Мотоциклетні двигуни - Пристрій мотоцикла
Знаю, що бувають двотактні та чотиритактні двигуни, але погано уявляю різницю між ними. А ще кажуть – «двигун внутрішнього згоряння». Це те саме чи щось зовсім інше? Щоб наші подальші міркування були зрозуміліші, давайте спочатку домовимося про термінологію, хоча б про основні поняття. Двигун внутрішнього згоряння (ДВС) — механічний пристрій, в якому хімічна енергія палива, що згоряє, перетворюється на теплову, а потім — на механічну. Згоряння палива відбувається безпосередньо всередині двигуна мотоцикла, так званої камері згоряння, утвореної циліндром і його головкою. Робочим циклом називається сукупність робочих процесів, що послідовно відбуваються в циліндрі. Таких процесів п'ять: впуск стиснення згоряння розширення випуск. Поршень - деталь двигуна мотоцикла, що сприймає тиск газів, що утворилися при згорянні палива, і передає цей тиск через поршневий палець і шатун на колінчастий вал. Циліндр - деталь, всередині якої переміщується поршень. Внутрішня поверхня циліндра є для напрямної поршня, зовнішня служить для відведення тепла. Верхня мертва точка (ВМТ) - крайнє верхнє положення поршня. Нижня мертва точка (НМТ) - крайнє нижнє положення поршня. Такт (або хід) - переміщення поршня з одного крайнього положення в інше. За один такт колінчастий вал повертається на 180 ° (на півоберта). Робочий об'єм циліндра - об'єм, що звільняється поршнем при його русі від ВМТ до НМТ. Робочий об'єм двигунів мотоцикла вимірюється у кубічних сантиметрах. Для одноциліндрового двигуна мотоцикла робочий об'єм одного циліндра є робочим об'ємом двигуна. Для багатоциліндрових двигунів робочий об'єм визначається як сума робочих об'ємів циліндрів. (Інодіробочий об'єм мотоциклетного двигуна називають літражем). У формулах робочий об'єм позначається Vh. Об'єм камери згоряння - це об'єм над поршнем при нею знаходженні у ВМТ. Він позначається Vc. Повним об'ємом циліндра називається сума робочого об'єму Vh та об'єму камери згоряння Vc. Ступінь стиснення (е) - відношення повного об'єму циліндра до об'єму камери згоряння. g = Vh + Ус; Vc Ступінь стиснення показує, у скільки разів зменшується об'єм робочої суміші в циліндрі при переміщенні поршня з НМТ до ВМТ
Двотактний двигун мотоцикла - двигун внутрішнього згоряння, в якому повний робочий цикл відбувається за два такти або, що те саме, за один оборот колінчастого валу. Чотирьохтактний двигун мотоцикла - те ж саме, але повний робочий цикл відбувається за чотири такти, тобто за два повні обороти колінчастого валу. Зрозуміло, що це далеко не всі терміни, з якими будемо стикатися надалі. І тому в міру потреби ми пояснюватимемо все нові й нові поняття. Поки що цього достатньо, щоб перейти до головного: розглянути робочі процеси та розібратися у пристрої двигуна.
Робочий цикл двигуна мотоцикла
Його розгляд ми почнемо з чотиритактного мотоциклетного двигуна – так легко зрозуміти процеси. Перший хід поршня вниз використовується для впуску в циліндр горючої суміші, що складалася з парів палива та повітря, пов'язаних з певною пропорцією. Горюча суміш надходить через відкритий впускний клапан. Це такт впускання. Коли поршень досягне НМТ, впускний клапан закриється і поршень, рухаючись у зворотному напрямку, почне стискати суміш, роблячи такт стиснення. При стисканні суміш нагрівається та активно перемішується. Близько ВМТ суміш підпалюється і згоряє. При цьому обсяг газів, що багаторазово збільшується,зростає тиск у камері згоряння. Поршень під впливом цього тиску починає рухатися вниз, відбувається такт розширення — єдиний корисний робочий хід. Коли поршень знаходиться у НМТ, відкривається випускний клапан, і відпрацьовані гази починають виходити в атмосферу поршень, що рухається до ВМТ, активно їх витісняє — відбувається такт випуску. Потім цикл повторюється. У розглянутому нами робочому циклі ми для простоти сприйняття вважали, що впускний клапан відкривається при положенні поршня у ВМТ, а випускний відкривається, коли поршень знаходиться в НМТ. Насправді у реальному двигуні мотоцикла все набагато складніше. Судіть самі - адже клапан не може відкритися миттєво. Для його повного відкриття потрібен якийсь час, як і для закриття. Тому відкриватися впускний клапан починає ще до приходу поршня в ВМТ - це називається випередженням впуску. Відповідно і закривається він після приходу поршня в НМТ (запізнення впуску). Те саме відбувається з випускним клапаном: він відкривається до приходу поршня в НМТ (випередження випуску) і закривається після ВМТ (запізнення випуску). Періоди відкриття клапанів - вони зазвичай вимірюються в градусах повороту колінчастого валу - називаються фазами газорозподілу. Користуючись тепер цим терміном, можна сказати, що відкриття клапанів з випередженням та закриття із запізненням збільшує тривалість фаз (розширює фази). В результаті, покращуються наповнення циліндра горючою сумішшю і очищення його від газів, що відпрацювали, підвищується потужність двигуна мотоцикла. Для наочності фази прийнято зображати як кругової діафами. Дивлячись на неї, навіть непідготовлений глядач побачить, що існують періоди, коли одночасно відкрито обидва клапани. Ці періоди прийнято називати перекриттям клапанів. B цей часвідбуваються відразу два процеси: заряд циліндра свіжою сумішшю і очищення його від газів, що відпрацювали. З одного боку, це погано: частина нового заряду буквально «вилітає в трубу». З іншого боку, при цьому покращується якість свіжого заряду і, отже, горіння підвищується потужність двигуна мото.
З тих же міркувань підвищення потужності робочу суміш у камері згоряння і підпалювати, очевидно, слід не в момент приходу поршня у ВМТ, а набагато раніше (адже горіння — процес, який потребує часу). Причому не просто «раніше», а з таким розрахунком, щоб початок робочого ходу збігся з піком тиску над поршнем. Цей момент випередження запалювання кожного двигуна суворо індивідуальний. Від його величини залежать легкість пуску, потужність, що розвивається, і паливна економічність двигуна. — У чотиритактному двигуні все просто: відкриваються та закриваються клапани, відбувається впуск та випуск суміші та газів. Але в двотактному двигуні клапанів немає, а він теж працює. Як же так ? Вірно, головна відмінність двотактного двигуна мотоцикла, саме в тому і полягає, що у нього немає клапанів. Але процес газорозподілу тут протікає за тими самими законами. Тільки «відає» всім цим. поршень. Інша відмінність полягає в тому, що робочий процес відбувається не тільки над поршнем, як у чотиритактному моторі мотоцикла, а й під поршнем, у так званій кривошипній камері, яка у зв'язку з цим робиться герметичною. А третя відмінність — у влаштуванні циліндра та головки. Якщо у чотиритактника циліндр дуже простий, а головка складна (у ній, як правило, розміщуються клапани), то у двотактного мотора навпаки: у стінках циліндра є вікна та канали складної конфігурації, а головка проста. Чим викликані ці відмінності, ми зрозуміємо, коли розглянемо, як протікає робочий процес удвотактний. Отже, поршень рухається вгору. Як тільки його верхня кромка перекриє лівий продувний канал, що з'єднує циліндр із кривошипною камерою, в картері під поршнем починає утворюватися розрідження. Поки правий випускний канал ще відкритий, у циліндрі над поршнем йде випуск та продування. Але як тільки верхній край поршня перекриє і цей канал, почнеться стиснення. Продовжуючи рухатися вгору, поршень своєю нижньою кромкою відкриє правий впускний канал, а він нижче випускного), і в кривошипну камеру, в порожнину під поршнем, почне надходити свіжа горюча суміш з карбюратора. Почнеться впуск. У момент, коли поршень наблизиться до ВМТ на відстань, що відповідає випередженню запалювання (ви вже знаєте про це), іскровий розряд підпалить стиснуту в камері згоряння суміш. Гарячі гази, що утворилися при цьому, прагнучи розширитися, змусять поршень, що за інерцією пройшов ВМТ, спрямуватися вниз. Коли нижня кромка поршня перекриє впускне вікно, у кривошипній камері почнеться стиснення (його називають попереднім). Тиск під поршнем підвищиться до 1,25-1,5 см3 Коли верхня кромка головки поршня, все ще йде вниз відкриє випускне вікно, відпрацьовані гази, що зберегли достатній тиск, спрямуються в випускну систему. Почнеться випуск, до того моменту коли тиск над поршнем стане майже рівним атмосферному, головка поршня відкриє і ліве вікно продувки. Попередньо стиснута в кривошипній камері горюча суміш через продувний канал попрямує в циліндр і заповнить його, витісняючи гази, що відпрацювали, і частково змішуючись з ними. При цьому частина нового заряду, зрозуміло, вилетить у випускне вікно. (Це називається "прямий викид"). Відбудеться продування. Вона закінчиться, коли поршень, що пройшов НМТ, почне рухатися вгору і перекриє продувне вікно. Випуск же будепродовжуватиметься доти, доки і випускне вікно не буде перекрито. Якщо спробувати побудувати вже знайому нам діаграму фаз газорозподілу, то доведеться показувати одночасно два процеси: один, що відбувається над поршнем, у циліндрі, та інший, що протікає під ним, у кривошипній камері. У результаті одержується дві діаграми, два кільця. Внутрішнє зазвичай зображує процеси в картері, зовнішнє – у циліндрі). Діаграми, звісно, мають абсолютно симетричні фази газорозподілу. — Якщо у двотактному двигуні робочий хід відбувається в два рази частіше, ніж у чотиритактному, то й потужність при тому ж робочому обсязі має бути вдвічі більшою? Чи я чогось не розумію? Ну, звичайно ж, все має бути саме так. Теоретично. А на практиці виходить по-іншому. Незважаючи на всі хитрощі конструкторів, циліндри двох-тактних моторів мотоциклів все ж таки погано очищаються від газів, що відпрацювали. Як наслідок, у них менше потрапляє свіжої суміші — отже, і горіння йде гірше. До того ж частина свіжої суміші встигає вискочити у випускне вікно, зовсім не попрацювавши (пам'ятаєте «прямий викид»?). А одна ця обставина збільшує витрату палива на 20-30%. А є ще «зворотний викид» у карбюратор! На мотоциклах 50-60-х років, що мали прості сітчасті повітряні фільтри, втрати від зворотного викиду становили також відчутну величину - до 25%. Словом, не виходить подвійного виграшу в потужності, скільки не намагайся. Та ще й за токсичністю «двотактник» явно «брудніший» за свого чотиритактного суперника. Тут би могло прозвучати наступне запитання: «А навіщо ж тоді. » Його в моїй пошті немає, але він мається на увазі з тих пір, як шотландський інженер Дугалд Клерк в 1877 створив двотактний двигун такий суперечливий, що має безліч пороків - і ось вжебільше століття не здається. А тому відповімо. Потім, що двотактник набагато простіше з пристрою. Простіше у виготовленні. Надійніше. Найпростіше в експлуатації. І дешевше. Погодьтеся — не так уже й мало. А якщо ще взяти до уваги, що двотактні двигуни теж безперервно удосконалюються (за останніми даними, австралійською кампанією «Orbital» розроблено новий принцип продування двотактного двигуна, який виводить цей мотор за паливною економічністю та потужністю на один рівень із кращими чотиритактними зразками), то суперечка між різними моторами, що триває вже не одне десятиліття, може ніколи не скінчитися.