Изучающим мотоцикл

В предыдущей статье мы уже упоминали о том, что на отечественных мотоциклах и мотороллерах применяются поршневые двух- и четырехтактные двигатели внутреннего сгорания. Теперь пришло время познакомиться с ними поближе.

Вспомним: двигатель — устройство, в котором тепловая энергия сгорающего топлива превращается в механическую. Этот процесс протекает в несколько последовательных стадий: впуск топливной смеси, сжатие, расширение и выпуск. Их совокупность составляет рабочий цикл. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня (один оборот коленчатого вала), двигатель называется двухтактным. Если за четыре хода поршня (два оборота) — четырехтактным.

Одноцилиндровый двухтактный двигатель мотоцикла «Восход» (175 см3). Газораспределение осуществляется поршнем, имеющим в юбке вырезы 1. Поршневые кольца удерживаются от проворачивания штифтами 2. В теле цилиндра есть перепускные каналы 3.

Двухтактные двигатели, как правило, устанавливают на более дешевые, простые мотоциклы, на которых в основном и ездят все новички. Область применения четырехтактных моторов — более серьезные машины, требующие уже определенного опыта эксплуатации. Причины такого разделения «сфер влияния» станут понятны, если мы рассмотрим, чем в принципе отличаются одни двигатели от других.

Двухцилиндровый четырехтактный двигатель мотоцикла К-750М (750 см3). Хорошо виден механизм газораспределения: 1 — клапан; 2 — пружина клапана: 3 — тарелка пружины клапана; 4 — толкатель; 5 — распределительный вал; 6 — шестерня распределительного вала.

Главные аргументы двухтактных двигателей — простота конструкции и дешевизна изготовления. Ведь у них все операции рабочего цикла осуществляются одним и тем же элементом — поршнем. Он во время своего движения открывает впускное окно, через которое в кривошипную камеру засасывается рабочая смесь; предварительно сжимает ее в этой камере до 1,25— 1,5 кг/см2; открывает перепускные каналы, по которым рабочая смесь попадает в надпоршневое пространство; сжимает ее снова и, уже при движении вниз, открывает выпускное окно для выхода отработавших газов. В его юбке имеются специальные вырезы, или окна, соответствующие по конфигурации окнам в цилиндре. В канавках для поршневых колец устанавливаются штифты, предохраняющие кольца от проворачивания, попадания стыков в окна и, следовательно, от поломок.

Как видим, процесс впуска и выпуска решен конструктивно и регулировкам не подлежит. Это, конечно, намного упрощает эксплуатацию мотоцикла.

Иное дело — двигатель четырехтактный. В нем впуск и выпуск осуществляются самостоятельными клапанами, приводимыми в движение через рычаги или толкатели от кулачкового (распределительного) вала. Вал этот, в свою очередь, связан с коленчатым валом двигателя и должен обеспечивать открывание и закрывание клапанов в моменты, когда поршень находится в строго определенном положении. Весь этот механизм называется газораспределительным. В процессе работы его детали постепенно изнашиваются, и со временем приходится делать регулировку. Операция эта, конечно, стоит не в одном ряду с хирургическими, но все же требует навыка. Неумелая регулировка сразу скажется — двигатель потеряет мощность, «застучит», а то и вовсе выйдет из строя.
Из сказанного, вроде бы, можно сделать вывод, что двухтактный мотор — мечта мотоциклиста. Но посмотрим на дело с другой стороны. Вернитесь к той фразе, где мы даем определение двух- и четырехтактным двигателям. Нашли ее? Обратите внимание: ведь по этому определению получается, что двухтактные двигатели при одних и тех же размерах с четырехтактными должны быть вдвое мощнее! А на практике это далеко не так! В чем же тут дело?

Причина этого кажущегося парадокса в той самой простоте устройства, которая так подкупила при первом знакомстве. Поршень выполняет слишком много функций. Он не в состоянии «заткнуть все дыры». Несмотря на различные ухищрения, улучшающие продувку (особое направление перепускных каналов, специальные выступы на головке поршня и т. д.), цилиндры двухтактных двигателей все-таки плохо очищаются от продуктов сгорания. Как следствие, в них поступает относительно меньше свежей смеси, процесс горения протекает хуже, и, значит, неизбежно падает мощность. В то же время при выпуске отработавших газов вместе с ними «вылетает в трубу» большое количество свежей смеси — происходит так называемый «прямой выброс». Он один увеличивает расход топлива на 20—30%. А кроме него еще существует и обратный выброс — в карбюратор1 На мотоциклах старых типов с открытым сетчатым воздухофильтром потери от обратного выброса доходили до 20—25%.

Но двухтактный двигатель не только гораздо «прожорливее» четырехтактного. По причинам*, только что рассмотренным, он еще и заметно сильнее загрязняет воздух. Этот последний довод всего десяток лет назад мало кем воспринимался всерьез. А сейчас он становится одним из главных и, надо полагать, со временем может существенно повлиять на долю тех или иных двигателей в общем выпуске.

И все же, как бы там ни было, простота устройства остается одним из самых желанных качеств мотоцикла в целом и двигателя в частности, ибо она залог надежности. Если с этой позиции рассмотреть, например, вопрос, сколько цилиндров должен иметь двигатель, то можно увидеть интересные закономерности, а иногда и противоречия.

Сначала о закономерностях. С самого своего рождения и чуть ли не до наших дней мотоциклетный двигатель был одноцилиндровым. Разве что в классах 750 см3 и выше конструкторы снабжали его парой цилиндров. Да и то отчасти поневоле — приходилось считаться с тем, что не каждый водитель был в состоянии преодолеть сопротивление смеси, сжимаемой в таком большом объеме, и провернуть коленчатый вал при пуске.

Одноцилиндровые моторы — как двухтактные, так и четырехтактные — и по сей день строятся во всех странах мира, имеющих мотопромышленность, и устанавливаются на мотоциклы в тех случаях, когда заведомо главными качествами выступают простота устройства и надежность или дешевизна. В основном это моторы малых кубатур — рабочим объемом до 175—200 см3. Встречаются, хотя и реже, и только на мотоциклах спортивных или дорожно-спортивных, одноцилиндровые двигатели рабочим объемом до 350 см3'. А «рекордсменом» по праву можно считать двигатель ЯВА-500, предназначенный для ледовых мотоциклов.

Между тем давно известно, что одноцилиндровый двигатель имеет и множество «врожденных» пороков (вот они, обещанные противоречия!). Главные из них: неуравновешенность, неравномерность крутящего момента, склонность к
вибрации на больших оборотах, напряженность теплового режима*. ( * Полная расшифровка этих понятий и выяснение связей между ними выходят за рамки «беседы». О них можно прочесть в первой из книг, рекомендуемых в конце статьи (прим. автора). ) Прежде, при сравнительной тихоходности моторов эти недостатки не так бросались в глаза, и с ними можно было, мириться. Сейчас положение становится все более острым.

В мировом мотоциклостроении явно наметилась склонность к росту числа цилиндров. Как правило, двигатели от 250 см3 и выше уже сейчас имеют два и больше цилиндров. Это «дробление» рабочего объема позволило заметно поднять литровую мощность увеличением числа оборотов и степени сжатия. Подсчитано, однако, что уменьшать объем одного цилиндра и увеличивать число цилиндров можно только до определенного предела. Таким пределом считается объем цилиндра около 62 см3 и общее число — восемь. В качестве примера можно назвать четырехтактный четырехцилиндровый 350-кубовый двигатель гоночного мотоцикла «Восток» (С-364) или четырехтактный восьмицилиндровый (I) 500-кубовый двигатель итальянского гоночного мотоцикла «Гуцци». Дальнейшее уменьшение объема и увеличение числа цилиндров ставит перед конструкторами уже почти непреодолимые технические трудности: ведь такой двигатель нужно разместить на той же мотоциклетной раме и создать условия для его охлаждения! Приходится идти на всевозможные уловки: делать двигатели V-образными, ставить цилиндры в ряд поперек рамы или располагать оппозитно, то есть один против другого по обеим сторонам мотора, да еще и в два этажа; устраивать сложное и дорогое водяное охлаждение и т. п. Такие меры оправданы только тогда, когда мотор собирают вручную для какого-то специального мотоцикла, существующего буквально в нескольких экземплярах. Для серийных же мотоциклов строятся только двух-, трех-или, гораздо реже, четырехцилиндровые двигатели.

Не надо обладать богатым воображением, чтобы понять: неизмеримо легче сделать одноцилиндровый 350-кубовый мотор, чем четырехцилиндровый. Крошечные цилиндры и поршни, миниатюрные клапаны, почти игрушечные рычаги и валы — все это требует филигранной точности изготовления и столь же точной регулировки. Даже мягкость работы такого двигателя, равномерность крутящего момента и почти полное отсутствие вибрации не спасают положения — этими качествами часто выгоднее пожертвовать в пользу простоты и надежности.

Потому и не сдаются поклонники одноцилиндровых моторов. Конструкторы добиваются увеличения мощности, специально подбирая систему продувки и тщательно отрабатывая форму камеры сгорания, позволяющую увеличить степень сжатия без риска вызвать детонацию. Приходится подвешивать двигатель на резиновых муфтах, чтобы по возможности уменьшить передачу вибрации на раму. Подобное крепление двигателя
применяется, например, на мотоциклах МЦ-300, «ИЖ-Планета-спорт», «Паннония» П-20. Для улучшения охлаждения такие двигатели имеют мощное оребрение, переходящее даже на картер, а ребра головки часто располагаются веером.

Работа по совершенствованию одноцилиндровых моторов продолжается. Еще не использованы все возможности. И это позволяет оптимистически смотреть на их будущее.

В заключение хотелось бы рассмотреть еще один вопрос. Он уже не имеет непосредственного отношения к теме надежности, но представляет, как нам кажется, значительный интерес. Речь пойдет о взаимном соотношении диаметра цилиндра и хода поршня.

Если сопоставить, к примеру, эти данные мотоциклов разных лет, то даже-неспециалисту станет ясно, что непрерывно идет процесс уменьшения хода поршня и увеличения диаметра. Чем же это вызвано?

В первую очередь, конечно, тем, что при этом двигатель в целом становится легче; наименьшая поверхность цилиндра достигается при отношении хода поршня к диаметру S : D = 1. При уменьшении хода поршня существенно уменьшается и его средняя скорость. А это не только благоприятно отражается на его долговечности, но и позволяет увеличить обороты двигателя.

Нельзя без конца увеличивать диаметр поршня, уменьшать его ход, повышая таким образом обороты. Во-первых, при увеличении оборотов растет центробежная сила вращающихся масс, а с ней — и нагрузка на нижнюю головку шатуна. Во-вторых, камера сгорания короткоходного двигателя при современных высоких степенях сжатия приобретает все более плоскую форму — и это невыгодно, так как увеличиваются тепловые потери и ухудшаются условия бездетонационного сгорания. Наконец, уменьшение хода поршня двухтактных двигателей ограничено, потому что связано с сечением каналов и окон газораспределения.

Существует такой термин: «поршневая мощность». Она выражается соотношением, в котором фигурирует площадь поршня (или суммарная площадь всех поршней), и позволяет судить о степени форсированности двигателя. Увеличить эту площадь можно, увеличивая число цилиндров и уменьшая отношение S : D (ход поршня к диаметру). В современных двигателях это отношение колеблется от 0,8 до 1,2. Таким образом, мы увидели, что вопрос, казалось бы не имевший прямого отношения к теме разговора, на самом деле тесно с ней связан (мы снова вернулись к числу цилиндров!).

Для тех, кто захочет глубже разобраться во всем этом, рекомендуем книги: С. Ю. Иваницкий, Б. С. Карманов, В. В. Рогожин, А. Т. Волков. «Мотоцикл» (теория, конструкция, расчет). «Машиностроение», 1971; В. В. Бекман. «Гоночные мотоциклы. «Машиностроение». Ленинград, 1969; М. Г. Гинцбург. «Эксплуатация мотоцикла». «Машиностроение», 1973.

Б. ДЕМЧЕНКО,
мастер спорта