Этот материал
открывает цикл статей об устройстве мотоциклов. Поэтому вполне
логично начать наш рассказ с главной составляющей организма
двухколесной машины, с того, что приводит байк в движение. В
сегодняшней статье речь пойдет о двигателе.
Если говорить сухими
книжными словами, то функция двигателя такова – преобразование
энергии топлива в механическую работу. В мотоциклах используются
двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в которых топливо сгорает
внутри цилиндра. В результате сгорания топлива вырабатывается
энергия, которая приводит поршень в движение, а он, в свою очередь,
передает это движение коленчатому валу. Есть и двигатели внешнего
сгорания, они вам хорошо известны – это паровые поршневые двигатели,
в которых топливо сгорает снаружи, нагревая при этом воду, а
давление образующегося при этом пара уже приводит в действие
поршень. А теперь попробуйте представить спортбайкера, который
вместо откручивания ручки газа яростно подбрасывает уголь в топку
своей «Ниндзи», чтобы выжать из нее запредельные 80 км/ч. Ладно,
шутки в сторону, поговорим о работе ДВС. И здесь появляется понятие
рабочего цикла.
В любом ДВС для
выполнения рабочего цикла должно произойти четыре процесса. Это
наполнение цилиндра и сжатие топливо-воздушной смеси в нем, рабочий
ход и выпуск отработанных газов. Подавляющее большинство мотоциклов
оснащается двух- или четырехтактными ДВС, имеющими много общего. В
обоих двигателях топливо-воздушная смесь сжимается внутри цилиндра и
воспламеняется искрой от свечи зажигания. Под давлением газов,
расширяющихся при быстром сгорании смеси, поршень перемещается вниз
по оси цилиндра. Можно даже сказать, что процессы сгорания смеси в
цилиндрах ДВС – это непрерывная череда контролируемых взрывов,
энергия которых направлена на перемещение поршня. Поршень связан с
коленвалом при помощи шатуна, и его перемещение вверх-вниз
преобразуется во вращательное движение коленвала, которое необходимо
для приведения в действие заднего, ведущего колеса мотоцикла.
Отличие двухтактных двигателей от четырехтактных заключается в том,
что в двухтактных движках четыре обязательных процесса происходят в
течение двух ходов поршня (один вверх, один вниз), а в
четырехтактных – за четыре хода поршня.
Исключение из этой стройной схемы составляют роторно-поршневые
двигатели (РПД). Это тоже двигатель внутреннего сгорания, но принцип
его действия несколько отличается от общепринятых 2Т и
4Т-конструкций.
Тяготы выбора
Очевидно, многие из вас, уважаемые читатели, дочитав до этого места,
задают себе вопрос: что же все-таки лучше, двухтактник или
четырехтактник? Однозначного ответа на этот вопрос не существует.
Каждая схема имеет как существенные преимущества, так и недостатки.
В самом базовом варианте 2Т двигатель гораздо проще 4Т, поэтому его
себестоимость ниже. Это основная причина широкой распространенности
двухтактных двигателей небольшого объема на недорогих скутерах и
легких мотоциклах. Еще один серьезный плюс – высокая литровая
мощность (то есть наибольшая эффективная мощность, снимаемая с 1л
рабочего объема). Грамотно настроенный двухтактник легко обходит по
этому показателю своих 4Т-собратьев. Однако за все приходится
платить. Недостатки 2Т весьма серьезны – это высокий уровень шума и
загрязнений, а также большой расход топлива. Наиболее ярко все
недостатки и достоинства двухтактного двигателя описал неизвестный
обитатель одного из мото-форумов, на примере спортбайка Aprilia
RS250: «Орет как бензопила, бензин жрет ведрами и при этом дымит как
паровоз. Но как он едет!..».
Сейчас 2Т двигатели в основном используются в качестве сердца для
кольцевых спортивных аппаратов и кроссовой техники. Впрочем,
наблюдается тенденция уменьшения их доли в мотоспорте: в MotoGP со
следующего года останется только класс 2Т 125cc, а 250-ки будут
ездить наравне с 600-кубовыми четырехтактниками (вот и подтверждение
высокой литровой мощности двухтактников). В мотокроссе тоже на старт
выходят все больше 4Т-машины. А как все начиналось! Ведь совсем
недавно в «королевском классе» MotoGP боролись 500-кубовые
двухтактники, злые и бескомпромиссные. Пилоты, знакомые с ними не
понаслышке, заявляют, что четырехтактные 800-ки современности –
просто плюшевые зверьки по сравнению со старичками-пятисотками…
Однако не будем растекаться мыслью по дереву, это уже тема для
отдельной статьи. Поговорим об особенностях четырехтактных
двигателей.
Четырехтактный двигатель традиционно применялся на больших машинах
из-за его ровной характеристики мощности и топливной экономичности.
Однако его устройство сложнее, чем у двухтактного двигателя, что не
лучшим образом сказывается на себестоимости. По мере развития
качество двигателей обеих конструкций росло. В результате, сейчас
повсеместно применяют и 50-кубовые недорогие четырехтактники, и
большие спортивные двухтактники.
Экзотика
Британская компания Ilmor Engineering, известная своим участием в
MotoGP и Formula 1, а также неординарными техническими решениями,
использованными в постройке своих спортивных болидов, недавно
выкатила на суд общественности 5-тактный двигатель. До этапа
выпуска отработавших газов схема работы новой конструкции
идентична 4-тактной, однако на последнем этапе рабочего цикла
появляются различия. Вместо того чтобы спокойно вылететь в
выпускную систему,
выхлопные газы отправляются в цилиндр низкого давления, в
котором из процесса их расширения выжимают еще немного полезного
действия, попутно выравнивая компрессию в рабочих цилиндрах
(которые тут называются цилиндрами высокого давления). Это и есть
пресловутый пятый такт. Официальный пресс-релиз гласит, что новая
схема позволяет добиться высокой экономичности, низкого уровня
выбросов и отличных показателей мощности. Судя по параметрам
мотора, Ilmor намеревается использовать его именно в мотоциклах.
Смотрите сами:
Объем двигателя -
700 см, турбированный
Мощность - 130
л.с. при 7000 об/мин
Крутящий момент –
166 Нм при 5000 об/мин
Еще один
немаловажный момент: несмотря на новизну подхода, производство
таких двигателей не потребует кардинальной смены оборудования или
перепланирования производственных линий – все компоненты мотора
базируются на стандартных технологиях, 100%-совместимых с текущим
производственным оборудованием. Пока рано делать какие-то
прогнозы, однако мне кажется, что детище Ilmor ждет большое
будущее.
Надеюсь, общее
представление о двух основных схемах двигателей внутреннего сгорания
вы получили. В следующей статье рассказ пойдет об основных составных
частях двигателя, а также о конструктивных отличиях двухтактников и
четырехтактников.
В первой части статьи
мы рассмотрели две основные схемы работы мотоциклетных двигателей:
двухтактную и четырехтактную. Мы не будем рассматривать анатомию
двигателя в деталях (для этого есть специализированные книги, в
которых все очень подробно и грамотно расписано), а остановимся, на
наш взгляд, на самом интересном и обсуждаемом в «гаражных спорах»
моменте. А именно, на системе газораспределения.
Просматривая
технические характеристики байков, в графе «система
газораспределения» вы наверняка натыкались на что-то вроде «4
клапана на цилиндр, DOHC», а то и вовсе на что-то запредельное в
духе «десмодромный привод клапанов». Не волнуйтесь, сейчас мы все
расставим на свои места и подвергнем сравнительному анализу. Для
начала – немного общей теории о том, что вообще такое система
газораспределения (далее СГ).
Данная система представляет собой механизм своевременного
распределения впуска горючей смеси и выпуска отработавших газов в
цилиндрах двигателя внутреннего сгорания. Ее задача – благодаря
кропотливым расчетам инженеров обеспечить своевременное поступление
топливо-воздушной смеси в камеру сгорания, и так же своевременно
вывести
выхлопные газы в выпускную систему.
Инженерная простота двух тактов – достоинство или порок?
В двухтактном двигателе роль СГ выполняет поршень, а также…выхлопная
система, а точнее – резонатор. Система проста и достаточно очевидна:
на поверхности цилиндра есть впускные и выпускные отверстия,
называемые окнами. Причем горючая смесь сначала попадает в
пространство под поршнем, а затем через продувочный канал
направляется в камеру сгорания. Это связано с тем, что пространство
под поршнем (которое называется кривошипной камерой) выполняет роль
своеобразного насоса. Так как эта камера герметично закрыта сверху
поршнем, то при его движении давление в ней изменяется (по мере
движения поршня вверх объем камеры увеличивается, а давление,
соответственно, становится ниже атмосферного, при движении поршня
вниз – наоборот). Именно благодаря этому простому физическому
«фокусу» смесь всасывается в кривошипную камеру из впускного тракта,
и далее переходит в камеру сгорания. Затем происходит воспламенение
смеси и выход отработавших газов в выпускную систему. Размеры и
форма резонатора выхлопной системы рассчитаны таким образом, чтобы
волны высокого давления, создающиеся при движении выхлопа «на
выход», отражались от стенок резонатора и препятствовали
выплескиванию несгоревшей смеси из пространства цилиндра. Посмотрите
на схему – и все станет понятно.
За годы
совершенствования конструкции двухтактного двигателя было
обнаружено, что фазы выпуска влияют на производительность двигателя
в такой же значительной степени, что и фазы впуска. Фаза впуска
определяется высотой выпускного окна в стенке цилиндра, то есть
когда это окно открывается при перемещении поршня вверх и вниз. Из
этого факта получается неутешительный вывод - нет такого
расположения и размера окна, которое охватывало бы все режимы работы
двигателя с максимальной эффективностью. Поэтому эти параметры
рассчитывают, основываясь на предназначении мотоцикла. То есть,
расположение и размеры выпускного окна спортбайка Suzuki RGV250
будут сильно отличаться от таковых какого-нибудь утилитарного
скутера. Разные режимы работы, разные задачи – различные решения
конфигурации фаз впуска и выпуска. Решение было найдено в системах,
изменяющих геометрию впускных окон и регулирующих давление внутри
цилиндра с помощью открытия/закрытия дополнительных резонаторных
камер. У разных производителей эти системы называются по-разному:
Yamaha PVS, Kawasaki IPS, Honda ATAC и так далее. Они отчасти решили
поставленные перед ними задачи, однако своенравный характер, за
который любят (или ненавидят? Кто как…) двухтактные двигатели, они
перебороть не смогли. Может, это и к лучшему? Тем более, что у нас
есть более покладистые четырехтактники, о системах газораспределения
которых мы сейчас и поговорим.
От простого к сложному
Мы уяснили, что задачи, стоящие перед двигателем, достаточно просты
– необходимо сжигать определенное количество топлива в конкретный
момент времени, а затем удалять получившиеся отработавшие газы. На
практике, реализация этих процессов представляет собой огромную
проблему, надо которой непрестанно работают лучшие умы
мотоинжиниринга.
Четырехтактный двигатель устраняет множество недостатков,
свойственных двухтактным моторам. Однако, как и любая вещь в этом
совсем не идеальном мире, он приносит с собой собственные проблемы.
Повышенная сложность означает удорожание производства, что
закрепляет нишу недорогих скутеров и мотоциклов начального уровня за
двухтактниками. Вдаваться в дебри не будем, и рассуждать о
вытеснении 2Т четырехтактниками – тоже не будем, поскольку это тема
для отдельной обширной статьи (сколько раз я уже говорил эту
фразу?).
В своей основе четырехтактный двигатель точно такой же, как и его
2Т-собрат. Главное отличие – множество дополнительных элементов,
образующих клапанный механизм. Впускной клапан отвечает за
наполнение цилиндра смесью, выпускной – за отвод отработанных газов.
И если в 2Т двигателе четыре процесса (впуск, сжатие, воспламенение,
выпуск) тесно переплетены, то в 4Т-движке границы между процессами
более четкие. Рабочих тактов ровно в два раза меньше, чем в
двухтактнике, но точное управление процессами впуска и выпуска
позволяет обеспечить высокую эффективность двигателя.
Основные элементы клапанного механизма:
* Клапана. Во всех мотоциклетных двигателях
применяются тарельчатые клапана, через которые смесь попадает в
камеру сгорания, а продукты сгорания – выводятся из нее. Клапан
самостоятельно закрывается и удерживается в закрытом положении
сильной пружиной (иногда ставят двойные пружины). Пружины
используются не в каждой схеме ГРМ – десмоприводе читайте ниже. * Распредвал. Непосредственно или косвенно он
используется для открытия и закрытия каждого клапана – в строго
заданной точке четырехтактного цикла. Полный цикл занимает четыре
хода поршня (то есть два полных оборота коленвала), каждый клапан
нужно открыть один раз за цикл. Из-за этого частота вращения
распредвала вдвое меньше частоты вращения коленвала. Это
осуществляется с помощью шестеренчатого, цепного или ременного
привода между этими валами.
OHV, DOHC и другие страшные слова
Все четырехтактники, устанавливаемые на мотоциклы, очень похожи. Они
отличаются только расположением и приводом клапанов и распредвалов.
Но именно эти различия определяют назначение и производительность
двигателя. Давайте рассмотрим различные конфигурации
газораспределительного механизма.
* SV (side valve, боковое расположение клапанов).
Литровый мотор
Harley-Davidson с боковым расположением клапанов. Такие двигатели
также называют flathead
Привод распредвала
осуществляется шестеренчатой или цепной передачей, расположенной
рядом с коленчатым валом. Клапана расположены в выступе камеры
сгорания сбоку от цилиндра, а не в головке, как в других
четырехтактных двигателях. Это самый дешевый и простой вариант
исполнения 4Т-двигателя, и американские и британские производители
широко использовали такую конструкцию в первой половине 20 века.
Неудачная форма камеры сгорания (обусловленная расположением
клапанов) ограничивает КПД двигателя.
Аналогичный по прочим
параметрам верхнеклапанный движок потребляет меньше топлива,
развивая при этом большую мощность. Наиболее рациональным вариантом
такого двигателя является большеобъемный одноцилиндровый «котел».
Оснащенный массивными маховиками, он выдает большой крутящий момент
на низких оборотах. Эти простые и эластичные двигатели были надежны
и легко ремонтировались, однако в настоящее время они полностью
вытеснены более совершенными конструкциями.
* OHV (overhead valve, верхнее расположение клапанов).
Это конструкция с
верхним расположением клапанов и нижним – распредвалов и толкателей.
В таком двигателе связь толкателя с клапаном осуществляется с
помощью длинной штанги, проходящей через туннель в блоке и головке
цилиндра. Камера сгорания в двигателе такого типа – сферической
формы, которая считается идеальной по многим причинам (эффективный
газообмен и более полное сгорание смеси). Такая конструкция хорошо
зарекомендовала себя за прошедшие десятилетия, однако сегодня ее
практически полностью вытеснили верхневальные конструкции. В
настоящее время OHV используется в основном в моторах круизеров, где
эффектный классический вид двигателя значит так же много, как и его
рабочие параметры. Кроме того, в V-образных двухцилиндровых моторах
с OHV используется один распредвал, что удешевляет и упрощает
конструкцию. Большая часть двигателей H-D использует такую схему
газораспределительного механизма. Японские производители больше
почитают технологичное DOHC-исполнение.
* SOHC (single overhead camshaft, один распредвал в головке
цилиндра).
Распредвал размещен в
головке цилиндра между впускными и выпускными клапанами, привод
обычно цепной. Штанги и толкатели отсутствуют за ненадобностью, что
уменьшает количество деталей, двигающихся возвратно-поступательно. А
главное – позволяет работать двигателю на таких частотах вращения,
на которых нижнеклапанник разлетелся бы на части.
* DOHC (double overhead camshaft, два распредвала в головке
цилиндра).
Эта схема избавлена от
еще одной движущейся части – коромысел (хотя при этом пришлось
вернуть толкатели, что впрочем, не так уж и страшно). В DOHC
остались только самые необходимые детали газораспределительного
механизма (ГРМ). Привод ГРМ, как правило, цепной. Хотя есть и
примеры использования шестеренчатого (например, Honda VFR800 до 2002
года, после которого «гитару» шестерен заменили цепью) привода. Есть
и те, кто последовали за тенденциями автопромышленности, где
применяется шкив и зубчатый ремень (Honda GoldWing, Pan European,
Moto Guzzi Daytona, ряд байков от Ducati). Ремни не растягиваются,
как цепи, меньше шумят (впрочем, уникальный звук старого VFR во
многом образован именно «шестеренчатой симфонией»), а шкивы не
изнашиваются подобно звездочкам. Хотя замену ремня следует
производить чаще, чем цепи.
Применение DOHC
допускает наибольшие рабочие обороты, поэтому такую схему применяют
в высокопроизводительных байках, где мощность мотора – один из
важнейших факторов. Однако с увеличением оборотов вылезают новые
проблемы, главные из которых – это вибрация и «зависание» клапанов,
когда клапанные пружины в силу инерции не успевают закрывать клапан.
В лучшем случае это приводит к снижению мощности, в худшем – к
свиданию клапана с поршнем, когда тот движется к верхней точке. В
результате – вмятины на поверхности поршня и погнутые клапана.
Достаточно серьезный повод для визита в мастерскую, как считаете?
* Десмодромный привод клапанов.
Этот привод отличается
от остальных радикальным отказом от использования клапанных пружин.
Их роль выполняют дополнительные коромысла, управляемые отдельным
распредвалом. Эти коромысла принудительно закрывают клапана точно
так же, как и открывают их. На более поздних версиях системы
используется один распредвал со всеми необходимыми кулачками. Клапан
открывается за счет воздействия открывающего коромысла на стержень.
По мере того, как кулачок проходит точку максимального подъема
клапана, и коромысло начинает освобождать клапан, закрывающее
коромысло заставляет клапан закрыться.
В десмоприводе все детали изготавливаются с прецизионной точностью,
сравнимой с точностью изготовления деталей для космических кораблей.
Он очень дорог в производстве и непрост в обслуживании (по причине
необходимости соблюдения все той же филигранной точности). Однако
десмо начисто отрезает все проблемы, связанные с вибрацией и
зависанием клапанов. Теоретически, он избавляет двигатель от
«красной зоны», однако в этом случае скорость вращения коленвала
ограничивается уже из других соображений, не связанных с ГРМ.
Десмодромник использует только компания Ducati, многим спортивным
достижениям «красные» обязаны своему уникальному приводу.
Недоброжелатели говорят, что «десмо-Дуки» звучат как старые
советские будильники, или ведра с гайками. Однако для многих звук
работающего двигателя Ducati – самый сладкий звук на свете, а
спортивные свершения маленькой итальянской фирмы из Болоньи просто
глупо оспаривать.
*****
Даже самая объемная статья не может вместить в себе все технические
нюансы устройства ГРМ, не говоря уже обо всем двигателе. Однако
основные понятия мы осветили. Теперь вы, уважаемые читатели,
достаточно подкованы в «клапанных вопросах», чтобы на равных
беседовать с фанатичными техноманьяками, которые скрываются в каждой
мотомастерской и каждом втором гараже. Тем не менее, ГРМ – это лишь
верхушка пульсирующего организма под названием «двигатель». Тема
следующей статьи – как инженеры выбирают конфигурацию двигателя
(иначе называемую рядностью), и какие достоинства и недостатки
скрываются за каждой схемой. Оставайтесь с нами, будет интересно!
Двигатель. Вибрации и
уравновешенность. Конфигурация цилиндров
Текст: Артем ‘S1LvER’ Терехов
У каждого мотоциклетного двигателя есть ряд
вращающихся деталей. А есть еще и такие, которые движутся
возвратно-поступательно (только в роторном двигателе таких деталей
нет). Вот они-то в основном и являются «возмутителями спокойствия»,
задорно раскачивая моторчик на разные лады.
Возьмем, например, маховик. Этот большой парень
свободно вращается на своих подшипниках и не создает вообще никаких
вибраций. Но к вращению маховика добавляются движения других
вращающихся элементов: палец кривошипа, нижняя часть шатуна,
подшипник нижней головки шатуна. И уже эта сумма (а не отдельные
элементы общей «вращающейся картины») создает проблему вибрации,
вызванную разбалансировкой вращающихся или центробежных сил.
С возвратно-поступательными движениями деталей тоже все отнюдь не
просто: верхняя половина шатуна и поршень движутся именно так.
Объяснить, откуда берутся вибрации в этом случае непросто, но я
постараюсь. Как только поршень достигает вершины своего хода
(верхней мертвой точки, ВМТ), он должен резко замедлиться и
практически мгновенно остановиться, после чего ускориться в обратном
направлении. Безумный поршень достигает своей максимальной скорости
где-то в середине хода, после чего снова следует резкое замедление,
«оттормаживание» в нижней мертвой точке (НМТ), после чего опять
происходит ускорение при движении вверх. Снова, снова и снова.
Каждая остановка в ВМТ и НМТ вызывает импульс вибрации, которая
расходится по всему двигателю. Физические силы, которые вызывают
вибрацию, называют инерционными или возвратно-поступательными, они
равны нулю в середине хода поршня и максимальны в ВМТ и НМТ.
Поршни маленького Ninja 250R порхают
со скоростью 15,11 метров в секунду!
Со всеми этими проблемами нужно как-то бороться,
потому что ездить на брыкающемся и вздрагивающем всем телом байке
просто невозможно.
Решение проблем
Устранить вредное влияние вращающих сил довольно просто: надо
удалить часть материала с маховика рядом с пальцем кривошипа или
прибавить такое же количество материала напротив него, и конструкция
снова сбалансирована. Для компенсации возвратно-поступательных сил
можно продолжать увеличивать массу маховиков с противоположной
пальцу кривошипа стороны так, чтобы был сбалансирован общий вес
узлов, перемещающихся возвратно-поступательно. Таким способом
исключается неуравновешенность в ВМТ и НМТ хода поршня. Проблема
вибрации решена!
А вот и нет. Такой подход не работает в промежутке хода поршня между
ВМТ и НМТ, потому что добавленная масса на маховиках создает
постоянную крутящую силу, в то время как возвратно-поступательно
движущаяся сила (да, от этих поршней одни проблемы) изменяется от
максимума до нуля и наоборот. В итоге получается горизонтальная
вибрация. И хотя масса вращающихся частей коленвала постоянна (если
только он еще не рассыпается от вибраций, которыми мы с вами, как
заправские инженеры, его наградили), часть этой массы постоянно
изменяет свое положение, изменяя таким образом крутящие силы.
Процесс вращения коленвала и действие сил, которые при этом
возникают, частично показан в ролике о принципе работы
крестообразного коленвала Yamaha R1 2009, советую посмотреть для
лучшего понимания того, что я тут понаписал (начиная с 2.30 минут ).
Проблема уравновешивания двигателя с математической
точки зрения очень сложна. Существующие методы представляют собой
компромисс по сравнению с идеальной ситуацией. Исходя из этого,
становится понятно, зачем конструкторы испробовали огромное
количество различных схем двигателя и коленвала: чтобы исследовать и
попытаться устранить присущие им проблемы вибрации и
уравновешенности.
Думаю, вы уже догадались, что задача усложняется с увеленичем
размеров двигателя. На 50-кубовом скутере вибрация проявляется лишь
в мелкой дрожи на руле, совершенно не напрягающей. Проблема вибрации
ограничивает объем одноцилиндровых двигателей – 650 кубических
сантиметров. Спортивные одностволки-эндуро такого объема от KTM не
зря называют «молотилками» - вибрации на руле настолько сильны, что
можно закрыть глаза и представить себя на дорожных работах с
отбойным молотком в руках. Большая мощность означает увеличение
частоты вращения элементов двигателя, так что возникает потребность
в увеличении количества цилиндров.
Подавление вибраций
Есть несколько способов снижения вибрации, которые избавляют
разработчиков от трудной необходимости устранения самой причины.
Конструкция рамы играет огромную роль: грамотно спроектированная,
она снижает уровень вибраций. Еще можно закрепить двигатель в раме с
помощью резиновых втулок, которые выполняют виброизоляционную роль.
Рукоятки руля утяжеляют: это приводит к изменению резонансной
частоты руля, что уменьшает «дрожь». Подобный метод применяется и в
случае с зеркалами заднего вида. Явный аутсайдер в этом вопросе –
Hyosung GT250R, заводские зеркала которого часто лопаются вследствие
непродуманной конструкции.
Невозможно устранить силы служащие источником затруднений. Однако
возможно создать равные им, но противоположно направленные силы для
устранения уже существующих. Для этого используется один или
несколько уравновешивающих валов (которые часто называют
балансирными) с приводом от коленвала, которые вращаются в
противоположном ему направлении. На валу размещают противовесы,
масса и расположение которых тщательно рассчитывается. Такой подход
оптимален в случаях, когда мощность и вес значат меньше, чем
удобство и комфортабельность, либо когда прочие способы уже
задействованы, но не принесли желаемого эффекта. В результате,
балансирный вал можно встретить и в двигателях супербайков
(например, Suzuki GSX-R1000 2009), и в моторах больших туреров вроде
BMW R1200RT.
В поисках мощности – диаметр и ход поршня
Соотношение диаметра и хода поршня – это основной фактор того, как
будет получена мощность от двигателя. Схема, в которой диаметр
поршня равен его ходу, называется «квадратной». Если увеличить ход и
уменьшить диаметр, то полученная схема будет называться «длинноходной».
Обратные действия приведут к созданию «короткоходной» схемы.
Двухлитровый V-twin от Kawasaki VN2000. Ход поршня значительно
превышает диаметр цилиндра
Длинноходный двигатель
отличается пологой характеристикой крутящего момента в широком
диапазоне частот вращения двигателя. Крутящий момент является
следствием достаточно большого плеча рычага, на котором прилагается
усилие от длинного шатуна. Именно это позволяет длинноходному
двигателю развивать хорошую тягу при низкой частоте вращения
коленвала. Наглядный пример длинноходной схемы – большеобъемные
крузеры с V-образным двигателем. Двухлитровый V-twin от Kawasaki
VN2000. Ход поршня значительно превышает диаметр цилиндра
Suzuki_GSX-R_1000 73,4 x 59 мм.
Короткоходная конфигурация - идеальный вариант для спортбайка
Короткоходный двигатель
может работать при более высоких скоростях вращения, чем
длинноходный того же объема. Следовательно, за определенный
промежуток времени происходит большее количество рабочих ходов (т.е.
повышается мощность). Недостаток заключается в уменьшении плеча
рычага коленвала, что приводит к менее пологой характеристике
крутящего момента. Короктоходные двигатели более мощные, но в узком
диапазоне частот вращения двигателя. Думаю, не стоит объяснять, что
спортбайки принадлежат именно к короткоходному «племени» байков.
На деле многие современные мотоциклетные двигатели близки к
квадратной схеме, с небольшими отклонениями в ту или иную сторону (в
зависимости от предъявляемых требований к использованию мотоцикла).
Конфигурации цилиндров
Немного разобравшись в теории, давайте посмотрим на различные схемы
расположения цилиндров. Зная общие принципы, мы уже сможем делать
самостоятельные выводы о достоинствах и недостатках конкретных
конфигураций.
Одноцилиндровый двигатель.
Основные достоинства такой схемы – простота и небольшие габариты.
«Одностволка» проста в производстве и ремонте, а также имеет малый
вес. Преимущественно, применяется на мопедах, скутерах и
внедорожных байках. Яркий пример – кроссовые байки с объемом
двигателя 250 и 450 кубических сантиметров. С технической точки
зрения, одноцилиндровики обладают несколькими недостатками:
- необходимость в больших маховиках для поддержания вращения
двигателя до его следующего рабочего хода (немного подумайте, и вы
поймете, что воспламенение смеси в 1-цилиндровом 4Т-двигателе
происходит один раз за два оборота коленвала);
- чтобы избежать чрезмерного «ожирения» всей конструкции, поршень
максимально облегчают, а это не лучшим образом сказывается на
долговечности.
Одностволки обладают хорошей характеристикой мощности и крутящего
момента, за счет длинного шатуна. Однако если слишком уж крутить
такой движок, недостатки станут очевидными. Массивные маховики
накапливают большую инерцию, а большой ход поршня в сочетании с
малым диаметром цилиндра означает высокий уровень износа этих
узлов. Еще одна проблема – затрудненный запуск двигателя.
Кроссовики в основном оснащаются только кикстартером, и каждый раз
при запуске необходимо устанавливать коленвал в положение, когда
он чуть не доходит до ВМТ на такте сжатия, после чего давать ему
сильнейший пинок, чтобы заставить его вращаться. Если коленвал
установлен неправильно, или на кикстартер нажали недостаточно
сильно, горе-райдер получает ответный пинок по ноге. Спросите
кроссменов со стажем, или владельцев советской ракеты ИЖ
Планета-Спорт, и услышите множество красочных историй о том, как
незадачливый «заводила» был бит своим мотоциклом.
Honda CRF450R 2009, 1 цилиндр, 4
такта. Kick me!
Двухцилиндровый рядный двигатель.
По сути, это одноцилиндровый двигатель, измененный таким образом,
чтобы вместить два цилиндра, поршня и шатуна. В традиционной
британской конструкции поршни перемещаются вверх и вниз
одновременно, но вспышки в цилиндрах чередуются с интервалом в 360
градусов (т.е. через один оборот коленвала). «Толчок» рабочего
хода, присущий одноцилиндровикам, здесь сглаживается за счет двух
меньших импульсов, равномерно распределнных в пределах двух
оборотов коленвала. Есть также варианты с интервалом вспышек
каждые 180 и 270 градусов. В последнем случае мотор по своему
характеру становится похож на V-образную двойку.
Triumph Thruxton 2008, 2 цилиндра в
ряд, чередование вспышек через 360 градусов
Yamaha TDM900 2008, 2 цилиндра в
ряд, чередование вспышек через 270 градусов
Двухцилиндровый V-образный двигатель.
По убеждению многих, лучшая моторная схема для мотоцикла. С этим
можно поспорить, однако в пользу утверждения говорит тот факт, что
возраст идеи использования V-твина сравним с возрастом самой идеи
мотоцикла. Плохие идеи столько не живут. С точки зрения
уравновешивания, лучший угол развала цилиндров - 90 градусов. Если
поступательно движущиеся массы поршней и шатунов полностью
сбалансированы, то неуравновешенные силы одного цилиндра неизбежно
уравновешиваются противодействующими силами в середине хода
другого. Ducati использует конструкцию двигателя с 90-градусным
развалом цилиндров на всех своих мотоциклах, только называют
итальянцы такой двигатель L-twin. Это связано с тем, что верхний
цилиндр расположен вертикально, а нижний – горизонтально. Раньше
это делалось для лучшего охлаждения обоих цилиндров встречным
потоком воздуха, однако с применением воздушно-масляного и
жидкостного охлаждения схема стала просто визитной карточкой
Ducati – сбалансированной и очень удачной с инженерной точки
зрения. Вариантов угла наклона, равно как и расположения цилиндров
- великое множество. Практически у каждого производителя есть
«фирменный» подход к построению V-твина. Наиболее интересные – все
та же Ducati, Moto Guzzi с их поперечным расположением цилиндров,
Harley-Davidson с уникальным звуком, обусловленным неравномерным
интервалом между вспышками.
Благодаря внушительному виду
двигатели V-twin очень популярны у
кастомайзеров во всем мире
Кастом
Кастом (custom)
Это ключевое слово для понятий "кастомайзинг" (customizing), "кастомайзер"
(customizer), "кастом-байк" (custom bike) и т.п. означает, как
известно, что-то вроде "клиент", "клиентский", или "заказ",
"заказной". В принципе, смысл понятен. Речь идет о том, что не
производится серийно, а строится по заказу. А если, спросите вы,
аппарат строится не по чьему-то заказу, а для себя лично? В этом
случае вы его заказали сами у себя. В последнее время в западной
литературе для толкования термина "кастомайзинг" все чаще
используется слово "персонализация". Вот это, как нам кажется,
действительно в самую точку...
Еще один нюанс, когда дело касается олд-скула, правила хорошего
тона требуют писать слово "кастам" на хот-роддерский манер -
через "К" (kustom). Считается, что моду на такое "неправильное"
(или как раз правильное?) написание ввел классик хот-роддиига
Джордж Баррис, а впервые оно появилось в рекламе его мастерской,
опубликованной в одном из номеров Hot Rod Magazine за 1948 год.
На самом же деле корни лежат немного глубже: еще до войны братья
Баррисы с единомышленниками основали в Калифорнии Kustoms Car
Club. Полвека спустя, так называемая кастом-культура (Kustom
Kulture), объединяющая автомобильный хот-роддинг, мотоциклетный
кастомайзинг, музыку рокабилли, "сопутствующие" стили в одежде,
прическах, тату, все это превратилось в индустрию и настоящий
социальный феномен мирового масштаба
Источник: http://rfmcc.blogspot.com
Трехцилиндровый рядный двигатель.
Представляет собой компромисс между проблемами вибрации
2-цилиндрового и шириной 4-цилиндрового двигателей. Из современных
производителей верными такой схеме остались только парни из
Triumph, большая часть их модельного ряда состоит именно из «триплов».С
точки зрения мощности, «тройник» представляет собой превосходный
промежуточный вариант между низкооборотистыми 2-цилиндровыми и
4-цилиндровыми рядниками с их запредельной мощностью.
Triumph Street Triple 2008,
трехцилиндровая инженерная гармония
Четырехцилиндровый рядный двигатель.
Первой серийной ласточкой стала Honda CB750 Four 1969 года. Этот
байк на многие годы вперед утвердил основную конструкцию
двигателей среднего и большого объемов. В такой схеме нет ничего
нового – производители автомобилей еще раньше выбрали ее за лучшее
сочетание компактности и уравновешенности. Просто у Хонды в 60-х
годах в закромах завалялась пара компактных 4-цилиндровых рядников
для спорткаров, которые впоследствии были адаптированы для
мотоциклов.
Yamaha YZF-R1 2004, классическая
рядная четверка
По сути, «четверка»
представляет собой два двухцилиндровых двигателя, объединенных между
собой со смещением шатунных шеек коленвалов на 180 градусов. Рабочие
хода происходят достаточно часто, один за каждый полуоборот
коленвала. Следовательно, потребность в больших маховиках для
поддержания движения отпадает. За счет хорошей уравновешенности
коленвала и относительно небольшого диаметра маховиков 4-цилиндровый
двигатель обладает небольшим ходом поршня, поэтому его легко
«раскручивать». Что и получило одобрение в рядах отягощенных
адреналином потребителей. Проблемы с вибрацией, если таковые есть,
решаются грамотной конструкцией рамы, опор двигателя и всех
окружающих двигатель узлов. Примеров использования рядной четверки
огромное количество, в основном – среди японских производителей.
Хотя компания BMW также использует его в своих мотоциклах. Причем
баварцы наклоняют цилиндры вперед, что понижает центр тяжести и
положительно сказывается на управляемости байка.
BMW K1200R 2008, обратите внимание
на сильный наклон цилиндров вперед
Четырехцилиндровый V-образный двигатель.
По сути, представляет собой сдвоенный двухцилиндровый V-образник.
Поэтому все замечания, относящиеся к V-твину, могут быть применены
и в данном случае. Оптимальный угол развала составляет все те же
90 градусов. V4 очень дороги в производстве и сложны в
обслуживании, что не помешало им прославиться благодаря широкому
применению в модельном ряде VFR компании Honda. Наиболее
совершенным двигателем такой конструкции считается установленный в
Honda NR750, которая была выпущена в ограниченном количестве.
Отличительные особенности моторчика NR750 – 8 клапанов на цилиндр
и овальная форма поршней. Хотя новый VFR1200F вполне может
побороться за почетное звание «самый совершенный V4». Еще один
достойный пример применения схемы V4 – Ducati Desmosedici RR.
Двигатель Honda VFR1200F 2010
Оппозитный двигатель.
Двухцилиндровый оппозит предлагает практически идеальное решение
задачи уравновешивания. Одновременное перемещение поршней в
противоположных направлениях компенсируют друг друга. Уровень
возникающих вибраций при этом минимальный. Мотор такого типа
широко используется компанией BMW в мотоциклах самого различного
назначения. Венцом эволюции Boxer-а (как иногда называют
2-цилиндровый оппозит) стала модель HP2 Sport. Однако по
динамическим показателям оппозит слишком далек от своих
4-цилиндровых рядных конкурентов.
BMW HP2 Sport 2008, вершина эволюции
оппозита
По аналогии с рядными
двигателями, точно так же двухцилиндровый оппозитник превратился в
четырехцилиндровый. Единственный мотоцикл, где применяется такой
движок – это Honda Gold Wing с двигателем объемом 1000, 1100 и 1200
куб. см (по мере эволюции модели). Отсутствие вибраций, отличная
управляемость за счет низкого центра тяжести – козыри те же, что и в
случае с 2-цилиндровым собратом. На самую новую версию Gold Wing’а
устанавливается шестицилиндровый оппозитный двигатель объемом 1800
куб. см – единственный представитель такой компоновки среди серийных
мотоциклов (так же, как и его 4-цилиндровый предшественник был
единственным в свое время).
При всех своих достоинствах, оппозитный двигатель с любым
количеством цилиндров обладает одним очень серьезным недостатком. И
этот недостаток – чрезмерная ширина, которая является постоянной
проблемой для мотоциклетных конструкторов и ограничивает круг
применения данной схемы круизерами и туристами. BMW HP2 Sport
наиболее ярко продемонстрировал, насколько велики габаритные
недостатки Boxer’а.
