>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>

Учебное пособие

Гоночные мотоциклы

17. Основные параметры гоночных двигателей

Правила проведения мотоциклетных гонок никогда не предписывали использование того или иного принципа работы двигателей, а только устанавливали допустимый рабочий объем цилиндров. Однако до 60-х годов на подавляющем большинстве гоночных мотоциклов применялись четырехтактные двигатели, которые никогда не сходили со спортивной арены. В противоположность этому двухтактные двигатели имели успех в международных гонках в некоторые периоды развития мотоциклетного спорта, которые сменялись периодами, когда такие двигатели редко появлялись в гонках и не занимали призовых мест.

В первый период существования мотоциклов (1885—1914 гг.) двухтактные двигатели применяли довольно редко не только на спортивных, но и на обычных дорожных мотоциклах. Однако уже к этому периоду относятся первые успехи мотоциклов с двухтактными двигателями в гонках.

В 1912 и 1913 гг. английские мотоциклы «Скотт» с двухцилиндровыми двухтактными двигателями водяного охлаждения получили первые призы в известной английской гонке Т. Т.

В начале 20-х годов конкуренция между двухтактными и четырехтактными двигателями обострилась, причем постоянными соперниками во всех крупных гонках класса 250 см³ были английские фирмы «Левис», изготовлявшая двухтактные двигатели, и «Ныо Империал», выпускавшая мотоциклы с четырехтактными двигателями. Обе стороны имели успех, но в целом этот период (1920—1924 гг.) закончился в пользу сторонников четырехтактных двигателей. В активе фирмы «Левис» числились две победы в гонках Т. Т. (1920 и 1922 гг.).

Наиболее существенные достижения в конструировании гоночных двигателей двухтактного типа относятся к последнему времени; с 1962 г. мотоциклы с такими двигателями регулярно выигрывали первенство мира в одном или нескольких классах. Исключительное распространение двухтактные двигатели получили в классах 50, 125 и 250 см³, часто использовались в классе 350 см³ и могли конкурировать в классах 500 и 750 см³. Четырехтактные двигатели до 1973 г. включительно первенствовали в классах 350 и 500 см³, а также 500 и 750 см³ с колясками. Кроме того, такие двигатели применяют в спидвее и очень часто — в спринте (гонках на короткие дистанции). Но следует отметить, что уже в 1975 г. на Чемпионате мира по шоссейным гонкам во всех классах чемпионами стали гонщики на мотоциклах с двухтактными двигателями.

Сводка основных технических и конструктивных параметров гоночных двух- и четырехтактных двигателей мотоциклетного типа приведена в табл. 16—19.

Анализ основных параметров гоночных двигателей показывает следующее.

1. Рабочий объем устанавливается в соответствии е международной классификацией. Наибольшее распространение имеют двигатели классов 125—250 см³.
2. Литровая мощность двигателей с наддувом достигает 170— 220 кВт/л, но, как было упомянуто выше, усовершенствование этих двигателей практически прекратилось в 1946 г. после запрещения их использования в шоссейно-кольцевых гонках. Даже при установлении рекордов, где применение наддува не ограничено, в последние годы в большинстве случаев используют двигатели без наддува.

Та6лица 16. Основные параметры гоночных четырехтактных мотоциклетных двигателей без наддува

Таблица 17. Основные параметры гоночных двухтактных мотоциклетных двигателей без наддува

Таблица 18. Основные технические параметры гоночных мотоциклетных двигателей с наддувом

Таблица 19. Основные технические параметры гоночных мотоциклетных двигателей без наддува, изготовленных в СССР

При рабочем объеме одного цилиндра 16—50 см³ литровая мощность двухтактного двигателя без наддува достигает 260— 300 кВт/л, четырехтактные двигатели без наддува при объеме цилиндра 25 см³ развивали литровую мощность до 190—200 кВт/л. При объеме одного цилиндра 125 см³ литровые мощности до 180 кВт/л для двухтактных двигателей и 135 кВт/л — для четырехтактных. При больших рабочих объемах одного цилиндра литровые мощности двигателей обоих типов значительно меньше, например для 500 см³ — не более 75—90 кВт/л.

3. На значительном этапе истории мотоциклетного спорта основным типом двигателя был одноцилиндровый (рис. 36, 37); только в классах 750 и 1000 см³ двигатели всегда строились много-цилиндровыми. Между тем одноцилиндровый двигатель при большом рабочем объеме (выше 125—175 см³) обладает серьезными недостатками, препятствующими получению высоких удельных мощностей. Его преимущества — простота и экономичность — не являются основными качествами применительно к гоночному мотоциклу. Его недостатки — неуравновешенность, неравномерность крутящего момента, склонность к сильной вибрации на больших оборотах и напряженность теплового режима работы. Все эти недостатки вызвали за последние годы ясно выраженную тенденцию к переходу на многоцилиндровые двигатели во всех классах. Встречались многоцилиндровые двигатели даже в классе 50 см³.

Рис. 36. Одноцилиндровый гоночный двигатель CZ класса 250 см³ с двумя верхними распределительными валами

Рис. 37. Двухтактный одноцилиндровый двигатель «Судзуки» гоночного типа класса 50 см³

Двухцилиндровые (рис. 38) и многоцилиндровые двигатели (рис. 39) допускают более высокое форсирование и, как правило, дают возможность получить более высокую литровую мощность, чем одноцилиндровые. Количеством цилиндров решается важный для гоночного двигателя вопрос о рабочем объеме отдельною цилиндра. Теоретически представляется выгодным раздробить рабочий объем, предписанный классом, но возможно большее число отдельных объемов. Чем меньше рабочий объем цилиндра, тем больше может быть форсирован рабочий процесс двигателя увеличением степени сжатия или давления смеси, подаваемой компрессором. Малые цилиндры обеспечивают более интенсивный отвод тепла от самых горячих частей двигателя — выпускного клапана и дна поршня. Уменьшение средней температуры этих деталей позволяет увеличить в известных пределах степень сжатия или давление подачи, не опасаясь появления детонации.

Рис. 38. Двухцилиндровый гоночный двигатель «Ява» с двумя верхними распредел и тельными валами класса 350 см³. Аналогичную конструкцию имеет советский гатель С-360

Рис. 39. Четырехцилиндровый гоночный двигатель С-360 класса 350 см³

При небольших цилиндрах уменьшаются механические напряжения из-за малой массы поступательно движущихся частей. Малые размеры цилиндров позволяют форсировать двигатель по частоте вращения, так как при этом средняя скорость поршня и средняя скорость смеси во впускном тракте не приобретают слишком высоких значений.

По этим причинам наиболее высокие литровые мощности при достаточной надежности работы развивают двигатели с малым объемом каждого цилиндра. Минимальный рабочий объем цилиндра в распространенных классах мотоциклов (125—250 см³) составлял около 25—40 см³ до 1970 г., когда были введены ограничения ФИМ (см. гл. II). Позднее двигатели этих классов проектировались, как правило, в двухцилиндровом исполнении.

В настоящее время двигатели класса 50 см³ имеют 1 цилиндр (до 1969 г. — 1—3 цилиндра); 125 см³ — 1—2 цилиндра (до 1970 г. — 1—5 цилиндров); 250 см³ — 1—2 цилиндра (до 1970 г. — 1—6 цилиндров); 350 и 500 см³ — 1—4 цилиндра (до 1964 г. — 1—8 цилиндров).

Несмотря на устойчивую тенденцию к переходу на многоцилиндровые конструкции, до последнего времени во многих гонках и в особенности в соревнованиях, не входящих в чемпионат мира, встречаются мотоциклы с одноцилиндровыми двигателями, но с каждым годом их становится меньше.

К положительным качествам миогоцилнидровых двигателей следует отнести их уравновешенность и равномерный крутящий момент. Эти свойства способствуют спокойному ходу мотоцикла и уменьшают вибрацию при высокой частоте вращения. Одиако возможности дальнейшего форсирования и усовершенствования одноцилиндровых двигателей еще нельзя считать исчерпанными.

4. Степень сжатия для двигателей без наддува заключается в пределах 8—18. Более высокие значения степени сжатия относятся к двигателям, работающим на спиртовых смесях, т. е. рекордным и используемым для гонок на гаревых треках. В шос-сейно-кольцевых гонках на большие дистанции степень сжатия обычно 9—12 для четырехтактных двигателей и до 16 — для двухтактных. Если по техническому регламенту всем участникам предписан определенный сорт горючего, то допустимая степень сжатия всецело зависит от антидетонациониых качеств этого топлива.

У двигателей с наддувом степень сжатия ниже. В зависимости от давления подаваемой смеси она колеблется от 5 до 7.

В табл. 17 для двигателей японского производства и двигателя «Ява» 250 см³ приведены значения действительной степени сжатия (т. е. с учетом высоты выхлопных окон).

5. Частота вращения, соответствующая максимальной мощности для двигателей без наддува, от 7000 до 21 000 мин^-1; двигатели с наддувом развивали максимальную мощность при частоте вращения до 10 000 мин^-1, а при рабочем объеме цилиндра 50 см³ — до 16 000 мин^-1. Хороший гоночный двигатель может выдержать без всяких повреждений работу на максимальной частоте вращения в течение нескольких часов. Некоторое значение имеет способность двигателей выдерживать высокую частоту вращения за перегибом характеристики: в условиях гонки выгодно заканчивать разгон на промежуточных передачах, переходя за частоту вращения, соответствующую максимуму мощности, так как при этом получается максимальное ускорение.
6. Наряду с частотой вращения исключительно важным параметром является среднее эффективное давление. Литровая мощность (кВт/л) выражается через частоту вращения и среднее эффективное давление следующими общеизвестными формулами;

   для четырехтактных двигателей

   (5)

   для двухтактных двигателей

   (6)

   где р_е — среднее эффективное давление, кПа; n — частота вращения, мин^-1.

Среднее эффективное давление в большинстве случаев может служить критерием для оценки форсированности рабочего процесса (среднее эффективное давление может быть низким при форсированном рабочем процессе, если механические потери по какой-нибудь причине ненормально велики). Для четырехтактных двигателей с наддувом среднее эффективное давление 1400—2400 кПа. Для двухтактных двигателей с наддувом р_е = 1000—1300 кПа. У четырехтактных гоночных двигателей без наддува p_e колеблется в пределах 1000—1400 кПа, у двухтактных — 600—1000 кПа.

7. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра (S/D) всегда привлекало внимание конструкторов. В течение длительного времени наблюдалась тенденция к уменьшению S/D. Для большей части гоночных двигателей S/D теперь заключается в пределах 0,85—1,1.

Переход к применению короткоходных двигателей был вызван рядом причин. Короткоходные двигатели легче, так как поверхность цилиндра при данном объеме достигает минимума при S/D = 1. Следствием большого отношения S/D является высокая нагрузка нижнего шатунного подшипника из-за увеличения центробежной силы вращающихся масс. Эта нагрузка не компенсируется уменьшением силы инерции поступательно-движущихся частей за счет облегчения поршня. Шатунный подшипник — одно из самых уязвимых мест быстроходного двигателя, поэтому его перегрузка—крайне нежелательное явление.

Весьма существенным преимуществом четырехтактных короткоходных двигателей следует считать возможность размещения больших клапанов благодаря увеличению диаметра цилиндра. Следовательно, уменьшение S/D способствует увеличению коэффициента наполнения и литровой мощности.

Средняя скорость поршня, которая определяет механические потери, больше для длинноходных двигателей. Отсюда можно прийти к заключению, что механический КПД при малом S/D должен быть выше.

Вместе с тем можно отметить, что при высокой степени сжатия камера сгорания короткоходного двигателя приобретает более плоскую форму, менее выгодную вследствие увеличения тепловых потерь; это обстоятельство не имеет значения только для гоночных двигателей с наддувом, работающих с относительно низкой степенью сжатия.

Совокупность преимуществ короткоходных двигателей заставляет конструкторов отдавать предпочтение малым значениям S/D. В этом отношении весьма показательной была эволюция одноцилиндрового гоночного мотора «Нортон» класса 500 см³. В процессе усовершенствования этого двигателя в течение 20-летнего периода ход поршня уменьшали семь раз, причем отношение S/D сократилось от 1,27 до 0,79. Позднее, аналогичные изменения претерпели двигатели «Хонда», 125 см3, у них отношение S/D было уменьшено в пять приемов от 1,07 до 0,71, а число цилиндров увеличилось с двух до пяти.

8. Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна X у гоночных двигателей мало отличается от общепринятых значений. Численное значение А колеблется от 1 : 3,7 до 1 : 4,5. Более короткие шатуны обычно ставятся на двигатели большого рабочего объема во избежание увеличения высоты двигателя.
9. К числу мало меняющихся параметров следует отнести среднюю скорость поршня, которая уже в течение многих лет не выходит из диапазона 16—22 м/с несмотря на значительный рост частоты вращения. Дальнейшее повышение средней скорости поршня связано с быстрым возрастанием механических потерь. Поэтому увеличение частоты вращения оказалось возможным только за счет уменьшения отношения S/D и перехода на цилиндры малого объема, т. е. использования малых значений хода поршня 5.
10. Существенный интерес представляет мощность двигателя, отнесенная к единице площади поршней — поршневая мощность. Этот параметр, характеризующий степень форсированности двигателя, пропорционален произведению средней скорости поршня на среднее эффективное давление. Действительно, если, например, ввести среднюю скорость поршня

    (7)

    в формулу для эффективной мощности (кВт) четырехтактного двигателя, то получим

    

    где D —диаметр цилиндра, см; S — ход поршня, м; i — число цилиндров.

Далее, обозначая площадь , определим поршневую мощность N_n (кВт/см²)

(8)

Если считать, что для v_m имеется практически осуществимое предельное значение (20—22 м/с), то поршневая мощность двигателя может быть представлена выражением N_u = Ap_e, где А — постоянный коэффициент (при v_m = const), равный v_m/300.

Поскольку из формулы (8)

(9)

делаем вывод, что для увеличения мощности двигателя следует форсировать рабочий процесс, т. е. увеличивать р_е и стремиться к увеличению суммарной площади поршней; последнее достигается увеличением числа цилиндров и уменьшением отношения S/D (при заданном классификацией рабочем объеме двигателя).

На рис. 40 показано изменение диаметра цилиндра D, рабочего объема одного цилиндра V_h/i, суммарной площади поршней iF и частоты вращения в зависимости от числа цилиндров для двигателя класса 500 см³ с отношением S/D = 1, работающего со средней скоростью поршня 20 м/с. Поршневая мощность четырехтактных гоночных двигателей без наддува составляет 0,44—0,72 кВт/cм², для двухтактных — 0,59—1,01 кВт/см². При наддуве удавалось получить 0,59—1,33 кВт/см².

Рис. 40. Изменение площади поршней, диаметра и объема одного цилиндра двигателя при различном числе цилиндров, но постоянных значениях V_h, S/D и v_m

11. Объемная масса, т. е. масса двигателя на 1 л рабочего объема, для гоночных конструкций колеблется в пределах 50—100 кг/л. Широкие пределы литровой массы зависят от устройства двигателя и от степени использовании специальных легких материалов.