какое охлаждение мотоцикла лучше воздушное или водяное охлаждение
Какое охлаждение мотоцикла лучше воздушное или водяное охлаждение
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.
Какое охлаждение мотоцикла лучше воздушное или водяное охлаждение
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.
Миф о «воздушниках»: чем воздушное охлаждение круче жидкостного
Моторы-«воздушники» получили отставку совершенно зря. Достоинств у них столько, что любой новомодный турболитр с даунсайзингом в придачу позавидуют. И о многих плюсах воздушного охлаждения некоторые сегодня даже не догадываются.
На первый взгляд – взгляд потребителя, владельца семейной легковушки или целого коммерческого автопредприятия – преимущества двигателей с воздушным охлаждением лежат на поверхности:
«воздушник» конструктивно проще мотора с жидкостным охлаждением
он надежнее;
он дешевле в эксплуатации.
О минусах воздушного охлаждения все тоже как будто наслышаны, и напомнить о них здесь стоило бы лишь для соблюдения баланса аргументов. Но на самом деле есть только один значимый для потребителя недостаток мотора с воздушным охлаждением:
«воздушник» более шумный.
Все остальные минусы или давно потеряли актуальность, или всегда были досужими сказками. Так что есть повод поговорить об этих незаслуженно подзабытых агрегатах подробнее.
Из истории «воздуха»
Да, было время, когда автомобильные моторы с воздушным охлаждением проигрывали собратьям с охлаждением жидкостным (тогда говорили – водяным, поскольку антифризы были понятием чисто теоретическим). Двигатели-«воздушники» получались менее мощными, перегревались летом и не прогревались зимой. Из-за температурных проблем ресурс такого двигателя был меньше, часто случались отказы. Но все эти вопросы были решены к 1950-м годам, когда воспрянувшая после Второй мировой Европа начала пересаживаться с велосипедов на компактные автомобильчики. Дешевые и неприхотливые «воздушники» начали массово применять не только на VW Beetle, но и на Citroen 2CV, Fiat 500, NSU Prinz и прочих автомобилях. И это мы еще не говорим о целой плеяде серийных заднемоторных спорткаров Porsche, 4-, 6- и 8-цилиндровые моторы которых вплоть до 1998 года охлаждались воздухом!
В то время как немецкий «Жук» с его обдуваемым воздухом оппозитником во всем мире мигом стал образцом простоты и безотказности, в нашей стране сложилось устойчивое и по сей день не искорененное предубеждение против моторов воздушного охлаждения. Дескать, они и греются безбожно, и ломаются через день, да и силенок у них маловато. Виноват во всем бедолага «Запорожец», которому пришлось отдуваться за честь всех «воздушников» перед лицом целого СССР. Вместе с сомнительным качеством сборки ЗАЗикам досталась мизерная по масштабам СССР сервисная сеть. Сам по себе мелитопольский силовой агрегат МеМЗ был неплох, но обслуживаемый в кустарных условиях, заправляемый «автолом» и ремонтируемый «на коленке», он в самом деле не был примером надежности. Поэтому прежде чем продолжить повествование, хочу попросить читателя ассоциировать понятие «воздушник» не с «Запором», а с «Жуком» или хотя бы с «Ситроен де шво». Так будет честнее.
1. Он греется – неправда
На самом деле, температурные особенности моторов-«воздушников» можно отнести не к минусам, а к плюсам. Да, из-за меньшей теплоемкости и теплопроводности воздух не может так быстро отобрать тепло, как вода или антифриз. Но с другой стороны разница температур между стенками цилиндров и забортным воздухом больше, чем между теми же стенками и циркулирующей в системе охлаждающей жидкостью. Поэтому тепловой режим «воздушника» меньше зависит от погоды – то есть вероятность перегрева двигателя-«водянки» даже с самым большим радиатором в жару намного выше.
Еще одно очень важное преимущество «воздушника» – в три-четыре раза более быстрый прогрев после холодного пуска. Отсюда – и экономия топлива, и продление ресурса, и лучшая экология, и, наконец, удобство для водителя. Только у самых сложных «жидкостных» моторов образца 2010-х годов, имеющих три контура системы охлаждения, получается достигнуть подобных показателей прогрева.
2. Он громоздкий – неправда
Внешне «воздушник» может казаться более массивным, поскольку его цилиндры и головки со всех сторон окружены кожухами-воздуховодами, да и вентилятор обдува с дефлектором обычно выглядит более чем внушительно. Но предметное сравнение габаритов двух моторов с одинаковыми диаметром цилиндров и ходом поршня, но разными системами охлаждения, говорит о том, что габариты если и отличаются, то как раз в пользу «воздушника» – зачастую он оказывается чуть компактнее. Но главное даже не это.
Что касается размеров, справедливо будет принимать во внимание габариты не одного только двигателя, но и тех его неотъемлемых компонентов, которые крепятся отдельно, на кузове. Вот тут и проявляется неопровержимое преимущество «воздушника»: говоря современным языком, он выполнен в форм-факторе «моноблок», в то время как «водянка» имеет вынесенный на кузов громоздкий радиатор с вентилятором и системой шлангов. Которые, естественно, компактности силовому агрегату не добавляют.
3. Он ненадежный – неправда
На самом деле надежность двигателя с воздушным охлаждением существенно выше, ведь по статистике система жидкостного охлаждения служит причиной 20% всех отказов двигателя. А у «воздушника» как раз отсутствуют компоненты, обладающие низкой отказоустойчивостью: радиатор, термостат, помпа, трубопроводы, сальники и прочие уплотнения. Вентилятор и дефлекторы для обдува цилиндров воздухом устроены существенно проще, поэтому вероятность их отказа мизерна. Кстати, по этой же причине затраты на обслуживание «воздушников» также ниже.
4. Он шумный – правда
Что есть, то есть – шумит. И поделать с этим ничего нельзя. Точнее, идеи есть, но воплотить все их очень сложно. Беда в том, что у «воздушника» нет такой эффективной шумоизоляции, как двойные стенки рубашки охлаждения, заполненной водой или антифризом. И более того, все шумы мотора (механические, газообмена, горения) порой усиливаются ребрами цилиндров и головок. Поэтому конструкторы борются в первую очередь с источниками шумов, повышая жесткость деталей и применяя подпружиненные разрезные шестерни приводов, гидрокомпенсаторы клапанов, материалы с точно подобранным коэффициентом температурного расширения. Аэродинамические шумы вентилятора можно значительно уменьшить, но это дело нелегкое – нужны серьезные усилия конструкторов и технологов.
Двигатель Fiat 500
5. Малый ресурс – неправда
В первые 50 лет автомобильной эры к воздушному охлаждению конструкторы относились легкомысленно – дует мощный вентилятор на оребренные цилиндры, да и ладно. Но такое охлаждение часто было неравномерным, с застойными зонами и местными перегревами. Цилиндры деформировались, нарушались установленные зазоры цилиндропоршневой группы, масло коксовалось и выгорало. В результате детали изнашивались более интенсивно, чем у моторов с водяной «рубашкой», которая более равномерно распределяла выделяемое через стенки цилиндров тепло и отбирала его. Но организовать ровный обдув воздухом всех горячих зон двигателя оказалось не так уж сложно, и со временем двигатели-«воздушники» получили рациональное распределение тепла.
Еще один нюанс, уже из области высоких материй: при воздушном охлаждении проще организовать более высокую температуру стенок цилиндров (независимо от их головок). «Лишние» 15-20 °C снижают потери на трение колец о цилиндры (масло-то на стенках более жидкое!), а также уменьшают их износ (в том числе и коррозионный) и замедляют старение масла за счет его меньшего окисления. Выше уже было сказано о том, что мотор с воздушным охлаждением работает в холодном состоянии в несколько раз меньшее время, чем мотор с водяным – а значит, и время интенсивного износа трущихся пар намного меньше.
6. Он хилый – неправда
Причина для подобного обвинения есть, но суть проблемы такова, что ею можно пренебречь. Дело в том, что при увеличении нагрузки температура охлаждаемых воздухом цилиндров и их головок быстро повышается, а значит, повышается температура воздуха, поступающего в цилиндры. Отсюда – худшее весовое наполнение цилиндров рабочей смесью и кратковременное падение отдачи двигателя. Но исследования ученых-моторостроителей показывают, что разница коэффициента наполнения цилиндров у «воздушников» и «водянок» не превышает 3,5%. И это при 2 000 об/мин, а с ростом оборотов разница вообще стремится к нулю. Таким образом, теоретически существующую особенность эффективного наполнения цилиндров конструкторы решают за счет повышения рабочих оборотов двигателя. И, разумеется, данный вопрос вообще не касается наддувных двигателей воздушного охлаждения.
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.
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.