какое охлаждение лучше водяное или масляное на мотоцикле
Какое охлаждение лучше водяное или масляное на мотоцикле
27 августа, 2019
С самого начала у двигателей мотоциклов были теплоотводящие радиаторы, поэтому для многих гонщиков было шоком, когда с появлением жидкостного охлаждения они стали лишними. В результате тоски по былому появились накладные декоративные радиаторы снаружи водяной рубашки двигателя.
Подозреваю, что жидкостное охлаждение оригинального GL1000 Honda, представленного в конце 1974 года, во многом было связано с разработкой этой компанией автомобиля с низким уровнем выбросов «Civic», имеющего систему сгорания «CVCC», которая работает на обедненной смеси. Многие инженеры из Honda были вовлечены в эту работу, которая началась вскоре после «Восстания инженеров» в 1968 году. В то время разработка автомобиля Х1300 с воздушным охлаждением Хонды столкнулась с таким количеством проблем, что его старый бизнес-партнер Такео Фуджисава принял сторону инженеров и поддержал переход на жидкостное охлаждение. Новой целью автомобильной сферы был контроль выбросов, который стал основным приоритетом на рынке.
Но температура двигателя с воздушным охлаждением постоянно повышается и понижается в зависимости от погодных условий и мощности двигателя.
Двигатели с воздушным охлаждением сильно нагреваются на высоких уровнях мощности, но хорошо охлаждаются на холостом ходу и неторопливой езде. Чем сильнее нагревается двигатель, тем больше поступающая в него топливно-воздушная смесь расширяется и теряет плотность. Это не только уменьшает мощность в той же степени, насколько уменьшилась плотность смеси, но также уменьшается мощность, из-за того что воздух теряет плотный, а смесь становится гуще.
Это еще более сложно, если гонщик настолько увлечен (как я был зимой 1968 года), что ездит на байке круглый год. Из-за низкой зимней температуры увеличивается плотность воздуха, поэтому в сравнении с топливом воздуха больше – это и есть состояние обедненной смеси. Если карбюратор подает правильную смесь зимой, она будет эффективной и в августе.
Да, вы можете не согласиться, я понимаю. Но сегодня карбюраторы исчезли, и им на замену пришел способ контроля смеси через замкнутый круг, путем электронной подачи топлива и кислородный датчик на выхлопной трубе. Так ли хорошо эта система может справиться с колебаниями температуры двигателя? Да, DFI (электронная подача топлива) может поставлять стабильную смесь, но она не может восстановить мощность, которая теряется из-за пониженной плотности воздуха, когда двигатель с воздушным охлаждением слишком сильно нагревается.
Моторное масло, чтобы справиться с сильными колебаниями температуры двигателя с воздушным охлаждением, должно быть либо универсальным, либо иметь разную вязкость масла для лета и зимы. На многофункциональном универсальном двигателе с воздушным охлаждением плохо сказывается быстрое испарение маловязкого масла (например, 10W в масле 10W-40), когда стенки цилиндра сильно нагреваются летом, добавляя к выхлопным газам еще и несгоревшие углеводороды (UHC) или выбрасывая их из фильтра картера. Использование зимой и летом масла разной вязкости идет вразрез с современной тенденцией к минимальному техническому обслуживанию.
Теперь попробуем сохранить небольшой и стабильный зазор поршня в более широком температурном рабочем диапазоне двигателя с воздушным охлаждением. Не все так просто, и всевозможные отрицательные эффекты проявляются, когда поршни наклоняются и стучат от нагрузки по несущей поверхности при наличии большего зазора. Движение поршневого кольца может действовать наподобие миниатюрного масляного насоса, счищая масло со стенки цилиндра только для того, чтобы оно в итоге смешалось в воздух для горения, и превратившись в несгоревшие углероды, выйти через выпускного клапана (клапанов). Не беда, мы просто скажем инженерам продолжать экспериментировать, пока зазор поршня не стабилизируется при любых условиях. Более менее.
Виды охлаждения двигателей мотоциклов
При сгорании топлива в двигателе мотоцикла выделяется тепло. Большая часть этого тепла рассеивается в окружающую среду. Если процесс отвода тепла неэффективен, мотор быстро выйдет из строя.
Система охлаждения препятствует перегреву и поддерживает оптимальную рабочую температуру двигателя, как правило, на уровне 75—90°. Именно этот диапазон обеспечивает максимально эффективную работу и длительный срок службы мотора. Охлаждение может быть воздушным или жидкостным.
Воздушное
Мотор мотоцикла охлаждается встречным воздухом. Поскольку отвод тепла происходит через поверхность двигателя, её увеличивают с помощью оребрения в наиболее теплонагруженных местах. Рёбра охлаждения располагают на головке цилиндра и цилиндре, а вот на картере, где температуры не такие высокие, они могут отсутствовать.
Если двигатель расположен таким образом, что на него не попадает встречный поток воздуха, для охлаждения используют дефлекторы, перенаправляющие набегающий поток холодного воздуха на двигатель.
Широко применяется практика использования масляных радиаторов, охлаждающих моторное масло, одной из функцией которого является охлаждение деталей двигателя.
Достоинства
Недостатки
Жидкостное
Принцип охлаждения двигателей мотоциклов по этой схеме такой же, как и у автомобилей. В качестве теплоносителя выступает охлаждающая жидкость — антифриз. Антифриз одновременно оказывает антикоррозионное и смазывающее действие. Воду в системе охлаждения используют только в случае возникновения неисправности и острой необходимости продолжить движение при отсутствии охлаждающей жидкости. При этом в воде не должно быть примесей, и ее необходимо заменить на рекомендованную охлаждающую жидкость в кратчайшие сроки.
Охлаждающая жидкость прокачивается насосом через каналы в стенках цилиндров и головках цилиндров двигателя, забирает от них тепло и отдаёт его радиатору. Между пластин радиатора проходит набегающий поток холодного воздуха и охлаждает радиатор.
Один из важнейших элементов системы — термостат. Он делит систему охлаждения на два контура – малый и большой. Когда двигатель холодный, клапан термостата закрыт. Циркулирующая при этом охлаждающая жидкость движется по малому контуру. Это позволяет отсечь большой объем охлаждающей жидкости, обеспечивая более быстрый прогрев двигателя. При температуре приблизительно 90° клапан открывается, обеспечивая циркуляцию жидкости по большому контуру и более эффективное охлаждение двигателя.
На радиаторе, как правило, устанавливается вентилятор с электроприводом. Он включается при повышении температуры охлаждающей жидкости. Например, когда мотоцикл движется с низкой скоростью, когда набегающего потока воздуха недостаточно.
Система охлаждения мотоцикла
Система охлаждения мотоцикла предназначена для защиты двигателя от перегрева, в результате чего может произойти его разрушение, выход из строя или заклинивание. Традиционно, производители мотоциклов стремятся искусственно сдерживать температуру рабочего двигателя в пределах от 75 до 90 градусов. Эти величины являются оптимальными для продолжения срока службы трущихся деталей, которых внутри двигателя моет быть более 3 000.
Существует несколько видов систем охлаждения, отличающихся принципиально по схеме отвода излишней тепловой энергии. Это воздушное и водяное охлаждение мотоцикла.
Преимущества и недостатки воздушного охлаждения
С помощью готовых комплектов или изготовив самостоятельно, можно комбинировать воздушное охлаждение двигателя мотоцикла с водяным. Современные мотоциклы изготавливаются в большей степени с использованием водяного охлаждения по причине повышения комфорта мотоциклиста, большей стабильности работы двигателя внутреннего сгорания и защиты от перегрева.
Перед тем, как сделать охлаждение на мотоцикл Урал водяного типа, следует собрать все необходимые компоненты:
Процедура установки всех элементов системы достаточно проста, и для тех, кто знаком с устройством и принципом ее работы, не будет сложной. Установить радиатор необходимо под рулевую вилку, надежно зафиксировать и проверить, не мешает ли новый девайс управлению. Помпа теоретически может быть установлена в любом месте, однако чаще всего ее устанавливают для удобства сверху над двигателем на раме. Подойдет электрическая помпа от Газели.
Затруднительной может стать настройка термостата по показателям температуры. Температура цилиндра может быть меньше температуры головки, и важно установить датчики в правильных местах. От этого будет зависеть правильность и эффективность работы всей системы.
Существует также масляное охлаждение на мотоцикл, однако его задача в большей степени сводится к предотвращению попадания раскаленного масла в картер двигателя. Это продлит цикл работы залитого масла, однако не позволит достичь полноценного охлаждения до заданной температуры.
Какое охлаждение лучше водяное или масляное на мотоцикле
Двигатель внутреннего сгорания — это тепловая машина. Иными словами, работа, которую производит двигатель, получается за счет тепла, выделяемого сгорающим топливом. Но термический КПД современного двигателя не так уж высок: он редко превышает 40%. Это значит, что остальные 60% тепла уходят на нагрев деталей двигателя и уносятся с отработавшими газами. До определенных пределов нагрев двигателя не только не опасен, но даже необходим: в прогретом моторе обеспечивается хорошая смазка, легко испаряется топливо, снижаются механические потери.
Если же мотоцикл долго двигался на низких передачах или стоял в заторах, да еще в жару, двигатель перегревался и его приходилось глушить, чтобы он остыл. Поэтому как альтернативный был предложен способ принудительного воздушного охлаждения. В этом случае цилиндр заключали в кожух, куда мощный вентилятор постоянно нагнетал воздух. Этот способ особенно широко использовался на мотороллерах, где по условиям компоновки двигатель закрыт капотом и естественное охлаждение цилиндра практически исключено. Отечественные мотороллеры прошлых лет, как и сегодняшние Тула-5.952, Тула-5.971 и Тула-5.403-03К «Муравей» подтверждают это правило.
Однако и принудительное воздушное охлаждение не свободно от недостатков. Вентилятор отнимает значительную часть энергии двигателя и заметно повышает общий уровень шума мотоцикла. На сельских дорогах он нередко захватывает воду, смешанную с фязью, и направляет все это на ребра цилиндра, после чего об охлаждении вообще говорить бессмысленно. Понастоящему решает все проблемы, конечно же, только жидкостное охлаждение. Но оно, естественно, дороже обходится — тут уж ничего не поделаешь. В который раз грустно констатируем: жидкостное охлаждение в зарубежном мотоциклостроении появилось в конце шестидесятых годов. Первый же отечественный ИЖ-«Юпитер 5» с радиатором мы увидели в 1994 году Давайте присмотримся к нему более подробно. Новые цилиндры теперь не имеют ребер и выглядят непривычно маленькими. Вся система состоит из радиатора, насоса, термостата, вентилятора, реле его включения и, естественно, шлангов, все это соединяющих. Жидкость из левого резервуара радиатора поступает к насосу, соединенному непосредственно со звездочкой на левой шейке коленчатого вала. От насоса по шлангам она попадает в рубашки и головки цилиндров, омывает их и выходит в коллектор, где установлен термостат, через который жидкость попадает в правый бачок радиатора. Пока температура жидкости меньше 60 °С (двигатель не прогрет), термостат закрыт и лишь малое его окошко позволяет жидкости проходить в радиатор. По мере повышения температуры термостат все больше открывается, и все большее количество жидкости через большее сечение проходит в радиатор. Если температура поднимется до 97 °С, сработает датчик и включится электрический вентилятор. Он будет обдувать радиатор до тех пор, пока температура жидкости не понизится до 87 °С. Пробка радиатора устроена таким образом, что, с одной стороны, поддерживает в системе повышенное давление, благодаря чему температура кипения жидкости существенно превышает 100 °С. А с другой стороны, обеспечивает пропуск жидкости из расширительного бачка обратно в радиатор, когда при остывании давление в нем падает. Поскольку теперь на цилиндре не стало ребер и появилась двойная рубашка с жидкостью, уровень шума двигателя снизился на 30%. И, что еще более важно, на 25—30% уменьшился расход топлива из-за оптимального и стабильного теплового режима двигателя. Примерно по такой же схеме работает жидкостное охлаждение на мотоцикле как и на других мотоциклах, в том числе и японских.
Воздух нам не нужен: почему воздушное охлаждение проиграло «водянкам»
Потребительские качества моторов-«воздушников» во многом выше, чем у привычных нам «водянок» – это доказывается, как дважды два. Так почему же сегодня мы ездим на машинах с тосолом, радиатором, расширительным бачком и массой шлангов под капотом?
Для человека, эксплуатирующего автомобиль изо дня в день, мотор-«воздушник» – дополнительный шаг к независимости от технических вопросов. В особенности это касается владельцев не новых, а подержанных автомобилей, силовой агрегат которых уже слегка изношен и имеет признаки старения от времени.
Вот только несколько положительных особенностей мотора, не имеющего «водяной рубашки»:
Однако у каждого своя правда: этот список существенных для потребителя достоинств в глазах автопроизводителей оказался перевешен другим перечнем – перечнем трудностей, которые конструкторы и технологи должны преодолеть на пути к успешному двигателю. Трудности в самом деле есть, но нам кажется, что команде толковых инженеров и ученых преодолеть их проще, чем, скажем, рядовому водителю (или даже автомеханику!) решить проблему попадания антифриза в маслопровод или, к примеру, разобраться с лопнувшим шлангом или треснувшим расширительным бачком. Впрочем, предоставим право судить вам. Итак, приводим наш рейтинг причин, по которым автопроизводители перестали использовать двигатели воздушного охлаждения.
Причина №1
«Воздушники» трудно проектировать
Работая над созданием мотора с воздушным охлаждением, конструктор должен решать ряд специфических проблем. Так, все цилиндры подобного агрегата расположены отдельно, поэтому нужно учесть неизбежные при сборке деформации их стенок – иначе не избежать неравномерного износа деталей.
Но самая сложная часть цилиндра и головки – их оребренная часть. Ребра должны с одной стороны иметь максимальную теплоотдачу – то есть быть очень массивными и толстыми, а с другой стороны – обладать минимальным аэродинамическим сопротивлением, то есть быть как можно более тонкими. Путем точных расчетов и экспериментов нужно найти баланс между количеством ребер, поверхностью их теплоотдачи и скоростью воздушного потока. Разница температур между отдельными точками цилиндра должна быть минимальной, при этом стенки цилиндра нужно сделать на 15-20 °C горячее, чем головку.
Кроме того, размеры и форму ребер нужно увязать с соседним цилиндром, расположением клапанов, свечного отверстия, колодцев крепежных шпилек, впускных и выпускных патрубков – и все это на фоне соображений аэродинамики. Ведь привод вентилятора отбирает часть полезной мощности двигателя, и за счет правильной организации потока охлаждающего воздуха под направляющим кожухом эти потери можно снизить.
Комплекса подобных трудностей можно избежать, если… обратиться к жидкостному охлаждению. Вода, как теплоноситель с высокой теплопроводностью и хорошей теплоемкостью, легко сглаживает температурные неравномерности блока цилиндров и их общей головки – поэтому нет потребности в столь сложных конструкторских изысканиях, расчетах и испытаниях.
Причина №2
Сложнее создавать модификации и проводить апгрейд
В отличие от 1950-60-х годов, времен расцвета «воздушников», нынешние конструкторы (а точнее – маркетологи) любят создавать несколько версий одного двигателя – с разным рабочим объемом и степенью форсировки. В случае с воздушным охлаждением это означает не только перерасчет параметров системы обдува, но и каждый раз полную переделку самих цилиндров и головок, которым при изменении объема и степени форсировки требуется новое оребрение – соответственно, с полным циклом новых расчетов и испытаний.
Между тем при изменении мощности мотора с жидкостным охлаждением бывает достаточно вдобавок к расточному блоку просто доработать систему питания, помпу и радиатор.
Причина №3
Сложнее решать вопрос отопления
Излишков тепла, которые можно направить на отопление салона, у моторов с воздушным охлаждением в принципе достаточно. Но рационально использовать их оказалось сложнее, чем в случае с «тосольным» радиатором. Приходилось делать оребренными выхлопные патрубки, «обнимать» их кожухами-рубашками для теплообмена с потоком воздуха, направляемым в салон – да еще принимать меры, чтобы в этот воздух не попали выхлопные газы. Но для серьезных зим подобный вариант был недостаточно эффективен. Поэтому, чтобы наладить в машине с мотором-«воздушником» действительно комфортный микроклимат, в иных случаях оказалось проще использовать автономный бензиновый отопитель – как у наших «Запорожцев». Такая печка получалась сложной и трудно контролируемой. Сегодня, в эпоху компьютеризированного климат-контроля, этот нюанс «воздушников» оказался весьма весомым аргументом «против».
Причина №4
Сложнее решить вопрос шумоизоляции
По своей сути двигатель с оребренными цилиндрами и большим вентилятором более шумный, чем тот, который закрыт «экраном» водяной рубашки системы охлаждения. В особенности – в диапазоне высоких частот, которые наиболее заметны для уха человека. Но еще в прошлом веке инженеры нашли несколько путей решения: малошумные центробежные вентиляторы, слой виброгасящего материала на направляющем кожухе, уменьшенные (за счет тщательно подобранных материалов) зазоры в клапанном механизме и паре поршень-цилиндр. А если совсем по-честному, то при теперешних материалах автохимии и технологиях электронного шумоподавления «заглушить» любой двигатель не было бы проблемой. Но зачем городить огород, если можно просто занести излишнюю шумность «воздушника» в его пассив и засчитать еще одно очко в пользу «водянок»?
Причина №5
Трудоемкость сборки двигателя
Один из самых существенных факторов, повлиявших на отставку моторов с воздушным охлаждением – их низкая технологичность, то есть неважная по сравнению с «водянками» приспособленность к массовому конвейерному производству. Причина в том, что каждый цилиндр охлаждаемого воздухом мотора обычно выполнен отдельно, а не в привычном нам едином блоке. (Исключения конечно были – например, четырехцилиндровые моторы Honda 1300.) Во-первых, очень непросто поштучно отливать цилиндры и головки с их длинными тонкими ребрами, у каждого из которых – строго определенное сечение и зачастую замысловатая форма. В некоторых случаях цилиндры делали из двух металлов – чугунная гильза и алюминиевая ребристая рубашка, заливаемая на чугун после соответствующей подготовки.