Знаю, что бывают двухтактные и четырехтактные двигатели, но плохо представляю разницу между ними. А еще говорят — «двигатель внутреннего сгорания». Это то же самое или что-то совсем другое?
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 мотоцикла, 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 выпуск.
Поршень — деталь двигателя мотоцикла, 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 по-ложения 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 двигателей мотоцикла измеряется в кубических сантиметрах. Для одноцилиндрового двигателя мотоцикла рабочий объем одного цилиндра является и рабочим объемом двигателя. Для многоцилиндровых двигателей рабочий объем определяется как сумма рабочих объемов цилиндров. (Иногда рабочий объем мотоциклетного двигателя называют литражом). В формулах рабочий объем обозначается Vh.
Объем камеры сгорания — это объем над поршнем при ею на-хождении в ВМТ. Он обозначается Vc.
Полным объемом цилиндра называется сумма рабочего объема Vh и объема камеры сгорания Vc.
Степень сжатия (е) — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. g = Vh + Ус; Vc
Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси в цилиндре при перемещении поршня из НМТ в ВМТ

Двухтактный двигатель мотоцикла — 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 мотоцикла — 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 двигателя мотоцикла

Его рассмотрение мы начнем с четырехтактного мотоциклетного двигателя — так легче понять процессы. Первый ход поршня вниз используется для впуска в цилиндр горючей смеси, состояшей из паров топлива и воздуха, связанных определенной пропорцией. Горючая смесь поступает через открытый впускной клапан. Это такт впуска. Когда поршень достигнет 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 мотоцикла 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 мотоцикла.
Для наглядности фазы принято изображать в виде круговой диафаммы. Глядя на нее, даже неподготовленный зритель увидит, что существуют периоды, когда одновременно открыты оба клапана. Эти периоды принято называть перекрытием клапанов. B 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 мото.

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 мотоцикла, 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 происходит не только над поршнем, как в четырехтактном моторе мотоцикла, 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, а он ниже выпускного), 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 опережению 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.
Когда нижняя кромка поршня перекроет впускное окно, в кривошипной камере начнется сжатие (его называют предварительным). Давление под поршнем повысится до 1,25—1,5 см3
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 полу-чится 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 ра-за 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 подругому. Несмотря на все ухищрения конструкторов, цилиндры двух-тактных моторов мотоциклов 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 еше 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 по верхность 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 деле 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, что бы уяснить, как важна продувка для двухтактного двигателя.
— Читал, что бывают двухцилиндровые двигатели объемом всег 125 см, 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 за рубежом появилось целое поколение одноцилиндровых 600-кубовых мотоциклов, таких как Yamaha SZR 660, Suzuki LS 650Р, КТМ 620 EGS, HondaXR 650L и им подоб-ных. 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: уз-кие, 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.