1. Условия охлаждения мотоциклетных двигателей
Охлаждение двигателя служит для поддержания на различных режимах такой температуры его деталей, при которой обеспечивается нормальная работа двигателя.
Для нормальной работы двигателя необходимо, чтобы средняя рабочая температура его деталей не превышала следующих пределов: тарелки выпускного клапана 600–700 °C; головки цилиндра воздушного охлаждения 230–260 °C; головки цилиндра водяного охлаждения 120–150 °C; стенок цилиндра воздушного охлаждения 140–180 °C; стенок цилиндра водяного охлаждения 90—110 °C; днища алюминиевых поршней 200–250 °C; днища чугунных поршней 300–400 °C.
Так как средняя температура газов, омывающих внутри цилиндра указанные детали, значительно выше, то для поддержания нормальной работы двигателя необходимо отводить от этих деталей излишек тепла, получаемый ими от газов. Излишек тепла отводится от двигателя в основном стенками и головками цилиндра и в незначительной степени стенками картера двигателя. От стенок картера тепло отводится воздухом, омывающим картер при движении мотоцикла.
От головки и стенок цилиндра тепло может быть отведено воздухом (при воздушном охлаждении) или жидкостью (при водяном охлаждении).
На подавляющем большинстве мотоциклетных двигателей имеется воздушное охлаждение. Для увеличения поверхности охлаждения, а следовательно, лучшего охлаждения, головка и стенки цилиндра снабжены ребрами. Иногда на мотоциклах применяются двигатели с жидкостным охлаждением (рис. 57).
Рис. 57. Схема жидкостного охлаждения: 1 — радиатор; 2 — трубопроводы; 3 — рубашка цилиндра.
В этом случае цилиндр окружен рубашкой охлаждения, в которой циркулирует жидкость, отнимающая тепло от стенок цилиндра. Нагретая от стенок головки цилиндра жидкость поступает в радиатор, где охлаждается.
Количество тепла, отводимого от двигателя, зависит от ряда причин, наиболее важными из которых являются следующие: температура охлаждающего воздуха (воды); скорость обтекания охлаждающим воздухом (водой) поверхности головки и цилиндра; степень завихрения охлаждающего воздуха (воды) и состояние поверхности цилиндра и головки.
Количество тепла, перетекающего от горячих газов к стенке цилиндра, пропорционально разности температур газов и стенок цилиндра и поэтому при воздушном охлаждении тепло отводится от газов хуже, чем при водяном, так как стенки цилиндров при воздушном охлаждении имеют среднюю температуру 140–180 °C, а при водяном охлаждении 90—110 °C.
При воздушном охлаждении от двигателя отводится 15–20 %, а при водяном — 20–30 % всего тепла, получаемого при сгорании горючего в цилиндре, причем 2–5 % тепла отводится воздухом от картера двигателя.
Изменение температуры охлаждающего воздуха (воды) соответственно изменяет температуру стенок и головки цилиндра, что в свою очередь изменяет количество отводимого тепла. Значительное отклонение температуры стенок и головки цилиндра от норм, указанных ранее, ухудшает работу двигателя.
Уменьшение отвода тепла, вызываемое повышением температуры охлаждающего воздуха (воды), загрязнением наружной поверхности стенок цилиндра, а также увеличение количества нагара в головке двигателя, на поршне и клапанах приводят к перегреву деталей двигателя. При этом ухудшается наполнение цилиндров двигателя, так как горючая смесь, нагреваясь от горячих стенок цилиндра, занимает больший объем, а ее весовое количество в цилиндре уменьшается. Кроме того, рабочая смесь может нагреться от внутренних стенок головки и цилиндра до температуры самовоспламенения, что вызовет самопроизвольную вспышку в цилиндре. Самопроизвольная вспышка рабочей смеси в цилиндре двигателя ведет к неравномерной работе двигателя со стуком.
Перегретый двигатель работает обычно с повышенной детонацией, так как сжимаемая в цилиндре рабочая смесь сильно нагревается от стенок цилиндра и головки. При повышенной температуре рабочей смеси горючее образует с кислородом воздуха неустойчивые соединения, которые сгорают в цилиндре двигателя со взрывной скоростью. При таком сгорании быстро повышающееся давление в цилиндре двигателя вызывает характерные резкие стуки.
При перегреве двигателя наблюдаются, кроме того, разложение и коксование масла. При температуре 200–250 °C масло теряет свои смазочные свойства и, коксуясь в зазорах между кольцами и кольцевыми канавками, вызывает заклинивание кольца в их канавках.
Кроме того, при перегреве двигателя наблюдается понижение механической прочности его деталей, чрезмерный их износ и заедание.
Чрезмерный отвод тепла от цилиндров двигателя также неблагоприятно отражается на его работе. При переохлаждении двигателя наблюдается конденсация горючего на стенках цилиндра, стук и неравномерное сгорание горючего.
Горючая смесь, поступающая в цилиндр двигателя, соприкасаясь с холодными стенками цилиндра, конденсируется и осаждается на них в виде пленки. Эта пленка смывает со стенок цилиндра масло. Масло разжижается горючим и стекает с ним в картер двигателя. Под действием конденсированного горючего вязкость масла, находящегося в картере двигателя, уменьшается.
Таким образом, переохлаждение двигателя вызывает повышенный износ поршневых колец, поршня и цилиндров, подшипников и других деталей двигателя.
У переохлажденного двигателя сгорание в цилиндре двигателя происходит медленнее, чем у перегретого. Это объясняется, во-первых, тем, что в данном случае образуется бедная горючая смесь, которая горит медленно, и, во-вторых, тем, что капельки горючего, находящиеся в рабочей смеси во взвешенном состоянии, горят только по своей поверхности, что замедляет сгорание.
2. Влияние режима работы и регулировки двигателя на количество отводимого тепла
Мотоциклетные двигатели воздушного охлаждения работают в условиях переменных нагрузок и переменной скорости обдува двигателя воздухом. Поэтому количество отводимого от цилиндров тепла должно быть достаточным для сохранения в пределах нормы температуры основных деталей двигателя.
При работе на холостом ходу тепло от цилиндров двигателя передается воздуху. С течением времени температура цилиндров может увеличиваться выше нормы, так как количество тепла, отводимого от ребер двигателя воздухом, будет меньше, чем количество тепла, получаемого ими от газов. Поэтому при работе двигателя на месте рекомендуется прогревать двигатель несколько ниже нормальной температуры, чтобы в начале движения, когда скорость мотоцикла мала, а нагрузка на двигатель увеличилась, часть тепла затрачивалась на подогрев двигателя и остальная часть отводилась воздухом.
В последующем, когда скорость мотоцикла будет высокой, охлаждение двигателя зависит от обдува и нагрузки двигателя. Так, например, при работе двигателя с прикрытым дроссельным золотником во время движения по хорошей дороге с большой скоростью охлаждение цилиндров двигателя будет наиболее эффективным.
Это объясняется тем, что нагрузка двигателя вследствие малого сопротивления движению невелика, количество тепла, передаваемого газами, небольшое, а скорость обдува двигателя значительна.
При дросселировании двигателя передача тепла от газов в стенки цилиндра уменьшается в большей степени, чем передача тепла от цилиндра воздуха, вследствие понижения скорости движения мотоцикла. При этом условия охлаждения улучшаются и температура стенок цилиндра понижается.
Наиболее тяжелой будет работа двигателя при полном открытии дроссельного золотника, особенно во время движения по дороге с большим сопротивлением (подъем, грязь, встречный ветер и т. д.). В этом случае двигатель сильно перегревается.
Установка более раннего зажигания вызывает повышение температуры и давления газов в цилиндре двигателя, а следовательно, и количества тепла, передаваемого стенкам цилиндра. Одновременно с этим уменьшается температура выпускных газов, так как чем раньше сгорает рабочая смесь, тем большее количество тепла передается стенкам цилиндра. Это повышение количества тепла, передаваемого стенкам, у мотоциклетных двигателей в известной степени компенсируется повышением мощности и оборотов коленчатого вала двигателя в результате увеличения угла опережения зажигания. При этом скорость движения мотоцикла увеличится, а также увеличится и передача тепла от стенок цилиндра воздуху.
Обогащение рабочей смеси до определенного предела улучшает охлаждение двигателя, так как при этом понижается средняя температура цикла и уменьшается количество тепла, передаваемого от газов стенкам цилиндра. Понижение средней температуры цикла происходит вследствие того, что при недостатке воздуха в сгорании участвует не все горючее и, кроме того, часть тепла, получаемого во время сгорания, тратится на испарение и нагрев горючего, не участвующего в сгорании из-за недостатка кислорода. В практике это часто используют для понижения температуры цилиндра двигателя при движении по тяжелым участкам дороги или с большой скоростью. Но в этом случае рабочая смесь должна обогащаться только за счет увеличения (подачи горючего, а не за счет уменьшения подачи воздуха.
Обеднение рабочей смеси до определенного предела также улучшает охлаждение двигателя, т. е. при обеднении смеси происходит уменьшение передачи тепла от газов к стенкам цилиндра двигателя. Это объясняется тем, что часть тепла затрачивается на нагревание избыточного воздуха, не принимающего участия в сгорании.
Увеличение степени сжатия несколько повышает среднюю температуру цикла, так как рабочая смесь, сжатая в камере небольшого объема, сгорает при повышенных температуре и давлении. Но при этом количество тепла, передаваемого от газов стенкам камеры сгорания, снижается вследствие того, что поверхность камеры имеет уменьшенный объем. Однако температура и давление газов в конце хода расширения у двигателей с повышенной степенью сжатия получается более низкой, чем у двигателей с обычной степенью сжатия. Объясняется это тем, что при подходе поршня к нижней мертвой точке газы в цилиндре двигателя расширяются в большей, чем обычно, степени.
Таким образом, уменьшение поверхности камеры сжатия, увеличение скорости сгорания и большое расширение отработавших газов в цилиндре двигателя приводят к тому, что при повышенной степени сжатия средняя температура стенок цилиндра и головки понижается.
Но беспредельно повышать степень сжатия нельзя. Основной причиной, ограничивающей увеличение степени сжатия, является детонация, при которой одновременно с понижением температуры выпускных газов наблюдается перегрев стенок камеры сжатия вследствие местного повышения температуры.
3. Воздушное охлаждение
У мотоциклетных двигателей воздушного охлаждения передача тепла от стенок цилиндра воздуху происходит через ребра цилиндра. Для улучшения охлаждения наибольшее количество ребер располагается обычно у головки цилиндра, так как в этой части цилиндр подвергается большему температурному воздействию. Поэтому ребра у головки цилиндра делаются с большей поверхностью, чем ребра, удаленные от нее.
В зависимости от положения цилиндра относительно направления потока воздуха расположение ребер на цилиндре может быть различным. Наиболее распространено кольцевое расположение ребер, расположение ребер отдельными выступами в шахматном порядке или в ряд и продольное расположение ребер.
В первых двух случаях плоскость ребер может быть параллельна потоку воздуха, обдувающего цилиндр, или наклонна к нему.
Наиболее часто применяется кольцевое расположение ребер. Это объясняется тем, что цилиндры с кольцевым расположением ребер просты в изготовлении. При вертикальном расположении цилиндра поток обдувающего воздуха параллелен плоскости ребер, но так как обычно у мотоциклов цилиндры расположены под углом с целью уменьшения общей высоты двигателя, то кольцевые ребра располагаются к направлению потока воздуха также под некоторым углом.
Расположение ребер отдельными выступами в шахматном порядке на поверхности цилиндра (рис. 58) увеличивает передачу тепла за счет увеличения поверхности ребер и большего завихрения между ними воздуха.
Рис. 58. Цилиндр с расположением ребер отдельными выступами (в шахматном порядке).
В результате большое количество тепла отводится от выпускного клапана и патрубка, выполненных на передней стороне цилиндра. Кроме того, при таком расположении ребер улучшается использование воздушного потока, омывающего цилиндры двигателя.
У двигателя мотоцикла М1А ребра цилиндров имеют кольцевое расположение, ширина ребер на передней и задней стороне цилиндра увеличена (рис. 59).
Рис. 59. Цилиндр двигателя М1А.
Это сделано для того, чтобы поддержать температуру цилиндра одинаковой, так как равномерный отвод тепла от стенок цилиндра по окружности обеспечивает равномерное тепловое расширение и в процессе работы исключает овализацию цилиндра за счет неравномерного нагрева. Неравномерный нагрев и овализация цилиндра приводят к повышенному износу его стенок.
На головке цилиндра обычно выполняется значительное количество ребер, так как она всегда нагрета сильнее других частей цилиндра. Так же как у цилиндров, ребра на головке могут быть расположены в направлении вдоль потока воздуха или под некоторым углом к нему. На рис. 60 показано расположение ребер на головке цилиндра двигателя М-72.
Рис. 60. Оребрение головки цилиндра двигателя М-72.
Верхние края всех ребер головки связаны между собой общим ребром. При такой связи сохраняется целость ребер в случае удара мотоцикла о землю, так как цилиндры этого двигателя расположены горизонтально по сторонам мотоцикла и при его падении поломка не связанных между собой отдельных ребер была бы неизбежна. Кроме того, связующее ребро увеличивает поверхность охлаждения головки при малой высоте основных ребер.
При верхнем расположении клапанов отвод тепла от головки цилиндра затрудняется вследствие наличия на ней крышек, защищающих клапаны, пружины и коромысла от пыли и грязи. В этом случае увеличение отвода тепла достигается усиленным оребрением боковых стенок головки.