Второе рождение двухтактных двигателей

   В предыдущем материале я писал об участнике Великой Отечественной войны, учёном, преподавателе ЮУрГУ Вениамине Михайловиче Мысляеве, с которым мне повезло неоднократно общаться. Профессор, кандидат технических наук В.М. Мысляев занимался преподавательской деятельностью и научно-исследовательской работой по совершенствованию поршневых и газотурбинных двигателей, руководил межкафедральной лабораторией автомобильной электроники автотракторного факультета ЮУрГУ. В последнее время своей жизни главным смыслом его научно-исследовательской работы было создание двигателей с повышенными техническими, экономическими и особенно экологическими характеристиками.
   Вот о чём учёный рассказывал в 2008 году (многие вопросы, затронутые в этом материале, остаются актуальными и поныне).

     Экономия и экология

   В последнее время всё больше разговоров ведётся об улучшении экономических и экологических характеристик двигателей внутреннего сгорания. Эти проблемы стоят перед конструкторами двигателей уже довольно давно, а в наши дни мировой экономический кризис, рост цен на нефть, усиление влияния токсичных выбросов двигателей на состояние окружающей среды сделали их особенно острыми.
   В России и за рубежом растёт число автомобилей, а потому увеличивается выброс в атмосферу вредных веществ (таких, как окись углерода, окислы азота). Из-за этого ухудшается экологическая ситуация в России и мире, экологи бьют тревогу, учёные
думают над тем, как улучшить экологию. Правительства вводят новые, более жесткие экологические стандарты, ограничивающие содержание вредных веществ в выхлопных газах транспортных средств с дизельными и бензиновыми двигателями (ЕВРО-2, -3 и т.д.). Во время Олимпиады в Пекине китайцы, чтобы сократить количество вредных выхлопов,
ввели правило: по чётным дням месяца имеют право выезда на дороги машины, номерной знак которых заканчивается на чётную цифру, по нечётным дням, соответственно, – автомашины с «нечётными» номерами. А в России Министерство природных
ресурсов и экологии принимает свои меры: в июле 2008 года оно объявило конкурс на соискание премии «Лучший экологический проект года». Эта ежегодная премия была учреждена для создания дополнительных стимулов повышения экологической эффективности российской экономики и привлечения общественного внимания к природоохранным
проблемам в стране.
   На автотракторном факультете ЮУрГУ (сейчас входит в состав Политехнического института ЮУрГУ) группа учёных работала над проблемой одновременного повышения технико-экономических и экологических показателей вновь создаваемого («оптимального») двигателя. Особый интерес вызвали работы творческого коллектива под руководством кандидата технических наук, профессора кафедры специальных и дорожно-строительных
машин автотракторного факультета ЮУрГУ Вениамина Михайловича Мысляева.
   Он рассказал о работе над созданием экономичного и экологичного двигателя.
   – Проблема повышения коэффициента полезного действия, экономичности тепловых силовых установок при ресурсосберегающем производстве вечна. – говорил В.М. Мысляев. – Проблема экономии топлива, материалов и поиска альтернативных заменителей всё больше обостряется. В последние годы в связи с резким ростом числа автомобилей, в которых используются углеводородные топлива, окисляемые кислородом воздуха, также значительно возросло вредное влияние продуктов сгорания этих углеводородов на состояние окружающей среды, особенно в крупных городах.

     Двухтактные двигатели: плюсы и минусы

   Анализ технических, экономических и экологических показателей существующих двигателей внутреннего сгорания показал, что наихудшие экономические и экологические показатели, при наилучших технических показателях (весовых, объёмных, технологических и др.) имеют двухтактные бензиновые двигатели.
   Главное же их достоинство, по сравнению с четырёхтактными двигателями, – простота
конструкции и более высокая удельная мощность. Теоретически она в два раза выше, чем у четырёхтактного с теми же конструктивными параметрами, т.к. при одинаковом весе и числе оборотов двигателя цикловая работа в двухтактном двигателе получается за один оборот коленчатого вала, а в четырёхтактном – за два. Иными словами, при производстве двухтактного двигателя уйдёт металла меньше, чем при производстве такого же по мощности четырёхтактного. Это немаловажный факт, поскольку, во-первых, все ресурсы на Земле ограничены, а, во-вторых, снижение массы двигателя ведёт к снижению массы транспортного средства и экономии топлива в целом.
   Поскольку вес двухтактных двигателей относительно невелик, их устанавливают на лёгких моторных лодках, мотоблоках, мотокультиваторах, маломощных мотоциклах, т.е. на тех механизмах, где не требуется большая мощность двигателя, а расход топлива не играет решающей роли. Но из-за своих органических особенностей двухтактные бензиновые двигатели наносят окружающей среде больший вред, чем четырёхтактные. Это связано с тем, что в двухтактных значительная часть смеси «бензин-воздух-масло» выбрасывается вместе с выхлопными газами в атмосферу (пятна на воде, остающиеся после моторных лодок, видели, наверное, все). Из-за этого двухтактные моторы и запрещено использовать в нашей стране в курортных зонах на водоёмах, а в некоторых странах от их производства отказываются в пользу четырёхтактных.

     Как повысить экономичность?

   Один из способов решения проблемы повышения экономичности двигателей вообще (а
двухтактных в особенности) – замена карбюраторной системы питания поршневых двигателей электронной системой управления двигателем и совершенствование электронного регулирования топливной аппаратуры дизелей. Поэтому стали популярны  автомобили, оснащённые четырёхтактными «инжекторными» двигателями с электронной системой управления, определяющей состав смеси для каждого скоростного и нагрузочного режима работы двигателя. С точки зрения экономии топлива выгоднее такой режим
работы мотора, когда используется смесь «бензин-воздух», бедная топливом и богатая воздухом. Но – с точки зрения экологии – для окружающей среды выгоднее такой режим работы мотора, когда используется смесь «бензин-воздух», богатая топливом, бедная воздухом, что позволяет восстанавливать азот в нейтрализаторе.

     О стандартах «Евро»

   Современные стандарты учитывают содержание в выхлопах автомобилей окиси углерода и
особенно окислов азота, которые во много раз токсичнее окиси углерода. Поэтому экологические стандарты, регулирующие содержание вредных веществ в выхлопных газах (стандарты ЕВРО) вынуждают производителей так регулировать электронные системы управления подачи топлива и воздуха, чтобы моторы работали, используя смесь «бензин-воздух», богатую топливом, бедную воздухом. Соответственно, расход топлива у
таких автомобилей увеличивается, т.е. улучшение экологии пытаются достичь за счёт ухудшения экономичности. Можно смело утверждать, что это тупиковый путь. Ведь число автомобилей растёт, соответственно увеличивается расход топлива в мире в целом, увеличивается и общее количество вредных веществ в выхлопных газах машин. Из-за этого ещё больше ужесточаются нормы, регулирующие содержание в выхлопах автомобилей вредных веществ. Вместе с тем запасы нефти на планете истощаются, бензин дорожает. Нужно учитывать и то, что нейтрализаторы вредных выбросов, установленные на современных
автомобилях, ненадежны, для их производства требуются дорогостоящие материалы, в том числе платина. То есть электронные системы управления двигателем, настроенные так, чтобы двигатель работал на обогащённой топливом смеси, не решают проблемы экономии топлива и лишь незначительно улучшают экологию.
   Более перспективным представляется другой путь одновременного получения лучших (оптимальных) весовых, экологических и экономических показателей двигателей.

     Есть ли выход?

   Теоретические исследования показали, что поставленная задача наиболее эффективно решается на двухтактном двигателе. При положительных результатах предполагается реализация нашей идеи и на четырёхтактных двигателях. На первом этапе ставилась задача устранить конструктивные недостатки двухтактных двигателей: их низкую экономичность и плохие экологические показатели. При внесении в конструкцию двухтактного двигателя внутреннего сгорания определённых изменений, можно устранить выброс смеси бензина с воздухом «в трубу», а сжигать её не менее эффективно, чем в
четырёхтактном двигателе. Проблему повышения экологических показателей было предложено решить за счёт того, чтобы заставить двигатели работать на бедной топливом смеси, для чего необходима организация другого способа смесеобразования. При работе
на бедной топливом и богатой воздухом смеси значительно снижается температура цикла, значит, уменьшается и образование окислов азота, а избыток кислорода практически исключает образование окислов углерода, происходит более полное сгорание топливовоздушной смеси.
   Такое решение проблемы для двух- и четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания
нами уже запатентовано в России, опубликовано три научных статьи. Для проведения эксперимента построен опытный образец двухтактного двигателя внутреннего сгорания, начали работу над созданием испытательного стенда. Говорить о конкретных
результатах преждевременно (напомню, что это был 2008 год – прим. авт.), поскольку двигатель ещё не прошел полный цикл испытаний.
   При успешном решении проблемы двухтактные бензиновые двигатели не только восстановят свои позиции на воде и на суше, но и составят конкуренцию на
транспорте четырёхтактным, т.к. при равных экономических и экологических показателях,
будут иметь лучшие весовые параметры.
   Данная тема докладывалась на международной научно-технической конференции, посвящённой столетию со дня рождения декана автотракторного факультета ЧПИ Михаила Фёдоровича Балжи, и была признана перспективной. Существенную поддержку оказал проректор ЮУрГУ по научной работе Сергей Дмитриевич Ваулин – он помог с грантом по программе «Умник».
   Начальник управления научных исследований ЮУрГУ Виктор Борисович Фёдоров оказал помощь в обеспечении работы необходимым оборудованием. Большой интерес к этой работе
проявил ЧТЗ, который безвозмездно передал базовый двигатель для реализации проекта. Научно-исследовательский институт автотракторной техники помог в обеспечении приборами.

     Справка

    Вениамин Михайлович Мысляев родился 14 октября 1926 года в деревне Буланцы Аргаяшского района Челябинской области. В 1943-м с отличием окончил экстерном школу и, приписав себе год, ушёл добровольцем на фронт. Участвовал в освобождении Болгарии, Венгрии, Австрии, боях за Вену. Награждён орденом Отечественной войны II степени, 15 боевыми и пятью правительственными медалями, в том числе, в 2006-м, медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени. После демобилизации поступил в Челябинский механико-машиностроительный институт, а в 1953-м с отличием окончил уже Челябинский политехнический институт. С 1965-го работал в ЧПИ – ЧГТУ – ЮУрГУ: на кафедрах автомобильного транспорта; двигателей внутреннего сгорания; колёсных, гусеничных машин и автомобилей. Автор почти 130 работ, в том числе учебных пособий с грифом УМО, обладатель 20 авторских свидетельств и патентов. В.М. Мысляев был последним из работавших в Южно-Уральском государственном университете участников Великой Отечественной войны. Ветеран ушёл из жизни девятого декабря 2021 года.