На некоторых моделях двухтактных двигателей мотоциклов за впуск смеси в картер отвечает поршень. Он открывает вход на уровне около 60 градусов, не доходя до верхней мертвой точки. После пропуска смеси вход закрывается примерно на том же уровне. При движении поршня вверх и вниз все происходит симметрично. Конструкторы задумались о наполнении цилиндра большим количеством смеси. Нужно было какое-то новое устройство. Так появился золотниковый впуск, а затем лепестковый клапан двухтактного двигателя. Изобретение известно давно, но широкое применение нашло только во второй половине ХХ века.
Содержание
Маятник и мономаятник в мотоцикле: конструкция, различия и влияние на управляемость
Что такое лепестковый клапан и где он находится?
Лепестковый («reed valve») — односторонний клапан, устанавливаемый между карбюратором и картером двухтактного двигателя на впуске. По сути это мембрана. Она пропускает горючую смесь в мотор, предотвращает ее обратный выброс или сводит до минимума. Тем самым улучшается тяга, происходит экономия топлива, и двигатель начинает работать стабильно. Клапан состоит из рамы и гибких металлических или пластиковых лепестков. Отсюда название.
Лепестковые клапаны часто сравнивают с клапанами сердца. Они стали применяться изобретателями очень давно, не только в двухтактных двигателях, но других устройствах, где нужно управлять потоками жидкостей и газов. Тысячи лет лепестки или их аналоги применялись в водяных насосах, многие века кузнецы использовали их в мехах. Хорошо известны лепестки музыкантам, такие клапаны применяются в инструментах, где важен поток воздуха — баяны, гармоники. Только представьте все перечисленные устройства, и станет легче разобраться, как работает лепестковый клапан в двухтактном двигателе.
Для чего нужен лепестковый клапан в двухтактнике?
Классические двухтактные двигатели на мотоциклах с «золотниковым впуском» (вращающимся диском на коленчатом валу) применялись еще на некоторых моделях в 1920-х годах. Топливная смесь пропускалась через окно в поршне, затем часть ее возвращалась в карбюратор, когда поршень двигался вниз. До поры такая работа считалась оптимальной, но конструкторы осознавали проблему. Существовала жесткая привязка фаз распределения топливных газов к направлению вращения и оборотам. Эффективность оказывалась далеко не самой высокой.
Главные недостатки «золотникового впуска»:
Узкий рабочий диапазон. Такая система работает в строго определенные моменты, открывая и закрывая впускной канал. На низких оборотах мотор, настроенный на максимум мощности, теряет тягу и устойчивость.
Происходит обратный выброс горючей смеси. Когда мотор работает на низких или средних оборотах и поршень начинает двигаться вниз, часть смеси выталкивается обратно в карбюратор. В результате мощность двигателя снижается, расход топлива увеличивается.
Сложная конструкция и настройка. Золотник работает очень тонко, он требует минимальных допусков. Любой серьезный износ ведет к нарушению герметичности, механизм начинает пропускать воздух, что ведет к обеднению горючей смеси, потери мощности.
Лепестковый клапан в двухтактном двигателе мотоцикла выполняет роль автоматического золотника. Он пропускает горючую смесь только в одном направлении из карбюратора в мотор. Обратного выброса не происходит, наполнение цилиндра улучшается, экономится топливо. Поэтому постепенно лепестковые клапаны стали вытеснять золотниковые. Последние остаются в спортивной технике и применяются в гоночных мотоциклах. Там моторы работают на максимальных оборотах, причем форму золотника можно изменить под определенную трассу.
Устройство и принцип работы лепесткового клапана
Конструктивно лепестковый клапан состоит из нескольких элементов:
корпус или домик — основа особой формы из металла или пластика с одним или несколькими проходными отверстиями;
лепестки или пластины — из тонкого и гибкого материала, обычно пружинная сталь или прочное углеволокно (карбон), прикрывающие окна клапана;
ограничители или стопоры — изогнутые пластины из металла, они предотвращают слишком сильное прогибание лепестков, чтобы они не сломались при максимальных нагрузках.
Работа лепесткового клапана на мотоцикле основана на регулярной смене давления в картере мотора во время движения поршня. При открытии или впуске поршень идет вверх. В этот момент в картере происходит разрежение, образуется вакуум. На лепестки оказывается атмосферное давление. Они отгибаются внутрь, и топливовоздушная смесь без препятствий проникает из карбюратора в картер.
Следующее действие — закрытие лепесткового клапана, когда предотвращается обратный выброс. Одновременно с движением поршня вниз в картере резко возрастает давление, идет процесс предварительного сжатия смеси перед продувкой. Благодаря давлению лепестки плотно прижимаются к корпусу клапана и полностью перекрывают проход. У топливной смеси нет возможности вернуться в карбюратор. Она через продувочные каналы направляется прямиком в цилиндр.
Лепестковые клапаны двухтактных двигателей должны быть упругими и стойкими к агрессивному воздействию топлива и масла материалов. Сегодня они изготавливаются преимущественно из трех видов:
карбон (углепластик) — наиболее применяемый материал для спортивных двигателей с высокой мощностью, карбон обеспечивает хороший отклик на газ, известен долговечностью и небольшим весом;
стеклотекстолит — часто можно встретить на моторах стандартного типа, материал легко гнется, безопасен, даже если происходит разрушение, его частицы не могут нанести критических повреждений цилиндру;
пружинная сталь — классика в отношении лепестковых клапанов, использовалась еще на ранних моделях двухтактных двигателей в первой половине ХХ века, металл очень надежен, но в отличие от стеклотекстолита его частицы при разрушении могут навредить всей поршневой группе.
Промышленные лепестки чаще всего изготавливаются из композитных материалов — карбона и стекловолокна. Существует кустарное производство лепестков. Любители техники при тюнинге используют винипласт или плотный текстолит. Корпус клапана обычно делают из алюминия или прочного пластика.
Существуют несколько разновидностей конструктивных отличий клапанного блока:
стандартные однолепестковые: наиболее распространенное, простое и известное конструктивное решение с единственным язычком, перекрывающим впускное окно;
домиковые (многолепестковые или V-образные): обладают сложной формой, напоминая обыкновенный домик с крышей, где лепестки расположены под углом, очень хорошо наполняют цилиндр топливовоздушной смесью, увеличивают пропускную способность клапана;
двухступенчатые (Multi-stage): конструктивно чуть выше жесткого большого лепестка ставится маленький из мягкого материала, смысл в обеспечении высокой тяги на низких оборотах и полной подачи смеси на максимальных нагрузках.
Чаще всего на современной технике используются многолепестковые карбоновые клапаны. Их можно встретить на кроссовых мотоциклах, гидроциклах и снегоходах. Жесткие пластины (ограничители) не дают гибким лепесткам отгибаться слишком сильно. Ограничители продлевают срок службы лепестков и улучшают отклик двигателя. Обычно конкретную разновидность выбирают от характера работы мотора, — либо хорошая тяга на низких оборотах, либо максимум производительности на высоких.
Преимущества двигателя с лепестковым клапаном
Лепестковый клапан на двухтактном двигателе обладает более широким и эластичным рабочим диапазоном оборотов в сравнении с моторами, работающими по принципу золотникового или поршневого впуска. Два главных преимущества: устранение «обратного выброса» и автоматическая адаптация. В первом случае лепесток перекрывает канал и топливовоздушная смесь не выталкивается обратно в карбюратор. Во втором клапан бывает открыт настолько, сколько это нужно мотору. На «низах» поток воздуха меньше, клапан открыт мало. Он обеспечивает высокое давление и оптимальный крутящий момент. На «верхах» открыт максимально, впуская как можно больше смеси.
Среди преимуществ широкого диапазона оборотов: эластичность тяги, улучшенный отклик на газ, когда двигатель быстрее набирает обороты, стабильная работа на холостом ходу. Для достижения лучшей приемистости лепестковому клапану необходимо работать в паре с хорошо настроенным карбюратором и системой выпуска. Если клапан устанавливается самостоятельно, случается необходимость дорабатывать поршень, распиливать впускное окно и подбирать жиклеры.
Лепестковый клапан на мотоцикле серьезно влияет на экономию топлива и масла. Когда он закрывается из-за движения поршня вниз и возрастания давления, смесь топлива и воздуха не может вернуться во впускной коллектор. Бензин остается в камере сгорания, и его расход уменьшается до 15 процентов. Происходит оптимизация смазки, поскольку масло смешивается с топливом. Бензин не возвращается, в картере происходит приемлемое разрежение. В результате масляная взвесь равномерно переносится на подшипники коленчатого вала и стенки цилиндра. Повышается коэффициент полезного действия двигателя. Резко снижается токсичность выхлопа, мотор работает стабильно на холостом ходу, увеличивает динамику разгона и мощность двигателя до 20 процентов.
Двигатели с лепестковым клапаном превосходят старые традиционные моторы с золотниковыми клапанами по мощности, экономичности и стабильности работы. Золотниковые клапаны были задействованы прежде в паровых машинах, гидравлической специальной технике в виде экскаваторов, автокранов. В отношении двухтактных моторов золотниковые клапаны можно встретить на мопедах, лодочных моторах или дешевых китайских двигателях. Преимущества лепестковых клапанов на двухтактном двигателе определяются несколькими моментами:
Топливная экономичность. В случае лепестков топливо не выбрасывается обратно в карбюратор, а в старых моторах происходит его «плевок» из фильтра. Экономия особенно заметна на низких и средних оборотах.
Мощность и приемистость. С лепестковым клапаном мотор быстро дает отклик на ручку газа. В картер попадает больше смеси, повышается крутящий момент и мощность. В старых двигателях мощность и обороты строго ограничены конструкцией поршня.
Запуск двигателя. В первом случае мотоцикл заводится тут же, поскольку клапан очень хорошо работает на «низах», пропуская больше обогащенной смеси. В случае золотников мотор запускается хуже особенно при низких температурах воздуха, отсутствует стабильное формирование потока смеси.
Холостой ход и эластичность. С лепестковым клапаном обеспечивается равномерная работа двигателя в любом диапазоне нагрузок. В старых вариантах происходит пульсация смеси особенно в переходных режимах.
Обслуживание и конструкция. С лепестками конструкция сложнее, материал расходный, он изнашивается и требует периодической замены. В старых вариантах конструкция проста и надежна, поскольку при впуске отсутствуют движущиеся детали, ломаться попросту нечему.
Сравнительная таблица характеристик двух механизмов:
|
Параметр |
Золотниковый впуск (через поршень) |
Лепестковый клапан |
|
Конструкция |
Простая, нет дополнительных деталей |
Сложнее, добавочный узел |
|
Обратный выброс смеси |
Значительный |
Практически отсутствует |
|
Мощность на низких оборотах |
Средняя |
Высокая |
|
Мощность на высоких оборотах |
Ограничена |
Выше, шире диапазон |
|
Расход топлива |
Высокий |
Низкий |
|
Применение |
Старые мопеды, некоторые современные китайские модели |
Большинство современных двухтактников (KTM, Yamaha, Husqvarna) |
Разновидности лепестковых клапанов и их модернизация
На мотоциклах лепестковые клапаны встречаются в вариантах с двумя, четырьмя лепестками и более. Каждый из них обладает своими особенностями.
Двухлепестковые клапаны имеют обыкновенную V-образную или плоскую форму, где каждый лепесток закрывает одно большое окно. Данная конструкция отличается дешевизной и легкостью, она дает хороший подхват на низких оборотах благодаря быстрому отклику. На верхних оборотах максимальная мощность может быть ограничена из-за меньшей пропускной способности.
Четырехлепестковые клапаны внешне напоминают раздвоенные «домики» V-образной формы. На каждую сторону приходится по два лепестка. Плюс конструкции обеспечивает гораздо большая площадь сечения. Цилиндр хорошо наполняется смесью на средних и высоких оборотах. Ровная тяга обеспечивается по всему диапазону работы механизма.
Спортивные многолепестковые (многоступенчатые или многостворчатые) клапаны сложной формы с расположением пластин под углом друг к другу. Иногда применяется шесть лепестков. Такая конструкция увеличивает проходное сечение и обеспечивает равномерное наполнение. Примером служат клапаны V-Force. На высоких оборотах они придают хорошую герметичность и отсутствие зазоров. За счет аэродинамической формы увеличивается скорость потока, изогнутые лепестки из карбона служат достаточно долго.
Выбор клапана зависит от целей. Для повседневной езды на мотоцикле чаще выбирают сталь или текстолит. В случае спортивных или кроссовых мотоциклов выбор падает на многолепестковые карбоновые системы. Многие владельцы самостоятельно занимаются тюнингом лепесткового клапана на двухтактном двигателе. Меняют их на более жесткие, чтобы техника лучше вела себя при работе на высоких оборотах. Более мягкие применяют для «низов».
Для стандартных и легких мотоциклов (эндуро, дорожники) лепестки часто выполняют из гибкого текстолита или стеклотекстолита. При тюнинге более мощной техники используют лепестки из углепластика разной жесткости. Важно правильно подобрать не только материал, но и угол открытия, чтобы не ухудшить характеристики двигателя. Следует помнить, что лепестки — это расходный материал. Они со временем могут расслоиться или вовсе сломаться. В критичных случаях это может привести к поломке цилиндро-поршневой группы. Внимательно следите за их состоянием и постоянно проверяйте.
Часто задаваемые вопросы про лепестковый клапан
Можно ли ездить без лепесткового клапана или с неисправным?
Ездить на мотоцикле с неисправным лепестковым клапаном или вовсе без него настоятельно не рекомендуется. Мотор будет очень тяжело завести, в холодном состоянии он вовсе может не запуститься. Резко снижается мощность, топливо выплескивается через карбюратор, смесь оказывается обедненной. На низких оборотах двигатель глохнет, работает неравномерно. Произойдет значительный перерасход топлива. Если лепестки деформированы, откололись или неплотно прилегают, клапан необходимо срочно заменить или отрегулировать.
Как понять, что лепестковый клапан вышел из строя?
Об этом «сообщит» двигатель. Есть несколько его симптомов, позволяющих понять, что проблемы связаны с лепестковым клапаном на мотоцикле. Плохой запуск техники, или ее вовсе невозможно завести. Нестабильная работа мотора, он плохо реагирует на ручку газа, смесь становится обедненной. Теряется мощность и нельзя набрать максимальную скорость. Брызги топлива и масла летят в воздушный фильтр. Можно осмотреть лепестки визуально. На них не должно быть трещин, сколов, зазубрин. Между ними и седлом не должно быть малейшего зазора. Подсказка: просветите клапан с обратной стороны фонариком. Если пробивается свет, с клапаном проблемы.
Лепестковый клапан увеличивает мощность или только экономит топливо?
Он не только экономит топливо, но увеличивает мощность и крутящий момент. На такте сжатия клапан закрывается, не давая топливной смеси выталкиваться обратно в карбюратор. Она остается в картере и цилиндре. В результате в камеру сгорания попадает больше топлива, а сам двигатель лучше отзывается на ручку газа. Топливо расходуется рационально, происходит значительная экономия по сравнению со старыми системами.
Стоит ли менять штатный клапан на тюнинговый?
Менять штатный лепестковый клапан на мотоцикле на тюнинговый (карбоновый, стекловолоконный) стоит только в случае полного форсирования двухтактного ДВС. Если штатный узел исправен и работает хорошо, замена только ради прибавки мощности не имеет смысла. Результатом станет только более тонкая реакция на ручку газа.
Принцип работы двухтактного двигателя: полное и понятное объяснение
Клипоны на мотоцикле: полное руководство по спортивному рулю
Комментарии