Считается, что первый «двухтакт» построил еще в 1860 году француз Etienne Lenoir; сконструированный им мотор работал на газе. А бензиновый двухтактный двигатель со щелевым газораспределением в 1889 году создал британец Joseph Day.

 

 

Мы привыкли к тарахтящим мотоциклеткам и скутерам с несолидными двухтактными моторчиками. Попробуем представить, как будет работать двухтактный мотор, созданный на базе 1,5‑литрового 16‑клапанника ВАЗ-2112. Под давлением горячих газов поршень движется от верхней мертвой точки (в. м. т.) вниз. Где-то за 63 градуса до нижней мертвой точки (н. м. т.) начинают открываться выпускные клапаны. Рановато, скажете вы? Да, рано, но так надо. Тем самым рабочий ход завершен, идет выпуск, давление газов в цилиндре быстро падает. И за 27 градусов до н. м. т. открываются впускные клапаны. Правда, их здесь лучше называть продувочными: в цилиндр под давлением поступает свежий воздух (от нагнетателя) и вытесняет отработанные газы на выпуск. Примерно на 54‑м градусе после н. м. т. выпускные клапаны закрываются, и происходит наполнение цилиндра воздухом под давлением. Одновременно впрыскивается горючее — не раньше, чтобы его не уносило во время продувки на выпуск. На 84‑м градусе после н. м. т. закрываются продувочные клапаны, и начинается сжатие. Ближе к в. м. т. появляется искра, происходит воспламенение топливовоздушной смеси.

 

Обратите внимание: вазовский мотор работает по двухтактному циклу! Рабочий ход, выпуск, продувка-дозарядка, сжатие укладываются в два хода поршня — на каждом обороте коленвала! А разница с четырехтактным только в смещенных фазах газораспределения и в том, что распредвалы вращаются вдвое быстрее! Еще нужен продувочный (приводной) нагнетатель, чтобы подавать воздух на впуск под избыточным давлением¹. Как видите, «двухтакт» вовсе не обязательно работает со щелевым газораспределением (выпускные и продувочные окна в стенках цилиндров). И с клапанным тоже. Другое дело, что щелевое несравненно проще: нет распредвалов (с их приводом), коромысел, пружин и гидрокомпенсаторов. Никаких клапанов². Бесподобно. Вопрос на засыпку: почему у четырехтактных двигателей не применяют великолепное в его простоте щелевое газораспределение?

 

 

А какой смысл переводить ВАЗ-2112 на двухтактный цикл? Давайте прикинем: при 3250 об/мин наш 1,5‑литровый «двухтакт» выдает под 200 Н·м крутящего момента. Причем даже без нагнетателя, только при самопроизвольной продувке. При 3600 об/мин его мощность приблизится к 100 л. с. — чуть выше, чем у базового четырехтактного при 5500 об/мин.

 

Если же приспособить продувочный нагнетатель (Roots Eaton или что-то подобное) ³ с интеркулером, то показатели еще улучшатся. При умеренном наддуве крутящий момент можно повысить примерно до 275 Н·м при 3000 оборотов. Соответственно, возрастет и максимальная мощность — до 130 л. с. при тех же 3600 об/мин. Однако следует учесть, что с наддувом мотор ВАЗ-2112 легко выдаст такую же мощность и в четырехтактном режиме, но при 5500 об/мин. Разница — в частоте вращения вала: раз рабочие ходы совершаются вдвое чаще, то и максимальная мощность достигается при сравнительно невысоких оборотах.

 

А почему бы не попробовать в двухтактном режиме довести обороты до 5500 и еще выиграть в мощности? Проблема заключается в том, что в двухтактном режиме клапанный механизм работает вдвое интенсивнее, чем в четырехтактном. Соответственно возрастают ускорения, силы инерции. Уже при 3600 об/мин нагрузка на ГРМ в двухтактном режиме примерно такая же, как при 7200 об/мин в четырехтактном. Поэтому «двухтактам» лучше все-таки со щелевым газораспределением: практически никаких ограничений по оборотам! Однако тут другие сложности: у обычного двухтактного двигателя со щелевым газораспределением симметричные фазы выпуска-продувки, а симметрия не всегда во благо. Допустим, выпускное окно открывается, как и у двухтактного вазовского мотора, за 63 градуса до н. м. т. Так оно и закроется на 63‑м градусе после н. м. т. — не раньше и не позже. Вроде и ладно. Но продувочное окно открывается после выпускного (иначе оно по факту превратится в выпускное), — скажем, за 27 градусов до н. м. т. Тогда оно и закроется на 27‑м градусе после н. м. т. Выходит, продувка продолжается всего 54 градуса (27 + 27) по углу поворота коленвала — маловато будет. Сравните с несимметричными фазами у двухтактного вазовского 16‑клапанника. Кроме того, выпускное окно закрывается позже продувочного — из-за симметрии. То есть никакой дозарядки цилиндров от продувочного нагнетателя; теряются замечательные возможности. Правда, продувочный нагнетатель нетрудно устроить… под поршнем — в кривошипной камере. Подобные агрегаты так и называют: двухтактный двигатель с кривошипно-камерной продувкой и симметричными фазами выпуска-продувки. Это предельно простые и компактные конструкции. Для гоночных мотоциклов их довели до совершенства: еще несколько лет назад двухтактный четырехцилиндровый мотор Honda (жидкостное охлаждение) рабочим объемом 500 «кубиков» развивал значительно больше 200 л. с. где-то при 13 тыс. оборотов! Наибольший крутящий момент — под 120 Н·м (пересчитайте на литр рабочего объема).

 

 

И все же простота, она, как говорят, хуже… Если питание карбюраторное, то цилиндры продуваются не воздухом, а готовой топливовоздушной смесью. И при симметричных фазах часть горючего неизбежно уносится при продувке на выхлоп… Полвека назад автомобилисты перестали мириться с такой расточительностью, и «двухтакты» сошли со сцены.

 

А ведь несимметричный выпуск-продувку можно организовать не только с клапанным, но и со щелевым газораспределением. Нужно разместить два поршня в одном цилиндре: один на выпуск, другой на продувку. Взгляните на устройство когда-то знаменитого (дизельного) «двухтакта» британского Rootes: два поршня движутся в цилиндре навстречу друг другу, а посередине — общая камера сгорания. Подобные конструкции так и называют:со встречно-движущимися поршнями (СДП). Замечательное решение: один поршень управляет выпускными окнами, другой — продувочными. «Продувочный» поршень отстает от «выпускного» по углу поворота коленвала, так что выпуск начинается и заканчивается раньше, чем продувка. Та самая асимметрия.

 

Теперь, казалось бы, примени непосредственный впрыск топлива в камеры сгорания — и «двухтакт» с СДП станет прекрасно работать с искровым зажиганием. Высокие обороты, не лимитированные клапанным механизмом, колоссальные крутящий момент и мощность на литр рабочего объема. Да, все так: двухлитровый трехцилиндровый (шестипоршневой) двигатель с винтовым продувочным нагнетателем Lysholm без напряжения выдаст 450 Н·м крутящего момента и разовьет 400 л. с. при 6500 об/мин.

 

Увы, не все так здорово: «двухтакт» с искровым зажиганием — даже с СДП и непосредственным впрыском топлива — на автотранспорте не идеален. При нагрузке на высоких оборотах он склонен дымить, как дизель. Все дело в позднем впрыске горючего (чтобы его не уносило на выпуск при продувке): бензин не успевает весь испариться до образования искры на свече зажигания. Происходит воспламенение, давление и температура в камере сгорания резко повышаются. Капельки топлива подвергаются пиролизу — и закоксовываются, имеет место сажеобразование. Как бороться с дымлением? Просто: переводим «двухтакт» с жидкого горючего на природный газ (или на водород). Газу не нужно испаряться (он уже испарился) — никакого сажеобразования.

 

А еще двухтактные двигатели с искровым зажиганием безобразно работают на малом газу и на холостом ходу. Смотрите, что происходит: вы сбрасываете газ, то есть прикрываете дроссельную заслонку, давление продувки сильно падает и цилиндры плохо очищаются от отработанных газов. Это уже не столько продувка, сколько перемешивание отработанных газов со свежим воздухом. Смесь ненадежно воспламеняется от искры, возникают пропуски вспышек, мотор «кашляет» и «чихает», выбрасывая в окружающую среду несгоревшую топливовоздушную смесь⁴. Никуда не годится…

 

Выходит, двухтактные двигатели с искровым зажиганием — даже самые совершенные — пригодны лишь для довольно узкого диапазона нагрузок и оборотов. Скажем, в стационарных установках, для малой авиации и водного транспорта. Или же в составе «гибридных» силовых агрегатов, в которых работа двигателя внутреннего сгорания на холостом ходу исключена. А вообще-то, надо научиться надежно воспламенять даже самую некачественную топливовоздушную смесь, использовать лазерное зажигание, плазменное или какое там еще… И тогда компактные и мощные «двухтакты» (на природном газе, на водороде) вернутся в автомобиле-строение — хотя уже вовсе не такие простенькие, какими мы привыкли их видеть.

 

---

1. При определенных обстоятельствах «двухтакт» способен обходиться даже и без нагнетателя. Если аккуратно настроить впускные и выпускные трубопроводы на акустический резонанс в заданном диапазоне оборотов, то продувка происходит самопроизвольно. Скажем, при 3250-3750 об/мин модифицированный ВАЗ-2112 «молотит» на два такта — безо всяких внешних изменений. Разве что для запуска двигатель придется раскручивать тысяч до трех оборотов.