Что такое дроссель в мотоцикле

Смешать, но не взбалтывать. Система впуска

Часть 1. Топливная система. Карбюратор и электронный впрыск

В прошлых статьях мы с вами разобрались с тем, что из себя представляет двигатель современного серийного мотоцикла. Однако байк – это сложная система устройств, слаженно взаимодействующих друг с другом, и на одном движке далеко не уедешь. Следовательно, двигателю для нормального функционирования нужны дополнительные системы: система впуска и система выпуска. Первая служит для точного управления топливовоздушной смесью, поступающей в цилиндры, вторая – отводит отработавшие газы после их сгорания. Но прежде, чем мы вплотную займемся данными системами, стоит сначала понять, что «едят» наши двухколесные друзья.

Топливо

Как только появился самый первый мотоцикл, в его топливный бак залили ту же самую жидкость, которую используют и по сей день. Бензин является общепризнанным топливом для мотоциклов. Конечно, существует множество альтернативных видов топлива, однако они либо более дорогие, либо менее эффективные.

Как и многие другие решения в мотостроении, выбор бензина в качестве топлива – это компромисс. В данном случае, между двумя свойствами: испаряемостью (летучестью) и теплотворной способностью. Испаряемость топлива – критерий того, насколько легко оно испарится при низких температурах. Теплотворная способность – это количество тепловой энергии, а значит, полезная работа, которая может быть получена от заданного количества топлива. Вы, наверное, уже догадались, что в идеале двигателю внутреннего сгорания нужно легко испаряющееся топливо с высокой теплотворной способностью. Однако с увеличением теплотворной способности испаряемость топлива падает, а более низкая летучесть топлива затрудняет его воспламенение.

Итак, топливо мы с вами выбрали. Теперь нужно выяснить, в каком соотношении смешивать его с воздухом, чтобы получить максимально полное и эффективное сгорание. Если воздуха будет мало, несгоревшее топливо в буквальном смысле «вылетит в трубу», если много – полезная энергия, получаемая с цилиндра, будет снижаться.

Для обеспечения полного сгорания на 14.7 частей воздуха должна приходиться 1 часть топлива. Химики называют это соотношение стехиометрическим. Чтобы снять максимальную мощность с двигателя, смесь делают «обогащенной» (недостаток воздуха до 10%), чтобы достигнуть максимальной экономичности – смесь «обедняют» (избыток воздуха до 10%). Кроме атмосферных параметров, на оптимальный состав смеси также влияет конструкция двигателя и характеристики сгорания. В реальности, ограничения успешного сгорания смеси находятся в пределах 12:1 и 18:1. Осталась самая малость – установить на байк надежную систему подачи этой самой смеси к камерам сгорания.

Система впуска

В топливном баке начинается извилистый путь бензина к двигателю. Из бака он подается самотеком (в большинстве современных мотоциклов, кроме разве что самых простых, подача происходит под давлением при помощи топливного насоса) через фильтр по топливопроводу к карбюраторам или форсункам инжектора. Для управления поступлением горючего применяется топливный кран с ручным или автоматическим управлением, который открывает или перекрывает подачу топлива из бака. На большинстве систем с впрыском топлива, кран отсутствует как таковой, а функцию управления расходом топлива выполняет топливный насос. О том, как воздух смешивается с бензином, мы поговорим в следующей статье, и заодно с этим обсудим системы наддува и турбонаддува.

Постепенно, под давлением все более ужесточающихся экологических норм и требований к производительности моторов, карбюратор уступает свое место системам впрыска топлива. Даже простота настройки и дешевизна в производстве уже не являются его сильными козырями. Живое тому подтверждение – малокубатурные скутеры той же Honda, вроде SH 150, при своей умеренной цене, оснащены инжектором. То же касается и кроссовых мотоциклов – в 2008 году Suzuki первыми установили на свой оффроуд-снаряд RM-Z450 впрыск. Вскоре этому примеру последовали другие японские производители. Сейчас карбюратор применяется только там, где простота обслуживания и неприхотливость в выборе бензина все еще играет роль: малокубатурные байки для начинающих (Kawasaki Ninja 250R все еще оснащается карбюраторами, правда, только в версии для рынка США) и одноцилиндровые эндуро вроде Honda XR650L. Стритфайтеры, классики, спортбайки и круизеры за последние несколько лет совершили массовый переход от карбюраторов к более технологичным и производительным системам с электронным впрыском. Однако карбюраторы мы все же рассмотрим – ведь по дорогам всего мира колесит достаточно мотоциклов самых разных возрастов (а не только горячих новинок последних лет), поэтому списывать «карбы» со счетов не стоит. Для начала давайте разберемся в основных принципах работы любого карбюратора.

Принцип действия карбюратора

В основе принципа действия карбюратора любого типа лежит пульверизационный эффект диффузора. Он представляет собой трубку особой формы. Представьте – если воздух протекает по обыкновенной трубе с параллельными стенками, то давление и скорость движения воздуха будут постоянными на протяжении всей длины трубы. Если в трубе сделать сужение, то характеристики течения воздуха изменятся: в месте сужения скорость течения воздуха возрастет, а давление упадет. Таким образом, в месте наибольшего сужения создается разрежение. В минимальном сечении диффузора находится отверстие, через которое топливо попадает в диффузор и под действием пульверизационного эффекта распадается на мельчайшие капли. В отверстии находится жиклер (сопло) такого размера, что каждая часть поступающего топлива будет соответствовать 14-ти частям воздуха. Вот и все, простейший карбюратор готов. Он справится с обеспечением двигателя топливной смесью при постоянных нагрузках и одной частоте вращения коленвала. Однако такая работа двигателя – утопия, а потому нам понадобится более сложное устройство.

Для обеспечения бесперебойной работы карбюратору необходима постоянная подача топлива, уровень которого на постоянной отметке обеспечивается поплавковым механизмом в поплавковой камере карбюратора. Принцип его действия очень прост, но лучше один раз увидеть, чем читать тут мою писанину. А посему я предлагаю вам, уважаемые читатели, пойти в… туалет. Однако не для того, зачем мы обычно туда ходим, а для того, чтобы снять крышку со сливного бачка унитаза. Перед вашим взором предстанет поплавковый механизм карбюратора, увеличенный во много раз. Если спустить воду в унитаз, то ее уровень в бачке упадет, поплавок опустится и откроет клапан, через который вода вновь попадет в «поплавковую камеру унитаза». Все предельно просто.

Чтобы управлять частотой вращения двигателя, нужно использовать какое-то устройство, которое ограничит количество поступающей в двигатель топливовоздушной смеси. В роли такого устройства может использоваться круглая пластина, установленная в диффузоре на подвижной оси. Регулируя угол открытия этой пластины, называемой дроссельной заслонкой, мы регулируем количество смеси, попадающей в двигатель. Такое нехитрое устройство используется на карбюраторах с постоянным сечением диффузора. Другой способ ограничения количества поступающего воздуха заключается в применении подвижной дроссельной заслонки, расположенной в вертикальной расточке диффузора. Дроссель может перемещаться по расточке вверх и вниз, изменяя сечение диффузора так, что поток проходящего воздуха частично или полностью перекрывается. Такое устройство применяется на карбюраторах шиберного типа и называется дроссельным золотником. Комбинация дроссельного золотника и дроссельной заслонки используется на карбюраторах постоянного разрежения, который, как и карбюратор шиберного типа, относят к карбюраторам с переменным сечением диффузора.

Чтобы запустить холодный двигатель, карбюраторы оснащают пусковым устройством. При холодном двигателе топливо конденсируется на его металлических элементах, и, следовательно, оно больше не испаряется, в результате чего мотор очень трудно запустить. Чтобы компенсировать это, приходится делать смесь более богатой, чем при нормальной работе двигателя. Этого можно достичь тремя способами: увеличить количество топлива в поплавковой камере, перекрыть диффузор и подавать больше топлива через отдельную пусковую систему. Пусковое устройство еще называют «подсосом». В зависимости от сложности системы отдельные его элементы контролируются вручную (утопитель поплавка на карбюраторе, рычаг «подсоса» и т.д.), либо автоматически. Есть еще система холостого хода, название которой говорит само за себя, однако на ее устройстве мы останавливаться не будем.

Многие современные карбюраторы оснащаются датчиком положения дроссельной заслонки. Он служит для оптимизации угла опережения зажигания, и не влияет на процессы дозирования топлива.

Карбюраторы

С основными деталями карбюраторов мы разобрались, теперь давайте рассмотрим типы карбюраторов. Существует три типа карбюраторов, которые используются на мотоциклах.

К-65 с постоянным сечением диффузора

Батарея карбюраторов шиберного типа, Kawasaki ZXR750R

CV-карбюраторы Keihin CVK30 для Kawasaki Ninja 250R

Трудно однозначно определить, какой из двух типов карбюраторов с переменным сечением диффузора лучше. На практике, выбор конкретного типа определяется назначением машины и ее стоимостью. Ясно только одно – оба вида карбюраторов с переменным сечением диффузора гораздо лучше такового с постоянным сечением. Практически все современные машины, которые оснащены карбюраторами, как правило, используют карбюраторы с постоянным разрежением – как наиболее технологичные и точные в создании оптимальной смеси. Однако их точность не идет ни в какое сравнение с наиболее совершенным способом подачи топливовоздушной смеси из тех, которые есть в арсенале мотопроизводителей. Речь идет о системах впрыска топлива.

Впрыск топлива

Возможно, прочитав название заголовка, вы представили себе сложное устройство с электронным «мозгом», которое с прецизионной точностью создает оптимальное соотношение бензина и воздуха, и в строго установленном количестве подает получившуюся смесь в камеры сгорания двигателя.

Первыми установили на серийный мотоцикл инжектор умельцы из Kawasaki – в 1980 году впрыск нашел свое место на борту Z1000-H1. С середины 80-х годов Honda, Kawasaki и Suzuki применяли электронный впрыск на своих байках с турбонаддувом, однако о массовом переходе на инжектор еще не помышляли.

Тем не менее, прогресс неумолим, и под двойным давлением экологов пополам с потребителями, которые требовали улучшения динамических и эксплуатационных показателей, в середине 90-х годов начался постепенный, но неизбежный переход с карбюраторов на системы с электронным впрыском топлива. В случае с использованием карбюраторов, существует множество режимов работы, при которых трудно гарантировать подачу смеси требуемого для сгорания состава в цилиндры двигателя. К таким режимам относятся холодный пуск и прогрев двигателя, когда низкая температура ухудшает испаряемость топлива; низкие частоты вращения на холостом ходу; режим резкого «открута» и работа при максимальной нагрузке. Мало просто задать точный состав смеси, нужно еще и поддерживать точное управление ею во всех режимах работы. Благодаря своему принципу работы и многочисленным датчикам, электронный впрыск гарантирует достижение и поддержание постоянного прецизионного контроля над составом смеси. Экологи тоже не в обиде – возросшая мощность двигателей соседствует с экономичностью и низким уровнем выбросов отработавших газов. Давайте разберемся, как эта электронная штуковина работает.

Принцип действия. Самое главное отличие от карбюраторов – топливо для перемешивания с воздухом подается под давлением. При этом, система должна обеспечивать двигатель испаренным топливом в объеме, соответствующем множеству параметров и с учетом любых изменений. Достигается это благодаря быстрой и точной оценке информации электронным блоком управления (называемым также ECU), поступающей из различных установленных на двигателе датчиков. Эти датчики собирают информацию о частоте вращения двигателя, расходе воздуха, угле поворота коленвала, температуре воздуха и его плотности, положения дросселя и еще туче различных параметров. Получив необходимые данные, умный кремниевый «мозг» определяет время открытия топливных форсунок, количество подаваемого топлива, и посылает каждой форсунке электрический импульс. Как только форсунка открывается, сжатый бензин распыливается около впускного клапана, перемешивается с воздухом и попадает в цилиндр. Все это просто для электронной железяки, но непосильно для бородатого старичка карбюратора, не правда ли? А теперь более детально обо всем процессе.

Топливо из бака подается электрическим насосом через фильтр к топливной рампе, от которой питаются отдельные форсунки. Насос подает больше топлива, чем требуется для двигателя, и поэтому в системе топливоподачи создается избыточное давление. В ECU есть отдельная цепь безопасности, которая отключает топливный насос в случае неработающего двигателя, но при включенном зажигании (например, после ДТП или какого-либо «косяка» в двигателе). На устройстве форсунок мы останавливаться не будем, скажем лишь, что на основании количества форсунок на цилиндр и их расположении, все системы впрыска делят на одноточечные («моновпрыск») и распределенные.

Топливная рампа в сборе с дроссельными патрубками и форсунками. Suzuki Hayabusa 2008.

На мотоциклах применяются системы непрямого впрыска (Indirect Injection), в которых форсунки размещаются во впускном канале перед впускными клапанами каждого цилиндра (многоточечный впрыск). Таким образом, на каждый цилиндр приходится одна, а на большинстве спортбайков – даже две форсунки. Одна форсунка на все цилиндры используется очень редко, как правило, на наиболее бюджетных моделях байков или скутеров. Есть еще системы прямого впрыска (Direct Injection), в которых топливо подается прямо в камеру сгорания, но такие системы используют в основном на дизельных «консервах», так что не будем тратить на них время.

ECU управляет впрыском топлива, основываясь на трехмерных «картах». Карты – это способ графического отображения данных, собранных с различных датчиков. Какое бы сочетание показателей не проявилось, на карте всегда будет указание для ECU, сколько именно топлива следует впрыскивать при тех или иных условиях. Чаще всего используются две карты – для низких и высоких нагрузок двигателя. При небольших нагрузках продолжительность впрыска топлива определяется давлением воздуха во впускном коллекторе и частотой вращения двигателя. При больших нагрузках – открытием дросселя и частотой вращения двигателя. Изменение карт – популярное среди тюнингеров средство поднятия мощности двигателя или его перенастройки под определенные цели. Разумеется, в комплексе с другими мероприятиями, потому что одно лишь ковыряние в картах ничего, кроме проблем, не принесет.

Программа настройки карт впрыска, осуществляемая при помощи подключаемого к системе байка модуля Rapid-Bike

Надеюсь, что после прочтения этой статьи, вы немного продвинулись в своем понимании того, что происходит с бензином, когда вы заливаете его в бак. В следующей статье мы поговорим о том, какой путь проделывает воздух, прежде чем попасть в камеру сгорания. И конечно же, расскажем вам о системах резонансного наддува воздуха и турбонаддува. Оставайтесь с нами!

Источник

Карбюраторы мотоциклетного типа. Вспомогательные устройства

Здравствуйте, уважаемые читатели. Из предыдущих четырех публикаций мы поняли, что современные карбюраторы весьма сложные устройства, и нам есть что еще обсудить в их конструкции.

Сегодня выясним, что же еще входит в конструкцию карбюратора помимо главной дозирующей системы и системы холостого хода, которые уже были рассмотрены.

Если не предъявлять особых требований к смесеобразованию, карбюратор будет хорошо работать, имея в своей конструкции только главную дозирующую систему и систему холостого хода. Однако их возможностей недостаточно для упрощения пуска холодного двигателя, устранения провалов в динамике набора оборотов при резком открытии дросселя, сохранения наилучшей приемистости без потери максимальной мощности. Для устранения этих эффектов и дальнейшего улучшения рабочих характеристик двигателя применяется ряд вспомогательных устройств карбюратора, о которых пойдет речь в этой статье.

Пусковое устройство

Когда двигатель холодный и температура окружающего воздуха относительно невелика, часть горючей смеси не достигает камеры сгорания, конденсируясь и оседая на стенках впускного трубопровода. В результате этого смесь обедняется, что затрудняет ее воспламенение. Запуск двигателя становится проблематичным, а работа неустойчивой и сложно контролируемой до тех пор, пока двигатель полностью не прогреется.

Для облегчения задачи холодного пуска применяют специальные пусковые устройства — обогатители. Они предназначены для требуемого обогащения горючей смеси в процессе холодного пуска и прогрева. Другими словами, обогатитель приготавливает дополнительное количество горючей смеси, которого достаточно (при работе с другими системами карбюратора) для запуска и устойчивой работы в первое время после пуска.

Подобные устройства есть в конструкциях всех карбюраторов, за исключением некоторых специфических моделей, применяемых на спортивных мотоциклах, где процедура запуска несколько отличается.

В простейшем случае пусковое устройство представляет из себя некий рычаг, позволяющий водителю принудительно опустить поплавки в поплавковой камере, тем самым повышая уровень топлива, что приводит к обогащению смеси. Принцип действия определил название обогатителя — утопитель поплавков. При такой конструкции обогащение смеси происходит во всех системах карбюратора, а возврат к нормальной работе возможен только после запуска двигателя (когда часть топлива израсходуется и уровень придет в норму).

Основным преимуществом утопителя поплавков является простота его конструкции. К недостаткам можно отнести зависимость степени обогащения смеси от времени воздействия. Так как воздействие осуществляется вручную водителем, состав смеси будет зависит от его умения и опыта. К тому же для работы с утопителем необходим непосредственный доступ к карбюратору, что не всегда возможно. По этим причинам утопители поплавков все реже и реже встречаются в конструкциях современных карбюраторов. Были разработаны более совершенные обогатители с независимой от других систем карбюратора топливоподачей, включающей в себя жиклеры, клапаны и другие регулирующие элементы.

Рассмотрим следующую конструкцию обогатителя.

Конструкция обогатителя карбюратора Dellorto серии VHSB: 1 — рычаг управления клапаном; 2 — цилиндрический клапан; 3 — канал подачи смеси в диффузор; 4 — эмульсионная трубка; 5 — воздушный канал; 6 — топливный жиклер

В качестве управляющего элемента выступает миниатюрный цилиндрический клапан 2. Управление клапаном осуществляется водителем вручную (непосредственно или посредством троса). Максимальное обогащение определяется соответствующим жиклером 7 вне зависимости от степени открытия клапана и варианта его привода. Конструкция топливного колодца обогатителя и расположение топливного жиклера таково, что работу обогатителя можно разделить на две стадии.

Когда двигатель заглушен, эмульсионная трубка жиклера обогатителя 5 полностью заполнена топливом до общего уровня в поплавковой камере. Так как уровень топлива одинаковый, слабого разрежения в момент запуска достаточно для истечения нужного количества топлива через обогатитель. На этой стадии смесь образуется очень богатой, что позволяет легко запустить двигатель.

После запуска двигателя эмульсионная трубка быстро пустеет, так как жиклер ограничивает скорость ее наполнения. Смесь начинает обедняться, но остается все еще достаточно богатой для стабильной работы не прогретого двигателя. Через некоторое время, определяемое степенью прогрева, водитель (или иной управляющий элемент) отключает систему обогащения.

Дальнейшим развитием пусковых устройств стало внедрение автоматических систем управления.

Конструкция автоматического обогатителя: 1 — воздушный канал; 2 — цилиндрический клапан с конической иглой; 3 — топливный жиклер, совмещенный с эмульсионной трубкой

Основное их отличие заключается в том, что они способны автоматически уменьшать степень обогащения смеси по мере прогрева двигателя. Наибольшее распространение получили термоэлектрические системы. Разрез реального устройства управления представлен на рисунке.

Термоэлектрическое устройство управления обогатителем: 1 — клапан с конической иглой; 2 — возвратная пружина; 3 — термочувствительный элемент; 4 — нагревательный элемент

В основе такого устройства управления находится нагревательный 4 и термочувствительный 3 элементы. Внутри термочувствительного элемента находится вещество, которое расширяется с ростом температуры. Нагревательный элемент увеличивает свою температуру при приложении к нему постоянного напряжения. Характеристики этих элементов подобраны таким образом, чтобы соответствовать времени прогрева и остывания двигателя.

При холодном пуске клапан 1 изначально открыт. После запуска двигателя на устройство управления подается напряжение, нагревательный элемент увеличивает свою температуру пропорционально степени прогрева двигателя, также пропорционально расширяется вещество внутри термочувствительного элемента и он начинает постепенно закрывать клапан. К моменту полного прогрева мотора клапан полностью перекроет подачу топлива. После остановки мотора и по мере его остывания, термочувствительное вещество будет уменьшаться в объеме, под действием возвратной пружины 2 клапан начнет открываться. Таким образом осуществляется автоматическое обогащение смеси на нужную для текущей температуры величину.

Ускорительный насос

Ускорительный насос предназначен для компенсации переобеднения смеси при резком открытии дросселя. Переобеднение возникает из-за резкого уменьшения разрежения вследствие резкого увеличения площади сечения диффузора. В результате этого наблюдается провал в наборе оборотов двигателем.

Общий вид диафрагменного ускорительного насоса. Цифрой 1 отмечен винт регулировки хода диафрагмы

Для устранения провала при наборе оборотов в конструкцию карбюратора вводят ускорительный насос, который впрыскивает строго определенное количество топлива прямо в диффузор карбюратора при резком открытии дросселя.

Ускорительные насосы бывают двух типов: плунжерные и диафрагменные. Ускорительный насос приводится в действие от дроссельной заслонки напрямую или через систему рычагов. Например, на карбюраторах Dellorto серий PHF и PHM диафрагменный ускорительный насос приводится в действие рычагом 3, скользящим по наклонной плоскости в специальном пазе 4 дроссельной заслонки. Когда дроссельная заслонка поднимается, рычаг скользит по наклонной плоскости паза, отгибается и нажимает на диафрагму.

Система привода диафрагмы насоса: 1 — корпус ускорительного насоса; 2 — диафрагма; 3 — рычаг; 4 — паз с наклонной плоскостью

Двигателю может быть необходимо обогащение в начальный момент резкого подъема дросселя или менее интенсивное, но более продолжительное обогащение на протяжении всего времени подъема. Изменяя угол наклона и длину наклонной плоскости, можно регулировать начало момента впрыска и его продолжительность. По-другому количество впрыскиваемого топлива можно регулировать винтом, задающим ход диафрагмы. Вращением винта по часовой стрелке ход диафрагмы уменьшается, что приводит к уменьшению количества впрыскиваемого топлива, вращение против часовой дает увеличение.

При неизменных прочих настройках насоса продолжительность впрыска можно регулировать жиклером, через который осуществляется подача топлива в диффузор. Большой жиклер дает меньшее время впрыска, маленький, соответственно, большее. Таким образом можно настроить подачу насоса под конкретные требования двигателя.

Жиклер ускорительного насоса: Жиклер в корпусе фиксируется специальным винтом 1, к которому есть доступ снаружи карбюратора, что позволяет легко производить замену в процессе настройки.

Эконостат

Для обеспечения лучшей приемистости карбюратор двухтактного двигателя должен поддерживать сравнительно бедную смесь на малых и средних подъемах дросселя. Как уже упоминалось ранее, главный топливный жиклер определяет состав смеси не только при полном открытии дросселя, он также оказывает значительное влияние на состав при частичных подъемах, вместе с дозирующей иглой.

Если использовать главный топливный жиклер уменьшенной пропускной способности для наилучшей работы на средних подъемах дросселя, смесь может стать слишком бедной для режима максимальной мощности. И наоборот, установка жиклера большей пропускной способности может дать слишком богатую смесь на средних подъемах, что ухудшит приемистость двигателя.

Эконостат позволяет устранить эту проблему. Он подает топливо напрямую в диффузор, только когда скорость воздушного потока велика — в режиме максимальной мощности. Таким образом компенсируется недостаточная пропускная способность главного топливного жиклера.

Схема работы эконостата: 1 — топливоподающее отверстие; 2 — топливный жиклер

Топливный жиклер эконостата, как и все прочие, расположен в поплавковой камере. Отверстие, подающее топливо в диффузор, расположено в верхней части главного воздушного канала. Такое расположение отверстия обусловлено необходимостью подачи топливо через него только при сильном разряжении в диффузоре, когда дроссельная заслонка полностью открыта.

Элементы эконостата. Цветом выделен топливный жиклер (a), топливоподающее отверстие (b).

Наличие эконостата в конструкции карбюратора несколько усложняет его настройку в режиме максимальной мощности, так как эконостат и главная дозирующая система работают в этот момент параллельно и результирующий состав смеси зависит от их совместной работы. Однако, качественная настройка позволяет сохранить максимальную мощность, не теряя при этом в приемистости двигателя.

Источник