Учебное пособие

Гоночные мотоциклы

21. Смазка и охлаждение

Смазка четырехтактных двигателей

В условиях форсированных режимов работы исключительно важное значение приобретает надежная смазка трущихся деталей. Помимо основного назначения смазки — уменьшения потерь на трение — большое значение имеет внутреннее охлаждение двигателя маслом. Как показали лабораторные опыты, в циркуляционных системах смазки масло уносит значительную долю тепла, полученного в результате работы трения в подшипниках.

Кроме того, масло охлаждает нижнюю часть цилиндра, поршень и шатун, т. е. принимает часть тепловых потерь процесса горения.

Поддержание температуры основных деталей в допустимых пределах и функционирование современных гоночных двигателей со свойственным им большим расходом горючего требуют интенсивной циркуляции масла. О количествах масла, необходимого для внутреннего охлаждения, можно судить по производительности масляных помп некоторых гоночных двигателей: «Гуцци» (250 см³, 2 цилиндра) — 180 л/ч; AJS (350 см³) — 135 л/ч при 8000 мин^-1; «Нортон» (350 см³) — 135 л/ч при 6000 мин^-1; AJS (500 см³, 2 цилиндра) — 200 л/ч при 7000 мин^-1; «Нортон» (500 см

Конструктивное выполнение смазочных устройств четырехтактных двигателей базируется на применении циркуляционной смазки под давлением или системы, известной под названием смазки с сухим картером. В первом случае картер служит масляным резервуаром. Масло засасывается помпой со дна картера, подается под давлением через сверления в коленчатом валу к шатунным подшипникам и, вытекая из них, смазывает разбрызгиванием цилиндры, поршни и поршневые кольца, а затем стекает самотеком в картер, где после фильтрации снова попадает в помпу.

Система смазки с сухим картером характеризуется наличием отдельного .масляного бака, установленного обычно на раме перед или за топливным баком или под седлом, и масляной помпы (как правило, шестеренчатого типа) с двумя секциями — нагнетающей и откачивающей. Нагнетающая помпа всасывает масло из бака и заставляет его циркулировать по тому же пути, как и в предыдущей системе, с той лишь разницей, что масло со дна картера сразу захватывается откачивающей помпой и отправляется обратно в бак. Для смазывания верхнеклапанного распределительного механизма масло подается по ответвлению нагнетающей (или иногда откачивающей) магистрали к кулачковым валам, передачам и их подшипникам; избыток масла стекает в картер через кожух вертикальной передачи или по наружным трубопроводам. При полностью закрытом распределительном механизме требуется более интенсивная смазка верхнеклапанного устройства с целью охлаждения головки цилиндра и клапанов.

В системах смазки с сухим картером из общего количества циркулирующего масла от 50 до 80 % проходит через шатунный подшипник.

Большая производительность откачивающей помпы (в два-четыре раза большая, чем нагнетающей) не допускает скопления масла в картере, чем и оправдывается название этой системы. Преимущества сухою картера для гоночных двигателей очевидны. Циркуляция вне двигателя способствует понижению температуры масла н сохранению его смазывающих свойств (вязкости), тем более, что для усиления охлаждения масла у некоторых двигателей тепло рассеивается во встречном воздухе масляными радиаторами. Радиатор включается в циркуляционную систему гибкими шлангами. Опытами было установлено, что при форсированной езде повышение температуры масла в отдельном баке у системы с сухим картером достигало 17 °С, а у двигателя с масляным резервуаром в картере при том же режиме работы температура масла повышалась на 45 °С. Тем не менее имеются вполне работоспособные конструкции гоночных двигателей с масляным резервуаром в нижней части картера (в поддоне).

На двигателях для кратковременной работы (на спидвее) применяют систему смазки на «прогар» с непрерывной подачей небольшого количества масла из бака в двигатель при помощи насоса малой производительности.

Во избежание утечек масла гоночный двигатель должен иметь эффективный сапун, препятствующий образованию избыточного давления в картере. Обычно сапуном является вращающийся золотник, в качестве которого может быть использована коренная шейка коленчатого вала (см. рис. 59) или одна нз вращающихся деталей распределительного механизма.

Наиболее приемлемым для гоночных двигателей смазочным материалом является касторовое масло, гак как оно выдерживает большие удельные давления, не выдавливаясь из подшипников, н не разлагается при довольно высокой температуре. Касторовое масло проникает во все зазоры и не теряет вязкости даже в сильно нагретом состоянии. Его температура вспышки около 300 °С. Касторовое масло не применяется в чистом виде, а подвергается смешиванию с известными сортами минеральных масел и специальной обработке, улучшающей его качество и устраняющей недостатки, к которым в первую очередь относится образование липкого нагара в камерах сгорания.

Смазка двухтактных двигателей

Системы смазки двухтактных двигателей имеют некоторые особенности. Циркуляционная смазка не может быть использована, так как при большом количестве масла в каргере значительная часть его неизбежно попадала бы в цилиндр и нарушала бы нормальную работу двигателя. В настоящее время па двухтактных двигателях форсированного типа применяются три способа смазки: 1) примешивание моторного масла к бензину; 2) подача масла под давлением; 3) подача масла под давлением и примешивание моторного масла к бензину.

Первая система смазки практически не отличается от системы, принятой на подавляющем большинстве серийных мотоциклов.

Масло смешивается с бензином в пропорции от 1 : 15 до 1 : 30 в соответствии с рекомендациями изготовителей мотоциклов. Такая система смазки имеет существенные недостатки. Примесь масла в топливе понижает детонационную стойкость горючей смеси, а при постоянном содержании масла в бензине, рассчитанном на режим максимальной мощности, количество смазки на промежуточных режимах оказывается слишком большим и ведет к быстрому нагарообразованию в камере сгорания, на поршне и в окнах цилиндра.

Исследования показывают, что если при максимальной мощности требуется около 5 % масла, то на холостом ходу достаточно около 0,8 %.

Для устранения этих недостатков некоторые преимущественно японские фирмы («Ямаха», «Судзуки», «Кавасаки», «Бриджстон») применяют принудительную смазку с подачей масла в двигатель «на прогар» под давлением при помощи насоса. Используемые в таких системах насосы обычно относятся к плунжерному типу: они имеют привод от двигателя и регулируемую производительность.

Последняя может изменяться за счет приспособления, регулирующего активный ход плунжера. Это приспособление связано посредством троса с рукояткой управления дроссельной заслонкой. Таким образом, подача масла в двигатель изменяется в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя, что является преимуществом таких систем. При этом возможно осуществлять изменение отношения количества масла к количеству расходуемого бензина в пределах 1 : 70 до 1 : 13 сообразно режиму работы двигателя.

Схемы систем смазки «на прогар» показаны на рис. 80. Левая схема относится к одному из двигателей фирмы «Ямаха». Здесь масло подается от насоса через форсунку во впускной патрубок перед дисковым золотником. Масло распыливается потоком горючей смеси и, попадая в картер, смазывает все трущиеся поверхностн. Частично масло сгорает и удаляется отработавшими газами. Ход плунжера насоса невелик: он регулируется в пределах от 0,18 до 2 мм.

Рис. 80. Схемы систем принудительной смазки двухтактных двигателей: 1 — масляный бак; 2 — вращающаяся рукоятка; 3 — трос управления насосом: 4 — масляный насос: 5 — маслопроводы; 6 — привод насоса

Более рациональна для гоночных двигателей схема, показанная справа (рис. 80, «Судзуки»). В отличие от предыдущей схемы масло подается от насоса под давлением в полость между подшипниками одной из коренных шеек коленчатого вала и, вытекая в картер, попадает в маслоуловительное кольцо на боковой поверхности маховика. Далее под действием центробежной силы масло подводится по каналам в кривошипном пальце к шатунному подшипнику и затем, разбрызгиваясь, смазывает трущиеся поверхности остальных деталей. Такое же устройство имеет система смазки двигателя, показанного на рис. 41, но в этом случае масло подводится под давлением в полости за подшипниками коренных шеек с обеих сторон.

Система смазки «на прогар» обеспечивает непрерывный подвод свежего не разбавленного бензином масла к подшипникам кривошипно-шатунного механизма и уменьшает их износ; уменьшение содержания масла в горючей смеси, поступающей в цилиндр, повышая ее детонационную стойкость, позволяет несколько увеличить степень сжатия, а следовательно, и мощность двигателя.

Смешанная система смазки сводится к тому, что некоторые фирмы наряду с подачей смазки под давлением считают целесообразным добавлять к бензину некоторое количество моторного масла. При подаче масла насосом иногда наблюдается попадание избытка масла в двигатель после прикрытия дросселя на высокой частоте вращения; в результате масло забрасывает свечи. Поэтому до сих пор многие гонщики предпочитают простую смазку смесью моторного масла с топливом.

Системы охлаждения

Подавляющее большинство гоночных мотоциклов почти всегда строили с воздушным охлаждением двигателя. На высокофорсированных четырехтактных многоцилиндровых двигателях с наддувом иногда применяли водяное охлаждение. Оно встречается также па двухтактных двигателях с высокой литровой мощностью и является обязательным для двухтактных двигателей с наддувом, отличающихся особенно напряженным температурным режимом работы.

Эффективность системы охлаждения имеет для двухтактного двигателя особенно важное значение, поскольку частота рабочих циклов у него вдвое больше, чем у четырехтактного двигателя.

Зона расположения окон в средней части цилиндра подвержена неравномерному нагреву, так как с одной стороны выходят горячие отработавшие газы, а с другой —- входит сравнительно холодная свежая смесь. Помимо сильного нагревания участков цилиндра, примыкающих к выхлопному окну, это ведет к короблению зеркала цилиндра, что может вызвать утечки газов и падение мощности, а иногда и заедание поршня.

Коробление цилиндра может быть вызвано также механическими напряжениями, возникающими при затяжке резьбовых креплений головки цилиндра. Для получения правильной рабочей поверхности зеркала обработку цилиндра производят после закрепления временной головки, снабженной отверстием для прохода режущего инструмента.

При литровой .мощности более 150 кВт/л и воздушном охлаждении температурный режим работы двухтактного двигателя становится очень напряженным, что неблагоприятно отражается на его надежности. Поэтому на двухтактных двигателях все чаще используется водяное охлаждение. Иногда применяют комбинированную систему с охлаждением головки воздухом, а цилиндра водой, поскольку больше всего нагревается зона расположения выпускных окон (рис. 81), но в большинстве случаев водой охлаждается и головка цилиндра. Водяную рубашку цилиндров снабжают оребрением для дополнительного охлаждения встречным воздухом.

Рис. 81. Гоночный двухтактный двигатель MZ класса 125 см³ с комбинированной системой охлаждения (цилиндр охлаждается водой, а головка цилиндра — воздухом)

Следует заметить, что в двухтактных двигателях наблюдается уменьшение мощности по мере их прогрева до устойчивости тем-.пературы; это обусловлено нагреванием горючей смеси и уменьшением ее плотности во время процесса кривошипно-камерной продувки. Падение мощности достигает 10—20 %. При прочих равных условиях замена воздушного охлаждения водяным позволяет уменьшить эту потерю наполовину.

При водяном охлаждении зазор между поршнем и цилиндром может быть уменьшен.

Картер двигателя отливают с хорошо развитым оребрением, что предупреждает слишком сильный нагрев свежей смеси и связанное с ним уменьшение массы заряда. Стой же целью применяют водяное охлаждение картера («Дерби» класса 125 см³).

Простейшая конструкция системы водяного охлаждения показана на рис. 82: циркуляция воды между рубашкой и пластинчатым алюминиевым радиатором осуществляется за счет разности в плотностях горячей и холодной воды (термосифонная система).

Рис. 82. Гоночный двухтактный двухцилиндровый двигатель MZ класса 250 см³ с водяным охлажденном

С 1967 г. на гоночных мотоциклах с двухтактными двигателями все больше применяют водяное охлаждение с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости, поддерживаемой насосом. Более интенсивная циркуляция воды представляет собой дополнительное средство для облегчения температурного режима работы двигателя и уменьшения потерь мощности. Кроме того, такие системы охлаждения позволяют уменьшить поверхность и массу радиатора. Эти же преимущества дает применение высококипящих охлаждающих жидкостей, обеспечивающих более интенсивную передачу тепла от радиатора в воздух при повышенной температуре жидкости.

Для ускорения прогрева системы охлаждения в нее включают термостат — клапан, открывающийся по достижении определенной температуры. Нормальная работа двигателя достигается при температуре воды 75—80 °С.

На двигателях с принудительным водяным охлаждением водяной насос обычно имеет шестеренный, реже ременный привод. Для экономии мощности водяной насос гоночного мотоцикла «Крейдлер» класса 50 см³ приводился в действие электромотором, питаемым от батареи. На двигателе С2-125 (рис. 83) интенсивная циркуляция воды поддерживается насосом с производительностью 280 л/ч на режиме максимальной мощности.

Рис. 83. Двухтактный двигатель С2-125 с принудительным водяным охлаждением