Для начала давайте представим себе 4 экипажа с 4-тактным, 2-тактным, дизельным и роторным двигателями, имеющими равные характеристики по мощности, стартующими одновременно. Какие места займут они в линейной гонке? Так вот, уже со старта вырвется экипаж с роторным двигателем, вторым будет с 2-тактным, третьим – с 4-тактным, последним – с дизельным двигателями. Почему? Дело в том, что выполнения вспомогательных (нерабочих) ходов двигатели оснащаются аккумуляторами механической энергии – маховиками. Наибольшие маховики у дизелей, имеющих высокие (свыше 16) степени сжатия. У 4-тактников степени сжатия, как правило ниже 10-11, соответственно и маховики у них легче. 2-тактники не имеют газораспределительных механизмов и рабочие хода у них в 2 раза чаще, чем у 4-тактников. Соответственно и потребность в аккумулировании механической энергии у них меньше. У роторного двигателя за один оборот ротора совершается 3-и рабочих цикла и нужда в маховике по этой причине отпадает. Насколько существенно это? Мне пришлось познакомиться с механическими сиренами воздушной тревоги, в которых для создания мощного продолжительного сигнала требовалось раскручивать специальный маховик. Я на практике убедился насколько энергетически тяжел этот процесс. Были периоды, когда по этой причине 2-х тактные ДВС вытесняли 4-тактные в мотокроссе и мототриале.
Теперь остановимся на вопросах прогрева. 4-тактный ДВС необходимо некоторое время прогревать для заполнения масляных каналов и выведения всех деталей на рациональные температуры для сопрягаемых пар трения. 2-тактный ДВС или требует незначительного прогрева, или даже сразу готов к эксплуатации. При этом возможно осуществить при необходимости его прогрев на ходу (но с некоторым обогащением топливной смеси). Мне это пришлось оценить в холодное и, особенно, в зимнее время. А ведь для прогрева расходуется топливо и его расход не учитывается в нормативах по оценке эксплуатационного расхода топлива.
Перейдем к вопросу ремонтопригодности. 4-тактные двигатели становятся все сложнее и сложнее. Два распредвала в головке цилиндра становятся обыденным явлением. Привычными стали 4-х и даже 5-клапанные головки. Повсеместным стало применение гидрокомпенсаторов в приводе клапанов и т.д. В результате и диагностика, и все виды профилактических и ремонтных работ стали требовать специальных устройств, механизмов и высокой квалификации механиков-ремонтников. 2-тактный ДВС, несмотря на периодически проскакивающие попытки их усовершенствования с введением каких-либо оригинальных устройств, постоянно возвращаются к классической конструкции. Благодаря этому, даже его капитальный ремонт возможен, грубо говоря, в «полевых условиях». Кстати в ГДР в свое время владелец «Трабанта» ( с 2-тактным 2-цилиндровым 600-кубовым двигателем) мне рассказывал, что у него два двигателя: на одном он ездит, другой не спеша на кухне ремонтирует.
Наконец то, из-за чего возник сам вопрос о судьбе 2-тактных ДВС – проблема отработанных газов. Спровоцировали его в свое время европейские филиалы японских фирм. При этом дебатировались вопросы токсичности и по СО, и по СН, и по NOx, а узаконены были нормативы только по СО. Дело в том, что проигрывая по СО, 2-тактники существенно выигрывают по двум другим токсическим компонентам выбросов из-за более низких температур рабочих процессов. Теории 2-тактных двигателей до сих пор не существует и в отсутствие научной базы чрезвычайно сложно находить логичное решение в диалогах с оппонентами, ориентирующимися только на виденные ими дымные шлейфы мотоциклов с 2-тактными двигателями. Японцы же, добившись узаконовления норм и запрета на использование 2-тактных ДВС в Европе на мотоциклах с двигателями более 125 куб. см, не только вытеснили ряд фирм с рынка, но и мгновенно перестроившись на фирмах «Сузуки», «Ямаха» и «Кавасаки», повысили свои доходы за счет перехода на более сложные и дорогие 4-тактные ДВС.
От чего же зависит практическая конкурентоспособность и перспективность 2-тактных ДВС?:
1.Совершенствование применяемых материалов в целях уменьшения коэффициентов трения в парах трения и выравнивания коэффициентов линейного и объемного расширения при нагреве в сопрягаемых элементах. При этом для 2-тактных и 4-тактных ДВС этот процесс не всегда будет параллелен.
2.Совершенствование способов смазки. Надо сказать, что совершенствование материалов и повышение чистоты и точности обработки позволило снизить количество масла в топливной смеси с 1/10 в 30-е годы до 1/25 в 60-е годы. Этот путь (см. п.1) нужно продолжать. Лимитирующим элементом по количеству масла в смеси в результате исследований бывшего ВНИИМотопрома была выявлена верхняя головка шатуна. За счет перехода на игольчатый подшипник вместо бронзовой втулки скольжения в принципе, как показал опыт ГДР, достаточна смеь 1/33. В СССР на такой состав переходить боялись из-за отсутствия специальных масел для 2-тактных ДВС. Двигатель на разных режимах имеет разную нагрузку и, естественно, разную потребность в смазке. То есть, обеспечение дозирования подачи масла применительно к режимам работы, снижает показатели по токсичности и дымность выхлопа. Системы автономной подачи масла в 2-тактный ДВС (а не в смеси с бензином) обычно впрыскивают масло за карбюратором. Как показали мои исследования в свое время, масло в этом случае в микрокапельном состоянии поступает к трущимся деталям, не участвует в процессе сгорания и таким образом выхлоп по дымности становится равноценным 4-тактным ДВС. Безусловно, и масла также будут совершенствоваться.
3. Применение обратных пластинчатых клапанов на впуске ликвидирует обратный выброс смеси через карбюратор, улучшает наполнение двигателя смесью особенно на малых и средних оборотах, улучшая его тяговые характеристики, улучшает «отзывчивость» двигателя на работу дроссельной заслонки карбюратора. Такие клапаны были освоены в конце 70-х годов из мембранной стали в Коврове и из пластика в Туле. Опасаясь, что пластины клапана, постоянно работая на изгиб (даже при плавающей точке изгиба) сломаются, мы проэкспериментировали с последствиями поломки. Оказалось обломки пластин, ни чего не повредив, вылетели в выпускную систему. Вопрос же долговечности решили за счет кривизны поверхности ограничителей их раскрытия, обеспечивших скольжение точки изгиба по мере их раскрытия.
4.Свежий заряд смеси неизбежно выбрасывается в выпускную систему. Резонансная настройка выпускной системы при разработке двигателя исполняется таким образом, чтобы поток отработанных газов, дойдя до выпускного диффузора мощностного контура глушителя, создал обратную волну давления и возвратил выброшенную смесь обратно. Японцы для расширения диапазона резонансной настройки пробовали и серийно выпускали отдельные модели двигателей с автоматической регулировкой фазы выпуска за счет перекрытия подвижным дросселем-заслонкой части выпускного окна. Мы же думали в самом конце 80-х годов попробовать использовать эффект сопла Лаваля. Мне о нем рассказал мой консультант по спецкурсу гидравлики профессор МАМИ Ильский Владимир Логинович. Он во время войны его использовал для разгрузки зимой цистерн с мазутом. Мазут чрезвычайно долго самотеком опорожнял ж.д.цистерны. При установке же под сливное отверстие раструба с углами, как у сопла Лаваля, после заполнения раструба дальше слив шел энергично с шумом и свистом. Мои мысли по перспективности такого варианта лет 10 назад подтвердились увиденным на образце итальянского детско-юношеского кроссового мотоцикла с подобной выпускной трубой, причем эффект решения превзошел мои предположения. Кроме того можно предположить создание 2-режимной выпускной системы с переключением применительно к условиям эксплуатации.
5. Для снижения механических потерь и уровня шума необходимо также выровнять уровни температур по всему периметру цилиндра двигателя. В связи с этим распространилось применение жидкостного охлаждения с понятным осложнением двигателя. Мы в конце 80-х задумались о возможности упрощения решения этой задачи за счет использования эффекта «тепловых труб», который обеспечивает мгновенную теплопередачу по всей конструкции. В Коврове при исследованиях получили положительный результат, но на воде, что неприемлемо из-за ее замерзания зимой. Подбор же нового рабочего тела вместо воды не состоялся ввиду наступления голодной эры Горбачева.
6. В самом конце 80-х в Ижевске начали экспериментировать с впрыском воды в систему. Можно ожидать двойной эффект. Во-первых вода является активным окислителем, что должно привести к дополнительному снижению токсичности отработанных газов, во-вторых вода здесь будет мгновенно испаряться, увеличиваясь в объеме, что можно попробовать использовать для совершенствования резонансной настройки выпускной системы.
7. Возможны новые и совершенно неожиданные решения. Мир не забыл о 2-тактниках и, нет да нет, проскакивают в печати намеки, что идеи муссируются.
Подводя итог, я считаю, что в принципе все должно решаться факторами цена/качество с одной стороны и спрос/предложение с другой, т.е. жизнь сама все должна сама определить.
Эта тема проскочила у меня как-то вне очереди, следующей должна стать статья о причинах разработки в Ижевске мотоциклов с роторными двигателями.