Как сделать воздушное охлаждение на мотоцикле
Установка жидкостного охлаждения на ИЖ Юпитер 5
Всем привет! Участились случаи когда у меня спрашивают «о! а как ты сделал водяное охлаждение на юпитер?». Поэтому было решено написать сию заметку, в которой вкратце описать процесс установки жидкостного охлаждения на мотоцикл ИЖ Юпитер 5К.
По документам у меня мотоцикл ИЖ 6.114, модели Юпитер 5К 1988 года выпуска. Приставка «К» обозначает что к мотоциклу прилагается боковой прицеп ВМЗ, в простонародии люлька или коляска.
В моих руках мотоцикл с 2007 года и за это время претерпел множество изменений. Об одном из них ниже.
Глава 1. Как всё начиналось
Проснувшись одним прекрасным утром я понял, руки чешутся не от того что грязные, а от дикого желания сотворить со своим конём какое нибудь чудо и полез я в великий и могучий интернет читать инфу и впитывать её как губка боб. Начитавшись теории, переходим к практике забиваем болт на это дело ибо очень сложно и денег не меряно. Но руки покоя не дают. Поехали мы как то с товарищем в Биробиджан и случилось у нас великое горе, перегрелся и заклинил двигатель ((( Стоим мы значит на трассе, километров 10-15 до города, километров 70 до дома, заклинивший двигатель, печаль в глазах. Отдохнув, остынув, выпив сочку начинаем ремонт. Скинули головки. Поршни ободраны, зеркало цилиндра тоже. Делать нечего, собираем обратно. Ради смеха пытаемся завести. Хм, коленвал стал проворачиваться, и даже схватывает, и даже завелся! правда ехать хотел максимум 60 км\ч =(( но этого хватило доехать до города (да, мы не стали возвращаться сразу домой, а поехали дальше). По возвращению домой первым делом раскидал двигатель по гаражу и понял, что момент настал и пора бы заняться установкой водяного охлаждения. Был сентябрь, впереди долгие зимние вечера, вот он момент истины!
Итак, всё что нам нужно знать:
двигатели были следующих серий:
картеры ИЖ Ю5 сб.1 — сб.1-05 воздушного охлаждения (мой вариант)
картеры ИЖ Ю5 сб.1-07 воздушного охлаждения, но допускают установку жидкостного охлаждения
картеры ИЖ Ю5 сб.1-08 жидкостного охлаждения
марку картера можно узнать на переднем креплении двигателя к раме, недалеко от его заводского номера.
Установить «водяные» цилиндры в картеры 07 и 08 — дело не хитрое, по сути это один и тот же картер, который имеет более глубокую кривошипно-шатунную камеру. А вот в 05 картер это целая история. Всё дело в том, что конструктивно цилиндро-поршневая группа в двигателе 07-08 смещена ниже, смещены юбки цилиндров, юбка поршня, картер глубже. При этом ход поршня и размеры шатуна остаются прежними. Зачем? спросите у конструкторов))
Выходов как обычно несколько:
1. Фрезернуть КШК и установить комплект «водяной» ЦПГ
2. Сделать 7 мм проставку из алюминия и тем самым поднять «водяной» цилиндр над картером и оставить «воздушный» поршень. При этом необходимо изготовить удлиненные шпильки крепления головки
3. Отрезать лишнее и установить «водяную» ЦПГ в «воздушную» КШК
Первый вариант не рассматривался впринципе, ручной фрезер? где б его взять… А если запорю КШК? новый картер искать… точно не подходит.
Проставку изготовить? ну по форме прокладки можно было бы сделать проставочку и дело в шляпе, но подгонка степени сжатия, зависящей от толщины этой прокладки меня не вдохновила, тем более цилиндров два.
Решено — режем!
Глава 3. От теории к практике
Головок у них не оказалось, поэтому их приобрел с рук у добрых людей с форума мотоиж
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.
Воздушное охлаждение
Поскольку происходит нагрев определенных областей двигателя, для предотвращения деформации рассматриваемых узлов и возможного заклинивания необходимо обеспечить отвод и рассеивание тепла. Тепло естественным образом перераспределяется от горячих к холодным областям; таким образом, тепло, полученное поршнем и клапанами, естественным образом отводится к внешним поверхностям цилиндра и головки цилиндра. Лишнее тепло от этих поверхностей необходимо отвести в воздух (помня, что не всё тепло является лишним, поскольку рабочая температура двигателя должна поддерживаться в оптимальных пределах).
Наилучшим способом организации теплоотвода является оптимизация площади наружной поверхности деталей, так чтобы в воздух отводилось необходимое количество тепла. Этого добиваются путем введения ребер охлаждения на нагретых областях. Если посмотреть на любой двигатель с воздушным охлаждением, то можно сразу заметить, что основная, сильно оребренная область находится в районе головки цилиндра. Поверхность картера не находится в непосредственном контакте с теплом, выделяющимся при сгорании, а следовательно, ей достаточно небольшого оребрения или вообще оно не требуется. В этом случае исключением являются четырехтактные двигатели с «мокрым картером», в которых ребра используются для охлаждения масла, находящегося в поддоне. Принципы воздушного охлаждения были заложены одновременно с первыми мотоциклами, и не сильно изменились за прошедшие годы. Конструктор должен вычислить площадь оребрения для соответствия ее величине отводимого тепла, поэтому оребрение одного двигателя может сильно отличаться от другого. Например, охлаждению двигателя дорожной машины способствует ее движение по отношению к окружающему воздуху. Для спортивных внедорожных мотоциклов это справедливо в меньшей степени, потому что они часто работают в тяжелых условиях и при этом очень медленно двигаются; именно по этому у многих двигателей внедорожных машин сильное оребрение. Вот почему дорожные машины перегреваются, попадая в «пробку». Кроме того, имеется существенное различие в степени оребрения между двухтактными и четырехтактными двигателями: число рабочих ходов в двухтактных двигателях в два раза больше, следовательно, им необходимо более развитое охлаждение. Другой способ реализации воздушного охлаждения — тот, что применяется на двигателях, расположенных вне набегающего потока воздуха, то есть на скутерах Он состоит в том, что над оребренной поверхностью устанавливается кожух, в который по каналу от вентилятора подается воз дух, охлаждающий ребра. Несмотря на то, что часть мощности затрачивается на привод вентилятора, этот способ связывает эффективность охлаждения с частотой вращения двигателя, а не со скоростью движения; следовательно, он более соответствует требованиям охлаждения двигателя. Главный недостаток воздушного охлаждения — широкий диапазон температур воздуха, при которых должна обеспечиваться работа двигателя. При изменении температуры изменяется эффективность охлаждения (коэффициент теплопередачи меняется с изменением перепада температур: чем больше перепад, тем он выше). Проблема изменения степени линейного расширения различных узлов двигателя означает, что допуски при изготовлении должны быть чрезмерно большими. Кроме того, величина тепловыделения больших или форсированных двигателей может иногда оказаться такой, что воздушному охлаждению будет трудно с ней справляться.
Принудительное воздушное охлаждение, в котором используется приводной вентилятор, в данном случае подходит несколько лучше, но использование вентилятора для охлаждения большого двигателя приводит к излишнему увеличению его веса.
МОЙ МОТОЦИКЛ
Данную статью можно отнести к любому мотоциклу с воздушным охлаждением.
Все мы не понаслышке знаем, что двигатель мотоциклов Урал довольно сильно греется. После написания нескольких статей про двигатели 8.104 (ИМЗшная водянка) и двигатель 8.123 (825сс), и я решил рассмотреть данный вопрос подробнее на примере других производителей авто и мототехники.
Все наши двигатели работают по одному и тому же простейшему принципу, не важно — старенький М72 у вас или мощный топовый эрадин: мы сжигаем в определенном объеме топливо, а подвижная часть — поршень, соединенный через шатун с коленчатым валом, совершает механическую работу. Разумеется, что при сгорании топлива будет выделяться тепло. И сильнее всего будут греться поршни, камера сгорания с клапанами и втулками, находящаяся в головке и сам цилиндр. Нагрев выше определенных величин грозит серьезными последствиями: задиры, клин, коробление деталей цпг. Это наиболее неприятные последствия. А частая работа мотора в таких условиях сулит ему очень недолгий срок жизни. Учитывая то, что принцип работы и основные части любого поршневого двигателя одинаковы, я рассмотрю ниже некоторые конструкции мотоциклетных и автомобильных двигателей воздушного, воздушномасляного и водяного охлаждения.
Двигатель Урал 650 и 750сс. Принципиальная конструкция абсолютно одинаковая, различаются лишь некоторыми конструктивными изменениями. Очень не любят долгой езды на большой скорости, особенно моторы 650. С моторами 750 немного проще: качественные поршневые кольца, кованые поршни и цилиндры из алюминия с залитой чугунной гильзой значительно лучше отводят тепло, поэтому продолжительная езда на скоростях до 130 безопасна для мотора. А вот если начинать отжигать и гонять, давать хорошие нагрузки мотору, ездить в пробках, начинаются проблемы с перегревами.
Теперь о конструкции головок и цилиндров различных мотоциклов.
Воздушномасляные моторы мотоциклов BMW серий R11х0 и отчасти 1200 имеют очень скудное оребрение головок и цилиндров. А оребрение последних вообще чисто символическое.
И это несмотря на высокие степени сжатия, мощность и крутящий момент. Инженеры сочли нужным отводить тепло от наиболее нагретых частей головок цилиндров: полость у выхлопного коллектора и полость под клапанной крышкой, а остальное отдать на откуп воздуху. Так же заметим, что проведенные через цилиндры смазочные каналы для рокеров являются дополнительным охлаждающим элементом. Поршни принудительного охлаждения не имеют. Тепловой зазор между цилиндром и поршнем составляет 0,12 мм. Масляная система имеет два контура и двухсекционный масляный насос (каждая секция работает на свой контур). Первый контур работает на смазку трущихся частей, второй контур работает на охлаждение. Система снабжена масляным термостатом и масляным радиатором, предназначенные для поддержания равномерной температуры масла. В итоге получился неубиваемый мотор, который хрен перегреешь: ни адовые отжиги, ни нагрузка, ни температура окружающего воздуха, все ему нипочем.
Японцы пошли по совершенно другому пути. Они решили обильно орошать все внутренности маслом, как на авиационных моторах времен Второй Мировой Войны.
Обратим внимание на оребрение: равномерное, небольшое, у цилиндров оно сходит на нет. При этом задняя часть рядной четверки явно будет в недостатке охлаждения, скажет диванный скептик. В двигателе применено принудительное охлаждение специальными масляными форсунками наиболее нагретой детали двигателя — поршня. Так же применено принудительное охлаждение маслом полостей под клапанной крышкой. Зазор между поршнем и цилиндром 0,04 — как у водяных моторов.
Так же, как и у BMW, двигатели оснащены двухсекционным масляным насосом и масляная система так же имеет два контура.
Итог: неубиваемый мотор с толстенными гильзами, на котором можно ехать как хочешь и эксплуатировать так, как душе угодно. Ресурс — отнюдь не в пример даже новым Уралам. Перегревы отсутствуют как таковые в принципе. Обладают огромным запасом прочности и в связи с этим пользуются большой популярностью у драгрейсеров.
Вернемся к BMW. Модель R1200GS 2014 года. Хитрые и умные инженеры концерна не стали делать полностью водяной мотор, как того многие ожидали, а решили опять же отводить тепло от наиболее нагретых мест: камера сгорания, верхняя часть цилиндров. Остальное охлаждается набегающим потоком воздуха и маслом.
Аналогичная система применяется на болидах формулы-1, где каждый грамм на счету. Писать, что получилось в итоге, думаю будет лишним.
Оппозитный мотор автомобилей Subaru серий EJ выпуска 80х-90х годов.
Применено принудительное охлаждение днищ поршней. На этих же двигателях позднее от масляных форсунок решили избавиться — нафига сейчас ресурс? При этом эти моторы спокойно бегают по 600 тысяч км и совершенно не думают умирать, а бегают они очень и очень бодро. Шланс, привет!))
На этот мотор я обратил внимание не просто так. Возникли вопросы: а не будет ли масло в цилиндры затекать, и не начнет ли мотор его жрать как пьяный динозавр… Инженеры Subaru эти сомнения развеяли.
Ну и напоследок, мотор Honda CBX1100. 6 цилиндровый рядник воздушного охлаждения, явно не изобилующий оребрением. Кстати прет как надо и практически не греется.
А теперь с чем мы вышеописанные конструкции сравниваем.
Мотор Урал 750сс и его производные форсированные собратья.
В стандарте 750ка (825сс) — низкофорсированный маломощный и низкооборотистый (по меркам всяких эрадинов) оппозитный мотор воздушного охлаждения с очень развитым и большим по площади оребрением — не в пример собратьям из европы и страны восходящего солнца. Причем торчащие по бокам «котлы» находятся в очень выгодном положении в плане отвода тепла.
Мною были проведены опыты и дорожные испытания с моторами 750 и 825сс.
Итоги.
Правильно настроенная 750ка не любит стоять подолгу на одном месте в запущенном состоянии — изза отсутствия набегающего потока воздуха мотор быстро нагревается. Очень любит езду на скоростях около 100 км/ч, до 130 км/ч можно ехать довольно продолжительно. Причем после остановки до цилиндров можно дотронуться рукой и держаться, а слюна на ребрах головок будет лениво шипеть. Продолжительная езда на больших скоростях не производилась. Мотор 825сс греется чуть больше 750ки (восприятие субъективное). При превышении скорости в 130 км/ч начинаются интересные вещи. Непродолжительная езда до 160 км/ч безопасна, а при продолжительной изза хорошего охлаждения головок и цилиндров и очень высокой температуры днища поршня начинают появляться задиры и прихваты. До клина дела не доходит, поскольку мотор сразу дает понять, что его перегрели резким падением мощности и скорости. Оба мотора очень не любят низкую скорость и высокую нагрузку. К чему я это пишу? Если вы не рукожоп, ездите тихо и мирно, в мотор в доработке не нуждается — и так все отлично работает. Совсем другое дело, если вы любитель открутить ручку… Тут мы сталкиваемся с проблемой отвода тепла от термонагруженных частей двигателя. В первую очередь — это днище поршня. Во вторую — головка цилиндра. Это означает, про придется организовать отвод тепла наиболее доступным и простым способом от сильно нагретых частей двигателя и температурная стабилизация масла. Конкретно я на своем моторе планирую применить масляные форсунки. Рассмотрим две схемы.
Крепление форсунки снизу.
Плюсы: близко расположенный питающий масляный канал, система не изменяет внешний вид двигателя. Минусы: большая длина форсунки. На определенных оборотах это может сыграть злую шутку — войдя в резонанс попросту отвалиться и наделать в моторе бед. Так же с такой системой масло, вырывающееся из сопла, будет поливать только определенный участок днища поршня (черной стрелкой показан путь масла), а значит оно там будет находиться недолго и не отведет максимум тепла. Такая система была применена на отечественном спортивном оппозитном двигателе с наддувом АС-500К, по который я писал в одной из своих статей тут :
Крепление форсунки сверху.
Так же не лишним будет снимать тепло с полости под клапанной крышкой, как это сделано на некоторых вышеописанных конструкциях. Но то отдельная, очень большая тема для размышлений, на данный момент прорабатывается. Всем успехов.