобили с двухтактными моторами, но не такими продвинутыми). У него для продувки использовался установленный между двигателем и карбюратором поршневой нагнетатель, а сам двигатель имел "мокрый" картер и нормальную систему смазки. Компоновка силового агрегата повторяла довоенные DKW F-серии, включая поперечное расположение мотора и привод на передние колёса. Увы, машина вышла дорогой даже по меркам своего класса и не получила распространения.
По аналогичной схеме было создано множество двухтактных гоночных автомобильных и мотоциклетных двигателей, в том числе и советские моторы разработки Александра Пельтцера. Они могли иметь как поршневые, так и центробежные продувочные нагнетатели. Увы, продувка цилиндров в них всё так же осуществлялась воздушно-топливной смесью, и заметная её часть при этом буквально "вылетала в трубу" - что, конечно, не составляло для рекордно-гоночной техники большой проблемы. Несмотря на ощутимые спортивные успехи, какого-то серьёзного влияния на серийную двухтактную технику они не оказали.
Но наиболее интригующе выглядел, пожалуй, немецкий Goliath GP700 Sport, двухтактный двигатель которого ещё в 1952 году получил непосредственный впрыск бензина с двухсекционным механическим ТНВД марки Bosch. И хотя продувка в нём производилась обычным образом - через картер - осуществлялась она уже не топливовоздушной смесью, а воздухом, смешанным с маслом; топливо же впрыскивалось в цилиндры через форсунки незадолго до прихода поршня в верхнюю мёртвую точку.
Это практически решало одну из проблем - с потерей части бензина при продувке (всё же не на 100% т.к. механический впрыск подавал топливо достаточно медленно, и форсунку приходилось открывать ещё при открытых продувочных окнах) - но оставляло нетронутыми все остальные... и да - как вы уже, наверное, догадались, машина получилась дорогой и распространения не получила.
Обзор можно было бы продолжить, но, в принципе, у нас уже сложился образ некоего "идеального" двухтактного автомобильного мотора, лишённого основных недостатков классической конструкции:
- "Мокрый" картер, не участвующий в продувке цилиндров, и смазка коренных и шатунных подшипников под давлением от масляного насоса;
- Продувка цилиндров чистым воздухом от нагнетателя того или иного устройства;
- Непосредственный впрыск топлива, желательно с двумя или несколькими высокопроизводительными форсунками на цилиндр - для обеспечения высокой скорости наполнения и минимальной возможной потери рабочей смеси (что очень важно с точки зрения доведения мотора до современных экологических стандартов, т.к. несгоревшее топливо в выпуске быстро приканчивает каталитические нейтрализаторы);
- Желательно, клапанное газораспределение, как минимум - на выпуске;
Увы, судя по всему, даже по отдельности каждое из этих технических решений делало двухтактный автомобильный двигатель неконкурентоспособным с уже существующими и хорошо отработанными в производстве четырёхтактными - не говоря уже об их сочетании. Чтобы изменить это прискорбное положение вещей, нужно было как следует вложиться в НИОКР и последующее развёртывание массового производства в сравнимых с популярными четырёхтактными моторами масштабах - но желающих ставить такой эксперимент за свои деньги, при весьма сомнительных рыночных перспективах проекта, в итоге так и не нашлось.
Наибольшие шансы получить что-то подобное мы имели от автопрома ГДР, для которого довести своих "двухтактники" до современных стандартов, вероятно, было единственным доступным способом сохранить технологическую самостоятельность. И такие работы там действительно велись в 1980-е годы, когда наконец-то был поставлен вопрос о поиске замены для полностью устаревших "Трабанта", "Вартбурга" и "Баркаса". В частности, по сети циркулирует информация о попытках установки на них фольксвагеновского компрессора G-Lader в качестве продувочного. Но, видимо, слишком уж заманчивым показалось поступившее от "Фольксвагена" предложение: построить завод по выпуску отработанного современного четырёхтактного мотора EA111 от "Поло" (по злой иронии судьбы изначально разработанного инженерами Audi, т.е. бывшей DKW) с оплатой сделки бартером - за счёт поставок готовой продукции. Впрочем, объективно говоря, скорее всего восточным немцам и без этого не хватило бы ни ресурсов, ни времени, стремительно заканчивавшегося для ГДР в целом. Начинать работать в этом направлении нужно было гораздо раньше, ещё в 1960-е, чтобы иметь возможность вносить изменения постепенно, одно за другим - а не все разом.
Многие из вышеупомянутых технических решений в итоге были реализованы в тех областях, для которых принципиальные преимущества двухтактных двигателей - в первую очередь высокая мощность с единицы массы и способность выдавать эту мощность при сравнительно низких рабочих оборотах - являются критически важными. Речь здесь в первую очередь идёт о двигателях для малой авиации и маломерных судов:
Но к этим успехам нужно относиться с большой осторожностью, ведь это довольно специфические области, в которых на такие архиважные для автомобилестроения параметры, как себестоимость и моторесурс, не обращают такого уж пристального внимания. Какие-то интересные решения наверняка есть и на современных двухтактных мотоциклетных моторах, но я с этой темой знаком плохо - слышал лишь, что сегодня в Восточной Азии массово переводят распространённую там двухтактную мототехнику на непосредственный впрыск топлива из экологических соображений.
Вернутся ли двухтактные моторы на автомобильный транспорт ? Сегодня дать ответ на этот вопрос так же сложно, как и на любой вопрос относительно будущего двигателей внутреннего сгорания в целом. Мнения специалистов различаются весьма кардинально - от "двухтакник, гудбай форева" и вплоть до, практически цитата, "двухтактными моторами вновь займутся, когда тема с электромобилями зайдёт в тупик".
Во всяком случае, попыток их "реинкарнации" за три десятилетия, прошедшие с момента прекращения выпуска последних автомобильных "двухтактников" - потомков DKW, было сделано достаточно, начиная с построенного Ferrari в начале 90-х трёхцилиндрового прототипа Tipo F134, имевшего нормальную систему смазки, продувочный нагнетатель, впрыск топлива и клапанное газораспределение с приводом выпускных клапанов от расположенного в головке блока распредвала:
В середине того же десятилетия наделали немало шуму австралийцы со своими двухтактными автомобильными моторами марки Orbital, которые имели весьма многообещающие показатели по вредным выбросам, расходу топлива и эксплуатационным качествам:
Правда, всё это - только по отдельности: со слов задействованного в проекте со стороны компании Ford инженера Томаса Крикельберга, получалось добиться либо очень низкого уровня выбросов, либо превосходной экономичности, либо минимального уровня шума и вибрации - но не совместить все эти качества в одном двигателе. Вероятно, долгая и дорогостоящая доводка могла бы решить эту проблему, но...
Причина, по которой разработка этого и других современных двухтактных моторов не пошла дальше стадии прототипов, остаётся неизменной: в лучшем случае её результат окажется по наиболее важным для автомобиля качествам не хуже уже существующих четырёхтактных аналогов... а этого слишком мало для того, чтобы всерьёз заинтересовать крупные автомобильные компании, имеющие ресурсы на его полноценную доводку и развёртывание массового производства. Изобретателям-одиночкам и мелким фирмам же в области массового моторостроения делать уже давно нечего: придумать что-то новое они может и смогли бы, а вот довести мотор до удовлетворения всему противоречивому комплексу современных требований - нет.
Так что каких-то подвижек в этой области можно ждать только в том случае, если у "двухтактников" вдруг обнаружатся какие-то совершенно новые "сверхспособности", которые в будущем окажутся настолько актуальны, что в одно мгновение сделают четырёхтактный двигатель устаревшим. Например, инженеры сумеют добиться намного более чистого выхлопа за счёт использования особенностей рабочего процесса - скажем, более полного сгорания топлива за счёт повышения температуры в цилиндре, что в двухтактном моторе не связано с риском прогара клапанов (это может понадобиться, к примеру, при переходе на адиабатический рабочий процесс без отвода тепла, что скорее всего потребует, в частности, замены в конструкции основных частей мотора металла на керамику; работы в этом направлении ведутся уже давно - например, опытный керамический двухтактник в своё время разработала фирма Isuzu). Или же, компактность, малый вес и высокая мощности при низких оборотах окажутся востребованы на "гибридах". Особо надеяться на это, впрочем, вряд ли стоит; двухтактные моторы всё ещё скрывают в себе немалые резервы - но исторически главной их проблемой было именно отсутствие желающих эти резервы "вычёрпывать".
Ну, и неожиданный поворот в конце: совсем недавно велось обсуждение возможности перехода гоночной "Формулы-1" на двухтактные моторы то-ли начиная с, то-ли после сезона 2025 года. Что ж, доживём - увидим...
