Почему "летают" мотоциклы?

Сфера применения мотоцикла (будем называть так любую двухколесную машину с двигателем внутреннего сгорания) чрезвычайно широка, поэтому и вариантов исполнения мотоциклетных двигателей неисчислимое множество. Подробный обзор всех этих конструкций - тема не статьи, а весьма объемистой книги. Здесь постараюсь обозначить лишь основные тенденции развития двигателей для мотоциклов*.

Спор между двухтактными и четырехтактными двигателями в автомобилестроении был решен в пользу четырех тактов еще в 50-е годы (правда, не окончательно - процесс, разработанный австралийской фирмой "Орбитал", весьма заинтересовал крупнейшие автомобильные компании мира). В мотоциклостроении же обе принципиальные схемы мирно уживаются, поделив сферы влияния. Причем двухтактные двигатели закрепились в двух совершенно различных областях - они применяются либо на дешевых машинах утилитарного назначения, либо на мотоциклах ярко выраженного спортивного характера. В первом случае их ценят за простоту. Во втором - за двукратный перевес в мощности над четырехтактным двигателем того же рабочего объема (в теории). Правда, в силу присущих двухтактному двигателю недостатков - прежде всего, продувки топливно-воздушной смесью - это преимущество на практике никогда не удается воплотить полностью. Но все же перевес получается солидным - не зря в мотогонках Гран-при четырехтактные двигатели не появляются уже более десяти лет.

ВСЕГО ДВА ТАКТА

Двухтактные моторы машин утилитарного назначения весьма традиционны по конструкции и фактически застыли на уровне, достигнутом к началу 70-х годов. У них относительно невысокая (для мотоциклостроения) литровая мощность - не более 100 л. с./л. Как правило, эти двигатели - одноцилиндровые, с отлитым из алюминиевого сплава цилиндром и чугунной гильзой. Смазка - в смеси с топливом либо раздельная. Зажигание - незамысловатая электронная бесконтактная схема. Во впускном тракте установлен лепестковый клапан, препятствующий обратному выбросу смеси. Это простое и эффективное устройство позволяет расширить рабочий диапазон двигателя и повысить КПД, потому двухтактники, где нет этого узла, можно пересчитать по пальцам.

СЛОЖНЕЕ, ЕЩЕ СЛОЖНЕЕ

Есть и более изысканные конструкции - у двухтактных двигателей мотороллеров и легких мотоциклов, выпускаемых в Европе и Японии. Мотороллерные моторы - с воздушным принудительным охлаждением, а наиболее форсированные (до 140 л. с./л) - даже с жидкостным. Чугунную гильзу у таких двигателей заменяет специальное покрытие, обычно никелькремниевое. Раздельная система смазки применяется обязательно - иначе "двухтактник" не вписывается в довольно жесткие нормы чистоты выхлопа. Не редкость на современных мотороллерах и мопедах и катализатор в выпускной системе. Объединяет "утилитарные" двухтактные моторы одно: их рабочий объем не превышает 200 см3 - при большем разрыв в топливной экономичности двух- и четырехтактных двигателей становится слишком заметным. Лишь два исключения - наш ИЖ и чешская "Ява" - конструкции, корни которых уходят в полувековую давность, подтверждают это правило. Бывают исключения и с "другой стороны": не редкость утилитарные машины с четырехтактными двигателями объемом 125 и даже 100 см3 (причем у "Хонды", а также ее многочисленных копий из Юго-Восточной Азии "полтинник" и тот может быть четырехтактным).

Подлинный шедевр современной техники - двухтактные двигатели спортбайков и машин типа "эндуро". Сложностью "начинки" они не уступают четырехтактным моторам! Кроме лепесткового клапана на впуске, появилась еще и специальная заслонка - так называемый мощностной клапан - на выпуске. Дело в том, что для двухтактного двигателя чрезвычайно важное значение имеет не только форма камеры сгорания и каналов в "теле" двигателя, но и настройка впускной и выпускной систем. Это связано с продувкой цилиндра, во время которой часть топливно-воздушной смеси вылетает в выпускную систему. Смесь удается вернуть в камеру сгорания, используя волновые процессы. Но лишь в определенном диапазоне оборотов. Мощностной клапан, перекрывая часть проходного сечения выпускного патрубка, меняет сопротивление выпускной системы и тем самым ее настройку, расширяя диапазон наиболее эффективной работы двигателя. Такие системы появились в начале 80-х годов на двухтактных моторах кроссовых и гоночных мотоциклов. Поначалу они имели центробежные регуляторы механического типа, но сейчас управление мощностными клапанами возложено на электронику.

Поскольку литровая мощность описанных двигателей очень высока - до 300 л.с./л - и, соответственно, тепловой режим весьма напряженный, то их охлаждение только жидкостное. Электронные системы зажигания - более сложные, с цифровым процессором, что позволяет задавать оптимальное опережение в зависимости от оборотов двигателя.

Будущее двухтактных двигателей, очевидно, за системами впрыска топлива, которые позволят, наконец, разделить процессы продувки и наполнения цилиндра. Характерно, что в конце 1996 года появились сразу две модели совершенно различного назначения с двухтактными двигателями, оснащенными впрыском топлива, - 50-кубовый мотороллер "Веспа-50ЕТ2" и 500-кубовый спортбайк "Бимота V-Дуэ".

ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЕ

Конструкции таких моторов не менее, а, пожалуй, даже и более разнообразны, чем двухтактных. Подходы к проектированию двигателей для машин утилитарного назначения и для дорогих тяжелых мотоциклов опять-таки совершенно различны. Для "рабочей лошадки" характерен одноцилиндровый двигатель рабочим объемом 125-250 см3, с почти вертикальным расположением цилиндра, воздушным охлаждением, верхним распределительным валом с приводом цепью, двухклапанной головкой цилиндра.

В отличие от автомобиля, где двигатель всегда закрыт капотом и его дизайном начали заниматься лишь в последние годы, для мотоцикла внешний вид двигателя часто имеет решающее значение. Только, пожалуй, в американском автомобилестроении мода влияла на число и расположение цилиндров. А для мотоцикла такое - в порядке вещей: вот уже 15 лет не проходит мода на двухцилиндровые V-образные четырехтактные двигатели, представленные великим множеством вариантов рабочего объема - от 125 до 1500 "кубиков". Своеобразные достоинства этой компоновочной схемы - особая вибрация и характерный неровный звук мотора - в общем, мотоциклетные радости мало понятны завзятому автомобилисту.

Но вершина развития мотоциклетных двигателей - это, конечно, рядные "четверки". Моторы подобного типа всегда на два-три шага опережают автомобильные. Например, четырехклапанная схема, которая лишь в последние годы стала общепринятой в автомобилестроении, получила широкое распространение на мотоциклетных четырехцилиндровых моторах уже в конце 70-х годов. Да и сегодня много ли найдется автомобильных двигателей с удельной мощностью 175 л. с./л, способных работать на 12 000 об/мин? А вот 105-сильная "Хонда-CBR600R", из технической характеристики которой взяты эти параметры, не считается слишком уж "горячим" спортбайком - так, разъездная лошадка на каждый день.

Поскольку четырехцилиндровые моторы весьма популярны и в автомобилестроении, то интересно подробнее рассмотреть конструкцию такого двигателя, чтобы понять, как достигают столь высоких показателей.

Прежде всего бросается в глаза целая батарея карбюраторов - по одному на каждый цилиндр. Такое решение позволяет убить целую стаю зайцев: каждый цилиндр получает смесь оптимального состава, обеспечивается равномерность наполнения (конечно, при условии синхронизации карбюраторов), впускной тракт получается минимальной длины, поэтому топливо не конденсируется на его стенках. Кроме того, форма тракта - почти прямая, без изгибов и выступов. Своеобразна и конструкция карбюраторов. Кроме дроссельной заслонки, они оснащены дроссельным золотником с дозирующей иглой, подвешенным на гибкой мембране. Полость над мембраной соединена с впускным трактом. Заслонка регулирует количество смеси, при этом в соответствии с ее положением и скоростным режимом работы двигателя золотник с иглой автоматически обеспечивает постоянное разрежение у распылителя и тем самым - точное дозирование смеси. По сути, батарея индивидуальных карбюраторов дает почти те же преимущества, что и распределенная система впрыска топлива, но за меньшую цену. Это и определяет пока еще умеренное распространение систем впрыска на мотоциклах (на рядных "четверках" впрыск применяет лишь БМВ и на одной модели - "Ямаха").

Цилиндры и головки цилиндров двигателей отливают из алюминиевого сплава. Покрытие на стенках цилиндров - никель-кремниевое, но в последнее время вновь получили распространение чугунные гильзы, обеспечивающие больший срок службы мотора. Охлаждение - жидкостное, по той же схеме, что принята и в автомобиле. В систему смазки включен масляный радиатор, который на наиболее современных двигателях также с жидкостным охлаждением. Специальные распылители брызгают маслом на внутреннюю поверхность поршня, снижая тепловое напряжение этой детали.

Два верхних распределительных вала вращают чаще всего с помощью многозвенной пластинчатой цепи, надежной и малошумной. Для компактности их располагают достаточно близко друг к другу, так что угол между клапанами (два впускных и два выпускных на цилиндр, а у двигателей "Ямаха" - три впускных и два выпускных) составляет около 30°. При этом форма камеры сгорания компактна, с небольшой площадью поверхности, что способствует повышению термического КПД. Часть камеры сгорания образуется выемкой в поршне, так что в верхней мертвой точке периферийная область днища почти соприкасается с головкой цилиндра. Топливно-воздушная смесь в конце хода сжатия с силой выталкивается из этой области в зону свечи зажигания, перемешивая при этом весь заряд смеси (так называемый сквиш-эффект). Таким образом, смесь перед появлением искры находится в интенсивном движении, причем более богатый заряд - как раз у свечи, что помогает надежному воспламенению и быстрому сгоранию смеси.

Применение микропроцессоров в системе зажигания позволяет учитывать большее количество параметров. Так, момент опережения зажигания определяется не только числом оборотов двигателя, но и положением дроссельной заслонки. Поскольку средние цилиндры испытывают, несмотря на жидкостное охлаждение, более напряженный тепловой режим, момент зажигания для них изменяется по иной закономерности, чем для крайних.