Однако и эта модель, и более мощные 250-, 350- и 500-кубовые до сих пор продолжают существовать только в виде "опытных образцов, которые в инициативном порядке изготовили заводские конструкторы — они же гонщики, испытатели, рекордсмены (среди тех, кто занимается гоночными «Ветерками», — рекордсмен мира Е. Степанов, рекордсмен страны А. Баринов и др.).
Что мешает освоить серийное производство гоночных «Ветерков»? Почему вместо того, чтобы предоставить спортсменам возможность выступать на отечественной технике, мы предпочитаем приобретать импортные моторы? Не говоря о необходимости при этом расходовать валюту, теряется возможность поднять престиж советского спорта и техники. В прошлом году, например, наш гонщик Е. Радысо стал чемпионом мира на скутерах класса ОВ. Выступал он с импортным мотором; таким образом, косвенно славу с ним разделило не отечественное предприятие, а фирма «Кениг».
На Ульяновском заводе освоить производство гоночных моторов не представляется возможным в связи с повышением выпуска автомобильных двигателей. Другие предприятия интереса к этой задаче не проявили.
Производство гоночных моторов представляется не только важным и нужным, но и прибыльным делом. По конструкции они менее сложны, чем обычные подвесные моторы широкого потребления, — отсутствуют пусковой механизм, детали переключения реверса, водяной насос, кожух; предельно упрощена подвеска, исключена система топливоподачи; к материалам и оборудованию для изготовления гоночных моторов не предъявляются какие-то особые требования.
Единственное, что может вызвать затруднение при организации их серийного производства, — сравнительно ограниченный спрос, не идущий, конечно, ни в какое сравнение со спросом на моторы широкого потребления.
Так, если предусматривается довести производство подвесных моторов к 1975 г. почти до полумиллиона в год, то гоночных к тому же сроку запланировано выпустить всего 4000 шт.
По аналогии с выпуском гоночных мотоциклов можно, однако, считать, что малосерийность должна быть, компенсирована более высокой ценой единицы продукции. Надо учитывать и возможности внешнего рынка, которые, судя по запросам, получаемым из ГДР, Польши, Венгрии, Чехословакии, Болгарии, являются достаточно широкими.
Итак, моторы есть! Отличные гоночные моторы. Дело промышленности — дать им дорогу в жизнь!
Для сведения предприятий, которые заинтересуются освоением серийного выпуска гоночных моторов: УМЗ готов предоставить им отработанную техническую документацию и оказать всемерную техническую помощь.
Предложение было принято, наши конструкторы приступили к работе, а уже в сентябре 1967 г. в Москве комиссия, составленная из представителей ЦК ДОСААФ и известных спортсменов, провела приемочные испытания готового мотора «ГЛМ-2» («Ветерок-43»). В следующем году был испытан и сдан второй мотор — «ГЛМ-1» («Ветерок-34») с рабочим объемом 175 см3, созданный уже по инициативе заводских гонщиков на базе 250-кубовой модели. Таким образом, проектирование, изготовление и доводка опытных образцов заняли всего лишь около двух лет! Сразу же надо сказать, что успех был бы невозможен без тесного сотрудничества увлеченных решением сложной задачи конструкторов и спортсменов. К этому времени заводские гонщики слесари-испытатели Виталий Смирнов и Валерий Шарагин, а несколько позднее и Евгений Степанов, уже приобрели опыт, выступая на импортных «Дельфинах» и самоделках, и теперь все свои знания и мастерство вложили в доводку «Ветерков». Большую помощь в этом деле оказывали (и до сих пор оказывают) многие ведущие гонщики страны.
Теперь расскажем об устройстве двух первых гоночных моделей «ГЛМ-1» и «ГЛМ-2» (табл. 1) и, попутно, об особенностях, отличающих гоночные моторы от потребительских.
Создание .гоночного подвесного мотора сопряжено со значительными трудностями, в первую очередь в связи с тем, что его узлы и детали работают с максимальным напряжением, на пределе. Однако именно это и позволяет обнаруживать слабые места конструкции в течение самого непродолжительного времени. А ведь многие даже крупные конструктивные дефекты потребительского мотора выявляются лишь через несколько лет нормальной эксплуатации! С точки зрения инжене-ров-моторостроителей такая возможность проверки воплощенных в металл идей и решений представляет одну из наиболее ценных сторон водно-моторного спорта вообще. Есть и еще одно немаловажное соображение. Сравнение, например, технических характеристик мотоциклетных двигателей показывает, что те параметры, которые раньше имели только гоночные модели, теперь имеют уже обычные, дорожные. Таким же образом гоночный подвесной мотор во многом представляет собой как бы прообраз стандартного лодочного мотора будущего.
Важнейшими показателями высокофорсированного гоночного двигателя являются мощность, надежность и вес. Отсюда и вытекает основная задача конструктора: в максимальной мере использовать все возможности повышения мощности и уменьшения механических потерь, но без чрезмерного снижения надежности. Посмотрим, на каком же уровне находятся эти параметры ульяновских «Ветерков».
Наиболее существенным показателем степени форсировки двигателя служит число его оборотов при максимальной мощности. Литровая мощность находится почти в прямой зависимости от числа оборотов, однако увеличение числа оборотов сопровождается неизбежным ухудшением наполнения цилиндров и повышением потерь на трение; на каком-то режиме работы двигателя приращение и потери мощности уравниваются, а при дальнейшем повышении оборотов мощность начинает падать.
Заявленная мощность на наших гоночных моторах получена при 10000—12000 об/мин, а наивысшее число оборотов, зафиксированное при работе «Ветерка-34» на скутере, составило 14000 об/мин.
Для гоночных моделей характерно использование повышенных степеней сжатия; у серийного 175-кубового «Ветерка-8», например, эффективная степень сжатия равна 6, а у имеющего тот же рабочий объем гоночного «ГЛМ-1» — увеличена до 8,5. Однако стремление увеличивать мощность за счет повышения степени сжатия ограничивается, как известно, детонацией топлива. Эта же опасность ограничивает и выбор топлива для гоночных моторов, что, в свою очередь, приводит к ряду других их отличий от серийных потребительских моторов.
Для большинства форсированных двигателей (в том числе и для гоночных «Ветерков») топливом служит спирт — метиловый (метанол) или этиловый. Спирты обладают такими важными качествами, как высокая температура самовоспламенения и высокие антидетонационные свойства; они полнее, чем другие топлива, сгорают даже при богатых смесях (коэффициент избытка воздуха α=0,5÷0,6) и не дают нагар в камере сгорания. Высокая скрытая теплота испарения (парообразования) спиртов, особенно метилового, также выгодна: за счет охлаждения смеси улучшается наполнение, увеличивается мощность. Температура спиртовой рабочей смеси к концу такта сжатия примерно на 100—120° ниже, чем бензиновой; понижается и максимальная температура вспышки. Это значительно снижает тепловую напряженность двигателя, облегчает нелегкую задачу его охлаждения.
Способность спиртов надежно воспламеняться от электрической искры при значительных изменениях состава горючей смеси позволяет регулировать карбюратор на подачу даже излишне обогащенной смеси в расчете на то, что избыток топлива хотя и не сгорит в цилиндре, но зато даст охлаждающий эффект в процессе сжатия. Этим (а также и различием в теплотворной способности бензина и спиртов) объясняется большой расход топлива гоночными моторами: «ГЛМ-1» расходует около 25, а «ГЛМ-2» — 30 кг/час, что значительно выше, чем у потребительских моторов примерно той же мощности.
В качестве смазки, как и на всех гоночных моторах, применяется касторовое масло. Оно выдерживает большие удельные давления, не выдавливаясь из подшипников, не разлагается и не теряет вязкости при довольно высокой температуре, хорошо проникает во все зазоры. На «ГЛМ» спирт с маслом смешиваются в пропорции 10:1.
Для уменьшения механических потерь в гоночных «Ветерках» используются (как на опорах коленчатого вала, так и в большой и малой головках шатуна) только подшипники качения; поршни имеют только по одному узкому стальному поршневому кольцу. Для снижения вентиляционных потерь наружные поверхности шатунов и коленчатых валов полируются. Чтобы уменьшить трение потока свежей смеси о стенки и ослабить вихреобразование, ухудшающее наполнение цилиндров, полируются также и внутренние поверхности впускных каналов и диффузора карбюратора; всасывающие патрубки делаются короткими и большого диаметра, без резких изгибов.
Каждый цилиндр имеет отдельный карбюратор, установленный непосредственно на блок цилиндров; впускного патрубка как такового нет.
На гоночных двигателях, как правило, применяются камеры сгорания полусферической или, реже, шатровой (крышевидной) формы, имеющие площадь поверхности, близкую к минимальной при данном объеме. Это уменьшает тепловые потери и также приводит к увеличению мощности. На моторах «ГЛМ» камерам сгорания придана форма, которую конструкторы называют «жокейский картуз» (это дальнейшее развитие полусферической камеры сгорания), а поршни и головки цилиндров выполнены из хорошо проводящих тепло материалов.
Большое влияние на мощность любого быстроходного двигателя оказывает выбор фаз газораспределения — всасывания, продувки и выхлопа; они должны быть значительно шире, чем на двигателях серийных подвесных моторов. Оптимальная величина фаз зависит не только от числа оборотов двигателя, но и от целого ряда конструктивных факторов. В связи с этим обычно фазы окончательно определяются после испытания нескольких вариантов двигателя на стенде. У обеих моделей «ГЛМ» фазы почти не отличаются.
Фазы впуска на обеих моделях сделаны симметричными за счет применения наиболее простой и надежной поршневой системы управления впуском. Это, правда, несколько снижает коэффициент наполнения, однако путем подбора длины и проходного сечения всасывающего и перепускного каналов можно компенсировать этот недостаток, используя так называемый резонансный наддув — колебания столба смеси в определенном диапазоне чисел оборотов. Это уже, по существу, означает настройку системы впуска.
Не меньшее влияние на наполнение цилиндра и, в конечном счете, на мощность оказывает конструкция выпускной системы. Свежая смесь, выталкивая из цилиндра отработавшие газы, и сама вместе с ними попадает в выпускные отверстия и далее в мегафон. Ясно, что наполнение двигателя увеличится, если удастся вернуть эту часть свежей смеси.
К выпускной системе относятся выпускной канал в блоке цилиндров, длина которого незначительна, и мегафон, включающий «пульсирующую», или, иначе, «расширительную», камеру и собственно выхлопной патрубок — цилиндрическую часть трубы малого диаметра.
Размеры и форма мегафона подбираются с таким расчетом, чтобы обратная волна давления в расширительной камере, образующаяся после импульса выпуска отработавших газов, вталкивала свежую смесь обратно в цилиндр.
Этот «эффект возвращения» смеси назад в цилиндр (так называемый эффект Каденаси) проявляется лишь в узком диапазоне чисел оборотов, которому соответствуют строго определенные размеры камеры и мегафона. Практически это означает, что различным оптимальным числам оборотов соответствуют и мегафоны различных размеров.
Существуют определенные методы расчета выпускной системы, однако доводка и настройка ее, как правило, производятся экспериментально — на испытательном стенде и «методом проб» на воде (например, с замером скорости скутера с одним и тем же мотором, но с разными мегафонами). О сложности этой работы, например, говорит тот факт, что на «ГЛМ-1» и «ГЛМ-2» было опробовано около 100 мегафонов, отличающихся один от другого формой и размерами.
Во время гонки мотор работает на двух основных режимах: с уменьшенным числом оборотов (например, при входах в поворот) и максимальным. В обоих случаях желательно иметь максимальную мощность, которую только может развить мотор при данных оборотах. Этим обусловлена необходимость изменения настройки выпускной системы в ходе соревнований. Именно поэтому и на последних моделях зарубежных моторов, и на наших «ГЛМ» мегафоны закрепляют так, что они могут перемещаться вдоль своей оси—этим уменьшается или увеличивается объем расширительной камеры и изменяется (в некоторой мере) ее форма.
Приводим кривые мощности и моментов одного и того же мотора «ГЛМ-1», но при двух крайних положениях мегафонов на патрубке. Нетрудно установить, что при необходимости получить максимальные мощность и крутящий момент на высоких оборотах (в гонке — на прямой) длину мегафонов следует уменьшать, и наоборот. Так гонщики и «подстраивают» систему выпуска на ходу: при каждом входе «в поворот» трубы раздвигают, удлиняют и одновременно «сбрасывают газ», т. е. уменьшают число оборотов двигателя. Благодаря этому двигатель независимо от режима гонки постоянно работает почти на максимальной мощности.
Оба мотора скомпонованы по обычной «гоночной» схеме (моторная головка — дейдвуд — подводная часть). Специальные зажимы и упоры позволяют фиксировать положение гребного вала на любой высоте и под необходимым углом к транцу. Моторы комплектуются дистанционным управлением карбюраторами и приспособлены под дистанционное управление поворотом.
Моторная головка представляет собой двухтактный карбюраторный двигатель с трехканальной продувкой и двумя расположенными один над другим цилиндрами. Блок цилиндров, отлитый из специального чугуна, придает моторной головке необходимую жесткость. В этой важнейшей «корпусной» детали выполнены впускные и выпускные окна, основные продувочные каналы большого сечения и дополнительные (так называемые, фор-сировочные) меньшего. Смесь, поступающая из картера через окно в поршне по этому дополнительному продувочному каналу, охлаждает днище поршня, испытывающее высокие температурные нагрузки, улучшает смазку поршневого пальца и очистку цилиндра от выхлопных газов.
Основные продувочные каналы на «ГЛМ-1» расположены под углом 58° к линии симметрии, образуя угол между собой 116°; у «ГЛМ-2» — соответственно 52° и 104°. В продольном сечении продувочные каналы имеют на выходе в цилиндр такую форму, чтобы конечное направление потока свежей смеси определялось направлением стенок канала перед продувочным окном.
Камера сгорания расположена в алюминиевой головке, которая крепится к блоку цилиндров без прокладки (поэтому поверхность разъема приходится тщательно притирать). Чисто полусферическая камера обеспечивала бы ровное протекание свежей смеси, но имелась бы опасность утечки ее через выпускное окно. Благодаря тому, что камере придана форма «жокейский картуз» с эксцентричным смещением малой сферы в сторону выпуска, стремящаяся вверх свежая смесь сразу попадает в этот объем, благодаря чему уменьшается вытекание ее вниз к выпускному окну. Сферическая же поверхность большого радиуса благоприятствует впуску свежей смеси. Добавим еще, что принятая форма камеры сгорания с расположенной почти в центре свечой благоприятна и с точки зрения предотвращения детонации топлива.
Поршни, имеющие сферическую головку и откованные из алюминиевого сплава АК-4, отличаются в основном диаметром. Меньшие диаметры, а следовательно и значения инерционных масс (и, соответственно, действующих сил) при сохранении других размеров поршней позволили на «ГЛМ-1» несколько поднять число оборотов, по сравнению с «ГЛМ-2».
К блоку цилиндров на прокладке крепится алюминиевый картер. В собранном картере производится окончательная проточка трех посадочных мест под подшипники в верхней и нижней его частях и под обойму подшипника средней опоры. В месте прохода шеек коленчатого вала картер герметизирован в верхней части — лабиринтовым уплотнением и подшипником с двумя защитными шайбами, в нижней части — сальником и в средней опоре — также лабиринтовым уплотнением.
Сборный коленчатый вал состоит из трех частей, соединенных шатунными пальцами, запрессованными в щечках вала с натягом 0,044—0,065 мм. Перед запрессовкой на пальцы надеваются сепаратор с роликами и неразрезной шатун. Диаметральный зазор в сопряжении ролик — шатун — палец должен быть равен 0,025—0,035 мм. Такой же зазор обеспечивается подбором иголок и в верхней головке шатуна. Осевой зазор «б» (см. рис.) между нижней головкой шатуна и щеками в пределах 0,5—1 мм обеспечивается подбором регулировочных шайб в верхней головке шатуна; зазор «а», равный 0,5 мм, и зазор «в» от 0,05 до 0,2 мм — регулировочными шайбами, установленными по торцам вала.
Узел нижней головки шатуна — одно из самых уязвимых мест быстроходного двигателя, поэтому перегрузка его — крайне нежелательное явление. Для уменьшения нагрузок на подшипники отношение хода поршня к диаметру цилиндра сделано наиболее благоприятным: у «ГЛМ-1» — 1,2 у «ГЛМ-2» — 1. Кроме того, для повышения надежности подшипника нижней головки шатуна применен ролик диаметром 4 мм, а диаметральный зазор в сопряжении сепаратор — шатун уменьшен до 0,15—0,18 мм. Поскольку это одновременно увеличило сопротивление и ухудшило смазку роликов, в нижней головке шатуна пришлось сделать две прорези для смазки. Безусловно, такая мера в какой-то степени уменьшила прочность детали, но опыт показал, что это не приводит к ее разрушению.
При испытаниях были опробованы различные конструкции сепараторов из разных материалов. В настоящее время сепараторы делаются из сплава В-95Т.
Опыт, полученный конструкторами при разработке и доводке кривошипно-шатунного механизма моторов «ГЛМ», использован при создании новой серийной модели потребительского мотора «Ветерок-14», коленчатый вал которого выполнен по типу гоночного.
Система питания гоночных «Ветерков» выполнена по обычной схеме: в топливном баке (через обратный клапан из картера) создается давление, топливо под напором подается в поплавковую камеру карбюратора. Проектом была предусмотрена установка карбюратора от мотора «Вихрь» как наиболее подходящего из серийно выпускаемых. Однако практически на всех «ГЛМ», участвующих в соревнованиях, установлены другие карбюраторы — кранового типа с вращающимся цилиндрическим золотником и отдельной поплавковой камерой, подвешенной на резиновом амортизаторе, что уменьшает вспенивание топлива в ней при вибрации и тряске во время гонки. Аналогичный по конструкции карбюратор используется на известных спортсменам моторах фирмы «Кениг», поэтому описания его не приводим. Практика эксплуатации подсказывает, что необходимо иметь ряд жиклеров с различными проходными сечениями для окончательной «отладки» двигателя в день или накануне соревнований. Хорошо отлаженный двигатель запускается без труда. Испаряемость спиртов при низкой температуре воздуха ниже, чем бензинов, поэтому ввиду сильного снижения температуры на всасывании запуск двигателя в холодную погоду затруднен. Для улучшения пусковых качеств в холодную погоду испаряемость топливной смеси повышается добавлением от 10 до 50% бензина или бензола; иногда гонщики просто впрыскивают перед запуском бензин в диффузор карбюратора.
Система зажигания моторов «ГЛМ» — батарейная; принципиально она ничем не отличается от общепринятой, кроме того, что использованы 6-вольтовые высоковольтные трансформаторы и аккумуляторы на 12 в; как показала практика, такое сочетание вполне допустимо, учитывая кратковременность работы.
Прерыватели и конденсаторы применены «вихревские» (от магнето МГ-101), но для исключения вибрации и «дребезжания» прерывателей на больших оборотах поставлена дополнительная пружина. Установку пружины можно рекомендовать также и для магнето форсированных моторов «Вихрь», используемых на скутерах. Контакты прерывателей размыкаются кулачком, профиль которого отфрезерован на ступице маховика. Система зажигания вполне обеспечивает надежную работу на малых, средних и больших оборотах мотора и, что также очень важно, такое электрооборудование доступно всем.
Дальнейшее форсирование двигателей по оборотам ставит вопрос о механической прочности прерывателей и ухудшении искры из-за инерционности электрической системы. С увеличением числа оборотов уменьшается и время на стабилизацию электромагнитных процессов в системе зажигания. В связи с этим заводским конструкторам специально для гоночных «Ветерков» пришлось разрабатывать электронное бесконтактное зажигание. Подробное описание этой системы зажигания будет помещено в сборнике в дальнейшем, а пока отметим, что, по сравнению с контактной, бесконтактная система обеспечивает более мощную искру в более широком диапазоне числа оборотов, а это увеличивает и максимальную мощность двигателя. Применение бесконтактного зажигания — шаг вперед в гоночном моторостроении и этим наши «Ветерки» выгодно отличаются от «Кенигов».
Система охлаждения наших гоночных моторов, пожалуй, самая простая. В ней нет ни агрегатов, ни устройств — одни каналы. В верхнюю часть канала редуктора ввернут штуцер; на него надевается резиновый шланг, по которому вода под действием скоростного напора устремляется вверх. Вначале вода попадает в нижнюю часть водяной рубашки нижнего цилиндра, омывает его и головку блока цилиндров, а затем поднимается к верхнему цилиндру, из верхней точки выходит в отверстие, просверленное над камерами сгорания сверху вниз, и через штуцер и шланг сливается. Чем выше число оборотов двигателя, тем, как правило, больше скорость скутера и скоростной напор воды, а следовательно, интенсивнее охлаждение. Расход воды в системе охлаждения можно регулировать, изменяя диаметр сливного штуцера.
Нельзя не сказать и о важности затяжки головки блока цилиндров, так как между головкой и блоком прокладка не предусмотрена, а попадание воды в цилиндры недопустимо. На моторе может наблюдаться явление прохода воды в дейдвуд (а оттуда и в картер двигателя) из водяного канала в корпусе редуктора по неплотностям прокладки. Это возможно во время гонки, когда вибрации заставляют «дышать» всю подводную часть, и образуются неплотности, а напор воды максимален. Для устранения опасности попадания воды в картер в нижнем фланце дейдвуда просверлено дренажное отверстие ∅3 мм.
Первоначально на «ГЛМ» использовался гребной винт от мотора «Дельфин», однако он оказался «легким», и теперь заводские спортсмены изготовили винты (табл. 2) специально для своих моторов. При испытании нового винта скутер с «ГЛМ-1» развил скорость 120 км/час при 12900 об/мин. Отверстие под штифт в ступице винта просверливается так, чтобы при свободной его установке между торцом ступицы и ближайшим буртиком гребного вала оставался зазор не более 0,2—0,4 мм («яг» на нашем эскизе). Тогда г.ри затягивании крепежной гайкой винт будет поджат до упора в буртик, а штифт слегка смят. Это приведет к тому, что усилие от гребного вала к винту будет передаваться не через штифт, а за счет трения ступицы о буртик. В качестве смазки редуктора применяется веретенное масло. В последнее время спортсмены добавляют в него до 5% порошка дисульфида молибдена.
Остается отметить, что наши гоночные моторы высокоунифицированы. Базовой моделью является «ГЛМ-2», но чтобы «получить» «ГЛМ-1», надо изготовить всего 6 оригинальных деталей (блок цилиндров, поршень, поршневое кольцо, поршневой палец, головку блока цилиндров и гребной винт). В значительной степени двухцилиндровые модели «ГЛМ-1» и «ГЛМ-2» унифицированы и с четырехцилиндровыми гоночными моторами объемом 350 и 500 см3: «ГЛМ-3» мощностью 70 л. с. и «ГЛМ-4» мощностью 100 л. с. (о них будет рассказано в следующей статье).