Мотоциклы

1. Общее устройство мотоциклетных двигателей

Мотоциклетный двигатель служит для преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании горючего в рабочем цилиндре, в механическую, которая через силовую передачу подводится к ведущему колесу и используется для движения мотоцикла.

Мотоциклетный двигатель состоит из кривошипно-шатунного механизма, механизма газораспределения, системы питания, системы зажигания и системы смазки. Приборы системы питания обеспечивают приготовление и подачу в цилиндр смеси паров горючего и воздуха, т. е. приготовление и подачу горючей смеси. Горючей смесью называется такая смесь паров горючего с воздухом, состав которой обеспечивает распространение пламени во всем занятом ею пространстве. Приборы системы зажигания служат для воспламенения рабочей смеси. Рабочей смесью называется смесь паров горючего и воздуха с остаточными газами в цилиндре двигателя.

Для создания масляного слоя между трущимися деталями двигателя с целью уменьшения трения между ними и отвода тепла от них служит система смазки двигателя. Охлаждение двигателя обычно осуществляется воздухом, обдувающим двигатель во время движения мотоцикла.

Кривошипно-шатунный механизм (рис. 2) служит для преобразования прямолинейного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Он состоит из картера 1, цилиндра 2, поршня 3, шатуна 4 и коленчатого вала, составными частями которого являются маховики 5.

Рис. 2. Схема кривошипно-шатунного механизма: 1 — картер; 2 — цилиндр; 3 — поршень; 4 — шатун; 5 — маховик; 6 — шатунный палец; 7 — коренной палец.

Картер двигателя служит опорой для коленчатого вала и цилиндра двигателя и сборником для масла, смазывающего детали двигателя. Кроме того, картер защищает кривошипно-шатунный механизм от загрязнения. Картер двигателя устанавливается непосредственно на раме мотоцикла.

Цилиндр крепится к картеру двигателя с помощью шпилек или болтов. Цилиндр имеет направляющий поясок и фланец для соединения с картером двигателя. Сверху цилиндр закрыт головкой, в которой имеется камера сжатия[1]. В головку цилиндра ввернута запальная свеча. Внешняя поверхность цилиндра и головки цилиндра двигателя воздушного охлаждения выполнена ребристой для увеличения поверхности охлаждения цилиндра. Отвод тепла от ребер осуществляется потоком воздуха, обдувающего цилиндр при движении мотоцикла. Цилиндры и головки цилиндров двигателей водяного охлаждения окружены рубашкой охлаждения.

Поршень представляет собой стакан, который своим днищем направлен в сторону камеры сжатия. Стенками поршень скользит по внутренней поверхности цилиндра. Верхняя часть поршня, на которой расположены кольцевые канавки с поршневыми кольцами, называется головкой поршня. Поршневые кольца служат для уплотнения зазора между поршнем и внутренней поверхностью цилиндра и для снятия со стенок цилиндра излишнего масла. Нижняя часть поршня называется юбкой. На внутренних стенках поршня расположены бобышки, в отверстия которых вставлен поршневой палец, связывающий поршень с шатуном.

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом двигателя. Он состоит из головки, стержня и большой головки.

Коленчатый вал преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное. Он состоит из шатунного пальца, на который опирается через подшипник кривошипная головка шатуна, щек, образованных в данном случае маховиками, и коренных пальцев, закрепленных в центре маховиков. Коренными пальцами коленчатый вал опирается на коренные подшипники, расположенные в стенках картера. Маховики, благодаря накопленной в них энергии, обеспечивают поддержание равномерности хода двигателя и трогание мотоцикла с места. Связанный с поршнем через шатун коленчатый вал двигателя, вращаясь, перемещает поршень в цилиндре, причем поршень то отходит от оси коренных шеек коленчатого вала на максимальное расстояние, то приближается к ней. Крайние положения поршня в цилиндре называются мертвыми точками. При наибольшем удалении от оси коренных шеек коленчатого вала поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ). При наименьшем удалении поршня от оси коренных шеек поршень находится в нижней мертвой точке (НМТ). Объем, освобождаемый поршнем в цилиндре при перемещении от верхней мертвой точки до нижней, называется рабочим объемом цилиндра. Он равен произведению площади поперечного сечения цилиндра на ход поршня, который в свою очередь равен расстоянию, проходимому поршнем при перемещении от одной мертвой точки до другой.

Сумма объема камеры сжатия и рабочего объема цилиндра носит название полного объема цилиндра. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия называется номинальной степенью сжатия. Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси, сжимаемой поршнем в цилиндре при его перемещении от нижней мертвой точки до верхней.

Газораспределение четырехтактного мотоциклетного двигателя (рис. 3, а) служит для впуска в цилиндры двигателя горючей смеси и выпуска оттуда продуктов сгорания.

Рис. 3. Газораспределение мотоциклетных двигателей: а — газораспределение четырехтактного двигателя: 1 — впускной клапан; 2 — выпускной клапан; 3 — толкатель; 4 — выпускной кулачок; 5 — впускной кулачок; б — газораспределение двухтактного двигателя: 1 — продувочный канал; 2 — выпускное окно; 3 — впускное окно.

Газораспределение состоит из впускного и выпускного кулачков, толкателей, впускного и выпускного клапанов. Валики кулачков, связанные шестернями с коленчатым валом, вращаются вдвое медленнее его. При этом впускной и выпускной кулачки нажимают на толкатели и открывают впускные и выпускные клапаны двигателя. Период, в течение которого клапан открыт, носит название фазы (угла действия) клапана. Фазы клапанов определяются обычно в градусах поворота коленчатого вала. Максимальная высота (в миллиметрах), на которую поднимается клапан, называется подъемом клапана.

У двухтактных двигателей (рис. 3, б) газораспределение представляет собой систему каналов и окон. Впуск горючей смеси в цилиндр из картера происходит через продувочный канал 1. Выпуск отработавших газов — через выпускное окно 2 и впуск горючей смеси в картер из карбюратора — через впускное окно 3. Во время работы окна двухтактного двигателя открываются и закрываются стенками поршня при его перемещении в цилиндре двигателя.

2. Классификация мотоциклетных двигателей

Мотоциклетные двигатели могут быть подразделены по рабочему объему (литражу) цилиндров, по типу охлаждения двигателя, по числу тактов и по числу и расположению цилиндров.

По рабочему объему мотоциклетные двигатели разделяются на четыре основные группы:

1) С объемом 75—125 см³. Эти двигатели, предназначенные для сверхлегких мотоциклов и мотовелосипедов, одноцилиндровые и в основном работают по двухтактному процессу.

2) С объемом цилиндра 125–250 см³. Эти двигатели, предназначенные для легких мотоциклов, одноцилиндровые, двухтактные и четырехтактные.

3) С объемом 250–500 см³. Эти двигатели, предназначенные для средних мотоциклов, одноцилиндровые или двухцилиндровые.

4) С объемом выше 500 см³. Эти двигатели, предназначенные для тяжелых мотоциклов, двухцилиндровые, изредка четырехцилиндровые.

По типу охлаждения двигатели делятся на две группы: воздушного охлаждения и жидкостного охлаждения.

Двигатели воздушного охлаждения являются наиболее распространенными на мотоциклах, так как для воздушного охлаждения цилиндров достаточно сделать их ребристыми. Удачное расположение ребер на цилиндре двигателя и самих цилиндров, а также интенсивный обдув их при движении обеспечивают хороший отвод тепла от цилиндров.

Двигатели водяного охлаждения на мотоциклах применяются редко, так как наличие радиатора, водяных трубопроводов и рубашки охлаждения на цилиндрах двигателя усложняет устройство двигателя и утяжеляет мотоциклы.

По числу тактов двигатели подразделяются также на две группы: четырехтактные и двухтактные.

В четырехтактных двигателях рабочий цикл[2] завершается за четыре такта — четыре хода поршня — за два оборота коленчатою вала двигателя. Четырехтактные двигатели имеют рабочий объем цилиндров от 150 до 1200 см³, причем рабочий объем одного цилиндра не превышает 600 см³.

Преимущество этих двигателей заключается в их экономичности. Высокая экономичность четырехтактных двигателей определяется наличием клапанного распределения, обеспечивающего наилучшее наполнение цилиндров горючей смесью. Но сложность механизма газораспределения является недостатком четырехтактного двигателя, так как это затрудняет и производство, и уход за ним. В четырехтактном двигателе газы при сгорании горючего действуют на поршень только на протяжении одного хода поршня от верхней до нижней мертвой точки. Следующие три хода поршня используются для заполнения цилиндра горючей смесью, сжатия ее и выталкивания из цилиндров отработавших газов. Таким образом, из четырех ходов поршня только один ход является рабочим, а остальные три хода — вспомогательными.

В двухтактных двигателях рабочий цикл завершается за два такта — два хода поршня — за один оборот коленчатого вала. Двухтактные двигатели имеют рабочий объем цилиндров от 75 до 350 см³, причем рабочий объем одного цилиндра не превышает 350 см³. Преимущество этих двигателей заключается в отсутствии у них сложного механизма распределения, а также в лучшем использовании объема цилиндров, чем у четырехтактного двигателя, так как за каждый оборот коленчатого вала совершается один рабочий ход. Следовательно, из каждых двух ходов поршня один ход будет рабочим и один вспомогательным.

При сравнении двухтактного и четырехтактного двигателей с одинаковым рабочим объемом цилиндров и одинаковым числом оборотов кажется, что мощность двухтактного двигателя должна быть вдвое больше, чем четырехтактного. Но в действительности при этих условиях мощность двухтактного двигателя несколько меньше или равна мощности четырехтактного двигателя. Это объясняется потерей части хода поршня на наполнение и выпуск. Кроме того, горючая смесь, выталкивая отработавшие газы из цилиндра, перемешивается с ними и частично уходит в выпускную трубу. Расход горючего при этом значительно возрастает, а наполнение цилиндров горючей смесью уменьшается.

По числу и расположению цилиндров двигатели делятся на одноцилиндровые, двухцилиндровые и четырехцилиндровые с вертикальным, наклонным и горизонтальным расположением цилиндров.

Вертикально цилиндр располагается в том случае, когда высота двигателя невелика и он не мешает расположению над ним бака для горючего. При вертикальном расположении цилиндра собственный вес поршня не оказывает давления на боковую стенку цилиндра и поэтому износ стенок цилиндра будет минимальным. Наклонное и особенно горизонтальное расположение цилиндра применяется для уменьшения общей высоты двигателя и понижения центра тяжести мотоцикла, но при этом несколько увеличивается износ стенок цилиндра за счет действия на них собственного веса поршня.

Продольное горизонтальное расположение цилиндра сильно увеличивает общую длину двигателя и вызывает удлинение рамы мотоцикла.

Увеличение числа цилиндров двигателя применяется для повышения мощности двигателя, а также для получения равномерности хода при сохранении общей высоты двигателя. Преимущество двигателей с V-образным расположением цилиндров заключается в том, что шатуны обоих цилиндров могут соединяться с общей для них шатунной шейкой кривошипа (рис. 4, а), но в этом случае чередование вспышек в цилиндрах двигателя будет неравномерным.

Рис. 4. Схемы расположения цилиндров мотоциклетных двигателей: А — V-образное расположение цилиндров: а — с неравномерным чередованием вспышек: б — с равномерным чередованием вспышек; Б — линейное расположение цилиндров: в — с общим коленчатым валом; г — с отдельными коленчатыми валами; В — оппозитное расположение цилиндров (д).

У некоторых V-образных двигателей равномерность чередования вспышек достигается путем расположения цилиндров и шатунных шеек кривошипа под одинаковым углом (рис. 4, б).

V-образные двигатели размещаются обычно продольно, что значительно ухудшает охлаждение заднего цилиндра. Поэтому на некоторых мотоциклах двигатель размещается поперек рамы, что значительно улучшает охлаждение двигателя.

Линейное вертикальное расположение цилиндров (рис. 4, в) обеспечивает компактность двигателя и равномерное чередование вспышек, однако при таком расположении цилиндров увеличивается неуравновешенность двигателя вследствие одностороннего движения поршней.

Для гоночных мотоциклов применяют линейное вертикальное расположение цилиндров с отдельными кривошипами на каждый цилиндр (рис. 4, г). Кривошипы имеют противовесы и соединены между собой шестернями. Такое расположение цилиндров обеспечивает хорошую устойчивость мотоцикла в движении.

На рис. 4, д представлена схема двухтактного двухцилиндрового мотоциклетного двигателя, шатунные шейки которого расположены под углом 180°, что обеспечивает равномерное чередование вспышек и обеспечивает хорошую уравновешенность двигателя, так как поршни перемещаются в цилиндрах в противоположном друг другу направлении.

Оппозитное[3] горизонтальное расположение цилиндров, принятое для мотоцикла М-72 (рис. 4, д), обеспечивает хороший обдув цилиндров, низкое расположение центра тяжести, а следовательно, и устойчивость мотоцикла. Недостатком такого расположения является большой вынос цилиндров двигателя в стороны, что увеличивает возможность их повреждения при падении и движении по сильно пересеченной местности.

На некоторых мотоциклах цилиндры двигателя расположены вдоль рамы. При таком расположении уменьшается ширина мотоцикла и возможность повреждения цилиндров, но ухудшается охлаждение заднего цилиндра.

3. Принцип работы мотоциклетного двигателя

Принцип работы мотоциклетного двигателя заключается в том, что в цилиндре двигателя осуществляется превращение тепловой энергии, получающейся при сгорании горючего, в механическую энергию. Так как процесс сгорания происходит непосредственно в рабочем цилиндре двигателя, то такие двигатели называются двигателями внутреннего сгорания.

В двигателях внутреннего сгорания карбюраторного типа горючая смесь вводится в цилиндр и сгорает там, производя механическую работу. Продукты сгорания горючего выводятся из цилиндра и снова происходит заполнение цилиндра горючей смесью. Горючая смесь, поступая в цилиндр двигателя и перемешиваясь с оставшимися там отработавшими газами, образует рабочую смесь.

Рабочий цикл в цилиндре мотоциклетного двигателя может быть завершен за два такта (два хода поршня) или за четыре такта (четыре хода поршня).

Тактом называется часть рабочего цикла, совершаемая в основном при перемещении поршня от одной мертвой точки до другой.

Ходом поршня называется расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой.

В четырехтактных двигателях за период рабочего цикла происходит последовательное чередование следующих тактов: впуска, сжатия, расширения и выпуска.

В двухтактных двигателях за период рабочего цикла происходит последовательное чередование следующих тактов: сжатия, включающего окончание впуска горючей смеси и сжатие рабочей смеси, и расширения, включающего расширение, выпуск и начало впуска.

В рабочем цикле только в такте расширения совершается полезная работа. Остальные такты цикла являются подготовительными и служат для впуска и сжатия горючей смеси и выпуска отработавших газов.

Во время такта расширения предварительно сжатая рабочая смесь, воспламеняемая при помощи электрической искры, сгорает. При сгорании температура газов достигает 2200 °C. За счет повышения температуры давление газов в цилиндре резко увеличивается. Наибольшее давление газов в цилиндре достигает 35–40 кг/см². Под действием давления газов поршень перемещается от верхней мертвой точки к нижней.

4. Четырехтактный цикл двигателя

Рассмотрим процессы, происходящие последовательно в цилиндре четырехтактного двигателя, предполагая, что двигатель работает при полном открытии дроссельной заслонки, потери на трение в двигателе отсутствуют и давление воздуха в картере двигателя постоянно и равно атмосферному.

В конце такта выпуска поршень начинает перемещаться от верхней мертвой точки к нижней, впускной клапан открывается. В результате перемещения поршня в такте впуска давление в цилиндре понижается до 0,8–0,85 кг/см², вследствие чего в него поступает горючая смесь. Во время впуска горючая смесь нагревается, а в конце впуска температура ее достигает 50-100 °C.

Раннее открытие впускного клапана позволяет создать проходное сечение в клапане достаточной величины к началу перемещения поршня от верхней мертвой точки к нижней, а также использовать для лучшего наполнения цилиндров подпор горючей смеси во впускном патрубке и отсасывающее действие отработавших газов в конце такта выпуска предыдущего рабочего цикла.

Изменение давления газов в цилиндре двигателя при перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней в такте впуска показано графически на рис. 5.

Рис. 5. Процесс впуска четырехтактного двигателя: V_c — объем камеры сжатия; Vh — рабочий объем цилиндра; Р — давление внешнего воздуха; r — начало такта впуска; а — конец такта впуска.

На линии ОР отложено давление (в кг/см²) в цилиндре двигателя, на линии OV — объем цилиндра. Расстояние V_c соответствует объему камеры сжатия, V_h — рабочему объему цилиндра. Отложим на линии ОР расстояние ОР_0, соответствующее давлению в 1 кг/см², и проведем через точку Р₀ линию, параллельную линии OV. Эта линия называется атмосферной линией и соответствует давлению внешнего воздуха. Кривая га показывает изменение давления в цилиндре двигателя в такте впуска.

Как было указано выше, на каждый квадратный сантиметр площади днища поршня в цилиндре будет действовать давление, равное примерно 0,8–0,85 кг. Если считать, что давление в картере постоянно и равно 1 кг/см², то на поршень будет действовать сила, направленная от нижней мертвой точки к верхней и равная разности давлений в цилиндре и в картере (0,15—0,2 кг/см), помноженной на площадь поршня. Поэтому для перемещения поршня от верхней мертвой точки до нижней затрачивается работа, равная произведению силы, действующей на поршень, на путь, проходимый поршнем от верхней мертвой точки к нижней.

Таким образом, при перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней в такте впуска некоторая часть работы двигателя затрачивается на заполнение цилиндров двигателя горючей смесью. Эта работа может быть совершена за счет использования энергии, накопленной в маховике за предыдущий рабочий цикл. Она называется насосной работой (или насосными потерями).

При перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней происходит сжатие рабочей смеси. Так как в конце впуска (рис. 6, точка а), что соответствует началу сжатия, давление в цилиндре двигателя ниже давления внешнего воздуха, то поступление в цилиндр горючей смеси возможно и на некотором ходе поршня от нижней мертвой точки к верхней.

Рис. 6. Процесс сжатия четырехтактного двигателя: а — начало такта сжатия; а' — точка, соответствующая давлению в 1 кг/см2; с' — момент зажигания; с" — конец такта сжатия.

Поэтому впускной клапан закрывается через 50–80° поворота коленчатого вала после нижней мертвой точки.

При перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней давление в цилиндре двигателя начинает повышаться и в точке а достигает 1 кг/см². При дальнейшем перемещений поршня к верхней мертвой точке рабочая смесь в цилиндре двигателя сжимается и давление в цилиндре возрастает. Увеличение давления в цилиндре двигателя происходит не только за счет сжатия, но и за счет нагревания рабочей смеси от горячих стенок цилиндра, днища поршня, впускных и выпускных клапанов.

Температура в конце сжатия может быть в пределах 350–400 °C, а конечное давление в цилиндре двигателя при степени сжатия 5–8 достигает 8—12 кг/см².

В конце такта сжатия происходит зажигание рабочей смеси. Однако еще до конца такта сжатия давление в цилиндре повышается в основном за счет продолжающегося сжатия рабочей смеси. За этот период сгорает с малой скоростью некоторое очень небольшое количество рабочей смеси около электродов свечи.

Работа, затрачиваемая на сжатие рабочей смеси, увеличивается по мере перемещения поршня к верхней мертвой точке. В каждый отдельный момент сила, действующая на поршень по направлению от нижней мертвой точки к верхней, будет равна произведению разности давлений над поршнем и под поршнем в этот момент на площадь днища поршня. Эта сила противодействует перемещению, поршня к верхней мертвой точке и на ее преодоление затрачивается энергия, запасенная маховиком во время предыдущего рабочего цикла.

В такте расширения происходит сгорание рабочей смеси в течение 0,002—0,003 секунды, причем горение распространяется со скоростью 20–40 м в секунду.

На рис. 7 показано изменение давления в цилиндре двигателя в процессе такта расширения.

Рис. 7. Процесс расширения четырехтактного двигателя: с" — конец такта сжатия; е — начало открытия выпускного клапана; c' — конец расширения, Z — конец видимого горения.

В начале такта расширения начинается быстрое сгорание рабочей смеси и резкое повышение давления в цилиндре до конца видимого горения (точка Z). В этом случае давление в цилиндре двигателя возрастет от 8—12 кг/см² до 30–40 кг/см² при температуре газов 2200–2400 °C.

При нормально работающем двигателе давление газов в цилиндре двигателя достигнет максимальной величины в момент, когда коленчатый вал двигателя повернется на 15–20° после верхней мертвой точки. За точкой Z горение в цилиндре двигателя продолжится, но вследствие быстрого перемещения поршня к нижней мертвой точке объем газов резко увеличится и при этом горючее будет догорать с замедленной скоростью.

Обычно за 30–80° до нижней мертвой точки открывается выпускной клапан. В момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре двигателя достигает 4–5 кг/см². Благодаря раннему открытию выпускного клапана уже в начале его открытия до 75 % продуктов сгорания выбрасывается из цилиндра двигателя под действием давления газов. В конце расширения давление газов в цилиндре падает до 1,2–1,4 кг/см², а температура понижается до 1000–1100 °C. Отметим, что поршень при своем движении от нижней мертвой точки к верхней в такте выпуска испытывает небольшое давление газов. Таким образом, раннее открытие выпускного клапана необходимо для более быстрого освобождения цилиндров от горячих отработавших газов и для облегчения работы поршня по выталкиванию их из цилиндров в такте выпуска.

Возникающая в цилиндре двигателя сила давления, образующаяся в результате расширения газов, производит полезную работу, перемещая поршень от верхней мертвой точки к нижней. В каждый отдельный момент сила, действующая на поршень по направлению от верхней мертвой точки к — нижней, будет равна произведению разности давлений под поршнем и над поршнем на площадь днища поршня.

После такта расширения поршень начинает перемещаться от нижней мертвой точки к верхней, выталкивая из цилиндра отработавшие газы.

На рис. 8 показано изменение давления в цилиндре двигателя в такте выпуска.

Рис. 8. Процесс выпуска четырехтактного двигателя: а — начало такта сжатия; а' — точка, соответствующая давлению в 1 кг/см²; r — конец такта выпуска, c" — конец такта сжатия; Z — конец видимого сгорания; е" — конец расширения.

Величина давления в цилиндре двигателя изменяется по кривой от 1,3–1,5 кг/см² в точке е" до 1,15—1,2 кг/см² в точке r. Отработавшие газы выталкиваются из цилиндра поршнем за счет использования энергии, запасенной в маховике во время такта расширения.

При подходе поршня к верхней мертвой точке скорость поршня уменьшается. В это время отработавшие газы по инерции продолжают с большой скоростью уходить в выпускную трубу. Это явление используется для улучшения очистки цилиндров, и поэтому выпускной клапан закрывается после того, как поршень начал двигаться от верхней мертвой точки к нижней.

Так как впускной клапан открывается за 10–70° до верхней мертвой точки, а выпускной закрывается после верхней мертвой точки, то происходит перекрытие клапанов, при котором и впускной и выпускной клапаны одновременно открыты. В этот период свежая горючая смесь поступает в цилиндры.

При перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней на него действует сила, величина которой в каждый отдельный момент равна произведению разности давлений над поршнем и под поршнем на площадь днища поршня.

Диаграмма, на которой показано изменение давления в цилиндре двигателя за время рабочего цикла, называется индикаторной диаграммой, так как это изменение давления записывается особым прибором — индикатором.

Рассмотрим порознь изменение давления на тактах впуска и выпуска (рис. 9) и на тактах сжатия и расширения.

Рис. 9. Диаграмма насосных потерь четырехтактного двигателя: V_c — объём камеры сжатия; Vh — рабочий объем цилиндра.

Механические потери в двигателе складываются из работы, затрачиваемой на преодоление трения в двигателе, на привод вспомогательных механизмов двигателя и на насосные потери. Механические потери в двигателе обычно определяются путем проворачивания коленчатого вала двигателя от электромотора. При вращении коленчатого вала электромотор затрачивает мощность не только на преодоление трения между рабочими деталями двигателя и на привод вспомогательных механизмов, но и на впуск воздуха в цилиндры двигателя и выпуск его из цилиндров.

На рис. 10 показано изменение давления в цилиндре двигателя во время тактов сжатия и расширения. Изменение давления в цилиндре двигателя на такте сжатия изображено на диаграмме линией ас".

Рис. 10. Индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя: Z — начало сгорания; c' — конец расширения; а — начало такта сжатия; c" — конец такта сжатия; r — конец такта выпуска.

Как было указано ранее, работа, затрачиваемая на сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя, является работой вспомогательной. На ее совершение затрачивается энергия, запасенная в маховике во время предыдущего рабочего цикла.

Изменение давления в цилиндре на такте расширения изображено на диаграмме линией cZa. Работа, совершаемая газами во время такта расширения и запасенная в маховике, частично затрачивается на сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя. Остальная часть работы используется на преодоление трения в двигателе, на насосные потери, на преодоление трения в силовой передаче мотоцикла и на перемещение мотоцикла по дороге во время его движения. Эта работа носит название полезной.

Полезная работа, развиваемая за один рабочий цикл, равна разности работы, получаемой при расширении, и работы, затрачиваемой на сжатие. Следовательно, полезная работа двигателя, используемая за один цикл, может быть представлена в виде площади, ограничиваемой кривой ас" Zе'а (рис. 11).

Рис. 11. Среднее индикаторное давление четырехтактного двигателя: а — начало такта сжатия; c" — конец такта сжатия; Z — конец видимого горения; е' — конец расширения.

Но полезная работа, развиваемая газами в цилиндре двигателя, может быть представлена на диаграмме не в виде площади, ограниченной линией Ос" Zа и имеющей сложную форму, а в виде равновеликого ей прямоугольника, длина которого соответствует расстоянию, проходимому поршнем от одной мертвой точки до другой, а высота равна средней высоте индикаторной диаграммы.

Так как давление газов в кг/см² откладывалось на вертикали в определенном масштабе, то высота прямоугольника представляет собой среднее индикаторное давление, которое является условным постоянным давлением, действующим на поршень при его перемещении от верхней мертвой точки к нижней. Полезная работа, совершаемая газами при постоянном среднем индикаторном давлении, будет равна полезной работе, совершаемой газами в цилиндре двигателя при переменном давлении, изменение которого показано на диаграмме.

Мощность, развиваемая газами в цилиндре двигателя, носит название индикаторной мощности. Зная среднее индикаторное давление, легко подсчитать индикаторную мощность. Для этого следует помножить величину среднего индикаторного давления (в кг/см²) на площадь поршня (в см²). Произведение будет равно силе (в кг), действующей на поршень во время всего его хода.

Произведение силы на путь поршня, проходимый им от одной мертвой точки до другой, равно работе (в кгм), совершаемой газами за рабочий цикл.

Для определения индикаторной мощности необходимо знать число рабочих циклов, совершаемых в цилиндре двигателя в одну секунду. Поскольку обычно известно число оборотов двигателя в одну минуту, то, разделив это число на 60, подсчитаем число оборотов в одну секунду. Так как при четырехтактном процессе один цикл совершается за два оборота коленчатого вала, то разделив на два число оборотов коленчатого вала за одну секунду, узнаем число рабочих циклов в одну секунду.

Если работа, совершаемая за один цикл (в кгм), известна, то, помножив ее величину на число рабочих циклов в одну секунду, подсчитаем мощность (в кгм/сек), развиваемую двигателем. Обычно мощность двигателя исчисляется в лошадиных силах, а одна лошадиная сила равна 75 кгм/сек. Следовательно, разделив полученную мощность двигателя в кгм/сек на 75 кгм/сек, получим мощность двигателя в лошадиных силах.

5. Двухтактный цикл двигателя222.

Схема работы мотоциклетного двухтактного двигателя представлена на рис. 12.

Рис. 12. Схема работы двухтактного двигателя: а — сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя и впуск горючей смеси в кривошипную камеру; б — расширение в цилиндре двигателя и сжатие горючей смеси в кривошипной камере; в — продувка цилиндра горючей смесью; г — начало сжатия рабочей смеси в цилиндре двигателя.

Цилиндр двигателя укреплен на кривошипной камере. На боковых стенках цилиндра внизу расположены три окна: продувочное окно, сообщающее каналом цилиндр с кривошипной камерой, выпускное окно, сообщающее цилиндр с внешней средой, и впускное окно, сообщающее кривошипную камеру с карбюратором. Верхняя кромка выпускного окна находится несколько выше верхней кромки продувочного окна. Нижняя кромка выпускного и продувочного окон расположены на уровне днища поршня при его положении в нижней мертвой точке.

Рассмотрим рабочий процесс двухтактного двигателя. Предположим, что за предыдущий рабочий цикл произошло сжатие рабочей смеси в кривошипной камере и цилиндр двигателя в основном заполнен свежей горючей смесью, поступившей через продувочное окно из кривошипной камеры.

При перемещении от нижней мертвой точки к верхней поршень вначале перекрывает своей боковой стенкой продувочное окно, а затем открывает впускное окно. Так как при перемещении поршня к верхней мертвой точке объем кривошипной камеры увеличивается, в камере создается разрежение. Атмосферный воздух, проходя через смесительную камеру карбюратора, под действием разрежения подхватывает капельки горючего, выходящего из распылителя карбюратора, обдувая их, тем самым способствует испарению.

Образующаяся горючая смесь поступает в кривошипную камеру. Испарение оставшихся в горючей смеси капелек горючего будет продолжаться в кривошипной камере за счет отбора тепла от горячих стенок цилиндра, поршня и кривошипной камеры. Когда поршень дойдет до верхней мертвой точки, давление горючей смеси в кривошипной камере достигнет 0,8 кг/см².

В дальнейшем, при перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней, объем кривошипной камеры начинает уменьшаться, но на некотором участке хода поршня горючая смесь продолжает поступать из карбюратора в кривошипную камеру, так как в этот период давление в камере ниже, чем внешнее. Впускное окно закрывается в момент выравнивания внешнего давления и давления в кривошипной камере. После закрытия впускного окна давление горючей смеси продолжает повышаться за счет ее сжатия и нагревания от стенок поршня и цилиндра.

При подходе к нижней мертвой точке поршень сначала откроет выпускное, а затем и продувочное окно. К моменту открытия продувочного окна давление в кривошипной камере достигнет 1,3 кг/см². После открытия продувочного окна горючая смесь из кривошипной камеры поступает на продувку цилиндра и при положении поршня в нижней мертвой точке давление в кривошипной камере упадет до 1,02—1,05 кг/см². Температура рабочей смеси равна при этом 100–150 °C.

При положении поршня в нижней мертвой точке продолжается поступление горючей смеси из кривошипной камеры в цилиндр двигателя (рис. 12, в).

Поскольку давление рабочей смеси в картере двигателя несколько больше, чем в цилиндре, то в начале перемещения поршня от нижней мертвой точки к верхней продолжается продувка цилиндра горючей смесью. При этом горючая смесь перемешивается с остаточными газами. Продувка закончится в момент перекрытия поршнем продувочного окна.

При дальнейшем перемещении поршня вверх некоторая часть рабочей смеси выталкивается поршнем в выпускное окно и только после перекрытия поршнем выпускного окна начинается сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя. Поэтому перемещение поршня от нижней мертвой точки до момента перекрытия поршнем выпускного окна называется потерянным ходом.

Остальная часть хода до верхней мертвой точки называется полезным ходом.

В процессе сжатия рабочая смесь в цилиндре двигателя нагревается, и к концу сжатия давление в цилиндре достигает 5–7 кг/см², а температура 350–400 °C.

На рис. 13 показано изменение давления в цилиндре двигателя в такте сжатия.

Рис. 13. Процесс сжатия в двухтактном двигателе: V_c —объем камеры сгорания; рабочий объем цилиндра; а' — начало сжатия; с'' — конец сжатия; Z — конец видимого горения; е — начало выпуска.

На линии ОР отложено в масштабе давление (Р, кг/см²) в цилиндре двигателя, на линии OV — объем цилиндра. Расстояние V_c соответствует объему камеры сгорания, V_h — рабочему объему цилиндра.

Отложим на линии ОР расстояние ОР₀, соответствующее давлению в 1 кг/см², и проведем через точку Р₀ линию, параллельную линии OV. Линия Р₀а, называемая атмосферной линией, соответствует давлению внешнего воздуха. Линия a'с'' показывает изменение давления в цилиндре в такте сжатия.

Давление и температура рабочей смеси в конце сжатия в цилиндре двухтактного двигателя будут меньше, чем у подобного четырехтактного двигателя. Это в основном вызывается утечкой рабочей смеси из цилиндра за счет запаздывания закрытия выпускного окна и повышенным содержанием в рабочей смеси отработавших газов.

При перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней до момента перекрытия поршнем продувочного окна горючая смесь из кривошипной камеры продолжает поступать в цилиндр двигателя После перекрытия поршнем продувочного окна в кривошипной камере снова создается разрежение и снова горючая смесь поступает из карбюратора в кривошипную камеру.

В конце хода сжатия осуществляется зажигание рабочей смеси искрой, проскакивающей между электродами запальной свечи.

Воспламенение рабочей смеси начинается несколько ранее верхней мертвой точки (в точке с' на рис. 14) и продолжается после того, как поршень после верхней мертвой точки начнет перемещаться к нижней мертвой точке.

Рис. 14. Процесс сгорания — расширения в двухтактном двигателе: а' — начало сжатия; а — конец выпуска; с' — момент зажигания; с'' — конец сжатия; Z — конец видимого горения; е — начало выпуска.

При правильно подобранном моменте зажигания и наивыгоднейшем соотношении горючего и воздуха в рабочей смеси максимальное давление в цилиндре двигателя наступит, когда коленчатый вал повернется на 15–20° после верхней мертвой точки. При полном открытии дроссельного золотника максимальное давление достигнет 30–35 кг/см², температура газов в этот момент повысится до 2000–2200 °C.

При дальнейшем перемещении поршня вниз происходит догорание рабочей смеси и расширение газов.

К моменту открытия выпускного окна давление в цилиндре уменьшается До 3–5 кг/см² и температура газов — до 700-1000 °C.

После открытия выпускного окна давление в цилиндре резко падает. Через 5—15° поворота коленчатого вала после открытия продувочного окна оно равно примерно 1,2–1,25 кг/см², т. е. из цилиндра к этому моменту выйдет почти 70 % всего объема отработавших газов. При перемещении от верхней мертвой точки к нижней поршень снова сжимает в кривошипной камере поступившую туда из карбюратора горючую смесь. С момента открытия продувочного окна начинается выталкивание поступающей из кривошипной камеры горючей смеси и находящихся еще в цилиндре отработавших газов. При этом происходит частичное перемешивание горючей смеси с остаточными газами, а также выбрасывание части рабочей смеси вместе с отработавшими газами в выпускную трубу. Это вызывает уменьшение наполнения цилиндров горючей смесью и увеличение расхода горючего.

При положении поршня в нижней мертвой точке давление в цилиндре двигателя падает до 1 кг/см².

На рис. 15 показано изменение давления в цилиндре двигателя во время тактов сжатия и расширения.

Рис. 15. Среднее индикаторное давление двухтактного двигателя: а — начало сжатия; с" — конец сжатия; Z — конец видимого горения; е — начало выпуска.

Как и в четырехтактном двигателе, полезная работа, развиваемая за один рабочий цикл, в двухтактном двигателе равна разности работ — работы, получаемой при расширении, и работы, затрачиваемой на сжатие. Полезная работа двигателя на рис. 15 показана в виде площади, ограничиваемой кривой ac"Zea.

Для удобства определения индикаторной мощности построим прямоугольник, площадь которого равна площади, ограничиваемой кривой ac"Zca, а длина соответствует расстоянию, проходимому поршнем от одной мертвой точки до другой. В этом случае высота прямоугольника будет равна средней высоте индикаторной диаграммы, которая в масштабе, отложенном на вертикали, соответствует среднему индикаторному давлению.

Индикаторная мощность для двухтактного двигателя определяется так же, как и для четырехтактного, с той лишь разницей, что число циклов для двухтактного двигателя будет равно числу оборотов коленчатого вала двигателя.

В отличие от четырехтактных двигателей, степень сжатия двухтактного двигателя имеет два значения: номинальная степень сжатия и действительная степень сжатия.

Номинальной степенью сжатия называется отношение суммы объема камеры сжатия и рабочего объема цилиндра к объему камеры сжатия. Под рабочим объемом цилиндра подразумевается объем, описываемый поршнем при его перемещении от одной мертвой точки до другой.

Действительной степенью сжатия называется отношение объема камеры сжатия и полезного объема цилиндра в момент закрытия органов газораспределения к объему камеры сжатия.

Полезным объемом цилиндра называется объем, описываемый поршнем при его перемещении от верхнего края выпускного окна до верхней мертвой точки.

6. Требования, предъявляемые к мотоциклетным двигателям

Мотоциклетные двигатели работают в различных атмосферных дорожных условиях при переменной нагрузке и переменном числе оборотов и должны обеспечивать достаточную скорость движения и экономичную работу мотоцикла.

К современным мотоциклетным двигателям предъявляется ряд требований по следующим основным показателям, оказывающим существенное влияние на ходовые качества мотоцикла: надежность работы и долговечность, экономичность работы на стандартном для данного двигателя горючем, приемистость, уравновешенность, равномерность хода, достаточная литровая мощность, небольшой удельный вес, малые габариты, простота ухода за двигателем и его ремонта.

Надежность работы и долговечность двигателя зависят от качества применяемого для его изготовления материала, точности обработки и подгонки деталей, а также от качества применяемых горючего и масла. Большое влияние на надежность работы и долговечность двигателя оказывает поддержание нормального теплового режима работы двигателя в процессе эксплуатации.

Экономичность работы двигателя обеспечивается небольшими потерями (на трение внутри двигателя, на заполнение цилиндров горючей смесью и на выпуск отработавших газов из цилиндра), наиболее выгодным соотношением горючего и воздуха в горючей смеси для каждого режима работы двигателя, а также наиболее полным сгоранием горючего внутри цилиндра двигателя.

Приемистость двигателя — способность двигателя быстро увеличивать обороты и мощность при резком открытии дроссельного золотника карбюратора. Приемистость двигателя зависит от качества работы карбюратора и системы распределения, обеспечивающих быстрое изменение нагрузки двигателя. Чем больше приемистость двигателя, тем при прочих равных условиях выше способность мотоцикла набирать скорость, а следовательно, обеспечивать высокую среднюю скорость движения.

Уравновешенным является такой двигатель, у которого силы, действующие на раму мотоцикла, при установившемся режиме его работы постоянны по величине и направлению. Это значит, что двигатель, а с ним и рама мотоцикла, не колеблются в вертикальном и горизонтальном направлениях вследствие изменения величины и направления действия сил, возникающих в работающем двигателе. Чем уравновешеннее двигатель, тем меньше колебаний в раме, руле и других агрегатах и механизмах мотоцикла, влияющих непосредственно на плавность движения и утомляемость водителя.

Равномерность хода двигателя — способность двигателя незначительно изменять скорость вращения коленчатого вала в период между следующими один за другим рабочими ходами. Равномерность хода зависит от числа цилиндров, массы маховика, числа оборотов коленчатого вала и равномерности чередования вспышек в цилиндрах двигателя. Маховик, накапливающий живую силу в момент рабочего хода, отдает ее затем на поддержание скорости вращения коленчатого вала. Живая сила маховика затрачивается на преодоление трения в двигателе, на выпуск отработавших газов, впуск горючей смеси и на сжатие ее. Вследствие этого скорость вращения коленчатого вала двигателя уменьшается к началу следующего рабочего хода. Если маховик обладает достаточной массой и чередование вспышек происходит через равномерные и небольшие отрезки времени, то скорость вращения коленчатого вала двигателя между следующими один за другим рабочими ходами будет уменьшаться незначительно. Чем выше равномерность вращения коленчатого вала двигателя, тем плавнее ход мотоцикла.

Литровой мощностью двигателя называется мощность, приходящаяся на один литр рабочего объема двигателя. Большая литровая мощность может быть получена при условии, если двигатель обладает хорошим наполнением цилиндров горючей смесью при высоких оборотах коленчатого вала и наиболее полным сгоранием ее внутри цилиндров. Повышению литровой мощности способствует также наличие высокой степени сжатия.

Мотоциклетные двигатели должны обладать большой литровой мощностью, так как в этом случае для получения необходимой мощности на мотоциклах могут быть установлены двигатели с малым рабочим объемом, а следовательно, и с малым весом.

Удельным весом двигателя называется вес, приходящийся на одну единицу номинальной мощности двигателя (на 1 л. с.). Снижение удельного веса двигателя обеспечивается изготовлением его из легких и прочных материалов, а также увеличением его литровой мощности. Чем ниже удельный вес двигателя, тем при прочих равных условиях он в большей степени способен обеспечить высокую среднюю скорость движения мотоцикла.

Малые габариты двигателя обеспечивают удобное его расположение на раме, уменьшение лобового сопротивления мотоцикла и понижение его центра тяжести. Малые габариты достигаются благодаря большой литровой мощности двигателя и компактному размещению его деталей.

Простота ухода за двигателем него ремонта уменьшают потребное для этого время и облегчают эксплуатацию мотоцикла.