Почему водяная система охлаждения мотоцикла лучше воздушной?

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.

Воздушное охлаждение затрудняет контроль выбросов, поскольку температура таких двигателей меняется в зависимости от погоды - летом температура выше, а зимой – ниже. Когда топливно-воздушная смесь поступает в цилиндр двигателя через такт впуска, эта смесь нагревается до температуры поверхностей, которые окружают ее - стенки и головки цилиндра и головки поршня. Это нормально, если температура двигателя постоянна - мы просто продуваем карбюратор для подачи желаемой смеси, зная, что плотность воздуха в двигателе не изменится.

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.

У гонщиков не было никаких проблем с этим - они привыкли к повторной установке карбюратора(ов) несколько раз в день, чтобы максимизировать мощность и реакцию. Но гонщики обычных серийных мотоциклов просто хотят кататься, поэтому их карбюраторы оборудованы под компромисс – обедненная смесь зимой, густая летом.

Затем появились экологи и вместе с ними бесконечное давление, чтобы уменьшить количество выбросов выхлопных газов двигателя. Учитывая ограничения карбюраторных топливных систем, самый быстрый способ сделать топливно-воздушные смеси более стабильными на протяжении всего года - это обеспечить постоянную температуру двигателя с помощью жидкостного охлаждения, регулируемого термостатом. И именно так и действовала мотоциклетная промышленность в 1980-х годах - в основном.

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.

Еще одна проблема - температурные изменения в зазорах двигателя. Коленвал изготовлен из стали, но алюминиевый картер, на котором он держится, изготовлен из алюминия, который расширяется при нагревании в три раза больше, чем сталь. Поэтому летом, когда масло более жидкое, зазоры подшипников максимально расширяются. Двигатели F1 работают на синтетических маслах, которые настолько жидкие, что крошечные зазоры в подшипниках, которые им нужны, не позволяют стартеру включить двигатель до тех пор, пока он не будет предварительно нагрет благодаря циркуляции по нему горячей охлаждающей жидкости. Термостатическое жидкостное охлаждение означает, что зазоры остаются неизменными.

Поршни в двигателях с воздушным охлаждением нагреваются сильнее, потому что все, что им нужно для охлаждения - это контакт с умеренно теплыми стенками цилиндров. Поэтому в таких двигателях, как правило, используются поршни с более длинной юбкой и большего веса, а не легкие поршни «пепельницы», встречающиеся в конструкциях с жидкостным охлаждением (для которых обычно используется моторное масло для поршневого охлаждения). Это дополнение для поршня служит в качестве «тепловой трубы» для отвода тепла от головки поршня к широкому месту соединения со стенкой цилиндра. Более тяжелые поршни способны выдерживать повышенную вибрацию и нагрузку на подшипники, но они были нормой 40 лет назад.

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.

Тогда появляется проблема степени сжатия. Вы когда-нибудь замечали, что у мотоциклетных двигателей с жидкостным охлаждением высокая степень сжатия в диапазоне 12–13:1, в то время как у классических систем воздушного охлаждения 1970-х годов редко было сжатие выше 9,5:1? Даже современное воздушное охлаждение обычно имеет показатели ниже 10,5:1. Причина, по которой двигателям с воздушным охлаждением нужно более низкое сжатие, заключается в том, что при работе в верхнем пределе их температурного диапазона любое более высокое сжатие может привести к детонации (детонация - так называемый «стук в двигателе» - это ненормальная и часто вредная форма сгорания, которая становится более вероятной при повышении температуры смеси). В целом, чем выше можно установить показатель безопасного сжатия двигателя, тем выше находится крутящий момент, и тем ниже расход топлива.

В любом случае, вы поняли суть дела - легче установить эффективный двигатель с жидкостным охлаждением с хорошими рабочими характеристиками и низким уровнем выбросов, чем добиться этого от двигателя с воздушным охлаждением - неважно, как сильно нам нравились эти радиаторы.

Источник материала:
https://www.cycleworld.com/why-liquid-cooling-for-motorcycles/