О тактах
В последние годы сформировалась тенденция не заморачиваться с конструкцией механизмов, окружающих нас в повседневной жизни. Оцениваем их по внешнему виду, цене и маркетинговым плюшкам, отдаваясь бездумному потреблятству, где за нас решает реклама или менеджер салона продаж или того хуже, велеречивый монетизатор ютуба. Ну тут ничего не поделаешь и не исправишь, человечество любит лениться, лень создает целые отрасли, начиная от служб доставки, заканчивая телевидением, которое многим вообще заменяет мозг. Бороться с этим бесполезно, просто постараемся немного расширить границы понимания, что там происходит внутри мотоцикла, который мы купили, потому что он красивый и дали скидку.
Итак, о тактах. Вы наверняка слышали, что двигатели бывают 2-х и 4-тактными. 2-тактную технику мы будем встречать на дорогах все реже и реже, поскольку она проигрывает борьбу с экологическими нормами и остается в некоторых странах только в узком секторе спортивного инвентаря. В России пока еще такого запрета нет, и вы можете встретить на дорогах 2-тактные скутеры - полтинники, но их тоже становится все меньше, поскольку их производят не только для России, а еще и для тех, где уже существуют эти запреты. Так что далее речь пойдет о 4Т.
Такт в двигателе внутреннего сгорания — это название процесса, который происходит во время вращения коленвала. В нашем случае эти четыре такта сменяют друг друга при двух полных циклах его поворота. То есть, коленвал проворачивается на 720 градусов, два раза по 360. Каждый такт по 180 градусов. Первым идет такт впуска, когда топливовоздушная смесь заполняет цилиндр, поршень идет вниз, затем поршень идет вверх и происходит такт сжатия, в конце которого сжатую смесь поджигает искра свечи, затем смесь сгорает, выделяя тепло и энергию, которая толкает поршень снова вниз, этот такт называется рабочим и последним идет такт выпуска, когда идущий вверх поршень выталкивает продукты сгорания в выхлопную трубу.
Давайте поговорим о самом первом такте - такте выпуска, как основе. Представьте простейший двигатель с одним вертикальным цилиндром, внутри ходит поршень вверх-вниз. Сверху находится головка цилиндра, в которой расположены два клапана - впускной и выпускной. Впускной клапан при открытии впускает в цилиндр смесь бензина и воздуха, выпускной, соответственно выпускает, но уже продукты сгорания. Топливная смесь поступает во впускной канал из карбюратора или форсунки инжектора.
В большинстве двигателей клапаны закрыты под действием пружины и открываются, когда кулачок вращающегося распредвала начинает давить на клапан, заставляя его открыться и после прохождения пика кулачка, под действием пружины клапан закрывается. Картинок, описывающих этот процесс полон интернет, выбирайте по вкусу.
Под цилиндром находится коленвал, который концептуально не отличается от ручки кофемолки или катушки спиннинга, где та часть, за которую мы крутим связана с поршнем. Поршень движется вверх и вниз заставляя коленвал вращаться. Когда поршень совершает свои движения, то он проходит верхнюю мертвую точку (ВМТ) и нижнюю (НМТ). Между этими двумя точкам и коленвал делает половину оборота - 180 градусов. Любое положение поршня в цилиндре определяется углом поворота коленвала после ВМТ или НМТ.
Целью такта впуска является заполнение цилиндра топливом, ну или топливно-воздушной смесью выражаясь точнее. В простейшем варианте клапан открывается, когда поршень находится в ВМТ, затем поршень опускается, создавая разрежение в цилиндре и атмосферное давление заталкивает смесь в цилиндр через открытый клапан. Когда поршень достигает НМТ, впускной клапан закрывается. Теперь цилиндр заполнен свежей смесью, и оба клапана закрыты, готовые к началу такта сжатия. Обратите внимание, что поршень на самом деле не «засасывает» свежую смесь в цилиндр; именно атмосферное давление снаружи цилиндра выталкивает воздух в более низкое давление внутри цилиндра.
Теперь от простейшей схемы вернемся в реальность. Как же происходит на самом деле? Есть некоторые нюансы.
Первое: в реальности впускной клапан не может внезапно открыться в ВМТ, а затем мгновенно захлопнуться в НМТ. Такое резкое движение быстро сломало бы клапан. Клапаны должны плавно разогнаться вверх от своих седел (седло клапана — это кольцевая часть впускного канала, к которой прилегает головка клапана при закрытии), затем замедлиться, изменить направление и плавно и без ударов вернуться в закрытое положение. Клапаны не защелкиваются; они замедляются и садятся за счет кулачкового профиля. Скорость посадки должна быть ограничена от 0,3 до 0,6 метров в секунду, чтобы избежать повреждения или отскока клапана. В то время, как в процессе движения клапан может достигать скорости до 10 м/с.
Второе: поскольку воздух имеет массу и, следовательно, инерцию, требуется некоторое время, чтобы разогнать его до высокой скорости. Мало того, давление в воздухе изменяется не быстрее, чем скорость звука, поэтому, когда поршень начинает опускаться на такте впуска, «сообщение» о том, что это происходит, проходит через впускной канал. Если взять, к примеру, двигатель 500 кубовой одностволки, выдающей пиковую мощность на 7200 оборотах в минуту, то каждый оборот коленвала занимает 0,0083 секунды (60 ÷ 7200). Если длина впускного канала составляет примерно 3 см, то это «сообщение» придет со скоростью 3 см, разделенную на скорость звука, или 0,0009 секунды. За это время коленвал успеет провернуться чуть более, чем на 40 градусов. Это означает, что после того, как поршень начал свой ход вниз, во впускном канале мало что происходит. Это обстоятельство заставляет сдвигать фазы открытия и закрытия клапанов. В нашем случае, для лучшего заполнения цилиндра топливной смесью на пиковых оборотах требуется закрывать впускной клапан сильно позже прохождения поршнем НМТ.
Но, на низких оборотах, когда скорость смеси ниже, позднее закрытие клапана приводит к тому, что движущийся вверх после НМТ поршень увеличивает давление в цилиндре и, потерявшая инерцию смесь, просто в него не попадает. Мотор теряет мощность на низах.
Это заставляет инженеров находить компромиссы в поисках оптимального угла закрытия впускного клапана после прохождения поршня НМТ, жертвуя при этом пиковой мощностью в пользу низких и средних оборотов. А иногда и не жертвуя. Как например, первое поколение индийских БМВ G310R на которых мощность снизу была такова, что даже опытные мотоциклисты нет-нет, да и глохли при старте. В следующем поколении этот факап сгладили, но нам неизвестно каким способом, возможно прошивкой инжектора.
Серебристый треугольник между цилиндрами - это оно.
И, наконец, третий нюанс: клапан имеет вес. И на высоких оборотах он может зависнуть в открытом положении, потому что пружина не успевает его вернуть обратно в седло. Если, конечно, это пружина, а не десмодромный привод, как в Дукати. Красная зона на тахометре мотоцикла, это тот предел оборотов, когда пружина уже не в состоянии закрыть клапан и он начинает молотить по кулачку распредвала, разрушаясь сам и калеча кулачок.
Прогресс на месте не стоит и производители придумывают всевозможные способы правильного наполнения цилиндров смесью чтобы и повысить мощность и снизить расход и соответствовать нормам выбросов. Это, например VTEC (Variable valve Timing and lift Electronic Control) — система управления фазами газораспределения от Honda. Как заявляет производитель "На низких оборотах двигателя система обеспечивает экономичный режим работы, на средних — максимальный крутящий момент, на максимальных оборотах — максимальную мощность" или же Twin Swirl на Сузуки. А Бажаж Пульсар 200 имеет три свечи на цилиндр, но тут нужно смотреть что связывает производителя свечей и мотоциклов:)
