Введение
Двигатель мотоцикла – это двигатель, приводящий мотоцикл в движение. Мотоциклетные двигатели обычно представляют собой двухтактные или четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, но также используются и другие типы двигателей, такие как роторные (Ванкеля) и электродвигатели. Хотя некоторые мопеды, например VéloSoleX, использовали фрикционный привод на переднее колесо, двигатель мотоцикла обычно приводит в движение заднее колесо, передавая мощность на ведущее колесо посредством ремня, цепи или карданного вала. Исторически, с 1921 по 1925 год было выпущено около 2000 экземпляров Megola с передним приводом, а современный Rokon – вседорожный мотоцикл с приводом на оба колеса – производится с 1960 года. Большинство двигателей оснащены коробкой передач с до шести или даже семи передачами. Задний ход встречается редко на тяжелых туристических мотоциклах, например Honda GL1600, и на мотоциклах с коляской, таких как Ural. В большинстве мотоциклов водитель переключает передачи с помощью ножной педали и ручного сцепления, хотя в ранних моделях использовались ручные рычаги. В последнее время некоторые мотоциклы оснащаются автоматическими или полуавтоматическими коробками передач, а также трансмиссиями CVT. За пределами США объём двигателей обычно варьировался от 50 см³ до 650 см³; однако в Европе с 1968 года стали распространены мотоциклы с большим объёмом двигателя, вплоть до двигателей, как у Triumph Rocket 3. В США с 1920-х годов нормой стали V-образные двухцилиндровые мотоциклы с объёмом двигателя 850 см³ и более.
A motorcycle engine is an engine that powers a motorcycle. Motorcycle engines are typically two stroke or four stroke internal combustion engines, but other engine types, such as Wankels and electric motors, have been used. Although some mopeds, such as the VéloSoleX, had friction drive to the front tire, a motorcycle engine normally drives the rear wheel, power being sent to the driven wheel by belt, chain or shaft. Historically, some 2,000 units of the Megola were produced between 1921 and 1925 with front wheel drive, and the modern Rokon, an all terrain motorcycle with both wheels driven, has been produced since 1960. Most engines have a gearbox with up to six or even 7 ratios. Reverse gear is occasionally found on heavy tourers, for example the Honda GL1600, and sidecar motorcycles, such as the Ural. The rider changes gears on most motorcycles using a foot pedal and manual clutch, but early models had hand levers. More recently, some have automatic or semi automatic gearboxes, and some using CVT transmission. Outside the United States, engine capacities typically ranged from about 50 cc to 650 cc; but in Europe since 1968 motorcycles with larger capacities have become common, ranging as high as the Triumph Rocket 3's engine. In the United States, V twin engined motorcycles with capacities of 850 cc or more have been the norm since the 1920s.
История
Первые мотоциклы приводились в движение паровыми двигателями. Самый ранний пример – французский паровой велоципед Michaux Perreaux 1868 года. За ним последовал американский паровой велоципед Roper 1869 года, а также ряд других двух- и трехколесных транспортных средств с паровым двигателем, которые производились и продавались публике вплоть до начала XX века. Используя рамы, основанные как на более раннем "boneshaker", так и на более позднем – и во многом современном – дизайне велосипеда-безопасника, эти ранние паровые мотоциклы экспериментировали с различными схемами расположения двигателя, а также с трансмиссией и опциями. В то время как сегодня почти у каждого мотоцикла двигатель расположен в центре рамы, это стало стандартом лишь около 1900–1910 годов, после того как были опробованы практически все возможные варианты расположения двигателя. Истоки компоновки двигателя скутера (включая приводным валом) можно проследить до XIX века, но современная схема стала общепринятой после Первой мировой войны. Современный аналог получил широкое распространение в 1950-х годах и остается практически неизменным по сей день. Паровые циклы также были просто проигнорированы и забыты многими историками, даже когда Michaux Perreaux ждал сорок лет в экспозиции Национального автомобильного музея в Болью. В последние годы, в связи с ростом интереса к чистой энергии, на рынок вышло много новых двухколесных транспортных средств с электроприводом, которые регистрируются как мотоциклы или скутеры, независимо от типа двигателя. Дизельные мотоциклы также экспериментировались в XX веке и вновь привлекают внимание благодаря экономичности и потребностям военной логистики. Корпус морской пехоты США заказал новый дизельный мотоцикл M1030 M1, который может использовать то же топливо JP 8, что и их бронетехника, самолеты, автомобили и грузовики. Подавляющее большинство мотоциклов, производимых и используемых в мире сегодня, оснащены небольшими одноцилиндровыми двигателями с воздушным охлаждением, как двух-, так и четырехтактными. В более развитых частях мира, в Европе и Японии, распространены двигатели большего объема и с несколькими цилиндрами наряду с мотоциклами меньшего объема, требуемыми различными требованиями к лицензированию и опыту вождения, поэтому на дорогах можно увидеть большое разнообразие размеров, количества цилиндров, конфигураций и систем охлаждения. Многие развитые страны используют систему поэтапного лицензирования, когда водителю разрешается управлять мотоциклами меньшего объема в течение определенного периода времени, прежде чем ему будет разрешено управлять более крупными. В Соединенных Штатах таких требований нет, поэтому соотношение смещено в сторону двигателей большего объема. Потребительский спрос побуждает производителей предлагать свои самые большие мотоциклы этой стране и экспортировать гораздо меньше моделей на американский рынок.
Типы
Почти все серийные мотоциклы оснащены двигателями внутреннего сгорания, работающими на бензине. Используются как четырехтактные, так и двухтактные двигатели, но строгие нормы выбросов привели к значительному сокращению числа двухтактных. Некоторые модели использовали роторные двигатели Ванкеля, но в настоящее время мотоциклы с такими двигателями не производятся. Мотоциклетные двигатели могут быть воздушного или жидкостного охлаждения, с возможностью дополнительного масляного охлаждения. Некоторые скутеры используют аккумуляторы и электродвигатель. Гонки TT 2009 года представили новую категорию "TTX" (переименованную в TT Zero) для электрических мотоциклов, использующих топливные элементы или аккумуляторы. Двигатели мотоциклов могут быть установлены поперечно, с коленчатым валом, расположенным перпендикулярно раме, или продольно, с коленчатым валом, параллельным раме. Мотоциклы с поперечно установленными двигателями лучше подходят для цепной или ременной передачи. Мотоциклы с продольно установленными двигателями лучше подходят для карданной передачи. Двигатели моторных скутеров часто являются частью задней подвески, поэтому не жестко закреплены на основной раме. Вместо этого, узел, объединяющий двигатель, трансмиссию и маятник, поворачивается, следуя неровностям дороги, и является частью "неподрессоренной массы". Цепная передача скутеров работает в масляной ванне внутри корпуса двигателя. Мотоциклы типа "step-through" могут иметь жестко закрепленный двигатель или конструкцию, аналогичную скутеру.
Двухтактные и четырехтактные
Двухтактные двигатели имеют меньше движущихся частей, чем четырехтактные, и производят вдвое больше рабочих тактов за один оборот. Экономичность четырехтактных двигателей выше благодаря более полному сгоранию топливовоздушной смеси. Тем не менее, двухтактные двигатели в значительной степени уступили место четырехтактным на мотоциклах в развитых странах из-за их негативного воздействия на окружающую среду. Смазка цилиндров происходит по системе полной потери, что неизбежно приводит к дымному выхлопу, особенно при полностью открытой дроссельной заслонке. Двухтактные мотоциклы продолжают производиться в больших количествах, но в основном это внедорожные мотоциклы для мотокросса, маломощные мопеды, небольшие скутеры и мотоциклы типа "step-through", где они по-прежнему успешно конкурируют с четырехтактными (включая самый продаваемый мотоцикл в истории – 50-кубовый Honda Super Cub). Основными рынками сбыта двухтактных мотоциклов являются мотоциклы для бездорожья и развивающиеся страны.
Круглые цилиндры (четырехтактные)
Конструкция головки цилиндра оказывает значительное влияние на эффективность сгорания, а следовательно, и на мощность двигателя. Головка может быть плоской, в этом случае камера сгорания располагается внутри цилиндра и/или в углублении на поршне, но обычно "купол" в головке цилиндра обеспечивает большую часть объема камеры сгорания. Мотоциклы используют тарельчатые клапаны в различных конструкциях: боковые клапаны, верхнеклапанные (OHV) с приводом от штанги, верхнераспределительные (SOHC) и двойные верхнераспределительные (DOHC). Цилиндр с десмодромическими клапанами может иметь три или даже четыре распределительных вала. В головке цилиндра OHC или DOHC обычно имеется не менее двух клапанов на цилиндр (один впускной и один выпускной), но многоклапанные двигатели могут иметь три (два впускных и один выпускной), четыре (два впускных и два выпускных) или даже пять (три впускных и два выпускных) клапанов. Головки цилиндров – самая горячая часть двигателя и требуют эффективного охлаждения, как правило, воздушного, масляного или жидкостного. Некоторые мотоциклы, такие как Harley-Davidson, Moto Guzzi и BMW, легко узнаваемы по типам голов цилиндров, а именно: воздушная, panhead, oilhead и knucklehead. Головка Ducati Desmos позволяет достигать более высоких оборотов без вредного "плавания" клапанов, также известного как "отскок" клапанов.
Управление клапаном в четырехступенчатом режиме
В двигателе с боковым клапаном клапаны приводятся в действие кулачком, расположенным "под головкой блока", без специального механизма привода клапанов. Двигатели с верхними клапанами (OHV) имеют клапаны, приводимые в действие штангами. Двигатели с одним и двумя верхними распредвалами (SOHC и DOHC, соответственно) оснащены верхними распредвалами, обычно приводимыми в действие цепью, ремнем, зубчатой передачей или конической передачей. В самых ранних мотоциклетных двигателях выхлопные клапаны работали так же, как и в двигателе с боковым клапаном, но впускные клапаны были расположены в головке блока и удерживались закрытыми слабой пружиной. Впускной клапан открывался за счет разрежения, создаваемого впускным тактом. По мере появления необходимости в механическом управлении впускным клапаном конструкция была изменена путем добавления дополнительного кулачка к распредвалу и использования штанги и коромысла для привода впускного клапана. В 1983 году Honda оснастила CBR400F системой REV, описанной как "механизм паузы клапана с переменным откликом на обороты". Эта система позволяла изменять количество открытий клапана на цилиндр в зависимости от диапазона оборотов – от низкого и среднего до высокого. В 2002 году Honda представила HYPER VTEC в VFR800 Interceptor. В 2006 году Kawasaki представила VVT в Concours 14.
Строительство единицы
Двигатели и коробки передач изначально были отдельными компонентами, при этом коробка передач приводилась в движение "первичной цепью". Позднее конструкции объединили эти два элемента в единую "блочную конструкцию". Некоторые производители, такие как Norton и Enfield, продолжали использовать "конструкцию до объединения" до недавнего времени, а Harley Davidson до сих пор производит двигатели такой конструкции. В начале 1960-х годов BSA представила новые короткоходные 500- и 650-кубовые параллельные твины блочной конструкции, чтобы заменить существующие длинноходные двигатели до объединения. Triumph модернизировал свои большие 500- и 650-кубовые параллельные твины, переведя их на блочную конструкцию. Меньшие твины Triumph объемом 350 и 500 куб. см имели блочную конструкцию с момента их выпуска в 1957 году. Решение Lucas прекратить выпуск динамо и магнето и перейти на производство только генераторов и систем зажигания от катушки стало важным фактором, вынудившим к перепроектированию. Традиционно двигатели и коробки передач имели отдельные системы смазки с разными сортами масла, но в современной практике используется одно и то же масло для обоих.
Цилиндры и конфигурация
Как правило, мотоциклетные двигатели имеют от одного до шести цилиндров. Большинство мотоциклетных двигателей имеют конфигурацию одноцилиндровых, параллельных твинов, тройных, рядных четверок и шестицилиндровых; и все они могут быть рядными или поперечными. V-образные двигатели включают V-твины и V-четверки, а оппозитные двигатели – оппозитные твины, оппозитные четвёрки и оппозитные шестёрки. Двигатели Ванкеля бывают однороторными или двухроторными. Более крупные мотоциклы, как правило, имеют больше цилиндров для обеспечения плавности хода и увеличения мощности. Объём современных одноцилиндровых двигателей варьируется от 50 до 660 куб. см, твинов – от 175 до 1800 куб. см, тройных – от 380 до 2300 куб. см и так далее.
Одинокий
Одноцилиндровые двигатели ("одноцилиндровые" или "толстяки") имеют цилиндр вертикальным, наклонным или горизонтальным, последний тип наиболее распространен в мотоциклах с низкой посадкой. Одноцилиндровые двигатели требуют как более массивного маховика, так и более прочной коробки передач, чем многоцилиндровые. Малые одноцилиндровые двигатели дешевы в производстве и обслуживании и подходят для недорогих утилитарных мотоциклов. До середины 1960-х годов гоночные мотоциклы для дорожных гонок, такие как британские Matchless, AJS и Norton, обычно были оснащены крупными одноцилиндровыми двигателями, но с тех пор многоцилиндровые двигатели стали стандартом. Внедорожные мотоциклы и небольшие мотоциклы двойного назначения, как правило, используют одноцилиндровые двигатели. Простота этих двигателей, часто использующих один карбюратор, делает их относительно простыми в обслуживании и ремонте в отдаленных местах с минимальным количеством инструментов. По сравнению с легкими внедорожными одноцилиндровыми мотоциклами, современные тяжелые внедорожные туристические мотоциклы, как правило, отказываются от такой простоты, предпочитая более крупные и мощные двухцилиндровые оппозитные, V-образные или рядные двигатели.
V8
Галбусера построил V8 в 1938 году, а Moto Guzzi в течение двух лет экспериментировал со своим двухраспределительным 500-кубовым V8, Otto Cilindri, в 1950-х годах. Некоторые кастомные и уникальные мотоциклы используют более шести цилиндров. Например, мотоцикл Boss Hoss использует двигатели Chevrolet V8 (объёмом 5700 куб. см, 6000 куб. см и 8200 куб. см). В 2003 году Daimler Chrysler изготовил ограниченную серию концепт-каров Tomahawk с двигателем Dodge Viper V10. Австралийская компания Drysdale выпустила небольшие партии 750-кубовых V8 супербайков и дорожных мотоциклов V8 объёмом 1 литр, оба с двигателями, разработанными специально для этих целей. Ни один крупный производитель мотоциклов не использовал восемь и более цилиндров, хотя Honda создала дорожный мотоцикл NR750 и гоночный NR500 с овальными поршнями, которые можно назвать "почти" V8, имеющие восемь шатунов. Morbidelli представил два прототипа дорожных мотоциклов V8, которые так и не были запущены в производство.
Жидкий
Мотоциклы с жидкостным охлаждением оснащены радиатором, аналогичным автомобильному, который является основным способом рассеивания тепла. Во время работы двигателя охлаждающая жидкость постоянно циркулирует между этим радиатором и цилиндрами. Большинство внедорожных мотоциклов не имеют вентилятора радиатора и полагаются на обдув радиаторов потоком воздуха, создаваемым движением мотоцикла вперед, в то время как многие дорожные мотоциклы оснащены небольшим вентилятором, установленным на радиаторе и управляемым термостатом. Некоторые внедорожные мотоциклы также имеют жидкостное охлаждение, и радиатор защищен от попадания грязи. Охлаждающего эффекта этого вентилятора достаточно, чтобы предотвратить перегрев двигателя в большинстве условий, поэтому мотоциклы с жидкостным охлаждением безопасно использовать в городе, где часто возникают пробки. Ужесточение норм по выбросам и рыночный спрос на максимальную мощность подталкивают мотоциклетную промышленность к переходу на жидкостное охлаждение для большинства моделей. Даже Harley Davidson, последовательный сторонник двигателей с воздушным охлаждением, недавно добавила водяное охлаждение головок своих V-образных двигателей в больших туристических моделях, скрыв радиаторы в обтекателях нижней части. Harley Davidson Street 500, Street 750 и две модели V Rod оснащены 60-градусными V-образными двигателями с полным водяным охлаждением, в отличие от традиционных 45-градусных V-образных двигателей с воздушным охлаждением.
Воздух
Большинство мотоциклов с воздушным охлаждением используют поток воздуха, обдувающий цилиндр и головку цилиндра во время движения, для рассеивания тепла. Частые и продолжительные периоды стоянки могут привести к перегреву. Некоторые модели, в основном скутеры, оснащены вентиляторами, которые принудительно направляют воздух к блоку цилиндров, что решает проблему езды по городу. Цилиндры мотоциклов с воздушным охлаждением имеют оребрение для улучшения теплоотдачи. Мотоциклы с воздушным охлаждением дешевле, проще и легче, чем их аналоги с жидкостным охлаждением.
Масло
Некоторые производители используют гибридный метод охлаждения, при котором моторное масло циркулирует между блоком двигателя и небольшим радиатором. В этом случае масло выполняет двойную функцию, являясь одновременно смазочным и охлаждающим веществом, что и дало название "масляное охлаждение". Suzuki выпустила множество мотоциклов с масляным охлаждением. Современные мотоциклы BMW серии R с оппозитным двигателем, такие как R1150GS, используют комбинированную систему воздушного и масляного охлаждения. Мотоциклы Polaris Victory используют исключительно систему масло-воздушного охлаждения.
Впрыск топлива
Системы впрыска топлива и электронное управление двигателем стали стандартом на мотоциклах среднего и большего объема, и все чаще устанавливаются на мотоциклы меньшего объема, что обусловлено, с одной стороны, улучшенным контролем выбросов и снижением затрат на обслуживание, а с другой – прежде всего, соображениями производственной стоимости.
Зажигание
Системы зажигания эволюционировали от магнито в 1950-х годах к системам с катушкой зажигания и прерывателем контактов, работающим от аккумулятора, а затем, начиная с 1980-х годов, все шире стали применяться системы зажигания с разрядкой конденсатора (CDI). Небольшие одноцилиндровые мотоциклы примерно в то же время отказались от систем магнито с прерывателем контактов, перейдя к аналогичным твердотельным системам с приводом от маховика.
Турбокомпрессоры и суперкомпрессоры
Нагнетатели, или компрессоры, были распространены в гонках (GP), пока их не запретили. Первым нагнетателем на серийном мотоцикле стали Kawasaki Ninja H2 и H2R 2015 года выпуска. "Большая четвёрка" создала турбированный мотоцикл, а Honda – два, в основном как демонстрацию технических возможностей, которые впоследствии были сняты с производства в пользу более традиционных решений. Нагнетатели, устанавливаемые на мотоциклы, доступны для дорожных байков и необходимы для высокопроизводительных применений, таких как дрэг-байки и аппараты для установления рекордов скорости на земле. Большинство спортивных мотоциклов теперь используют систему принудительного воздухозабора (ram air), при которой по мере увеличения скорости больше воздуха поступает через воздуховоды в обтекателе для повышения давления в воздушной коробке. Первым серийным мотоциклом с такой системой стала Kawasaki Ninja ZX 11 1990 года. Это не следует путать с оригинальной системой Ram Air, где воздушный ковш/дефлектор устанавливался на верхнюю часть головки цилиндров двухтактных двигателей Suzuki для улучшения охлаждения.