Двигатели (двухтактные и четырехтактные) скутеретт / скутербайков / скутеров / мопедов

5. Двигатели (двухтактные и четырехтактные)

Компоновки скутерных двигателей в основном стандартны - один наклонный или горизонтальный цилиндр, но иногда встречаются и двухцилиндровые рядные, либо V-образные конструкции, как правило, объем таких двигателей выше 250 см³.

Мощность двигателей серийных 50-кубовых скутеров сегодня находится в пределах 2,5-7 л.с. при массе аппарата в 75-100 кг.

Все встречающиеся сегодня скутеры можно разбить на две большие категории по типу двигателя - двухтактные и четырехтактные. Характерные особенности каждой конкретной модели также обусловлены типом двигателя.

Несмотря на то, что многие производители сейчас экспериментируют с новыми, более экологичными и экономичными типами двигателей и источниками питания для них (электрическими и топливными элементами), распространения данные типы двигателей пока не получили, поэтому выделять их в отдельную категорию еще рано.

У каждого типа двигателя есть свои плюсы и минусы, которые обуславливают их применение на разных типах скутеров. Так, например, в скутерах с малой кубатурой двигателя используются такие преимущества двухтактных двигателей как простота, дешевизна в производстве, высокая удельная мощность.

На большекубатурных моделях применяются в основном четырехтактные двигатели, имеющие ровную мощностную характеристику, большую, по сравнению с двухтактными двигателями, экономичность и меньшую токсичность выхлопа.

Геометрические параметры и основные детали двигателя:

1. картер;
2. коленчатый вал;
3. шатун;
4. цилиндр;
5. поршень;
6. головка цилиндра;
7. свеча зажигания

Четырехтактный двигатель

Четырехтактный двигатель получил свое название от количества тактов, необходимых для полного прохождения рабочего цикла — впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Рабочий процесс в четырехтактном двигателе

Впускной цикл начинается в момент, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), при закрытых клапанах. При повороте коленчатого вала поршень идет вниз, открывается впускной клапан, смесь засасывается в цилиндр. В момент прохождения поршнем нижней мертвой точки (НМТ) впускной клапан закрывается, ограничивая количество засасываемой в цилиндр бензо-воздушной смеси. Цикл впуска завершен. Коленчатый вал двигателя продолжает вращение, поршень снова идет вверх до ВМТ, сжимая смесь в цилиндре, происходит второй такт — сжатие.

Смесь оказывается сжатой в небольшом пространстве камеры сгорания, она готова к воспламенению искрой свечи зажигания. В этот момент срабатывает свеча, поджигая смесь, что заставляет газы расширяться с огромной силой, действуя на окружающие детали. Поскольку поршень - это единственная часть, которая может двигаться, давление перемещает его вплоть до нижней мертвой точки — это и есть такт рабочего хода.

Теперь необходимо удалить из цилиндра остатки сгоревшей смеси, для этого открывается выпускной клапан, поршень снова движется вверх до ВМТ, выталкивая отработавшие газы наружу, в выхлопную трубу и, далее в глушитель. Когда поршень достигает ВМТ, выпускной клапан закрывается, закончив, таким образом, такт выпуска.

Двухтактный двигатель

Двухтактный двигатель в соответствии с названием совершает весь свой рабочий цикл за два такта и один оборот коленчатого вала. Первый такт — это всасывание свежей смеси в кривошипную камеру и сжатие смеси, рабочий ход, находящейся в цилиндре, а второй такт - поджигание смеси в камере сгорания, продувка камеры сгорания свежей смесью и выпуск отработавших газов.

Рабочий процесс в двухтактном двигателе:

1. Картер;
2. впускной канал;
3. выпускной коллектор;

Основным конструктивным отличием двухтактного двигателя от четырехтактного является отсутствие клапанов и механизма их привода. Функции клапанов выполняет сам поршень, открывающий и закрывающий соответствующие окна на зеркале цилиндра. Пространство картера под поршнем (кривошипная камера) также используется для газообмена. Еще одно отличие двухтактного двигателя от четырехтактного — это отсутствие смазки деталей двигателя под давлением — масло поступает вместе с бензовоздушной смесью.

Масло в двухтактный двигатель попадает из отдельного бачка (раздельная смазка), либо заранее, в определенной пропорции смешивается с топливом в бензобаке. В четырехтактном двигателе масло присутствует в картере и циркулирует отдельно от бензовоздушной смеси.

Главное преимущество двухтактного двигателя в том, что в нем меньше движущихся частей, он дешевле, рабочий ход происходит при каждом обороте коленчатого вала.

Минус же, по сравнению с «четырьмя тактами» в меньшей экономичности и меньшем ресурсе деталей мотора, что связано со смазкой всех деталей топливной смесью. Масло в этом случае разбавлено бензином и его смазывающая способность гораздо ниже.

В последние годы четырехтактные двигатели стали преобладать не только среди полноразмерной мототехники, но и на 50-кубовых скутерах. Причиной этому — новые стандарты и ограничения по шумности и токсичности выхлопа. В будущем можно прогнозировать полный запрет на производство классических двухтактных карбюраторных двигателей в силу их несоответствия современным требованиям.

Система организации двухтактного рабочего процесса DiTech

Возрождение интереса к двухтактным моторам возможно лишь при использовании принципиально новых технических решений. Например, компания Aprilia совместно с фирмой Orbital разработала систему организации двухтактного рабочего процесса под названием DiTech. Двигатели этих скутеров комплектуются системой питания и газораспределения ditech-direct (непосредственное впрыскивание топливовоздушной смеси в камеру сгорания и продувка цилиндра смесью воздуха с маслом). Чуть позже к ней присоединились Peugeot, назвавший свою систему TSDI, а совсем недавно – главный итальянский карбюраторостроитель Dell’Orto с его DDI. Не остался в стороне и концерн Piaggio. Намучавшись со своей системой FAST аналогичного назначения (но не электронной, а механической; по сути, вариацией на тему продувки типа «Юнкерс» – той, что со встречно движущимися поршнями), он вступил в альянс с Aprilia и начал оснащать свои моторы ее компонентами, обзывая инжекторные модификации (правда, пока одну) Purejet.

Конструктивная особенность этой системы заключается в том, что в картер, через лепестковый клапан, поступает лишь воздух с добавленным в него во впускном патрубке распыленным маслом для смазки деталей цилиндропоршневой группы и подшипников коленчатого вала. Далее масловоздушная смесь через продувочные окна поступает в цилиндр и камеру сгорания. Часть воздуха сжимается нагнетателем с механическим приводом и подается в дополнительный инжектор.

И бензин, и масло поступают из резервуаров посредством специальных электронасосов, управляемых «мозгами» всей системы – ECU (Electronic Control Unit), так как количество подаваемого топлива и масла должно точно дозироваться. Особого внимания заслуживает бензонасос (Electronic Fuel Pump), способный развивать давление примерно в шесть атмосфер, несмотря на низкое потребление энергии в сравнении с традиционными насосами. От бензонасоса топливо поступает к головке цилиндра, в верхнюю часть которой и вмонтирована вся система впрыска (Air-Fuel Rail). Она состоит из трех основных частей:

1) Первичный инжектор (Fuel Injector) представляет собой обычную форсунку, проверенную годами эксплуатации этих устройств на автомобилях. Но здесь она выполняет лишь подготовительную роль – подает ровно необходимое количество топлива уже непосредственному (вторичному) инжектору, то есть ее задача – лишь отмерить количество бензина, необходимого на очередном такте работы двигателя. Информация об этом количестве подается с центрального процессора системы (ECU).

2) Непосредственный инжектор (Direct Injector) отвечает за распыление бензина в воздушном потоке, нагнетаемом воздушным компрессором и впрыск распыленного топлива уже непосредственно в камеру сгорания в определенный момент (всем этим снова управляет ECU). Работа непосредственного инжектора коренным образом влияет на работу всего двигателя. Чем лучше бензин будет распылен в воздухе, тем оптимальнее идут процессы горения в цилиндре. Точность работы этого устройства нетрудно оценить на следующем примере. Автомобильные инжекторы распыляют бензин на частицы размером около 50 микрон, в то время как система DiTech – всего около восьми микрон. Струя впрыскиваемого топлива подхватывается сжатым воздухом из расширенного инжектора и направляется в камеру сгорания. Система впрыска обеспечивает очень тонкое распыливание топлива. Наполнение камеры осуществляется с такой скоростью, что двигатель может работать без перебоев до частоты вращения коленчатого вала, равной 12 000 об / мин.

3) Ну и последнее, третье, звено системы впрыска – регулятор давления в системе (Pressure Regulator), которое нужно поддерживать постоянным, чтобы обеспечить точное и прогнозируемое открытие клапана непосредственного впрыска.

Воздушный компрессор (Air Compressor), подающий воздух под давлением около пяти атмосфер в непосредственный инжектор, приводится от эксцентрика, установленного на коленвале. Такое решение позволило отойти от значительного усложнения конструкции, которое неизбежно при использовании внешнего компрессора.

Центральный микропроцессор (ECU) – мозг всей системы. Он обеспечивает слаженную работу всех устройств, в частности:

• определяет количество впрыскиваемого топлива;
• определяет момент, в который происходит впрыск;
• определяет момент, в который происходит зажигание;
• управляет масло- и бензонасосом.

Количество всасываемого через воздушный фильтр воздуха регулируется механической дроссельной заслонкой (Throttle Body), установленной перед впускным коллектором. Управляется заслонка, естественно, ручкой газа. Но ведь ручка газа должна управлять еще и количеством подаваемого топлива? Верно. Для этого дроссельная заслонка оборудована еще и электронным датчиком ее положения (TPS – Throttle Position Sensor), сродни тому, что используется на автомобильных инжекторных системах.

Преимущества DiTech по сравнению с классическим двухтактным мотором весьма существенны.

Первое – экономичность, как в отношении бензина, так и масла. Экономия бензина увеличивается на 40-50% в зависимости от условий эксплуатации. А все потому, что теперь сгорает все топливо, попадающее в камеру сгорания. Расход масла теперь составляет 0,3 л на 1000 км в сравнении с традиционными 0,8л на той же Aprilia SR, но с карбюратором и катализатором. Таких показателей удалось достичь за счет того, что в картер DiTech попадает только воздух с маслом, а значит, бензин не смывает смазку. Это и позволяет существенно сократить подачу масла.

Динамические качества - DiTech выигрывает у катализаторной Aprilia SR и по динамическим качествам, но, повторимся, катализаторной SR. Ведь SR можно «раздушить», после чего поедет она, разумеется, шустрее, чем DiTech. Конечно, ни о каком соответствии европейским экологическим нормам речи уже не будет, но для России, например, это не актуально. А «раздушка» DiTech – это куда более сложный и дорогостоящий процесс.

Но главное – экологичность. Выбросы вредных веществ сокращены на 80% по сравнению с традиционным двухтактником (без катализатора). DiTech с запасом укладывается в нормы Euro 1, а при использовании катализатора – и в Euro 2. А все по той же причине – свежая топливная смесь не покидает камеру сгорания, пока не сгорит. Снова отметим, что если в России экологичность скутера пока только на совести его владельца, то для Европы вопрос этот сейчас более чем актуален.