что такое дроссельная заслонка в мотоцикле
Карбюраторы мотоциклетного типа. Диффузор и дроссельная заслонка
Здравствуйте, уважаемые читатели. Настало время публикации очередной части статьи про карбюраторы малолитражных двигателей.
Сегодня рассмотрим особенности конструкций диффузора и дроссельной заслонки.
Большинство карбюраторов мотоциклетного типа имеют в своей основе диффузор переменного сечения и дозирующую иглу. Управление сечением диффузора осуществляется с помощью дроссельной заслонки цилиндрической или плоской формы. Дроссельная заслонка скомпонована с дозирующей иглой. Получается, что регулирование подачи топлива осуществляется одновременно с изменением сечения диффузора. Подробнее об управлении сечением рассказано в этой публикации.
Пропускная способность диффузора
Диффузор — один из основных элементов карбюратора. К определяющим параметрам диффузора относится его диаметр. Выбор диаметра строго зависит от требований, предъявляемых к двигателю. Численные значения диаметра диффузора и других важных параметров изначально определяют исходя из инженерной практики и опыта проектирования различных мотоциклов и двигателей к ним. Окончательный подбор диаметра осуществляется при испытаниях на двигателе.
К примеру, малокубатурные двухтактные двигатели, применяемые на мопедах и скутерах, оснащаются карбюраторами с диаметром диффузора от 12 до 14 мм. На 125-кубовых спортивных двигателях используются диффузоры с диаметром от 36 до 40 мм. На гоночных двигателях с золотниковым газораспределением можно встретить карбюраторы с еще большим диффузором. Такая тенденция связана с тем, что диаметр диффузора определяет максимальную пропускную способность главного воздушного канала, т.е. — максимальное наполнение цилиндра. Чем бóльшую мощность предполагается развить, тем больше должен быть диффузор, так как он будет оказывать меньшее сопротивление потоку смеси.
Однако большой диаметр диффузора делает двигатель менее приемистым, так как ухудшает распыление топлива в режимах малых и средних нагрузок. Для двигателей, работающих в широком диапазоне оборотов, приемистость важнее максимальной мощности. В таком случае применяются карбюраторы с диффузором небольшого сечения, что позволяет улучшить истечение топлива за счет большего разрежения.
Чтобы увеличить пропускную способность, не меняя диаметр диффузора, применяют специальные вставки для исключения ступенчатого изменения сечения на пути потока воздуха, снижая тем самым паразитные завихрения.
Форма диффузора
После определения площади сечения необходимо определить форму, которой будет ограничена эта площадь.
Для спортивных и других высокопроизводительных двигателей, у которых первостепенен режим максимальной мощности, предпочтительна круглая форма. Круг — это фигура с наименьшим периметром среди прочих фигур одинаковой площади, поэтому стенки диффузора круглой формы оказывают наименьшее сопротивление воздушному потоку.
На двигателях, где важно плавное управление мощностью, применяются карбюраторы с овальным сечением диффузора. Встречаются и более сложные формы, например, форма «щита», как прозвали ее инженеры Dellorto — дальнейшая эволюция овальной формы.
Формы диффузоров: a — овальная форма, b — форма «щита»
Как уже было упомянуто, при малом диаметре диффузора двигатель обладает лучшей приемистостью за счет поддержания высокой скорости воздушного потока в карбюраторе. При небольших подъемах дроссельной заслонки овальный профиль образует меньшее сечение. В этом случае карбюратор работает так, как будто имеет диффузор меньше, чем есть на самом деле. У карбюраторов в форме щита на малых подъемах площадь сечения еще меньше в сравнении с просто овальной. Это делает двигатель еще более отзывчивым на изменение положения ручки газа, что бывает очень важно для некоторых моторов с автоматической трансмиссией.
Сложная форма диффузора позволяет улучшить качество смеси на неустановившихся режимах, не ухудшая наполнение цилиндра при полностью открытом дросселе, так как на полном подъеме площадь увеличивается до рассчитанной на режим максимальной мощности. Помимо этого, сложная форма диффузора позволяет расширить диапазон рабочих оборотов и делает управление мощностью более прогнозируемым для водителя.
Таким образом, можно утверждать, что наполняемость цилиндра в основном определяется диаметром диффузора и формой его сечения (как в поперечной, так и в продольной плоскости). Также на наполняемость влияет форма входного устройства карбюратора и геометрические параметры смесительной камеры.
Дроссельная заслонка
Дроссельная заслонка является регулирующим элементом карбюратора, соединенным с органом управления газом посредством гибкой связи. Она регулирует проходное сечение диффузора, перемещаясь перпендикулярно к оси главного воздушного канала. Во многих моделях карбюраторов дроссельная заслонка представляет из себя цилиндр, перемещающийся на скользящей посадке внутри корпуса карбюратора.
Даже в карбюраторах с постоянным разрежением (в литературе встречается термин — с постоянной скоростью потока), в которых дроссельная заслонка совершает вращательные движения, есть клапан, регулирующий сечение путем перпендикулярного перемещения к оси диффузора. Конструкция и принцип работы подобных карбюраторов будет рассмотрен позже, так как их особенности заслуживают отдельного раздела.
Дроссельные заслонки классифицируются по форме на цилиндрические и плоские (еще их называют шиберные — Термин является уместным, так как в соответствии с ГОСТ 24856-2014 «Арматура трубопроводная. Термины и определения» шиберная задвижка определяется как «параллельная задвижка, у которой запирающий элемент выполнен в виде пластины»). На рисунке ниже представлено сравнение размеров круглой и плоской заслонок. Плоская дроссельная заслонка создает меньше паразитных завихрений под собой за счет сокращения длины диффузора.
Общий вид круглой и плоской дроссельной заслонок. Цветом выделены направляющие отверстия для дозирующих игл по центру заслонок.
На следующем рисунке демонстрируется разница в длинах главных воздушных каналов при применении круглой и плоской заслонки. Видно, что у карбюратора с плоской дроссельной заслонкой канал короче, значит сопротивление потоку воздуха оказывается меньшее.
Сравнение длин главных воздушных каналов при цилиндрической и плоской заслонках
Диффузоры современных карбюраторов тщательно прорабатываются для уменьшения паразитных завихрений в местах сопряжения дроссельной заслонки с корпусом карбюратора. Например, на рисунке ниже под буквой a изображен карбюратор Dellorto серии VHSD (Например, обозначение PH в серии карбюраторов Dellorto расшифровывается как P (Piston) — цилиндрическая дроссельная заслонка, H (Horisontal) — горизонтальная ориентация продольной оси главного воздушного канала. Буква V (Valve) в названии других линеек (например VHSD) обозначает наличие плоской дроссельной заслонки), в диффузоре которого видны два тонких направляющих паза по которым, как гильотина, перемещается дроссельная заслонка.
А на рисунке под буквой b демонстрируется дроссельная заслонка карбюратора серии VHSB, установленная в специальный «стаканчик», который служит направляющей для ее перемещения. Заслонка в сборе со стаканчиком устанавливается в цилиндрическое посадочное место корпуса карбюратора.
a — направляющие для перемещения дроссельной заслонки, b — стаканчик-направляющая для дроссельной заслонки.
Дроссельная заслонка карбюраторов с дозирующей иглой как плоская, так и цилиндрическая имеет скос, который влияет на смесеобразование при малых подъемах дросселя. Заслонка с небольшим скосом обогащает смесь вплоть до 1/4 подъема дросселя, но, если смесь слишком богатая, можно взять заслонку с большим скосом. Следует иметь в виду, что даже небольшое изменение этого регулировочного параметра может существенно сказаться на смесеобразовании.
Дроссельные заслонки с различным скосом
Паразитные эффекты
В карбюраторах четырехтактных двигателей может наблюдаться эффект залипания дроссельной заслонки в закрытом состоянии из-за очень сильного прижимного действия низкого давления во впускном тракте. Для уменьшения этого эффекта, а также предотвращения быстрого износа, приводящего к паразитному подсосу воздуха, поверхность покрывается хромом для увеличения твердости и гладкости (рисунок ниже под буквой a).
Этот же эффект вынуждает применять весьма жесткие возвратные пружины для обеспечения закрытия дроссельной заслонки. Однако, поскольку жесткость пружины определяет усилие на ручке газа со стороны водителя, следует стремиться к минимизации трения между заслонкой и корпусом. Например, на рисунке ниже под буквой b представлена хромированная дроссельная заслонка с возвратной пружиной спортивного карбюратора линейки VHSD. Видно, что применена пружина весьма скромных размеров, но ее усилия вполне достаточно для закрытия дросселя, так как хромовое покрытие заслонки существенно снижает трение о корпус.
a — хромированные дроссельные заслонки, b — дроссельная заслонка с возвратной пружиной
Ранее мы отмечали преимущества плоской дроссельной заслонки, но и она не лишена недостатков. Плоская дроссельная заслонка вносит трудности при размещении переходного отверстия системы холостого хода. Это отверстие (отверстия) необходимо для подачи топлива в момент, когда отверстие малых оборотов холостого хода уже не может подавать требуемое количество топлива, а главная дозирующая система еще не включилась в работу. В технологическом цикле изготовления карбюратора эти отверстия сверлят после обработки главного топливного колодца и, для должного функционирования, располагают чуть дальше кромки дроссельной заслонки. При плоском дросселе отверстия располагаются очень близко к распылителю, что усложняет компоновку. Но, несмотря на это, карбюраторы с плоским дросселем являются наиболее совершенными в своей конструкции.
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!