Помните одно из главных требований к двигателям, которое мы рассмотрели в предыдущей части? Правильно, линейность кривых мощности и крутящего момента. Так вот, кроме параметров самого двигателя (размерность поршневой группы, диаметр, количество и угол развала клапанов, высота их подъема, форма камер сгорания, кулачков распредвалов и впускных/выпускных каналов и т.п.) на форму кривых влияет то, как настроена впускная и выпускная системы мотоцикла. Отсюда и первое требование – они должны слаженно играть свою партию в оркестре под названием «двигатель» и способствовать линейности его характеристик (желательно не в ущерб мощности) независимо от изменяющихся внешних условий.

Второе требование – безопасность топливной системы. Наш зверь питается очень огнеопасным эликсиром – высокооктановым гоночным топливом. Если во время заправки или аварии произойдет возгорание, последствия могут оказаться очень плохими.

Третье требование связано с концепцией централизации масс и как следствие – с управляемостью. Гоночный мотоцикл в начале гонки несет примерно 20 литров топлива, которое плещется, всячески портит управляемость и к тому же изменяет свою массу в процессе езды. Отсюда вывод – эти отрицательные проявления необходимо минимизировать.

Требование номер четыре – шумность выхлопа. На это требование нам, в общем-то, наплевать, но умолчать о нем тоже было бы ошибкой. Последнее важное требование характерно для гонок на выносливость. Как мы помним из предыдущих частей, они кардинально отличаются от SBK и GP своей протяженностью. Значит, нужно обеспечить быструю дозаправку и хорошую экономичность.

Традиционно начнем наш путь по впускной и выпускной системам с «мелочевки» GP-125 и GP-250. Двухтактные двигатели этих мотоциклов «питаются» через карбюраторы переменного разрежения (благодаря современным четырехтактным «японцам» я сам чуть не забыл, что такие карбы все еще существуют!). Да, задача получения линейной характеристики двигателя в этих классах остро не стоит, а вот максимальная мощность – золотой ключик к победе. Команды идут абсолютно на все, чтобы добавить своему питомцу хоть малую каплю мощности. Эта «охота на лошадей» превращает настройку карбюратора в настоящий ад для механиков. Ведь даже небольшое изменение влажности воздуха или атмосферного давления может чувствительно повлиять на смесеобразование и мощность двигателя. Но это только «цветочки». Изменившаяся кривая мощности и крутящего момента заставляет менять не только жиклеры и иглы в карбюраторах – надо перелопатить практически все: шестерни в КП, звездочки главной передачи, настройку подвески, карту опережения зажигания… Вот он, механический ад! В это трудно поверить, но взаимосвязь между узлами легких двухтактников действительно настолько велика. Поэтому главный прибор в паддоках GP-125 и GP-250 – электронная (или на худой конец, обычная) метеостанция, на которой отображаются практически все параметры окружающей среды, а порой и прогноз погоды со спутника.

Утром гоночного дня работа механиков и вовсе превращается в кошмар. Погода контролируется каждые пять минут. Во время предстартового цейтнота, когда мотоцикл уже катят на пит-лейн, иногда можно наблюдать, как свита механиков на ходу меняет жиклеры в карбюраторах. Причиной тому не отложенное с вечера дело и не разгильдяйство персонала, а растреклятая погода. Ну а если метеоусловия меняются во время гонки, то выигрывает тот, кто смог лучше предугадать ход дел в «небесной канцелярии».

Выпускная система двухтактников GP, в отличие от карбюраторов, приносит гораздо меньше головной боли. Кроме настройки мощностного клапана (аналог EXUP в дорожных спортбайках) обычно ничего не меняют. Но некоторые команды все же возят с собой две-три выхлопные системы для разных треков.

Следующая ступень гоночной иерархии – класс Superbike. Вместе с переходом на четырехтактные двигатели меняется и система смесеобразования. Карбюраторы уступают место электронному впрыску топлива. Казалось бы, такой переход не должен вызывать никаких затруднений. Ведь топливная система становится проще: форсунка, заслонка, да бензин под давлением. Это не так. Многие удивятся: ведь в автомобилях впрыск топлива успешно применяется десятки лет, так в чем же сложность «трансплантировать» систему на мотоциклы? На самом деле все гораздо сложнее. (Для справедливости следует заметить, что впрыск топлива на гоночные мотоциклы пытались внедрить еще во времена GP-500, но успеха достигли только сравнительно недавно). Чтобы понять, в чем сложность, ответьте на вопрос: где вы видели автомобили, двигатели которых раскручиваются до 15000 оборотов в минуту (F1 не в счет)? Из-за такого гигантского диапазона оборотов скорость бензо-воздушной смеси во впускном тракте двигателя (и соответственно, давление) также меняется в широких пределах. Обеспечить оптимальное смесеобразование в таком диапазоне скоростей – чудовищно сложно. Именно поэтому в мотогонках, да и на мотоциклах вообще впрыск топлива появился гораздо позже, чем на автомобилях. Но вернемся к нашим «коровам» SBK.

В литровых болидах BSB и WSB чаще всего используется система впрыска топлива душевого типа. Инжектор расположен в корпусе воздушного фильтра на определенном расстоянии от впускного патрубка и направляет струю распыленного топлива прямо во впускной тракт. Такая схема впрыска обеспечивает наилучшую атомизацию топлива при больших скоростях воздуха и позволяет получать большие величины максимальной мощности. Но есть у нее и недостаток. Дело в том, что в зависимости от скорости воздушного потока (которая, в свою очередь зависит от оборотов) для оптимального смесеобразования необходимо менять расстояние от инжектора до впускного патрубка. Общее правило таково: чем больше скорость потока воздуха, тем дальше от впускного клапана должен находиться инжектор. Это объясняется тем, что топливу требуется определенное время, чтобы равномерно распылиться в воздухе. А при больших скоростях воздушного потока микроскопические капли бензина, вылетевшие из близкорасположенного инжектора, не успевают полностью смешаться с воздухом до попадания в цилиндр. Именно поэтому на многих спортбайках устанавливают по два инжектора на цилиндр: один ближе к впускным клапанам («стреляет» под углом к потоку), а другой – душевого типа (стреляет вдоль потока воздуха прямо в «дыру») – дальше. Первый работает во всем диапазоне оборотов и отвечает за «низы», средние обороты и обеспечивает мгновенный отклик на поворот ручки газа. Второй включается только на высоких оборотах и помогает достичь пиковой мощности.

Кроме количества и положения инжекторов на характер двигателя влияет длина впускных патрубков. В настоящее время большинство команд не используют этот феномен и применяют патрубки фиксированной длины (в SBK это обусловлено тех. нормами чемпионата). Но в смежном классе Superstock есть необычный представитель, в двигателе которого установлены патрубки переменной длины. Это MV Agusta F4 Tamburini. Прежде, чем мы приступим к рассмотрению этой гениальной системы, давайте немного разберемся с физикой газодинамических процессов.

 

В момент, когда открывается впускной клапан, сразу за ним образуется волна низкого давления, которая распространяется по впускному тракту в сторону воздушного фильтра. Когда эта волна достигает конца впускного патрубка, она отражается в обратном направлении и попутно инвертируется – превращается в волну высокого давления. Если рассчитать длину впускного тракта таким образом, чтобы эта волна подоспела к моменту очередного открытия клапана, то скорость газов возрастет и наполняемость цилиндра улучшится. Как следствие, возрастет и мощность. Однако беда в том, что на разных оборотах интервалы между волнами тоже разные. Если длина впускного тракта фиксированная (как в большинстве мотоциклов), то описанный волновой эффект будет ощутимо помогать только в узком диапазоне оборотов. За пределами этого диапазона волны могут не только не помогать, но даже мешать эффективной наполняемости.

Абсолютно такое же явление наблюдается и выпускной системе. Отличие лишь в том, что при открытии выпускного клапана образуется волна высокого давления, которая, достигнув открытого конца выхлопной системы, точно так же отражается обратно и инвертируется, превращаясь в волну низкого давления. Если эта отраженная волна достигнет клапана в момент его очередного открытия, то поможет высосать выхлопные газы из цилиндра, что также положительно скажется на мощности.
За волной высокого давления всегда следует «впадина» – зона низкого давления. Точно копируя поведение своего антипода, она достигает конца трубы, отражается и инвертируется, превращаясь в волну высокого давления. Если эта волна достигнет клапана перед тем, как он начнет закрываться, то она «задует» часть бензо-воздушной смеси, успевшей вылететь «в трубу», обратно в цилиндр. На лицо еще один положительный эффект удачно рассчитанной газодинамики выхлопа.

В случае выпускных систем дорожных мотоциклов решение конфликта «полезных» и «вредных» волн было найдено давно. Это знакомые нам системы EXUP от Yamaha, SAEC от Suzuki, а также другие системы, общее название которых – мощностной клапан.* Цель таких систем – пропускать «хорошие» отраженные волны, которые улучшают наполняемость цилиндра, и задерживать «плохие», которые эту наполняемость могут ухудшить. Другими словами, алгоритм работы мощностных клапанов можно выразить так: «Пущать то, что полезно, и не пущать то, что вредно». А вот оптимизировать впускной тракт, благодаря его меньшей длине, оказалось возможным, именно изменяя эту самую длину (хотя многие производители, например, Suzuki, в своей системе SDTV пошли по пути установки во впускной тракт второй заслонки – своеобразного аналога мощностного клапана SAEC в выпускном тракте). Именно этот принцип и используется в мотоцикле MV Agusta, учавствующем в гонках Superstock.
Вместо применения двойных заслонок, которые пропускают «полезные» волны и тормозят «вредные», в MV Agusta реализована система впускных патрубков переменной длины. Ее преимущество в том, что вместо разделения на «полезные» и «вредные», она превращает все волны в «полезные». В результате этого эффективность впуска получается лучше, чем в системах других производителей.

Классы гоночной техники с приставкой «Super» действительно поражают воображение своими технологиями. Но по сравнению с аппаратами MotoGP даже эти ракеты выглядят не так уж «супер». Хоть конструктивно узлы впуска и смесеобразования байков SBK и MotoGP похожи, между ними есть колоссальное отличие – система Fly-by-wire. Она характерна только для королевского класса. Если в двух словах, то в аппаратах MotoGP ручка газа более не связана тросом с заслонками во впускном тракте, а управляет ими через бортовой компьютер, который попутно сглаживает ошибки пилота и выполняет целую кучу других «умных» действий. Но это уже из разряда электронных чудес, которые будут описаны чуть позже.

Выпускные системы байков MotoGP отличаются от «труб» мотоциклов других классов практически поголовным отсутствием глушителей (единственное исключение – Yamaha M1). Это обусловлено тем, что нормы шумности в этом классе очень демократичные, и глушащие насадки попросту не нужны. Поэтому вместо привычных «прямотоков» мы любуемся «простыми» титановыми раструбами. Но простота их только кажущаяся. В качестве примера возьмем выпускную систему Suzuki GSV-R. Даже процесс ее изготовления не оставит никого без эмоций. Только представьте себе: на одну «трубу» уходит около двух недель (!) сварочных работ! Вот вам и простой раструб! А все из-за того, что точность при изготовлении «мегафона» должна быть в буквальном смысле слова на космическом уровне. Ну а те, кто лично присутствовал хотя бы на одном этапе MotoGP не дадут соврать: звук выхлопа литровых болидов выворачивает на изнанку душу вместе с кишечником!

Последний класс гоночной техники, участвующий в нашем исследовании – Endurance. Здесь все как обычно – наизнанку. «Мозги» настраиваются на экономичность, часто из-за этого мощность остается на уровне обычных дорожных спортбайков (известны случаи, когда она оказывалась даже ниже первоначальной). Дополнительное время на пит-стопах экономится за счет специальной системы заправки. В бензобаке мотоцикла, участвующего в гонках на выносливость, вместо одной привычной горловины устанавливают две. По одной из них поступает бензин, а вторая призвана помочь вытесняемому бензином воздуху быстро покинуть бак. В итоге на дозаправку уходит примерно пять-восемь секунд.

Множество технических хитростей, применяемых при разработке топливных и выпускных систем, можно найти во многих классах гоночной техники. Для улучшения управляемости и уменьшения влияния плещущегося бензина на поведение мотоцикла бензобаки выполняются с учетом требований централизации масс. Другими словами, они изготавливаются такой формы, чтобы центр масс бензина как можно ближе располагался к центру масс мотоцикла и мало зависел от количества этого самого бензина. Еще одна хитрость – бензобак часто заполняется специальной губкой, предотвращающей чрезмерные колыхания топлива при ускорении, торможении и прохождении поворотов. Эта же губка не позволяет бензину мгновенно выливаться из бака при его разрушении вследствие аварии, уменьшая, таким образом, пожароопасность. В топливные магистрали, соединяющие бак с системой впрыска или карбюраторами, «врезаны» специальные самозапирающиеся разъемы, имеющие строго нормированное усилие на разъединение. Это усилие многократно меньше усилия разрыва топливных шлангов, которые они соединяют. Если при аварии бензобак отрывается от мотоцикла, разъемы разъединяются задолго до того, когда натяжение бензомагистрали достигнет критического предела, и таким образом предотвращают ее разрыв. А свойство разъемов автоматически запираться при разъединении предотвращает утечку топлива.

Автор Антон Барсуков, фото автора

* На гоночных мотоциклах от применения систем типа EXUP отказались потому, что они чувствительно отнимают мощность и эффективно работают только на низких и средних оборотах, т.е. в режимах, редких в условиях гонки. Оптимальная газодинамика гоночных выпускных систем достигается путем их точного расчета и изготовления.