Новые направления в конструировании двигателей типа Эндуро
Основными требованиями, предъявляемыми к двигателям для мотоциклов, предназначенных для соревнований эндуро, являются надежность и простота конструкции, а также возможность улучшения характеристик двигателя за счет допустимой замены некоторых его узлов в соответствии с последними достижениями техники.
Важной характеристикой современного мотоцикла для соревнований эндуро является не только максимальная мощность, но прежде всего мощность при частичной нагрузке, а также способность мотоцикла быстро реагировать на резкое увеличение подачи газа при открывании дроссельной заслонки, что часто оказывает решающее влияние на управляемость мотоцикла. При этом большое значение имеют момент инерции коленчатого вала и других вращающихся деталей.
Двигатель для спортивного мотоцикла должен иметь малую массу, приемлемую цену, низкий уровень шума, он должен вызывать сравнительно небольшую вибрацию и характеризоваться хорошей приемистостью. В дальнейшем все большее значение будет приобретать возможность настройки выпуска отработавших газов, что оказывает существенное влияние на работу двигателя.
Двухтактные одноцилиндровые двигатели
Основные конструкции двигателей типа эндуро были разработаны при использовании современных достижений техники. В мотоциклах классов от 80 до 500 см3 применяются легкие двухтактные одноцилиндровые, в классах более 500 см3, в соответствии с требованиями ФИМ, — четырехтактные также одноцилиндровые двигатели.
Двухтактные двигатели эндуро развивают более высокую (на 15—40%) мощность, чем четырехтактные, при меньшей (на 5—25%) массе. При этом в массу двигателя включено и вспомогательное оборудование, в том числе топливный бак. Надежность, техническое обслуживание двух- и четырехтактных двигателей равной мощности примерно сравнимы. В двухтактных двигателях можно управлять выпускной системой. Масса вспомогательного оборудования этих двигателей может существенно увеличиться при использовании водяного охлаждения (в основном в двигателях с малым рабочим объемом).
Преимуществами двухтактного двигателя являются относительная простота конструкции и возможность снижения уровня шума более простым способом. К существенным недостаткам этого двигателя относится большой расход топлива. Поэтому, поскольку в соревнованиях эндуро все чаще в последнее время используются мотоциклы с одноцилиндровыми двухтактными двигателями, число заправочных станций на дистанции увеличивается, чтобы этот недостаток не оказывал существенного влияния на ход соревнований.
В отличие от шоссейных гонок, в соревнованиях эндуро, также как в триале (соревнованиях по ограниченному участку с искусственными препятствиями) и мотокроссе, многоцилиндровые двигатели не нашли применения. Нетрудно подсчитать, что при одной и той же механической нагрузке на движущиеся детали двигателя, то есть при одинаковых средних скоростях поршней, двухцилиндровый двигатель должен обеспечить на 26%, трехцилиндровый — на 44%, а четырехцилиндровый — на 59% большую мощность, чем одноцилиндровый такого же рабочего объема. К преимуществам многоцилиндровых двигателей, кроме более низкой тепловой и механической нагрузок наиболее ответственных деталей, относится меньшая неравномерность хода, низкие вибрации и более легкий пуск двигателя. Значительным недостатком является существенное увеличение массы. Так, даже для двухцилиндрового двигателя со вспомогательным оборудованием оно составляет 15—30% в сравнении с одноцилиндровым. Еще одним препятствием для использования многоцилиндровых двигателей в мотоциклах для соревнований эндуро является громоздкость их конструкции и высокая цена.
Однако нельзя утверждать, что для соревнований эндуро пригодны только одноцилиндровые двигатели, что подтверждается стартовыми документами соревнований последних лет. Наряду с двухцилиндровыми двигателями классов 350 и 500 см3 перспективными показали себя и двигатели меньшего рабочего объема.
В связи с ограничениями по массе рассматривается также возможность использования многоцилиндровых двигателей с рабочим объемом 125 см3, которые уже нашли применение в мотоциклах для мотокросса. Они позволяют существенно повысить мощность по сравнению с одноцилиндровыми двигателями. Еще более выгодными могут оказаться двигатели класса 80 см3. Это, однако, противоречит классическим правилам проведения соревнований эндуро. Поэтому ФИМ, возможно, со временем примет правила, запрещающие использование многоцилиндровых двигателей с рабочим объемом 125 см3, как это уже сделано для кроссовых мотоциклов, где в классе 125 см3 обязательно применение одноцилиндровых двигателей.
Наиболее рациональным для мотоциклов с двигателями 500 см3 является использование четырехтактных V-образных двухцилиндровых двигателей, которые в дальнейшем могут заменить существующие одноцилиндровые. Они отличаются простотой пуска и более высокой мощностью.
Характеристики двигателя
Основными параметрами двигателя являются максимальная мощность и рабочий объем. Однако указываемая в технической документации максимальная мощность обычно носит несколько рекламный характер и не дает объективной оценки действительных рабочих характеристик двигателя.
Наиболее наглядно возможности двигателя отражают его скоростные характеристики, особенно зависимость вращающего момента от частоты вращения. Из этой кривой можно рассчитать кривую мощности двигателя, также в зависимости от частоты вращения. Эта кривая обычно приводится в технической документации на двигатель.
Для дорожных мотоциклов более пригоден так называемый эластичный двигатель, который развивает максимальный момент при средних частотах вращения. Его скоростная характеристика мощности имеет большую кривизну в середине. Эластичный двигатель не требует частой регулировки.
Для соревнований эндуро нужна большая максимальная мощность, поэтому двигатель должен быть отрегулирован таким образом, чтобы максимальный крутящий момент развивался при максимальной частоте вращения. Такой регулировке соответствует типичный жесткий двигатель (или двигатель с острой характеристикой). Скоростная характеристика может быть неблагоприятной при низких и средних частотах, но область максимальных значений мощности должна быть как можно более широкой, без резкого излома кривой.
Описанная методика используется в настоящее время повсеместно при выборе двигателей для мотоциклов эндуро, а также при разработке и испытаниях новых двигателей для гоночных и кроссовых мотоциклов. Японские специалисты ушли в этой области несколько вперед. Они разработали испытательные таблицы, учитывающие влияние динамических процессов на мощность. Они отказались от испытаний на тормозном стенде при постоянных частотах вращения, которые в практике наблюдаются крайне редко. Эти таблицы являются секретом частных конструкторских лабораторий. Для их построения работа двигателя оценивается в реальных условиях на кроссовой или гоночной кольцевой трассе путем дистанционного измерения его параметров (частоты вращения, положения золотника, положения переключателя передач), а также на стенде. Для проверки работы двигателя составлены специальные тесты, при этом достаточно простого сравнения характеристик двигателя с эталоном.
Лепестковый клапан или золотник?
Классический метод газораспределения с помощью поршня, который применяется в двухтактных двигателях и отличается простотой и надежностью, в условиях соревнований эндуро уже перестает удовлетворять. При газораспределении поршнем, в основном симметричном, двигатель может развивать высокую мощность при определенных частотах вращения и настройке впускной, перепускной и, главным образом, выпускной систем. Однако мощность существенно снижается на других режимах работы двигателя, в особенности при частичных нагрузках. Как уже было сказано, главным условием успеха в соревнованиях эндуро является высокая маневренность мотоцикла, обеспечиваемая высокой мощностью двигателя в широком диапазоне частот вращения, а также возможность плавного перехода с одного режима на другой при смене нагрузок. Можно сделать вывод, что, несмотря на почти полувековое успешное применение двухтактного двигателя с газораспределением поршнем, для соревнований-шестидневок они не перспективны.
Более приемлемым для двигателей эндуро является использование газораспределения лепестковым клапаном. Хорошо зарекомендовали себя как стальные лепестки, опирающиеся на упругую поверхность корпуса, так и лепестки из синтетических материалов. Важным требованием к газораспределительному устройству является обеспечение достаточного проходного сечения для пропуска газов в наиболее часто используемом рабочем режиме и получение благоприятной характеристики при минимальных частотах вращения.
Преимуществом мотоцикла с двигателем, в котором газораспределение производится поршнем, является плавность перехода двигателя с одного режима на другой, несмотря, например, на резкий кратковременный спад частоты вращения и мощности во время движения мотоцикла. При газораспределении правильно подобранным лепестковым клапаном это преимущество сохраняется. Но при движении с максимальной мощностью и частотой вращения такой лепестковый клапан должен открываться в достаточной степени для предотвращения резкого падения мощности и, как следствие, скорости, что крайне неприятно ощущается мотоциклистом.
В последнее время стали использоваться клапаны с двумя системами лепестков. Очень тонкими и чутко реагирующими на изменение давления лепестками впускное отверстие сначала приоткрывается незначительно, пропуская поток смеси, отклоняющий более толстые лепестки и полностью открывающий впускное отверстие.
Новым элементом в конструкции двигателя эндуро является комбинация прямого впуска, осуществляемого поршнем, и дополнительного заполнения объема картера двигателя через канал с лепестковым клапаном. При этом обычно не происходит той резкой реакции двигателя при открывании дроссельной заслонки, как в случае управления впуском с помощью только лепесткового клапана, однако двигатель легче настраивается на максимальные частоты вращения. Разнообразны и варианты установки лепесткового клапана на двигателе.
В двигателях меньших классов лепестковый клапан не обеспечивает устойчивость работы двигателя при частотах вращения 10 000 об/мин и выше. Для получения максимальной мощности двигателей как для шоссейно-гоночных, так и для кроссовых мотоциклов используется золотник, который позволяет оптимизировать газораспределение и может быть дополнен еще одним впускным каналом, управляемым поршнем. После многочисленных опытов с различными конструкциями золотников в современных мотоциклетных двигателях наилучшим образом себя зарекомендовал тонкий дисковый золотник, установленный непосредственно на коленчатом валу. Благодаря упругости золотника, изготовляемого из тонкой стальной пластины или пластмассы, и давлению в полости картера обеспечивается оптимальное уплотнение между золотником и коленчатым валом, а относительно большой диаметр золотника позволяет осуществлять быстрое открывание и закрывание выпускного канала.
Описанная система газораспределения имеет свои недостатки, одним из которых является неудобное размещение карбюратора сбоку двигателя, а в связи с этим и слишком длинный канал впуска. Этим объясняется редкое использование золотника в современных мотоциклах малого рабочего объема. Позднее карбюратор стали размещать на верхней части картера двигателя, что позволило уменьшить длину впускного канала. Иногда карбюратор крепится к глушителю и фильтру, размещенным под седлом.
Появились конструкции двигателей эндуро с пластинчатым или дисковым золотником, установленным в верхней части картера двигателя за цилиндром в несколько наклонном положении. Этот способ уже успешно использовался в кроссовых мотоциклах, его преимуществом является удобное размещение карбюратора, короткий и сравнительно ровный впускной канал; недостаток — существенное усложнение конструкции двигателя со сложным приводом золотника.
Электрон или алюминиевый сплав?
Основой каждого двигателя является картер, который в современных двигателях имеет моноблочную конструкцию. Для одноцилиндровых двигателей наиболее рациональным является разъем картера в вертикальной плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала.
Чаще всего картер изготовляют из алюминиевого сплава, плотность которого равна 2,8 г/см3, или из более легкого магниевого сплава, так называемого электрона (плотность 1,85 г/см3). Кроме низкой стоимости, высокой прочности и устойчивости к атмосферным воздействиям алюминиевые сплавы обладают несомненным преимуществом — они позволяют изготовлять картеры серийно литьем в металлическую форму (кокиль). Отливки из этого материала могут иметь ребра и стенки толщиной 3 мм и меньше, нагрузка на которые, однако, ограничена.
Толщина стенок деталей из электрона, изготовляемых литьем в песчаную форму, по технологическим причинам не может быть меньше 4 мм, в исключительных случаях — 3 мм. Поэтому использование магниевых сплавов не дает существенного выигрыша в массе по сравнению с алюминиевыми, несмотря на разницу в их плотностях.
В современной практике легкие литые детали из электрона используются обычно для мотоциклов штучного изготовления, в серийных мотоциклах материалом для картеров двигателей и их крышек служит алюминиевый сплав. Следует отметить высокую долговечность изделий из электрона.
Охлаждение цилиндра и его головки
Литые цилиндры и головки цилиндров изготовляют исключительно из алюминиевых сплавов, обладающих лучшей теплопроводностью по сравнению с электроном, а также с давних пор используемым чугуном.
Обычно в цилиндры из алюминиевого сплава запрессовывают гильзу из чугуна или легированной стали. Такая пара имеет ряд недостатков, обусловленных, главным образом, большим тепловым расширением алюминия и ухудшением теплопередачи на стыке обоих материалов. Гильзы изготавливают литьем, и эта технология почти не меняется, несмотря на то что применяется уже несколько десятков лет.
Для получения гладкой и прочной рабочей поверхности цилиндра наиболее подходящим является гальваническое покрытие, прежде всего хромирование. Такой способ вначале использовался в четырехтактных, а позднее нашел применение в двухтактных двигателях малых рабочих объемов. После ряда усовершенствований хромированные цилиндры стали устанавливаться в двухтактных двигателях средних и высоких классов.
Более совершенным, но и более дорогим способом обработки поверхности является электролитический способ нанесения тонкой пленки никеля с кремнием по так называемой системе «никасил».
Для обработки поверхности цилиндра также используется комбинированный способ — хромирование с последующим нанесением пленки по системе «никасил». При правильном подборе поршневых колец этот способ является наиболее экономичным и выгодным. Однако он имеет существенный недостаток — любая доработка выпускных окон исключается, так как она нарушает целостность металлической поверхностной пленки.
Охлаждение цилиндра и головки цилиндра может быть воздушным или водяным. В первом случае устраивают специальные охлаждающие ребра, и охлаждение осуществляется воздухом, набегающим на них при движении мотоцикла. Установка специального вентилятора себя не оправдывает, так как значительно усложняет конструкцию и требует дополнительной мощности. При расчете охлаждающих ребер большое внимание уделяется их геометрии, расстоянию между ними и профилю переходов между ребрами с целью достижения достаточно эффективного охлаждения. Кроме того, полости между ребрами должны иметь такой профиль, чтобы во время длительной езды с небольшими нагрузками и малой скоростью или на болотистых участках пути в них не забивалась грязь.
Следует также учесть, что при длинных ребрах могут появиться значительные вибрации и шум. Для их устранения края ребер иногда связывают в отдельных местах, но этот метод полностью не устраняет вибрации и шума. Кроме того, такие связки усложняют конструкцию. Существует и ряд других способов устранения шума и вибраций (например, с помощью резиновых гребней, трубок или хомутов).
В современных двигателях головки цилиндров имеют преимущественно веерообразное оребрение. Головка крепится к цилиндру большим количеством винтов небольшого диаметра для обеспечения ее надежного прилегания к цилиндру и уменьшения внутренних напряжений.
Водяное охлаждение
Работа двухтактных двигателей, устанавливаемых на шоссейно-гоночных мотоциклах и мотоциклах для гонок по пересеченной местности классов 125, 250 и частично 500 см3, невозможна без водяного охлаждения.
В мотоциклах для мотокросса, наиболее близкого по условиям соревнований к соревнованиям эндуро, для охлаждения используются легкие трубки малого диаметра, по которым прокачивается вода в очень небольшом объеме. Так, для двигателя с рабочим объемом 125 см3 необходим всего 1 л воды.
Проблемой является размещение радиатора, который хотя бы частично должен быть защищен от брызг грязи. Иногда радиатор устанавливается даже перед рулем и в туннеле топливного бака.
В том случае когда прямой поток воздуха через радиатор не дает достаточного охлаждения, применяются дополнительные ребра воздушного охлаждения на цилиндре и головке цилиндра (рис. 180). В мотокроссе, в частности в мотоциклах классов 250 и 500 см3, оправдывает себя тактика, при которой на сухих участках трассы, которые мотоцикл преодолевает на максимальных скоростях, применяется водяное охлаждение, а на болотистых участках, где скорость мала, — воздушное.
Однако многие конструкторы считают водяное охлаждение слишком сложным, ненадежным и потому нежелательным для мотоциклов эндуро, несмотря на ряд его преимуществ.
Современные правила соревнований эндуро, разрешающие замену радиаторов и ограничивающие массу мотоциклов, обусловливают необходимость охлаждения, что дает существенные выгоды. В классах двигателей 80 и 125 см3 водяное охлаждение необходимо в связи с высокими удельными мощностями, а в двигателях высших классов оно предупреждает появление больших тепловых деформаций. Одним из преимуществ этого охлаждения является меньший уровень шума, поэтому его стали использовать в четырехтактных двигателях эндуро.
Условием эффективного водяного охлаждения является охват всей поверхности верхней части цилиндра водяной рубашкой. Вода от цилиндра к головке должна перетекать не менее чем по четырем, а еще лучше, по пяти или шести каналам, проходящим между крепежными винтами. Нижняя часть цилиндра охлаждается при охлаждении водой его наиболее нагреваемой средней части в районе выпускного канала. Таким образом достигается ограничение тепловых деформаций.
В отличие от четырехтактных двигателей с так называемыми «мокрыми» гильзами для современного двухтактного двигателя более выгодно использовать цилиндры с тонкостенными гильзами, которые непосредственно не контактируют с водой.
Радиаторы
Учитывая опыт эксплуатации кроссовых мотоциклов, радиатор в современных мотоциклах эндуро размещают в пространстве между трубами рамы, соединяющими рулевую колонку с передней частью узла крепления двигателя. Конструктивно наиболее выгодным оказалось разделение радиатора на две узкие высокие части, закрепляемые по обе стороны рамы.
Для радиаторов, исходя из требований снижения массы и высокой теплопроводности, наиболее подходящим материалом принято считать алюминиевый сплав. Верхние и нижние бачки радиаторов соединены между собой тонкими трубками. Горизонтальные пластины, изготовляемые также из алюминиевого сплава, имеют очень малую толщину, вследствие чего любая механическая их очистка может привести к поломке.
Общая поверхность радиаторов мотоциклов эндуро должна быть довольно значительной, так как для обеспечения работы мощного двигателя необходимо поддерживать температуру воды в системе его охлаждения достаточно низкой. Обычно она составляет 65—70°С. Радиатор заполняется дистиллированной водой, при этом использование двигателя на морозе не предусматривается. Радиатор находится под избыточным давлением. Разница между рабочей температурой и температурой кипения воды является резервной на случай кратковременного перегрева, мощность двухтактного двигателя при наивысшей температуре жидкости заметно уменьшается. Ни в коем случае нельзя допускать повышения температуры воды до точки кипения и появления пара: при малом количестве воды это может привести к аварии.
Контроль за изменением количества воды осуществляется только при отладке двигателя. Во время соревнований при чрезмерном повышении температуры мотоциклист, не имея возможности регулировать ее другим способом, должен снизить скорость.
Соединительные трубки прежде имели довольно большой диаметр, но впоследствии были разработаны мощные водяные насосы, позволившие использовать легкие трубки малого диаметра из пластмассы.
Радиаторы должны быть защищены от прямых брызг грязи специально сконструированными щитками. Такая защита необходима, хотя несколько снижает эффективность охлаждения. Правильно сконструированный щиток обеспечивает свободный доступ воздуха, при этом крупные частицы грязи не прилипая легко слетают с него. Такой щиток позволяет производить быструю очистку и замену на контрольном пункте.
Целесообразно также использование боковых пластин из пластмассы, которые дополнительно направляют воздух на радиатор, что особенно важно, когда средняя часть щитков забита грязью.
Поршень со стальными поршневыми кольцами
Конструкция и материал поршня обычно выбираются с учетом опыта использования мощных шоссейно-гоночных и кроссовых мотоциклов. В качестве полуфабриката для поршней, испытывающих очень высокие нагрузки, чаще всего используются отливки, подвергнутые для повышения качества ковке, форма которых отвечает требованию малых температурных деформаций. Наиболее удобными в этом отношении и по технологии обработки являются материалы на основе алюминия.
Высоту поршня, исходя из требований экономии массы, стараются по возможности ограничить так, чтобы она лишь незначительно превышала его ход. Недостатком такой конструкции является высокий износ поршня и цилиндров, а также шум при работе двигателя.
Применявшиеся прежде поршневые кольца из серого чугуна ввиду их хрупкости и малой надежности в двигателях эндуро не используют. Обычно в этих двигателях применяют одно или два поршневых кольца из хромистой стали или модифицированного чугуна. Эти более прочные материалы имеют, однако, ряд недостатков, главными из которых являются плохие фрикционные свойства, необходимость долговременной обкатки из-за высокой твердости материалов, недостаточное уплотнение. Чтобы его увеличить, уменьшают высоту поршневых колец до 0,8—1,2 мм, что может привести, однако, к их деформации, особенно при хранении.
Для двигателей эндуро рекомендуется использовать поршневые кольца Г-образного поперечного сечения или комбинацию колец, где сверху кольцо Г-образного поперечного сечения и под ним другое — прямоугольного поперечного сечения.
Однако при смазочных материалах даже самого высокого качества, применяемых в двухтактных двигателях, существует опасность пригорания поршневых колец Г-образного поперечного сечения. Другой проблемой, связанной с эффективностью поршневого кольца и надежностью двигателя, является безопасная фиксация положения этого кольца специальным штифтом, а также крепление самого штифта для предотвращения самопроизвольного выпадения.
Эти кажущиеся незначительными моменты очень часто становятся непосредственной причиной схода гонщика с трассы. Для поршневого кольца малой толщины выбирают фиксирующие штифты, диаметр которых больше ширины канавки для кольца. Отверстие для штифта теперь выполняется не сквозным, как это делали прежде, а глухим, переходящим в отверстие меньшего диаметра, предназначенное для отвода воздуха.
Внешний диаметр стального штифта и его выступающая часть для запрессовки могут быть точно измерены микрометром, а соответствующее отверстие в поршне контролируют специальными калиброванными штифтами. По этим данным определяют необходимое давление при запрессовке штифта в поршень.
Большое влияние на характеристики двигателя в целом и тепловую нагрузку поршня оказывает форма его юбки.
Выбор момента инерции
Кривошипно-шатунный механизм двухтактного двигателя для спортивного мотоцикла, в том числе и шатун, наиболее нагруженный из элементов этого механизма, в последнее время не претерпел значительных конструктивных изменений. Щека коленчатого вала изготовляется заодно с коренной шейкой из стальной поковки, затем цементируется. Таким же образом делают и шатун. Попытки изготовить шатун из других материалов не принесли желаемого успеха.
Одним из важнейших вопросов при расчете двигателя является выбор момента инерции коленчатого вала с маховиком. Его оценка производится с учетом закрепленных на нем вращающихся деталей (системы зажигания, первичного звена силовой передачи, например, диска сцепления). Остальные детали, в частности диск сцепления на входном валу коробки передач, на общий момент инерции существенного влияния не оказывают.
При высоком моменте инерции двигатель имеет ряд преимуществ: более плавный ход, меньший износ элементов первичного звена привода, спокойный холостой ход, а иногда и пониженный уровень шума. При резком увеличении подачи газа двигатель плавно достигает наибольшей частоты вращения, что не всегда, однако, можно считать преимуществом. Недостатком массивного коленчатого вала с маховиком является большая вероятность поломки силовой передачи или даже разрыва цепи под влиянием инерции вращающихся масс, а также крайне неэкономичный режим работы двигателя при движении на резко выраженной пересеченной местности.
В последнее время для двигателей классов 80 и 150 см3 применяются очень легкие коленчатый вал и маховик. При этом гонщик должен постоянно регулировать работу двигателя. По другому этот вопрос решается в мотоциклах классов 250 и в особенности 500 см3, когда при достаточно высоком моменте инерции этих элементов обеспечивается безопасность управления мотоциклом даже на болотистой местности, но за счет уменьшения приемистости.
Известен ряд случаев, когда на заводских гоночных моделях успешно применялся двигатель с облегченным коленчатым валом. Но это не применимо для вариантов двигателей, предназначенных для серийных мотоциклов.
Фирма «Судзуки» разработала оригинальную конструкцию, обеспечивающую высокий момент инерции при малых частотах вращения, что позволяет легко управлять мотоциклом при езде с невысокой скоростью, и малый момент инерции при больших частотах вращения для улучшения его динамических характеристик. В этой конструкции коленчатый вал имеет дополнительный вращающийся элемент, который автоматически отсоединяется при частоте вращения выше 3000 об/мин.
Высококачественные подшипники и уплотняющие устройства
В двухтактных двигателях мотоциклов для соревнований эндуро особого внимания требуют подшипники головок шатуна, в качестве которых используются исключительно игольчатые роликоподшипники с сепараторами. Нижний подшипник шатуна является одним из самых нагруженных элементов двигателя. Обычно для изготовления сепаратора подшипника используют алюминиевые сплавы или сталь. Стальной сепаратор может быть покрыт серебром. При изготовлении подшипника очень важен правильный выбор игольчатых роликов и основных зазоров, которые выдерживаются с очень высокой точностью — до 0,02 мм. Наибольшую опасность для работы подшипника составляет перекос роликов, появляющийся чаще всего из-за технологических дефектов при изготовлении сепаратора.
В качестве опор поршневого пальца лучше всего проявили себя игольчатые роликоподшипники без сепараторов. При использовании здесь обычных сепараторов возможны поломки из-за резкого повышения ускорения в момент смены направления вращения (в случае короткого шатуна).
Выбор подшипников опор коленчатого вала не создает особых трудностей. Здесь применяются шариковые, роликовые и игольчатые подшипники.
Конструкторы двигателей, механики и гонщики особое внимание уделяют уплотнению мотылевой шейки коленчатого вала. После проверки в соревнованиях лабиринтового уплотнения и стальных уплотняющих колец при максимальных частотах вращения оказалось, что для мотоциклов эндуро наиболее оправдывают себя самоподжимные сальники, состоящие из резиновых уплотняющих колец с острой рабочей кромкой, поджимаемых стальной пружиной. Окружная скорость вала в месте уплотнения при этом не должна превышать 15 м/с, что для высокооборотных двигателей не может быть выполнено. Поэтому используются специальные уплотняющие устройства, благодаря которым допустимая окружная скорость при трении может достигать 35 м/с. Но они требуют более тщательной шлифовки мотылевой шейки. При монтаже коленчатого вала следует проявлять особую осторожность, чтобы не повредить уплотняющее устройство.
Перепускные каналы
В двигателях прежних конструкций наиболее часто применялись петлевая продувка, продувка с коротким или длинным третьим перепускным каналом, четырехканальная продувка. В последнее время все чаще используются двухканальные двигатели с высокой удельной мощностью, что потребовало новых вариантов систем продувки, реализация которых стала возможной в связи с прогрессом в технологии изготовления цилиндров.
В двигателях мотоциклов эндуро стараются максимально использовать поверхность гильзы цилиндра для образования впускных окон перепускных каналов. Верхние кромки этих окон по высоте незначительно сдвинуты. Правильно выбирая конструкцию, направление впуска, сечение окон отдельных перепускных каналов, а также фазы их открывания, можно снизить потери на наполнение цилиндра свежей горючей смесью. При этом расширяется диапазон частот вращения двигателя.
В конечном счете не имеет значения, использована ли продувка четырьмя, шестью или более каналами. Главным в современных двухтактных двигателях для спортивных целей является использование всей поверхности гильзы цилиндра для образования впускных окон, за исключением выпускного окна и узких перегородок. Продувочные окна, расположенные непосредственно над впускными, создают потоку смеси существенно большее сопротивление. Их главным назначением является создание соответствующего давления при впуске смеси в момент открывания окна и непосредственно после этого.
При использовании описанной системы осуществляется также прямой впуск части смеси в камеру сгорания с газораспределением лепестковым клапаном.
При расчете геометрии каналов учитываются результаты тормозных испытаний. Наибольшие сложности при расчете продувки возникают из-за неравномерности поступления смеси, изменения температуры, а также вследствие широкого диапазона требуемой частоты вращения. В расчете принимается во внимание и влияние частичных нагрузок.
При любой модернизации системы смесераспределения в двухтактных двигателях главное слово остается за испытателями.
Степень сжатия и топливо
Степень сжатия — это отношение объемов цилиндра при положениях поршня в нижней и верхней мертвых точках. Чем больше степень сжатия, тем больше мощность двигателя и меньше расход топлива. Так, при увеличении степени сжатия двигателя внутреннего сгорания, например, с 6 до 10, мощность возрастает на 20 % при уменьшении расхода топлива на 13 %.
Для двигателей мотоциклов эндуро класса 500 см3 степень сжатия, как правило, составляет 8,5:1, для двигателей классов 125 и 80 см3 с водяным охлаждением — 16:1.
При ознакомлении с техническими данными японских мотоциклов удивляет низкое значение степени сжатия. Это объясняется тем, что японские конструкторы при расчете учитывают объем цилиндра не в нижней мертвой точке, а в момент закрывания всех окон поршнем. Таким образом, все дело не в реальном низком значении степени сжатия, а в ином способе измерения.
Главной причиной ограничения степени сжатия является стремление предотвратить детонацию топлива. Учитывая эту опасность, в современных спортивных двигателях соответствующим образом рассчитывают конструкцию камеры сгорания и оптимизируют размещение свечи зажигания. Кроме антидетонационной щели большое значение для предотвращения детонации имеет правильный расчет и выбор геометрии системы продувки.
Возможность работы двигателя с высокой степенью сжатия зависит также от используемого топлива. Критерием для оценки антидетонационных свойств топлива служит его октановое число. Прежде октановое число определялось экспериментально на специальном двигателе с минимальным значением степени сжатия. В настоящее время это число определяется в лаборатории. Используемый в ЧССР бензин «Супер» имеет октановое число 96, «Специал» — 90. Есть страны, в которых продается бензин с октановым числом 98. Для спортивных двигателей, особенно для работы карбюратора, решающим является не только октановое число бензина, но и его состав.
Октановое число повышается добавкой токсичного тетраэтилсвинца, но его содержание во всем мире строго ограничивается. Главной причиной этого является выброс в атмосферу с выпускными газами свинца, вредно влияющего на организм человека и окружающую среду. По требованиям, действующим в США и регламентирующим уровень токсичности выпускных газов, двигатель должен иметь катализатор в выпускном канале, который реагирует на присутствие свинца в отработавших газах. И именно свинец в отработавших газах значительно уменьшает эффективность и долговечность катализатора.
В ряде европейских стран установлен предел присутствия свинца в литре бензина, равный 0,4 г, в ФРГ и некоторых других странах рекомендовано использовать бензин, вообще не содержащий свинца. Октановое число в этом случае повышают за счет изменения химического состава, особенно за счет примеси этилового спирта. Эта примесь выгодна для ряда стран и с экономической точки зрения, однако она требует дополнительной регулировки карбюратора. Например, в Австрии используется бензин с примесью этилового спирта, равной 5 % (норма установлена с 1982 г.), во Франции и США норма этилового спирта в бензине составляет 10% (с 1985 г.), в Бразилии — 20 % (с 1985 г.).
Присутствие в бензине этилового спирта, содержащего кислород, проявляется более высокой теплотой испарения, что затрудняет пуск непрогретого двигателя, но облегчает его охлаждение.
Карбюратор
Главными требованиями, предъявляемыми к карбюраторам мотоциклов эндуро, являются простота конструкции, легкость настройки и возможность быстрого ремонта. Карбюратор также должен быть компактным, иметь небольшую массу при обеспечении устойчивой работы двигателя на различных режимах.
Особенность карбюраторов для спортивных двигателей — малый расход топлива при частичных нагрузках и отсутствие контроля состава выпускных газов.
Карбюраторы в современных двигателях ставят с применением гибкого патрубка, который также необходим для предотвращения возможного доступа воздуха со стороны.
В двигателях эндуро применяются карбюраторы моноблочной конструкции с цилиндрическим или, в некоторых случаях, плоским золотником. Корпус карбюратора изготовляют из алюминиевого сплава или электрона (прежде использовался более тяжелый цинковый сплав.
Камера, в которой находится поплавок карбюратора, относительно мала. При правильно выбранных сечениях каналов нет необходимости в том, чтобы камера исполняла функции дополнительного резервуара топлива при кратковременных и наибольших нагрузках двигателя.
В отличие от шоссейно-гоночных мотоциклов, когда при край них положениях рукоятки газа подача топлива прекращается, двигатели эндуро должны устойчиво работать и на холостом ходу. В качестве пускового устройства карбюратора при холодном старте для этого часто используют обычную кнопку утолителя поплавка на крышке поплавковой камеры.
Шестидневные соревнования эндуро проходят при изменяющихся погодных условиях, на различных трассах, иногда с перепадом высот до 2000 м. При этом могут происходить нежелательные изменения в работе главного жиклера. Для компенсации этого рекомендуется применять устройства обогащения горючей смеси, позволяющие управлять работой карбюратора в широком диапазоне частот вращения двигателя.
В мотоциклах, как и в автомобилях, стали использовать электронные системы управления впрыском горючей смеси. Это улучшает форму скоростной характеристики двигателя, в особенности при частичных нагрузках. Для повышения экономии топлива и снижения доли вредных веществ в отработавших газах используют способ впрыскивания горючей смеси до момента перепуска, что можно осуществить и в двухтактных двигателях.
Впускной патрубок расположен между золотником карбюратора и элементом, регулирующим газораспределение (поршнем, лепестковым клапаном). Изменяя длину патрубка, можно изменять характеристики двигателя: при ее уменьшении максимальная мощность развивается при максимальной частоте вращения, при увеличении — максимальный вращающий момент получают на средних частотах вращения.
Японская фирма «Ямаха» разработала оригинальный способ повышения эффективности впускной системы, получившей название ЯЭИС (Ямаха Энеджи Индакшн Систем). При этом между карбюратором и лепестковым клапаном во впускной патрубок введена трубка от резонатора. В случае правильного выбора объема резонатора колебания потока горючей смеси совпадают с колебаниями в нем, что приводит к улучшению наполнения цилиндра этой смесью.
Важным элементом впускной системы является воздушный фильтр, объединяемый с глушителем впуска. Фильтры изготовляют из бумаги или микропористой искусственной массы. Бумажные микрофильтры размещают так, чтобы пластинки были направлены вниз для предотвращения разрыва фильтра частичками грязи, попавшими в камеру. Выбор сечения фильтра должен быть таким, чтобы при его частичном загрязнении расход воздуха не снижался слишком сильно и не потребовалась срочная замена фильтра. Но в то же время он должен быть эффективно защищен от воды и грязи.
Японская фирма «Кавасаки» разработала систему ФАИС (Фреш Айр Интейк Систем), в которой чистый, охлажденный воздух через большое число фильтров проходит в специальную камеру под топливным баком, из которой затем уже поступает для получения горючей смеси
В ЧССР инженеры Ф. Боушки и П. Тумы с предприятия ВВЗ «Ява» разработали и запатентовали систему троекратной очистки воздуха. Она успешно использовалась на мотоциклах «Ява», участвовавших в шестидневных соревнованиях эндуро в 1984 г.
Еще одной проблемой мотоциклов является глушение шума при впуске. В спортивных мотоциклах шум впускной системы и шум, генерируемый тонкими стенками глушителя впуска, слышен и может быть измерен. Однако шумомер, устанавливаемый в соответствии с правилами ФИМ на расстоянии 0,5 м от конца выпускного патрубка, слабо улавливает шум впуска.
Управление выпуском
В отличие от четырехтактных двигателей, в которых выпуск производится во время всего хода поршня сверху вниз, благодаря чему площадь выпускных окон может быть ограничена, в двухтактном двигателе выпускные каналы должны иметь большие размеры. Определение момента открывания выпускных окон, как и места их размещения, имеет большое значение. Окна желательно размещать недалеко друг от друга. При этом следует с большой осторожностью относиться к увеличению размера окон. Они расположены в самой горячей части цилиндра, и поэтому на их кромках могут появиться деформации и даже трещины. Для предупреждения этих явлений на окнах часто предусматривают перемычки. Кромки широких окон рекомендуется скашивать или скруглять, чтобы они не создавали сопротивления поршневым кольцам. Для колец следует использовать высококачественные стали. Эти меры, однако, влекут за собой некоторую потерю мощности.
Разработана выпускная система, в которой фаза выпуска зависит от частоты вращения и геометрии верхней части выпускного окна. Это позволяет увеличивать фазу открывания и площадь выпускного окна при максимальных частотах вращения. При этом улучшается форма скоростной характеристики в области средних и малых частот вращения. Впервые в практике мотоциклостроения подобная конструктивная схема была применена на двигателе «Ямаха» - так называемая система ЯПВС (Ямаха Пауэр Вэлв Систем), в которой использовался вращающийся золотник. Однако здесь возникали трудности, связанные с перемещением уплотнения. Кроме того, требовалось использование более прочного и долговечного регулирующего элемента, который омывается потоком отработавших газов.
Фирма «Хонда» предложила свою систему управления выпуском - АТЭЧ (Аутоматик Торкью Эмплификейшн Чамбер), в которой изменение объема выпускного патрубка в его передней части производится заслонкой, перемещаемой центробежным регулятором. Возможно также совместное использование обеих систем управления выпуском, описанных выше.
Мощность или шум
Выпускная система двухтактного двигателя содержит выпускной патрубок, расширительный конус, резонатор, обратный конус и насадку. Для двигателей эндуро очень важным элементом является глушитель.
Шумоглушение в этих двигателях осуществляется с помощью глушителя, установленного в резонаторе или специальной насадке. Оба способа глушения могут быть использованы и одновременно. С точки зрения влияния глушения на мощность двигателя, а также его долговечность более выгодными по сравнению с глушителями, в которых используется поглощение звука, признаны глушители, работающие с использованием акустического сопротивления. Глушители, основанные на поглощении звука, склонны к быстрому засорению и механическому повреждению самих звукопоглощающих вставок.
В дорожных мотоциклах для уменьшения уровня шума прибегают к изоляции или усилению стенок глушителя. При современном способе измерения в соответствии с требованиями ФИМ этим, однако, пренебрегают.
Смазка маслом, смешанным с топливом
Современные дорожные двухтактные мотоциклы, особенно японские, оборудованы раздельной системой смазки. В системах смазки для мотоциклов эндуро важна простота, надежность и малая масса. Широко распространенная система смазки маслом, смешанным с топливом, обеспечивает подвод большего количества смазки, чем необходимо, по сравнению с отдельной системой смазки, которая в зависимости от нагрузки изменяет соотношение масла и бензина от 1:20 до 1:150. Но благодаря тому, что современные масла для двухтактных двигателей дают минимальный нагар, это не вызывает трудностей.
В условиях соревнований эндуро выгоднее сразу же заправляться смесью бензин-масло, чем заливать в бак отдельно масло и чистый бензин.
Одним из важнейших вопросов для спортивного мотоцикла является правильный выбор соотношения масло-бензин. Если прежде использовалось соотношение 1:20, то сейчас оно колеблется между 1:33 и 1:40, а в двигателях с отдельной смазкой подшипников коленчатого вала даже 1:50, что возможно при использовании высококачественных сортов масел.
Электронное зажигание
Впервые электронное бесконтактное зажигание нашло применение в высокооборотных двигателях для шоссейно-гоночных мотоциклов, позднее и для кроссовых мотоциклов. Разработчики спортивных мотоциклов вначале опасались его использовать, однако скоро оно зарекомендовало себя как надежное, безопасное, высокоэффективное и легко заменяемое в случае выхода устройства из строя. Электронное зажившие имеет два коммутирующих контура и легко доступный и поддающийся ремонту или замене прерыватель.
Электроника находит широкое применение в мотоциклах для соревнований эндуро. Ряд фирм в мире выпускают компактные устройства, обладающие высокой надежностью в сложных условиях тряски и повышенной влажности даже при максимальных частотах вращения двигателя.
При выборе современных электронных устройств зажигания, отличающихся надежностью, важна величина момента инерции ротора прерывателя, определяемая его расположением вне или внутри статора.
Электронное устройство зажигания содержит также генератор переменного тока, дающий энергию и для освещения; при этом отпадает необходимость в аккумуляторе.
В настоящее время требования по обязательной установке электронного оборудования в правила соревнований эндуро не включены.
Свеча зажигания
Наиболее чувствительным элементом всего устройства зажигания, особенно в двухтактных двигателях, является свеча. Прежде для двигателей спортивных мотоциклов предпочитали использовать две свечи, работающие одновременно. Применяли также систему с двумя контурами зажигания, каждый со своей свечой. Тогда при выходе работающего контура из строя или в сомнительном случае гонщик во время движения мог включить второй контур зажигания. Менее предпочтительно было использование второй, запасной свечи, установленной на головке цилиндра, на которую гонщик в случае необходимости перебрасывал высоковольтный провод.
Впоследствии появились новые конструкции свечей. При использовании высококачественных масел, допускающем более низкое процентное содержание их в бензине, стало возможным использовать лишь одну свечу. Для двигателей, используемых в мотоциклах эндуро, лучше всего применять свечи современных конструкций, сохраняющие работоспособность в широком диапазоне температур, предпочтительно с резьбой 14 мм. Выбор длины резьбы зависит от конструкции головки цилиндра и на эффективность свечи никакого влияния не оказывает.
Четырехтактные двигатели для мотоциклов эндуро
Вопрос, применять или не применять четырехтактные двигатели в мотоциклах для соревнований эндуро, до сих пор окончательно не решен. И двухтактные, и четырехтактные двигатели имеют свои преимущества и недостатки. Однако четырехтактные двигатели выгодно использовать на мотоциклах класса 500 см3. Эти двигатели обеспечивают достаточную мощность в условиях сложных и длительных испытаний.
Одним из главных условий успешного применения двигателей любого класса является хорошая управляемость, обусловленная их низкой массой, достаточным клиренсом и благоприятной скоростной характеристикой. Эти требования предъявляются и к одноцилиндровым двухтактным двигателям меньших классов. Реальный объем четырехтактных двигателей эндуро был близок к 500 см3, но под влиянием конкуренции и рекламы большее распространение получили двигатели с рабочим объемом 550 и даже 600 см3. Возможно, в скором будущем в этом классе найдут применение и двухцилиндровые двигатели.
Выбор способа газораспределения в двигателях для соревнований также не однозначен. Здесь успешно применяется газораспределение как с верхним, так и с нижним расположением распределительного вала. Наиболее эффективным, особенно при максимальных частотах вращения, считается использование двух распределительных валов, установленных на головке цилиндра. Улучшения газораспределения иногда достигают применением камеры сгорания со значительным наклоном клапанов. Недостатком этого способа является утяжеление головки цилиндра и удлинение цепи или ремня для связи распределительных валов. Кроме того, вертикальный распределительный вал с двумя парами конусных колес чрезмерно усложняет конструкцию.
Более прост в двигателях эндуро выбор других элементов: подшипников, поршней, поршневых колец, цилиндров, систем охлаждения, коромысел, их ударников, клапанов, а также способа их установки. Здесь следует использовать опыт, накопленный при эксплуатации мощных дорожных мотоциклов и даже спортивных автомобилей. Эти элементы отличаются надежностью и долговечностью, а значит, вполне пригодны для соревнований в шестидневке.
Чрезвычайно важной является проблема выбора момента инерции коленчатого вала, влияющего на приемистость мотоцикла и его торможение двигателем. В последнее время более выгодными считаются сравнительно небольшие легкие коленчатые валы, которые значительно снижают массу и уменьшают размеры современных двигателей, настраиваемых на минимально возможную наивысшую мощность. Не при этом следует обеспечить благоприятную скоростную характеристику.
Для разгрузки двигателя масляный бак, как это делалось и прежде, иногда размещают отдельно от него во внутреннем пространстве рамы. С другой стороны, интерес здесь представляет система смазки фирмы «Хускварна», где используется масляный бак, общий для двигателя и коробки передач. Двигатель не имеет топливного насоса, смазка его осуществляется разбрызгиванием. В момент понижения давления в картере нижняя грань поршня открывает канал, соединяющий объем картера с полостью, в которой расположен цепной привод распределительного вала. При этом масло поступает к смазываемым частям двигателя. Из нижней части объема картера оно выдавливается в эту полость при повышении давления в картере. Обратный его выброс в картер предотвращен клапаном, настроенным на определенное давление. Весь распределительный механизм с головкой цилиндра смазывается маслом, разбрызгиваемым цепью (или ремнем).
Значительные трудности в четырехтактном одноцилиндровом двигателе класса более 500 см3 по сравнению с двухтактными возникают в связи с вибрациями, особенно при использовании легкого коленчатого вала.
Балансировки и способ крепления двигателя не решают проблемы, к тому же вообще упругое крепление двигателя к раме в спортивных мотоциклах с цепным приводом является неблагоприятным. Остается или смириться с некоторым увеличением вибраций, или использовать дополнительные балансирующие устройства.
Компромиссным для двигателей эндуро решением является использование двух или чаще одного балансирующего вала, вращающегося с такой же частотой, что и коленчатый вал, но в противоположном направлении.
