Свободное дыхание
РЫЦАРСКАЯ РАБОТА
Для его эффективной работы камеру сгорания надо заполнить смесью воздуха и бензина, поджечь ее и затем удалить продукты сгорания. Давайте посчитаем, сколько раз приходится проделывать эту работу при 10 000 об/мин. Делим это число пополам (поскольку полный цикл в 4-тактном двигателе происходит за два оборота), затем на 60. Итого: 83 раза в секунду! В качестве насоса выступает пара "цилиндр-поршень", а вот следить за тем, чтобы нужные вещества заполняли и покидали камеру сгорания в нужное время, призван газораспределительный механизм.
Что влияет на выбор той или иной схемы этого механизма? Прежде всего, форма камеры сгорания. Вообще-то она определяет параметры едва ли не всех систем двигателя, поскольку именно она - то место, где происходит важнейшее таинство превращения скрытой энергии паров бензина - в движение. Раскрыть все ее секреты под силу только настоящему рыцарю! И это не преувеличение - сэр Генри Рикардо получил рыцарское звание как раз за разработку наивыгоднейших форм камер сгорания, что позволило создать превосходные двигатели для самолетов времен первой мировой войны (а после войны он приложил руку и к проектированию мотоциклетных моторов).
Один из важнейших законов, открытых Рикардо, - зависимость КПД двигателя от степени сжатия: чем она выше, тем выше и КПД. Связь эта не линейная, но примерно до значения 10,0 растет довольно быстро. В компактной камере сгорания меньше тепловые потери через ее стенки - следовательно, больше энергии топлива идет на полезную работу. Важно также, чтобы в камере сгорания не было застойных зон, где скапливаются отработанные газы - чтобы не возникало зон, удаленных от свечи зажиганияѕ Словом, та еще задачка.
Второй важный фактор - обороты двигателя. Если они не превышают 6000 об/мин, то, в общем-то, тип привода клапанов особой роли не играет: все успевает сработать. Другое дело, если обороты выше. Тут инерция отдельных элементов уже начинает играть решающую роль. Доходит до того, что пружины просто не успевают закрывать клапаны: возникает эффект так называемого "зависания". Или же клапаны начинают вибрировать - это называют "отскок клапанов".
Не забудем о таких соображениях, как компоновка, стоимость изготовления, регулировка и ремонтѕ А теперь давайте посмотрим, как со всеми этими задачами разбираются творцы различных схем газораспределительных механизмов.
С давних времен сложилась практика обозначения различных схем механизма газораспределения с помощью аббревиатур, образованных от английских названий этих конструкций. Не будем углубляться в прихотливые фантазии изобретателей самых первых двигателей внутреннего сгорания (хотя среди них встречались прелюбопытнейшие решения - например, канавка в маховике, исполняющая роль распредвала, или открытие клапана поршнем). Обратимся к первым мотоциклетным двигателям массового производства - моторам, конструкцию которых разработали еще в конце XIX века французские изобретатели граф Альбер де Дион и механик Жорж Бутон.
Они сделали очень простой привод к распредвалу, установив его рядом с коленвалом. Кулачок распредвала управлял выпускным клапаном - нижним, по нашей классификации. А над выпускным клапаном они расположили впускной так называемой "автоматической" конструкции (по нему такая схема и получила обозначение Automatic Inlet Valve - AIV), удерживаемый слабой пружинкой и открывающийся от разрежения в камере сгорания.
Эта простая система работала эффективно и использовалась практически на всех мотоциклетных моторах начала ХХ века. Но при 500-600 об/мин возникал эффект зависания клапана: возвратная пружина просто не успевала совершать свою работу. Поэтому уже в 10-х годах прошлого века ее вытеснили две новые конструкции.
Создатели первой из них не слишком напрягались: просто сделали принудительным и привод верхнего впускного клапана - от нижнего распредвала, при помощи длинной штанги и коромысла. Такая схема получила название IOE - Inlet Over Exhaust, в переводе с английского "впускной над выпускным".
Изобретатели второй расположили оба клапана снизу - у нас эту схему называют нижнеклапанной, англичане же назвали "с боковыми клапанами" - Side Valve, или SV. Неоценимое преимущество такого механизма - простота изготовления и обслуживания, ведь головка цилиндра в этом случае представляет собой просто плиту с ребрами охлаждения. Так что нет ничего удивительного в том, что в 10-20-е годы прошлого века нижнеклапанная схема получила широчайшее распространение, вытеснив к 30-м годам механизм системы IOE.
Но этой схеме присущ врожденный недостаток: невыгодная форма камеры сгорания, большая внутренняя площадь стенок, через которые энергия топлива уходит в тепло. Фронту пламени от свечи зажигания требуется много времени, чтобы воспламенить смесь в "кармане", где расположены клапаны, поэтому двигатель не может развивать большие обороты. Впрочем, именно по этой причине для нижнеклапанных двигателей характерны особая "мягкость" работы и специфический "шепчущий" звук выхлопа - свойства, которые так ценят обладатели старых оппозитов.
Простота обслуживания, хорошие тяговые качества на малых оборотах позволили протянуть нижнеклапанным двигателям до 60-х годов - особенно их ценили владельцы мотоциклов с колясками. И когда в 70-е годы Киевский мотозавод получил заказ от армии на изготовление мотоциклов с приводом на колесо коляски, то их оснастили архаичными "нижнеклапанниками". Интересно, что вплоть до конца 60-х годов двигатели такой схемы использовались даже в гонках - Американская мотоциклетная ассоциация таким образом пыталась отсечь иностранных конкурентов. 750-кубовый нижнеклапанный двигатель Harley-Davidson KRTT развивал около 50 л.с. при 6400 об/мин - что, пожалуй, можно считать пределом форсировки для схемы SV. В наши дни эти моторы, в силу их простоты, используются в основном на газонокосилках, а единственный "живой" нижнеклапанник-мотоцикл - китайский Chang Jiang - копия нашего М-72 (в свою очередь, скопированного с BMW R71 аж 1938 года).