Чтобы наши дальнейшие рассуждения были более понятны, давайте вначале договоримся о терминологии, хотя бы об основных понятиях.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - механическое устройство, в котором химическая энергия сгорающего топлива превращается в тепловую, а затем - в механическую. Сгорание топлива происходит непосредственно внутри двигателя, в так называемой камере сгорания, образованной цилиндром и его головкой.
Рабочим циклом называется совокупность рабочих процессов, последовательно происходящих в цилиндре. Таких процессов пять: впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск.
Поршень - деталь двигателя, воспринимающая давление газов, образовавшихся при сгорании топлива, и передающая это давление через поршневой палец и шатун на коленчатый вал.
Цилиндр - деталь, внутри которой перемещается поршень. Внутренняя поверхность цилиндра является для поршня направляющей, наружная служит для отвода тепла.
Верхняя мертвая точка (ВМТ) - крайнее верхнее положение поршня.
Нижняя мертвая точка (НМТ) - крайнее нижнее положение поршня.
Такт (или ход) - перемещение поршня из одного крайнего положения в другое. За один такт коленчатый вал поворачивается на 180° (на пол-оборота).
Рабочий объем цилиндра - объем, освобождаемый поршнем при его движении от ВМТ к НМТ. Рабочий объем измеряется в кубических сантиметрах. Для одноцилиндрового двигателя рабочий объем одного цилиндра является и рабочим объемом двигателя. Для многоцилиндровых двигателей рабочий объем определяется как сумма рабочих объемов цилиндров. (Иногда рабочий объем называют литражом). В формулах рабочий объем обозначается Vh;
Объем камеры сгорания - это объем над поршнем при его нахождении в ВМТ. Он обозначается Vc.
Полным объемом цилиндра называется сумма рабочего объема Vh и объема камеры сгорания Vc.
Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси в цилиндре при перемещении поршня из НМТ в ВМТ.
Степень сжатия (E) - отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc
Двухтактный двигатель - двигатель внутреннего сгорания, в котором полный рабочий цикл происходит за два такта или, что одно и то же, за один оборот коленчатого вала.
Четырехтактный двигатель - то же самое, но полный рабочий цикл происходит за четыре такта, то есть за два полных оборота коленчатого вала.
Понятно, что это далеко не все термины, с которыми бы будем сталкиваться в дальнейшем. И потому по мере надобности мы будем объяснять все новые и новые понятия. Пока же этого достаточно, чтобы перейти к главному: рассмотреть рабочие процессы и разобраться в устройстве двигателя.
Рабочий цикл
Его рассмотрение мы начнем с четырехтактного двигателя - так легче понять процессы.
Первый ход поршня вниз используется для впуска в цилиндр горючей смеси, состоящей из паров топлива и воздуха, связанных определенной пропорцией. Горючая смесь поступает через открытый впускной клапан. Это такт впуска.
Когда поршень достигает НМТ, впускной клапан закроется и поршень, двигаясь в обратном направлении, начнет сжимать смесь, совершая такт сжатия. При сжатии смесь нагревается и активно перемешивается.
Около ВМТ смесь поджигается и сгорает. При этом объем газов многократно увеличивается, возрастает давление в камере сгорания. Поршень под действием этого давления начинает двигаться вниз, происходит такт расширения - единственный полезный рабочий ход.
Когда поршень находится у НМТ, открывается выпускной клапан, и отработавшие газы начинают выходить в атмосферу. Двигающийся к ВМТ поршень активно их вытесняет - происходит такт выпуска.
Затем весь цикл повторяется.
В рассмотренном нами рабочем цикле мы для простоты восприятия считали, что впускной клапан открывается при положении поршня в ВМТ, а выпускной открывается, когда поршень находится в НМТ. На самом деле в реальном двигателе все гораздо сложнее.
Судите сами - ведь клапан не может открыться мгновенно. Для его полного открытия необходимо какое-то время, как и для закрытия.
Поэтому открываться впускной клапан начинает еще до прихода поршня в ВМТ - это называется опережением впуска. Соответственно и закрывается он после прихода поршня в НМТ (запаздывание впуска).
То же самое происходит с выпускным клапаном: он открывается до прихода поршня в НМТ (опережение выпуска) и закрывается после ВМТ (запаздывание выпуска).
Периоды открытия клапанов - они обычно измеряются в градусах поворота коленчатого вала - называются фазами газораспределения. Пользуясь теперь этим термином, можно сказать, что открытие клапанов, с опережением и. закрытие с запаздыванием увеличивает длительность фаз (расширяет фазы). В результате улучшаются наполнение цилиндра горючей смесью и очистка его от отработавших газов, повышается мощность двигателя.
Для наглядности фазы принято изображать в виде круговой диаграммы (рис. 22). Глядя на нее, Даже неподготовленный зритель увидит, что существуют периоды, когда одновременно открыты оба клапана. Эти периоды принято называть перекрытием клапанов. В это время происходят сразу два процесса: заряд цилиндра свежей смесью и очистка его от отработавших газов. С одной стороны, это плохо: часть свежего заряда буквально "вылетает в трубу". С другой стороны, при этом улучшается качество свежего заряда и, значит, горение, стало быть, повышается мощность двигателя.
Диаграмма газораспределения четырехтактного двигателя:
1-впуск; 2 - сжатие; 3 - рабочий ход; 4 - выпуск; 5 - опережение впуска; 6 - перекрытие клапанов; 7 - запаздывание выпуска; 8 - опережение выпуска; 9 - запаздывание впуска.
Из тех же соображений повышения мощности рабочую смесь в камере сгорания и поджигать, очевидно, следует не в момент прихода поршня,в ВМТ, а гораздо раньше (ведь горение - процесс, то же требующий времени). Причем не просто "раньше", а с таким расчетом, чтобы начало рабочего хода совпало с пиком давления над поршнем. Этот момент опережения зажигания для каждого двигателя строго индивидуален. От его величины зависят легкость пуска, развиваемая мощность и топливная экономичность двигателя.
- В четырехтактном двигателе все просто: открываются и закрываются клапаны, происходит впуск и выпуск смеси и газов. Но в двухтактном моторе клапанов нет, а он тоже работает. Как же так?
Верно, главное отличие двухтактного двигателя как раз в том и состоит, что у него нет клапанов. Но процесс газораспределения здесь протекает по тем же законам. Только "заведует" всем этим... поршень. Другое отличие состоит в том, что рабочий процесс про
исходит не только над поршнем, как в четырехтактном моторе, но и под поршнем, в так называемой кривошипной камере, которая в
связи с этим делается герметичной. А третье отличие - в устройстве цилиндра и головки.
Если у четырехтактника цилиндр очень простой, а головка сложная (в ней, как правило, размещаются клапаны), то у двухтактного мотора наоборот: в стенках цилиндра имеются окна и каналы сложной конфигурации, а головка простая.
Чем вызваны эти различия, мы поймем, когда рассмотрим, как протекает рабочий процесс в двухтактном.
Итак, поршень движется вверх. Как только его верхняя кромка перекроет левый продувочный канал, соединяющий цилиндр с кривошипной камерой, в картере под поршнем начинает образовываться разрежение. Пока правый выпускной канал еще открыт, в цилиндре над поршнем идет выпуск и продувка. Но как только верхняя кромка поршня перекроет и этот канал, начнется сжатие.
Продолжая двигаться вверх, поршень своей нижней кромкой откроет правый впускной канал, и в кривошипную камеру, в полость под поршнем, начнет поступать свежая горючая смесь из карбюратора. Начнется впуск.
В момент, когда поршень приблизится к ВМТ на расстояние, соответствующее опережение зажигания (вы уже знаете об этом), искровой разряд подожжет сжатую в камере сгорания смесь. Образовавшиеся при этом горячие газы, стремясь расшириться, заставят поршень, по инерции прошедший ВМТ, устремиться вниз. Произойдет рабочий ход.
Диаграмма газораспределения двухтактного двигателя с золотниковым впуском:
1 - впуск в картер; 2 - сжатие в картере; 3 - продувка; 4 - выпуск; 5 - сжатие в цилиндре; 6 - рабочий ход.
Когда нижняя кромка поршня перекроет впускное окно, в кривошипной камере начнется сжатие (его называют предварительным). Давление под поршнем повысится до 1,25-1,5 кг/см2.
Когда верхняя кромка головки поршня, все еще идущего вниз, откроет выпускное окно, отработавшие газы, сохранившие достаточное давление, устремятся в выпускную систему. Начнется выпуск.
К тому моменту когда давление над поршнем станет почти равным атмосферному, головка поршня откроет и левое продувочное окно. Предварительно сжатая в кривошипной камере горючая смесь через продувочный канал направится в цилиндр и заполнит его, вытесняя отработавшие газы и частично смешиваясь с ними. При этом часть свежего заряда, понятно, вылетит в выпускное окно. (Это называется "прямой выброс"). Произойдет продувка .
Она закончится, когда прошедший НМТ поршень начнет двигаться вверх и перекроет продувочное окно. Выпуск же будет продолжаться до тех пор, пока и выпускное окно не будет перекрыто.
Если попытаться построить уже знакомую нам диаграмму фаз газораспределения, то придется показывать одновременно два процесса: один, происходящий над поршнем, в цилиндре, и другой, протекающий под ним, в кривошипной камере. В результате получится две диаграммы, два кольца. Внутреннее обычно изображает процессы в картере, наружное - в цилиндре.
Диаграммы, естественно, имеют абсолютно симметричные фазы газораспределения.
- Если в двухтактном двигателе рабочий ход происходит в два раза чаще, чем в четырехтактном, то и мощность при том же рабочем объеме должна быть в два раза больше ? Или я чего-то не Понимаю ?
Ну, конечно же, все должно быть именно так. Теоретически. А на практике выходит по-другому.
Несмотря на все ухищрения конструкторов, цилиндры двухтактных моторов все же плохо очищаются от отработавших газов. Как следствие, в них меньше попадает свежей смеси - значит, и процесс горения идет хуже.
К тому же часть свежей смеси успевает выскочить в выпускное окно, вовсе не поработав (помните "прямой выброс"?). А одно только это обстоятельство увеличивает расход топлива на 20-30%. А есть еще "обратный выброс", в карбюратор! На мотоциклах 50-60-х годов, имевших простые сетчатые воздушные фильтры, потери от обратного выброса составляли тоже ощутимую величину - до 25%...
Словом, не получается двойного выигрыша в мощности, сколько ни старайся. Да еще и по токсичности "двухтактник" явно "грязнее" своего четырехтактного соперника.
Тут бы мог прозвучать следующий вопрос: "А зачем же тогда..?" Его в моей почте нет, но он подразумевается с тех самых пор, как шотландский инженер Дугалд Клерк в 1877 году создал двухтактный двигатель такой противоречивый, имеющий множество пороков - и вот уже больше века не сдающийся. А потому ответим.
Затем, что двухтактник гораздо проще по устройству. Проще в изготовлении. Надежнее. Проще в эксплуатации. И дешевле. Согласитесь - не так уж мало. А если еще принять во внимание, что двухтактные двигатели тоже непрерывно совершенствуются (по последним сведениям, австралийской кампанией "Orbital" разработан новый принцип продувки двухтактного двигателя, который выводит этот мотор по топливной экономичности и мощности на один уровень с лучшими четырехтактными образцами), то спор между разными моторами, длящийся уже не одно десятилетие, может никогда не закончиться.
Цилиндропоршневая группа и кривошипно-шатунный механизм
Если у кого-то от этого длинного и чуть-чуть заумного названия побежали мурашки по коже, то это зря. На самом деле в "группу" входят только цилиндр и поршень, а "механизм" объединяет лишь два узла: шатун и коленчатый вал.
Цилиндр - одна из главных деталей двигателя. Внутренняя поверхность цилиндра служит направляющей для поршня, а через наружную отводится тепло. Цилиндр четырехтактного двигателя - самый простой. Обычно он изготавливается из специального чугуна. Внутренняя поверхность, "зеркало", обработана до высокой точности и чистоты. Причем с помощью особой технологии на эту поверхность наносится сетка микроканавок, удерживающих смазку и продляющих срок службы цилиндра.
Если двигатель охлаждается набегающим встречным потоком воздуха, то наружная поверхность цилиндра снабжается развитыми ребрами, улучшающими отвод тепла. Если охлаждение жидкостное - вокруг цилиндра устраивается "рубашка", в которой циркулирует жидкость.
В нижней части цилиндра имеется фланец для крепления к картеру двигателя; в верхней - шпильки для крепления головки.
Это, конечно, лишь общая примитивная схема. На самом деде конструкций великое множество. Что ни мотоцикл, то иная конструкция цилиндра.
Например, чугун, хорошо работающий на истирание и сулящий долговечность, для современного двигателя не годится - слишком тяжелыми были бы цилиндры. И потому инженеры придумали "слоеный" вариант: из чугуна делается только внутренняя тонкостенная гильза, а наружная рубашка - из алюминия. И получилось очень здорово. Ведь алюминий обладает прекрасной теплопроводностью. А как раз это и требуется от рубашки.
Цилиндр двухтактного двигателя гораздо сложнее. В нем, как вы помните, на разной высоте имеются каналы: впускной, выпускной и продувочный. Причем продувочных каналов может быть несколько.
Так как из соображений снижения веса цилиндры двухтактных двигателей тоже сплошь и рядом делают слоеными, то окна в гильзе должны очень точно совпадать с окнами в рубашке: если такого совпадения не будет, резко ухудшится протекание рабочих процессов, мотоцикл потеряет мощность и экономичность. Поэтому спортсмены, использующие двухтактные двигатели, нередко вручную заполировывают каналы и придают входным и выходным кромкам специальную форму, которая обеспечивает наилучшее перетекание горючей смеси.
Продувке двухтактных двигателей во все времена уделялось самое серьезное внимание. Выход каналов в цилиндр строился под строго определенным углом, ширина и высота окон тщательно просчитывались. Иногда для лучшего завихрения топливовоздушной смеси на головке поршня даже устраивался специальный гребешок-отражатель, дефлектор. И типы продувок получали специальные названия: поперечная, возвратно-петлевая, трехканальная, крестообразная и т.д. Не будем на этом останавливаться. Для Вас, начинающих мотоциклистов, сказанного вполне достаточно, чтобы уяснить, как важна продувка для двухтактного двигателя. А те, кто захочет в этом разобраться поглубже, найдут другие книги.
- Читал, что бывают двухцилиндровые двигатели объемом всего 125 см. куб. а бывают и одноцилиндровые с "горшком" в 600 "кубиков". Почему так?
С самого своего рождения и многие, многие годы мотоциклетный двигатель был преимущественно одноцилиндровым. Разве что в классе 750 см3 и выше конструкторы снабжали его парой цилиндров. Да и то отчасти поневоле: приходилось считаться с тем, что не каждый водитель физически в состоянии преодолеть сопротивление смеси, сжимаемой в таком объеме, и провернуть коленчатый вал при пуске.
Одноцилиндровые моторы, как двухтактные, так и четырехтактные, по сей день строятся во всех странах мира и устанавливаются на мотоциклы в тех случаях, когда заведомо главными качествами выступают простота устройства, надежность и дешевизна.
В основном это моторы малых кубатур, рабочим объемом до 100-125 см3.
Однако в последние годы за рубежом появилось целое поколение одноцилиндровых 600-кубовых мотоциклов, таких как Yamaha SRZ 660, Suzuki LS 650P, KTM 620 EGS, Honda XR 650L и им подобных. Чем это вызвано? Чтобы разобраться, начнем "от печки".
Известно, что одноцилиндровый двигатель имеет множество врожденных пороков. Главные из них - неуравновешенность, неравномерность крутящего момента, склонность к вибрациям на больших оборотах, напряженность теплового режима. Прежде, при сравнительной тихоходности моторов, эти недостатки не так бросались в глаза и с ними можно было мириться. С ростом мощностей ситуация стала обостряться. И со временем явно наметилась склонность к росту числа цилиндров. Как правило, двигатели от 250 см3 и выше уже сейчас имеют два и больше цилиндров. Это дробление рабочего объема позволило заметно поднять литровую мощность за счет увеличения числа оборотов и степени сжатия.
Подсчитано, однако, что уменьшать объем одного цилиндра и увеличивать их число можно до определенного предела. Таким пределом по объему считаются 62 см3 и по числу - восемь. В качестве примера можно назвать некогда знаменитый четырехтактный четырехцилиндровый 350-кубовый двигатель гоночного мотоцикла "Восток" (С-364) или четырехтактный восьмицилиндровый(!) 500-кубовый двигатель итальянского гоночного мотоцикла "Guzzi". Дальнейшее увеличение числа цилиндров сталкивается с почти непреодолимыми трудностями компоновки и может быть оправдано только в случае единичного или штучного, в крайнем случае, исполнения. Для серийных же мотоциклов строятся двух-, трех- и четырехцилиндровые моторы.
Не надо обладать богатым воображением, чтобы понять, что сделать одноцилиндровый 350-кубовый двигатель гораздо проще и дешевле, чем того же объема четырехцилиндровый.
Но не только простотой и надежностью объясняется появление на Западе настоящей волны "больших горшков".
Дело в том, что одноцилиндровый двигатель большого объема для сглаживания пульсаций снабжается массивным маховиком, который обеспечивает великолепную равномерность крутящего момента при очень низких оборотах. Долгое время это хорошее качество напрочь уничтожалось чудовищными вибрациями, присущими такому мотору. Но после того как с этой неприятностью научились бороться с помощью особых уравновешивающих валов, ничто уже не могло помешать широкому распространению одноцилиндровых двигателей больших кубатур.
А тут еще выяснилось, что для "прошивания" городских пробок нет лучшего средства, чем специальный мотоцикл: узкий, легкий в управлении, мощный, способный динамично разгоняться, а в случае надобности - и тащиться в потоке со скоростью пешехода. Такие мотоциклы получили название городских "эндуро", и для них идеально подошли одноцилиндровые 600-кубовые двигатели: узкие, мощные, обладающие нужными характеристиками.
Вообще о цилиндрах можно говорить очень долго - ведь их количество и расположение всегда указывается как одна их первых и наиболее важных характеристик мотоцикла.
Но мы вынуждены двигаться дальше: наша дорога длинна, а мы еще только в самом ее начале!
Головка цилиндра у большинства современных двухтактных двигателей отлита из алюминиевого сплава. Наружная ее поверхность в случае естественного охлаждения сильно оребрена. Внутри располагается камера сжатия, или, как ее чаще называют, камера сгорания.
В головке имеется несколько сквозных отверстий для крепления ее к цилиндру и одно резьбовое, выходящее в камеру сгорания - для свечи зажигания. Прежде на многих двухтактных двигателях в головке делали еще одно резьбовое отверстие для клапана-декомпрессора. Сейчас его ставят все реже.
У верхнеклапанных четырехтактных двигателей головка гораздо сложнее: в ней сделаны гнезда, направляющие и каналы клапанов.
Зачастую тут же располагается распределительный вал с коромыслами: головка имеет патрубки для крепления карбюратора и выпускной системы.
Форма камеры сгорания бывает разной. Но она отнюдь не произвольна, поскольку сильно влияет на качество сгорания. Прежде часто применялись такие формы, как полу-сферическая и "жокейный козырек".
Сейчас широкое распространение получила камера, как бы состоящая из двух сфер - в ней обеспечивается наиболее эффективное сгорание смеси.
- Меня всегда удивляло, что в характеристиках двигателя указывается число и расположение цилиндров - и ни слова о поршнях. Это дискриминация. Поршень - самая главная деталь...
Это чистая правда. Цилиндр пассивен. Поршень же воспринимает давление горячих газов сгорающей смеси и через поршневой палец и шатун передает его на коленчатый вал. Двигаясь возвратно-поступательно в цилиндре, он с частотой до 100 раз в секунду разгоняется до максимальной скорости и тормозит до нуля, испытывая огромные инерционные нагрузки. Действительно, это одна из самых нагруженных деталей двигателя.
Рассмотрим строение поршня (рис. 26).
Поршень двухтактного двигателя: 1 - днище; 2- канавки для поршневых колец; 3 - юбка поршня; 4 - бобышка; 5 - вырезы в юбке; 6 - окно нечетного продувочного канала
В нем различают головку с днищем 1 и юбку 3. В юбке (она играет роль направляющей) имеются специальные приливы - бобышки с отверстиями, в которых располагается поршневой палец.
На боковой поверхности головки, в ее верхней части, проточены канавки 2. В них устанавливаются поршневые кольца.
Поршень непосредственно подвергается температурному воздействию со стороны горячих газов. Охлаждается же он плохо, только свежей смесью и через контакт с зеркалом цилиндра.
Поскольку поршень отливается из алюминиевого сплава, то при нагревании он значительно расширяется. Чтобы его не заклинивало, поршень устанавливают в цилиндр с зазором. Причем зазор по высоте поршня различен: головка имеет наименьший диаметр, нижний пояс юбки - наибольший. Кроме того, юбка еще и овальна в поперечном сечении: она вытянута в плоскости, перпендикулярной поршневому пальцу. Учитывая столь сложную форму поршня, условились измерять его диаметр в одном месте: под нижним поршневым кольцом. По этому размеру и подбираются поршни к цилиндрам.
Поршни четырехтактных нижнеклапанных двигателей имеют плоское днище. У верхнеклапанных оно плоское, с выемками для предохранения клапанов.
Поршни двухтактных двигателей, как вы помните, не только сжимают рабочую смесь в камере сгорания, но и управляют впуском, выпуском и продувкой. В юбке такого поршня имеются специальные вырезы или окна, соответствующие по конфигурации окнам на зеркале цилиндра. А в канавках для поршневых колец устанавливаются стопорные штифты, которые не позволяют кольцам поворачиваться на поршне и тем предохраняют их стыки от попадания в окна и от поломки.
Поршневые кольца разрезные, их изготавливают из таких сортов чугуна или стали, которые обладают пружинящими свойствами. За счет этого кольца хорошо прилегают к зеркалу цилиндра, уплотняя зазор между ним и поршнем. Кольца по назначению бывают двух видов: уплотнительные (или компрессионные) и маслосъемные. Двухтактный двигатель маслосъемных колец не имеет. На поршне четырехтактного такое кольцо устанавливается ниже уплотнительных. При движении поршня оно снимает со стенок цилиндра излишнее масло и сбрасывает его в картер.
Больше трех колец на поршень не ставится: степень уплотнения увеличивается мало, а потери на трение заметно растут.
Стык поршневого кольца называется замком. Замки бывают прямые или косые (у четырехтактного двигателя). На поршне двухтактного двигателя кольцо в замке соответствует форме и расположению стопорного штифта.
Поршневой палец стальной, пустотелый, термически обработанный. В бобышках поршня он чаще всего устанавливается по так называемой плавающей посадке - то есть может свободно поворачиваться. Однако нередко используется и горячая посадка, когда палец зафиксирован в бобышках и поворачиваться может только во втулке. Осевое перемещение пальца ограничивают пружинные стопорные кольца, установленные в проточки бобышек.
Прежде чем перейти к другой детали, отвлечемся немного и поговорим о том, как связаны между собой диаметр цилиндра и ход поршня.
Это не только интересно, но имеет прямое отношение к дальнейшим рассуждениям.
Если сопоставить, к примеру, эти соотношения мотоциклов разных лет, то даже неспециалист заметит, что непрерывно идет процесс уменьшения хода поршня и увеличения его диаметра. Чем это вызвано?
В первую очередь, конечно же, тем, что мотоцикл при этом становится легче: наименьшая поверхность цилиндра достигается при отношении хода поршня к диаметру, равном 1. При уменьшении хода поршня существенно изменяется расстояние, которое он проходит, и, соответственно, средняя скорость, а это не только продляет срок жизни поршня, но и позволяет увеличить частоту вращения коленчатого вала. Небезынтересно отметить: величина средней скорости поршня уже много лет остается почти неизменной, так как за уменьшением хода тут же следует увеличение частоты вращения - благодаря этому растет мощность.
Для четырехтактных двигателей увеличение диаметра цилиндра выгодно еще и потому, что позволяет использовать более крупные клапаны или, что еще лучше, увеличить их число. А это уже влияет на наполнение и тоже поднимает мощность. Существует даже такой термин: "поршневая мощность". Она выражается соотношением, в котором фигурирует площадь поршня, и позволяет судить о степени форсированности двигателя. Увеличить эту площадь можно, увеличивая число цилиндров и уменьшая отношение хода поршня к диаметру. В современных двигателях это отношение близко к единице. А уменьшение его ниже 0,8 совершенно нецелесообразно.
Коленчатый вал и шатун образуют кривошипно-шатунный механизм. Его главное назначение - преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Простейший коленчатый вал одноцилиндрового двигателя состоит из коренных и шатунных шеек и щек. Шатунная шейка охватывается нижней головкой шатуна, на коренных вал вращается в подшипниках, установленных в картере. Коленчатые валы многоцилиндровых четырехтактных двигателей часто отливают целиком из высокопрочного чугуна, а затем шейки механически обрабатывают.
Как правило, валы неразборные. Даже в том случае, когда коренные шейки (полуоси) и шатунная шейка соединяются со щеками в горячем состоянии. Так, например, устроен коленчатый вал "Урала"
Отечественный двухцилиндровый двухтактный двигатель "ИЖ-Юпитер" - это, по существу, два одноцилиндровых мотора, 'объединенные общим картером. Поэтому и коленчатый вал - это два самостоятельных вала, соединенные выносным маховиком. Входящие в маховик коренные шейки фиксируются шпонками, а разрезной маховик стягивается мощным болтом.
Маховик - массивный диск, обычно закрепляемый на конце коленчатого вала. Обладая значительной массой, а, следовательно, и инерцией, маховик при вращении коленчатого вала накапливает значительную энергию, которая расходуется во время вспомогательных тактов и сглаживает неравномерность крутящего момента.
Как правило, маховик четырехтактного двигателя располагается на заднем конце коленчатого вала, выходящем из картера, и является частью сцепления. На наружном ободе маховика обычно имеются метки, помогающие устанавливать опережение зажигания и контролировать число оборотов. Если двигатель имеет электрический запуск, то на обод маховика напрессовывается зубчатый венец, в зацепление с которым входит шестерня стартера.
Шатун шарнирно связывает поршень с коленчатым валом. В поперечном сечении шатун чаще всего имеет форму-двутавра. Самый предпочтительный материал - сталь. Конструктивно в шатуне различают верхнюю головку, тело и нижнюю головку. В верхней головке располагается подшипник поршневого пальца. Прежде в большинстве случаев это была бронзовая втулка. Сейчас все чаще - игольчатый подшипник: он более долговечен и надежен при высоких оборотах.
В нижней головке также установлен подшипник. Часто его внутренней обоймой является сама шейка коленчатого вала, а наружной - специальное термически обработанное кольцо, запрессованное в головку шатуна. Иногда нижняя головка бывает разъемной - тогда в нее устанавливаются вкладыши.
В отличие от роликового подшипника качения такой вариант называется подшипником скольжения. Так устроен, например, шатун мотоцикла "Днепр".
Картер
Как рама соединяет в одно целое все агрегаты и узлы мотоцикла, так картер соединяет воедино силовой агрегат. Через точки крепления на картере чаще всего этот агрегат соединяется и с рамой. Картер отливается из алюминиевого сплава. На его конструкции существенно отражается характер рабочего процесса двигателя.
Например, картер четырехтактного двигателя - это чаще всего единая отливка с полостью для коленчатого вала, фланцами крепления цилиндров, масляного насоса, фильтра, с резервуаром для масла и т.п. В его передней и задней стенках проточены отверстия для установки подшипников и сальников.
Картеры двухтактных мотоциклов отличаются тем, что являются общими для двигателя, сцепления и коробки передач (рис. 28). Для удобства разборки и сборки их обычно делают разъемными, состоящими из двух, трех, а то и больше частей. Причем плоскости разъема могут быть как вертикальными (что присуще российским мотоциклам), так и горизонтальными (что часто можно видеть на японских мотоциклах).
Картер двухтактного двигателя:
1 - левая крышка; 2 - пробка маслозаливного отверстия; 3 - прокладка; 4 - левая и правая половины картера; 5 - крышка коробки передач; 6 - правая крышка
В передней части картера двухтактного двигателя имеется кривошипная камера. Поскольку она участвует в газораспределительном процессе, то ее приходится герметизировать. Для этого в левой половине картера устанавливается резиновое уплотнение (сальник), препятствующее проникновению в кривошипную камеру масла из полости моторной передачи, а в правой половине - сальник, не позволяющий атмосферному воздуху проникнуть в кривошипную камеру, когда в ней создается разрежение.
Рядом с кривошипной камерой располагаются полости, в которых размещаются валы и шестерни коробки передач, моторная передача и сцепление. Половинки картера соединяются винтами. Уплотнение между половинками обеспечивается за счет чистоты обработки поверхностей и нанесения клея либо герметика.
Дополнительные крышки, закрывающие моторную и главную передачи, обычно уплотняются тонкими картонными или паронитовыми прокладками.
Механизм газораспределения
- В двухтактном двигателе хозяин - поршень, он управляет всем процессом. А как открываются и закрываются клапаны в четырехтактном двигателе?
Ну, в двухтактном двигателе тоже все далеко не так просто, как может показаться на первый взгляд.
Когда мы говорили о диаграмме и фазах газораспределения, мы назвали их симметричными. Это красиво звучит и выглядит, но такие фазы вовсе не идеальны. Происходящие одновременно впуск свежей смеси и выпуск отработавших газов ухудшают экономичность и уменьшают мощность двигателя. А потому заманчиво как-то разделить эти процессы, чтобы лучше очистить цилиндры от газов и увеличить их наполнение свежей смесью. Это позволило бы увеличить литровую мощность, то есть мощность, отнесенную к одному литру рабочего объема.
Самые хитрые системы продувок если и давали какой-то результат, то весьма незначительный.
И тогда появилась новая идея: поставить на впуске золотник - нечто вроде клапана, что позволило бы увеличить продолжительность фазы впуска и исключить так называемый обратный выброс смеси в карбюратор. Это устройство еще называют лепестковым клапаном или обратным пластинчатым клапаном.
Лепестковый клапан
Первый клапан представлял собой просто упругую стальную пластинку, расположенную поперек потока свежей смеси. Он, во-первых, оказывал большое сопротивление этому потоку, во-вторых, довольно быстро ломался, не выдерживая бесконечных перегибов - пульсаций.
Однако "лиха беда - начало". Шло время, появлялись новые материалы, отрабатывались технологии. И вот уже клапаны на впуске стали серийно устанавливаться на многие мотоциклетные двигатели, в том числе отечественные. И это позволяет экономить до 15% топлива при одновременном улучшении динамических показателей мотоцикла.
Воодушевленные успехом конструкторы обратили свои взоры на выпуск - ведь там тоже происходит безобразная утечка смеси. И тут же появились клапаны на выпуске; их назвали мощностными. Но о них мы поговорим чуть позже.
А пока вернемся к четырехтактному двигателю и его системе газораспределения.
Принято различать два типа механизмов: верхнеклапанный и нижнеклапанный.
В первом случае клапаны располагаются в головке цилиндров и приводятся в действие от распределительного вала, находящегося внизу, с помощью длинных толкателей, штанг и коромысел. Недостатки этой системы стали проявляться все отчетливее по мере роста числа оборотов двигателя. Ведь даже самые легкие толкатели обладают массой, значит, инерцией, и на каком-то этапе они стали запаздывать. Точнее говоря, перестали точно отслеживать профили кулачка распредвала. Нарушились фазы, и это стало приговором верхнеклапанному механизму.
При нижнеклапанном газораспределении клапаны располагаются в теле цилиндра, привод осуществляется коромыслами либо толкателями. Такая Схема оказалась гораздо более живучей, поскольку масса частей, движущихся возвратно-поступательно, невелика.
Но и ее погубили врожденные пороки: очень большая поверхность камеры сгорания провоцирует детонацию, да и быстроходность моторов с этой схемой не превышает 4500 об/мин, что на сегодня недопустимо мало.
Гораздо популярнее на современных мотоциклах схема с верхним расположением клапанов, но пока еще с нижним распредва-лом, получившая условное обозначение OHV по первым буквам английских слов Over head valve. В этом варианте двигатель может развивать до 7000 об/мин.
Когда же распределительный вал перенесли в головку и он стал непосредственно через коромысла воздействовать на клапаны (схема называется OHC), мотор получил способность "раскручиваться" до 9000 об/мин. Этот вариант был очень популярен в 70-е годы.
Наконец, для очень быстроходных моторов придумали вариант с двумя распредваламй в головке - он называется DOHC (D - это double, то есть дубль). Тут уж вовсе отсутствуют возвратно-поступательно движущиеся толкатели или штанги - а потому моторы могут развивать до 11-12 тысяч об./ мин.
Впрочем, пружина, как выяснилось, тоже обладает "временем срабатывания". И при каких-то, пусть даже очень высоких частотах вращения распредвала она не успевает разжиматься. Для таких особо сложных случаев придуман так называемый десмодромный механизм, в котором клапаны и закрываются, и открываются под действием кулачков, пружин в нем нет вообще (рис. 30). Эту схему придумали конструкторы итальянской фирмы Ducati. И она себя оправдала её гоночный двигатель объемом 125 см3 развивал 16 тыс. об/мин и был при этом очень надежным. Недостаток у этой конструкции один: она дорого обходится в производстве и сложна в эксплуатации. Однако это не мешает итальянцам использовать ее даже на дорожных мотоциклах.
Десмодромный механизм
Самая распространенная на сегодня схема газораспределения - DOHC. По ней работает большинство современных четырехтактных моторов. Причем все чаще вместо двух клапанов на цилиндр применяют 4, 5, а иногда уже и 6 клапанов. Благодаря этому общее проходное сечение для впуска и выпуска становится больше, улучшаются очистка и наполнение цилиндров. Клапаны меньшего диаметра лучше охлаждаются, их масса меньше, значит, можно еще хоть на немного поднять обороты двигателя. К сожалению, и это усложнение конструкции заметно повышает стоимость мотоцикла и потому не применяется в тех случаях, когда на первом месте стоят дешевизна и простота.
- В автомобильных двигателях привод распредвала осуществляется цепью или ремнем. А как это делается в мотоциклетных моторах?
Тип привода распредвала зависит в первую очередь от того, где располагается распредвал. Если он находится внизу, в картере, то все очень просто: достаточно обычной шестеренной передачи. Она обеспечивает точность фаз газораспределения и очень надежна.
Если же вал находится в головке цилиндров, то привод шестернями становится неудобным, очень громоздким. И ему на смену приходит втулочно-роликовая цепь. Ее преимущества очевидны: она легче, компактнее и дешевле. Но столь же очевидны и недостатки. Цепь изнашивается и вытягивается, заметно нарушая фазы; цепь "шумит" и требует постоянного наблюдения и ухода.
А потому, как и на автомобильных моторах, на мотоциклах все чаще вместо цепи применяется зубчатый ремень. Он, конечно, тоже со временем изнашивается. Но цена ремня невелика, и заменить его в назначенный срок - дело совсем не трудное.
Таким образом, мы рассмотрели основные механизмы двигателя и теперь переходим к рассмотрению его систем. Их пять: системы смазки, охлаждения, питания, выпуска и электрооборудования.
Система смазки
Трение - злейший враг любого механизма, в том числе и двигателя внутреннего сгорания. Когда трущиеся поверхности тщательно обработаны, трение меньше; при грубой обработке силы трения могут достигать таких величин, что детали будут нагреваться вплоть до спекания и оплавления.
Сущность и смысл процесса смазки заключается в том, что масло подается между трущимися поверхностями, образует масляный клин и разъединяет эти поверхности. Сухое трение заменяется
жидкостным, которое в сотни раз меньше. Кроме того, масло отводит тепло от деталей и уносит из зоны контакта продукты износа.
В четырехтактных двигателях традиционно применяется закрытая циркуляционная система смазки. При этом масло из картера забирается масляным насосом и под давлением подается к коренным подшипникам коленчатого вала, распределительному валу, толкателям, коромыслам и некоторым другим деталям, от которых потом сбрасывается снова в картер.
Под давлением, а частично за счет масляного тумана смазывается подшипник нижней головки шатуна.
Система смазки мотоцикла "Урал":
1 - масляный насос; 2 - масляный фильтр; 3 - редукционный клапан; 4 - канал подвода масла к левому цилиндру; 5 ~ каналы подвода масла в кожухи штанг и головки цилиндров; 6 - отверстия в бобышках поршня для смазывания пальцев
В некоторых случаях зеркало цилиндра, поршень и поршневой палец смазываются за счет разбрызгивания масла - тогда система называется комбинированной.
В описаниях зарубежных четырехтактных мотоциклов нередко встречается термин "сухой картер". Это значит, что при таком исполнении масло хранится в отдельном масляном баке, а после того как отработает в узлах трения и будет сброшено в картер, с помощью насоса тут же снова через фильтр отправится в свою емкость.
Двухтактные двигатели изначально отдельной системы смазки не имели - это было их большим плюсом, снижавшим стоимость мотоцикла в целом. Масло в определенной пропорции подмешивалось к бензину и в таком виде подавалось в двигатель, смазывая по пути все трущиеся пары.
Соотношение бензина и масла в смеси зависело от конструкции двигателя и его состояния. Для отечественных моторов, как правило, на 10 л топлива нужно было добавить 400 мл масла, то есть соотношение было 25:1. В зарубежных двухтактных моторах, где нередко к подшипникам коленчатого вала масло подавалось отдельно, соотношение было 33:1, а порой и 50:1.
При всей своей простоте и привлекательности такой способ смазки таил в себе множество недостатков.
Во-первых, масло и бензин имеют разную плотность и еще более разную способность испаряться. А потому, попадая в кривошипную камеру, масло сразу же оседает на ее стенках, стекает вниз, и значительная часть его не участвует в процессе смазки.
Во-вторых, при таком способе смазки важно, чтобы бензин и масло были тщательно перемешаны - а это не всегда удается сделать. И последствия в случае плохого перемешивания могут быть для двигателя самыми тяжелыми.
В третьих, масло в смеси подается к трущимся парам всегда в одной и той же пропорции, не зависящей от режима работы двигателя. Это приводит к заведомому перерасходу масла и, что гораздо хуже, к большому выделению вредных веществ с продуктами сгорания.
Кроме того, масло, попадающее вместе с бензином в камеру сгорания, оседает на самых нагретых частях двигателя и образует толстый слой нагара, состоящий из тяжелых невыгоревших смол. Этот слой ухудшает охлаждение деталей, в первую очередь головки цилиндра и днища поршня, и может привести к калильному зажиганию и даже прогоранию поршня. (Калильное зажигание - неблагоприятный процесс, при котором воспламенение смеси происходит не от искры, а от раскаленных частиц нагара или металла).
Нагар активно образуется и на электродах свечей зажигания, увеличивая электрическое сопротивление и ухудшая искрообразование вплоть до полного отказа свечи.
Согласитесь, недостатков оказалось так много, что они затмили все преимущества "старой доброй системы". И конструкторы активно занялись поисками способов улучшения системы смазки, ее оптимизации. Эти поиски привели к созданию так называемой раздельной системы смазки.
Впервые в отечественной практике она была серийно использована на мотоцикле ИЖ-"Планета-Спорт" в 1974 году. И автору довелось участвовать в ее испытаниях.
Потом, когда "ПС" сняли с производства, был довольно длинный период забвения. И только с 1994 года раздельная смазка, пережив модернизацию, избавившись от детских болезней, снова вернулась на серийные ИЖи и другие мотоциклы.
Система обеспечивает строго дозированную смазку деталей цилиндро-поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма. Она состоит из отдельной масляной емкости, размещенной в левой крышке картера, но изолированной от полости сцепления; разме-щенного там же винтового масляного насоса, маслопроводов, распылителя и троса управления, соединенного с ручкой "газа". Главная часть системы - насос. Он состоит из собственно винтового насоса, поршневого клапанадатчика, дозатора и диафрагменного обратного клапана.
Масло через канал попадает в корпус насоса, захватывается его винтом и подается под крышку насоса и далее к клапану-датчику. Под давлением масла поршень, преодолевая усилие пружины, отходит от седла (при этом он размыкает электрический контакт и на щитке приборов гаснет лампа, показывая, что в системе смазки есть давление) и освобождает маслу проход к дозатору.
Не будем останавливаться подробно на конструкции дозатора. Скажем лишь, что это устройство связано тросом с ручкой "газа" и в зависимости от положения ручки (а значит, и от режима работы двигателя) уменьшает или увеличивает подачу масла.
Упомянутый нами диафрагменный клапан не позволяет маслу из магистрали стекать обратно в масляную емкость при неработающем двигателе, служит для регулирования минимальной подачи масла на режиме холостого хода двигателя.
Опять-таки опуская длинные и подробные описания процессов, которые вряд ли уместны в нашей книжке" скажем, что при использовании системы раздельной смазки обеспечивается соотношение масло/бензин от 1:100 на режиме холостого хода до 1:25 на режиме номинальной емкости. А средние эксплуатационные соотношения составляют от 1:33 до 1:67. И это не предел: конструкторы утверждают, что при использовании специальных масел для двухтактных двигателей и некоторой доработке насоса расход масла может быть уменьшен еще раза в два!
Понятно, что одно применение раздельной смазки еще не решает всех проблем двухтактного двигателя. Но также понятно, что это очень сильный ход. А потому в 90-е годы для зарубежных мотоциклов с двухтактными двигателями раздельная смазка стала почти обязательным элементом конструкции.
Комментарии