Фазы газораспределения

Расположение каналов и фазы газораспределения двигателя

Возвратно-поступательное движение (вверх и вниз) поршня двигателя позволяет ему действовать в качестве воздушного компрессора. Изначально, воздушно-топливная смесь движется в картер под поршнем, и затем перемещается в цилиндр (выше поршня), где она сжимается и воспламеняется. Как только газы сгорают, температура и давление стремительно поднимаются. Это давление движет поршень в нижнюю сторону его хода, где выхлопные газы, в конечном счете, вычищаются. Звучит просто, но очень важными являются очень точная конструкция каналов - форма, размер, положение и временные фазы - если вы хотите добиться значительной производительности двигателя.

Перепускные каналы проводят свежую воздушно-топливную смесь в цилиндр перед сгоранием, пока выхлопные газы вычищаются через выхлопное отверстие.

ОСНОВЫ

Если вы достаточно любопытны для того, чтобы разобрать ваш двигатель, вы вероятно видели отверстия в гильзе и коленчатом вале. Эти отверстия известны, как каналы или отверстия, и в двухтактном двигателе они имеют 3 функции:

1. Впуск - позволяет свежей воздушно-топливной смеси поступать в картер ниже поршня.

2. Перепуск - перемещение воздушно-топливной смеси из картера в цилиндр выше поршня.

3. Выхлоп - здесь отработанные газы выходят из двигателя после сгорания.

Отверстия открываются и закрываются движением поршня и коленчатого вала, и в противоположность двигателям с механическими клапанами, для своего функционирования они не требуют дополнительной энергии от двигателя.

Отверстия, которые вы видите, являются необходимыми для правильной работы двухтактного двигателя.

ТИПЫ КАНАЛОВ

ВПУСКНОЕ ОТВЕРСТИЕ. Автомодельные двигатели используют систему впуска на базе поворотного золотника коленчатого вала. Как он работает: канал, изготовленный в шейке вала, выравнивается с отверстием для впуска воздуха в корпусе двигателя (под карбюратором) при каждом обороте вала. Воздушно-топливная смесь проходит через открытое отверстие в поверхности шейки коленчатого вала и затем через канал в центре коленчатого вала и, наконец, в картер двигателя.

Впускное отверстие в коленчатом вале "отмеряет" сколько воздуха и топлива поступает в двигатель. Воздушно-топливная смесь затем поступает в картер через канал в центре коленчатого вала.

ПЕРЕПУСКНЫЕ ОТВЕРСТИЯ. Эти отверстия изготовлены в стенке цилиндра и поочередно закрываются и открываются поршнем. Воздушно-топливная смесь из картера (ниже поршня) движется через обходные каналы снаружи цилиндра к перепускным отверстиям.

Двухтактные автомодельные двигатели используют множество комбинаций перепускных отверстий. Может существовать от двух до 10-11 перепускных отверстий различной формы и размеров - плюс выхлопное отверстие или отверстия (да, может быть даже несколько выхлопных отверстий).

РАСПОЛОЖЕНИЕ КАНАЛОВ ШНУРЛЕ: В двухтактных двигателях используется множество конфигураций перепускных и выхлопных каналов, но автомодельные двигатели используют основную конфигурацию, известную как расположение каналов Шнурле, так что мы будем обсуждать только этот вариант.

В системе Шнурле, два перепускных отверстия направлены вверх и в сторону от единственного выхлопного отверстия, которое находится между ними. Свежая топливная смесь намеренно направляется в самую удаленную от выхлопного отверстия точку. В этой точке, свежая смесь делает петлю в сторону головки цилиндра и выталкивает выхлопные газы через выхлопное отверстие.

Отверстия Шнурле направляют воздушно-топливную смесь в сторону от выхлопного отверстия.

БУСТ ОТВЕРСТИЕ: Буст отверстие является важным улучшением в основном расположении каналов Шнурле. Оно расположено напротив выхлопного отверстия и легко отличимо от остальных отверстий цилиндра по его острому углу вверх. Буст отверстие не только создает другой путь, по которому воздушно-топливная смесь может поступать в цилиндр, но также делает это под углом, который направляет смесь в сторону свечи накаливания, находящейся вверху цилиндра. Это способствует лучшему наполнению цилиндра и улучшает продувку выхлопных газов.

Буст отверстие противоположно выхлопному отверстию. Его острый угол вверх помогает направить свежую воздушно-топливную смесь в сторону свечи накаливания вверху цилиндра.

МНОГО - НЕ ВСЕГДА ХОРОШО: Большее значение, чем количество каналов, имеют фазы газораспределения (т.е., когда отверстия открываются и закрываются), длительность (как долго они остаются открытыми) и площадь (размер отверстий), так что не впечатляйтесь количеством каналов, объявленных для данного двигателя. Правильно сконструированный двигатель с 3-мя каналами может быть более мощным, чем хуже спроектированный 7-ми канальный двигатель.

Правильно разработанные каналы помогают направить течение воздушно-топливной смеси и выхлопных газов. Большее количество каналов иногда равняется большей мощности, но не всегда.

ФАЗЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Фазы газораспределения указывают на точки в цикле двигателя, в которых отверстия открываются и закрываются. Эти точки обычно отмеряются от ВМТ (TDC) (верхняя мертвая точка) или НМТ (BDC) (нижняя мертвая точка), от той, к которой поршень находится ближе.

В дополнение к открытию и закрытию отверстий, фазы газораспределения показывают нам, как долго отверстие остается открытым (длительность). Это важно при определении рабочей скорости двигателя, высокоскоростные двигатели дольше перемещают газы, чем низкоскоростные двигатели.

Большинство экспертов измеряют открытие и закрытие отверстий в градусах вращения коленчатого вала. Некоторые разработчики и инженеры используют систему, которая измеряет открытие и закрытие отверстий в процентах от хода поршня от ВМТ (TDC). Хотя есть технические преимущества в использовании последней системы, первая является наиболее используемой.

Для измерения событий фаз газораспределения к коленчатому валу присоединяется угломерное колесо. Неподвижный указатель выравнивается с угломерным колесом и точно согласуется с положением поршня в ВМТ (TDC), обеспечивая измерение фаз впуска, перепуска и выхлопа.

Все, что вам нужно для начала измерения фаз газораспределения вашего двигателя - это угломерное колесо, указатель и прочное крепление двигателя. Этот метод используется всеми конструкторами двигателей для составления карты фаз газораспределения и определения мест возможных улучшений.

КАНАЛЫ И ПРОДУВКА

В терминологии двигателя, "продувка" означает очистку объема - другими словами очистка цилиндра от выхлопных газов и движение свежей воздушно-топливной смеси из картера в цилиндр. Для разработчика двигателей, очистка цилиндра от выхлопных газов является только половиной проблемы, одновременная замена этих газов на свежую воздушно-топливную смесь, является другой проблемой.

Во время работы двигателя часть свежей смеси, переданной в цилиндр, смешивается с продуваемыми выхлопными газами и снижает эффективность и мощность двигателя. В течение многих лет было испробовано много канальных систем для минимизации этого смешивания и загрязнения, конструкция была улучшена, но это явление продолжает влиять на производительность двухтактных двигателей. Размер, положение и направление этих отверстий определяет, насколько успешной будет продувка, и насколько хорошо будет работать двигатель.

Воздушно-топливная смесь вытекает из перепускного отверстия слева, заполняет цилиндр для следующего цикла сгорания и помогает "продувать" выхлопные газы через выхлопное отверстие справа.

ФАЗЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

В двухтактном двигателе одновременно происходит несколько событий. Они перекрываются и влияют друг на друга, и их эффект трудно отследить просто просматривая числа фаз газораспределения. Диаграмма фаз газораспределения делает эти числа более понятными.

На примере диаграммы, выхлопное отверстие открывается при 80 градусах Перед НМТ (BBDC). Это также 100 градусов После ВМТ (ATDC). Поскольку выхлопное отверстие открывается ближе к НМТ, фаза отмеряется от этого положения. Общее время открытия (длительность) любого канала определяется прибавлением индивидуальных вращений.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Двигатель Mungen MT12, использованный для привода Yokomo GT-4R, показал ровную мощность, несмотря на то, что он имел очень значительный прирост в пиковой мощности. Это было достигнуто путем оптимизации эффективности фаз газораспределения для гонок.

Я недавно разговаривал с известным экспертом по модификации двигателей Деннисом Ричи из Техаса. Деннис модифицировал каждый год сотни двигателей для катеров и автомобилей своих покупателей, фактически, он модифицировал двигатель Mugen MT12 Стива Понда для Yokomo GT-4R, и он работал очень хорошо. Он любезно выделил свое время для дискуссии о каналах, фазах газораспределения и модификации каналов.

Деннис Ричи видит значительную разницу в философии фаз газораспределения между дорогими двигателями объема.12 и.15 и двигателями объема.21. Согласно Денису, маленькие двигатели имеют гораздо более консервативные фазы газораспределения.

Здесь приведен типичный пример:

• ВПУСК - открывается при 40 градусах После НМТ, закрывается при 48 градусах После ВМТ, длительность 188 градусов.
• ВЫХЛОП - открывается при 78 градусах Перед НМТ, закрывается при 78 градусах После НМТ, длительность 156 градусов.
• ПЕРЕПУСК - открывается при 60 градусах Перед НМТ, закрывается при 60 градусах После НМТ, длительность 120 градусов.

Он сказал, "Хотя длительность выхлопа и перепуска является до некоторой степени низкой, наибольшее увеличение в производительности высоких оборотов получается за счет увеличения длительности впуска." Согласно моим вычислениям, если открытие впускного отверстия остается неизменным и закрытие продвигается к примерно 65 градусам После ВМТ (ATDC), то длительность впуска расширяется до 205 градусов - 9% увеличения. Наилучшие двигатели объема.21 (3,44 куб. см) всегда имеют продвинутые фазы газораспределения.

Здесь приведены некоторые типовые длительности для продвинутых двигателей объема.21 куб. дюйм (3,44 куб. см):
- впуск 210 градусов;
- выхлоп 180 градусов;
- перепуск 126 градусов.

Деннис сказал, что эти двигатели "благополучно" используют топливо с 30% нитрометана и после модификаций их пиковая мощность находится между 33 000 и 34 000 оборотов.

Перепускное и выхлопное отверстия позволяют сжатому газу выходить сверху и снизу поршня во время циклов двигателя. Наличие достаточного времени (длительности фазы) для этого, это только половина истории. Наличие достаточно большого отверстия (площадь отверстия), это вторая половина. Скажем по-другому: время, требуемое для перемещения некоторого количества газа через отверстие, зависит от площади отверстия.

Аналогия может быть полезной: 50 человек имеют 30 секунд, чтобы покинуть помещение после сигнала пожарной тревоги. Если дверь открыта полностью, они легко выйдут из помещения в пределах отведенного времени. Если дверь неисправна и открыта только частично, люди по-прежнему могут выйти, но в дверях происходит давка, которая позволит максимум 35 человекам покинуть помещение в назначенное время. Арифметика показывает, что частично открытая дверь позволит выйти в назначенное время только 70% людей. Сходная ситуация существует для газов, пытающихся пройти через перепускное и выхлопное отверстия. Если течение слишком ограничено, отверстие может быть расширено для увеличения его площади, или оно может быть сделано выше для увеличения и его площади, и длительности фазы. Каждое из решение имеет различный эффект. Принятие решения, что из этого будет лучше, является предметом длительного изучения и опыта.

Целью большинства модификаторов двигателей является увеличение мощности. Самый простой способ сделать это, это добиться более быстрой работы двигателя. Когда максимальные обороты увеличиваются, каналы остаются открытыми на более короткое время. Основываясь на опыте с конкретным двигателем, модификатор расширяет отверстие или увеличивает его высоту - или комбинирует оба изменения. Эта практика известна как "портирование" (модификация каналов или отверстий).

Формы, размеры и положения отверстий весьма критичны для производительности двигателя, и вы не можете сделать одно изменение без влияния на производительность двигателя где-то в другом месте. Это всегда компромисс.

Моторы работают на бензине, газе, спирте или дизельном топливе — по 2- или 4-тактному циклу. И в любом случае их характер сильно зависит от того, что называют фазами газораспределения. Так с чем же их едят? Зачем нужно регулировать фазы? Давайте посмотрим.

Газообмен

От того, как мы дышим, зависит многое в нашей жизни. Да и сама жизнь; в мире д.в.с. примерно так же. Возьмем 1,5-литровый ВАЗовский 16-клапанник; хотите, чтобы он тянул на V при 600 мин -1 ? Для прикола. Вопрос выбора фаз газораспределения: подберем профиль кулачков впускного распредвала так, чтобы впуск начинался примерно на 24° (по углу поворота коленчатого вала) после в.м.т. Кулачки сделаем настолько «тупыми», что клапаны поднимаются только на 3 мм, а заканчивается впуск где-то на 6° после н.м.т.

Начало выпуска регулируем на 12° до н.м.т., а закрываются выпускные клапаны пусть как раз в в.м.т.; их подъем оставляем «по штату». Градусы и миллиметры подъема клапанов и есть те самые фазы: раньше, позже.

Круговая диаграмма фаз газораспределения 4-тактного двигателя

Проверьте экспериментально: при правильной настройке зажигания и впрыска горючего модифицированная «четверка» покажет наибольший в 75-80 Нм — где-то на 6 сотнях оборотов! Максимальная мощность — 10-12 л.с. при 1500 мин -1 ; не обессудьте. Однако мотор и в самом деле потянет от самых «низов» — как (маленькая) паровая машина. Жаль только, ни оборотов, ни мощности он не развивает.

Полная диаграмма впуска (выпуска): миллиметры подъема клапана по углу поворота коленчатого вала

Не нравится… Зайдем с другого конца: профиль кулачков такой, что впуск начинается на 90° до в.м.т., а заканчивается на 108° после н.м.т; подъем — до 14 мм. Есть разница? И выпуск тоже: начало на 102° до н.м.т., завершение — на 96° после в.м.т. Как говорят спецы, перекрытие выпуска и впуска — 186° по углу поворота коленвала! И что? Смотрите: с правильной настройкой зажигания и впрыска [А также с тарелками клапанов увеличенного диаметра, расточенными и отполированными впускными и выпускными каналами…] ваш 1,5-литровый ВАЗ выдаст что-то вроде 185 Нм крутящего момента — под… 11 тыс. оборотов! А при 13500 мин -1 разовьет около 330 л.с. — безо всякого наддува. Конечно, если выдержат ГРМ и кривошипно-шатунный механизм (вряд ли). Лет 40 назад такую мощность показывал хороший 3-литровый двигатель Формулы 1… Правда, ниже 6000 мин -1 форсированный ВАЗ окажется совсем дохлым [Обороты «холостого» хода придется выставлять где-то на 3500 мин -1 …] ; его рабочий диапазон — 9-14 тыс. оборотов.

На «верхах» наоборот: широкие фазы газораспределения позволят на все 100% мобилизовать резонанс газовых потоков на впуске и выпуске, — как говорят, акустический наддув. При правильном подборе длин и сечений (индивидуальных) впускных и выпускных патрубков, коэффициент наполнения цилиндров достигнет в зоне 11 тыс. оборотов уровня 1,25-1,35; получите искомые 185 Нм.

Вот что такое фазы газораспределения: они задают газообмен д.в.с. — впуск-выпуск. А газообмен определяет все остальное: протекание крутящего момента, оборотность двигателя, его максимальную мощность, эластичность… На паре примеров видно, как сильно меняется характер одного и того же мотора в зависимости от фаз. Тут же возникает мысль: фазы газораспределения нужно регулировать — прямо на ходу. И тогда под капотом вашего авто окажется не один-единственный движок — на все случаи жизни, а множество неодинаковых!

Как учил лучший друг автомобилистов, «кадры решают все». Перефразируя знаменитое выражение, примем, что все решают фазы (газораспределения). Генералиссимус умел регулировать кадровые вопросы, а моторостроители всегда стремились управлять фазами.

Фазовращение

Легко сказать, но трудно сделать; у 4-тактного двигателя фазы газораспределения заданы профилем кулачков (из высокопрочной закаленной стали). Изменять его по ходу — задача не из простых. Однако кое-что удается сделать даже и с неизменным профилем, — скажем, сдвигать распредвал по углу поворота коленчатого вала. Вперед-назад; то есть, продолжительность впуска остается неизменной (во 2-м примере — 378°), однако он и начинается, и заканчивается раньше. Допустим, впускные клапаны открываются теперь на 120° до в.м.т. и закрываются на 78° после н.м.т. Так сказать, на «раньше-раньше». Или наоборот — на «позже-позже»: впуск начинается на 78° до в.м.т. и заканчивается на 120° после н.м.т.

Двигаем неизменную диаграмму впуска на «позже-позже»: фазовращение

Такое решение (для впуска) впервые применили у ALFA Romeo на 2-литровой 8-клапанной «четверке» Twin spark [Понятно, что фазовращение применимо, когда впускные и выпускные клапаны приводятся 2-я отдельными распредвалами; в середине 80-х Twin spark представлял собой одну из редких конструкций DOHC. А с тех пор 2 вала в головке цилиндров получили широкое распространение — именно ради фазовращения.] — еще в 1985 году. Его называют фазовращением и применяют (на впуске и/или на выпуске) довольно широко. И что оно дает? Немного, но все же лучше, чем ничего. Так, при холодном пуске двигателя с каталитическим нейтрализатором выпускной распредвал поворачивают на опережение. Выпуск начинается рано, и на нейтрализатор идут отработанные газы повышенной температуры; он быстрее прогревается до рабочего состояния. В атмосферу выбрасывается меньше вредных веществ.

Или едете вы равномерно со скоростью 90 км/ч, от мотора требуются лишь 10% его максимальной мощности. Значит, дроссельная заслонка сильно прикрыта; повышенные насосные потери, перерасход горючего. А если сильно сдвинуть впускной распредвал на «позже-позже», то часть (допустим, 1/3) топливововоздушной смеси выбрасывается на ходе сжатия обратно во впускной коллектор [Не беспокойтесь, она никуда не денется. Так называемый «5-тактный» цикл.] . и мощность двигателя понижаются (до нужного по условиям движения уровня) без излишнего дросселирования на впуске. То есть, дроссельная заслонка хотя и прикрыта, но не так сильно, насосные потери значительно меньше. Экономия бензина — и кое-что еще; разве не стоит того?

VTEC

Возможности фазовращения ограничены тем, что как говорится, «хвост вытащил — нос увяз». Когда вы уменьшаете опережение открытия клапанов, ровно на столько же увеличивается запаздывание закрытия.

Час от часу не легче. Вот если каким-то образом изменять продолжительность впуска-выпуска… Допустим, во 2-м примере сокращать ее, — когда надо, — с 378 до 225°. Двигатель сможет нормально работать также и «на низах» — без потери мощности «на верхах».

Осуществляются мечты: прошло 4 года после появления Twin spark с фазовращением, и Honda Motor показала 1,6-литровый 16-клапанник В16A с революционным VTEC. Двигатель оснащался — впервые в истории — 2-режимным клапанным механизмом (на впуске и выпуске); процесс пошел. Однако иной раз приходится слышать: подумаешь, VTEC — всего 2 режима. А у мотора моей «короллы» фазы регулируются бесступенчато — континуум режимов. Ну да, — если не видеть две большие разницы…

Классический хондовский механизм VTEC: 3 кулачка на пару клапанов. Центральный кулачок «широкий», 2 боковых (для симметрии) – «узкие». Блокировка коромысел поршеньком дает широкие фазы впуска (выпуска)

В нашей солнечной стране принято зачем-то дважды в год истязать людей переводом стрелок на час — на «раньше-раньше» весной и на «позже-позже» осенью. Бог им судья, речь о другом. Переводить стрелки технически несложно не только на час каждые полгода, но и хоть каждый день по минуте. Так сказать, бесступенчато. Фазовращение подобно переводу часов — и эффект примерно такой же.

А изменять продолжительность светового дня не пробовали? Пусть не бесступенчато, только два режима, — скажем, 9 часов и 12? Так вот, хондовские инженеры нашли решение задачи такого класса; почувствуйте разницу. Допустим, в «нижнем» режиме продолжительность впуска — 186° (по углу поворота коленвала), а в «верхнем» — 252°. Радикальное изменение условий газообмена: под капотом как бы два неодинаковых мотора. Один эластичный и тяговитый на «низах», другой — «острый», крутильный и мощный на «верхах»; 25 лет назад о таком и не мечтали. И кстати, ничего не стоит присоединить к VTEC еще и фазовращение, что у Honda и сделали в конструкции i-VTEC. Тогда как наоборот — придать VTEC к фазовращению — не выйдет; фирменный механизм не так прост и обложен патентами.

Две неодинаковые диаграммы впуска у одного и того же мотора

Обратите внимание: VTEC позволяет варьировать диаграмму впуска (и выпуска)! Не просто двигать ее на «раньше-раньше» или «позже-позже», а изменять профиль. Качественное продвижение против банального фазовращения — хотя режимов только 2 (в позднейших вариантах — аж 3). У Honda немало подражателей и последователей: Mitsubishi MIVEC, Porsche VarioCam Plus, Toyota VVTL-i. Во всех случаях применяются кулачки неодинаковых профилей с блокировкой привода клапанов; представьте, работает.

Valvetronic

Ну а в 2002-м баварские конструкторы обнародовали знаменитый ГРМ Valvetronic. И если VTEC — «монтана», то Valvetronic — «полный …». Механизм в массовой эксплуатации уже 5 лет, но автообозреватели до сих пор так и не постигли его смысл и принцип работы. Да что журналисты, если и пресс-служба BMW… Посмотрите и убедитесь: в фирменных пресс-релизах Valvetronic трактуют как механизм изменения подъема клапанов! А если призадуматься? Нет ничего проще, чем регулировать подъем — не сложнее фазовращения. Однако же Valvetronic — изощренное устройство; наверное, там есть кое-что сверх того.

Бесступенчатое варьирование диаграммы впуска (изменяется ширина основания): баварский Valvetronic. Обратите внимание: схема механизма показана неправильно – он не сможет работать. Фирменная пресс-служба… max = 9,5 mm; min = 0,2 mm

О необычном механизме поговорим отдельно. А пока признаем, что баварские моторы Valvetronic стали первыми двигателями Отто, мощность которых регулируется без дросселирования на впуске! Как у дизелей. Они обходятся без самой зловредной детали в конструкции двигателя с искровым зажиганием; сравнимо с изобретением карбюратора. Или магнето. В 2002 году мир изменился, хотя никто и не заметил…

Электромагниты

Снимаю шляпу перед инженерами BMW, и тем не менее Valvetronic — лишь эпизод в развитии двигателя Отто. Промежуточное решение — в ожидании радикального. А оно уже на пороге: бескулачковый ГРМ с электромагнитным приводом клапанов. Никаких распредвалов с их приводом, толкателей, коромысел, гидрокомпенсаторов зазоров и пр. Просто стержень клапана входит в мощный электромагнит [С усилием по оси клапана до 80-100 кг! Иначе клапаны не успевают за своими фазами. А обеспечить такие усилия в компактном механизме непросто, в чем и состоит главная трудность создания э-магнитного ГРМ.] , напряжение на который подается под контролем ЦПУ. Вот и все: на каждом обороте коленвала ЦПУ управляет моментами начала открытия и закрытия клапанов — и высотой их подъема. Отсутствуют кулачки с их неизменным профилем, нет раз и навсегда заданных фаз газораспределения.

Электромагнитный клапанный механизм (Valeo): безграничные возможности 1 – шайбы; 2 – электромагнит; 3 – пластина; 4 – клапан; 5 – пружины; 6 – сжатие; 7 – растяжение

Диаграммы впуска и выпуска регулируются свободно и в широких пределах (ограниченных только физикой процессов). Раздельно для каждого из цилиндров и от цикла к циклу — как момент впрыска и количество подаваемого горючего. Или зажигания. По существу двигатель Отто станет самим собой — впервые в истории. И не оставит никаких шансов дизелю. Как компьютеры нашли себя с появлением микро-«чипов», и карманные калькуляторы мгновенно вытеснили электромеханические счетные машины. Тогда как в конце 40-х ЭВМ строили на вакуумных лампах и электромагнитных реле; считайте, что двигатели с искровым зажиганием все еще находятся на той самой стадии. Ну разве что Valvetronic…

Тем, кто связан с гоночной автомобильной или мотоциклетной техникой или просто интересуется конструкцией спортивных машин, хорошо знакомо имя инженера Вильгельма Вильгельмовича Бекмана — автора книг «Гоночные автомобили» и «Гоночные мотоциклы». Не раз он выступал и на страницах «За рулем».

Недавно вышло в свет третье издание книги «Гоночные мотоциклы» (второе было выпущено в 1969 году), переработанное и дополненное сведениями о новых конструктивных решениях и анализом тенденции дальнейшего развития двухколесных машин. Читатель найдет в книге очерк об истории зарождения мотоциклетного спорта и влиянии его на развитие мотоциклетной промышленности, получит сведения о классификации машин и соревнований, познакомится с особенностями конструкции двигателей, трансмиссии, шасси и системы зажигания гоночных мотоциклов, узнает о путях их совершенствования.

Многое из того, что применяется впервые на спортивных машинах, затем внедряется на серийных дорожных мотоциклах. Поэтому знакомство с ними позволяет как бы заглянуть в будущее и представить себе мотоцикл завтрашнего дня.

Подавляющее количество строящихся ныне в мире мотоциклетных двигателей работает по двухтактному циклу, поэтому к ним мотолюбители проявляют наибольший интерес. Предлагаем вниманию читателей отрывок из книги В. В. Бекмана, посвященный одному из важнейших вопросов развития двухтактных двигателей. Мы сделали только незначительные сокращения, изменили нумерацию рисунков и привели некоторые наименования в соответствие с употребляемыми в журнале.

В настоящее время двухтактные гоночные двигатели превосходят по мощности своих четырехтактных соперников в классах от 50 до 250 см3: в классах большего рабочего объема четырехтактные двигатели пока сохраняют конкурентоспособность. так как высокая форсировка двухтактных двигателей этих классов труднее, причем более заметным становится известный недостаток двухтактного процесса — повышенный расход топлива, требующий увеличения объема топливных баков и более частых остановок для заправки.

Прототипом большинства современных двухтактных двигателей гоночного типа является конструкция, разработанная фирмой МЦ (ГДР). Работы по усовершенствованию двухтактных двигателей, выполненные этой фирмой, обеспечили гоночным мотоциклам МЦ классов 125 и 250 см3 высокие динамические качества, и их конструкция в той или иной степени была скопирована многими фирмами в других странах мира.

Гоночные двигатели МЦ (рис. 1) имеют простую конструкцию и похожи как по устройству, так и по внешнему виду на обычные двухтактные двигатели.

А — общий вид; б — расположение газораспределительных каналов

За 13 лет мощность гоночного двигателя МЦ 125 см3 выросла с 8 до 30 л. с.; уже в 1962 году была достигнута литровая мощность 200 л. с./л. Одним из существенных элементов двигателя является дисковый вращающийся золотник, предложенный Д. Циммерманом. Он позволяет получить несимметричные фазы впуска и выгодную форму впускного тракта: благодаря этому возрастает коэффициент наполнения картера. Дисковый золотник изготовляют из тонкой (около 0,5 мм) листовой пружинной стали. Оптимальная толщина диска найдена опытным путем. Дисковый золотник работает как мебранный клапан, прижимаясь к отверстию впускного канала, когда в картере происходит сжатие горючей смеси. При увеличенной или уменьшенной толщине золотника наблюдается ускоренный износ диска. Слишком тонкий диск прогибается в сторону впускного канала, что влечет за собой увеличение силы трения между диском и крышкой картера; увеличенная толщина диска также ведет к увеличенным потерям на трение. В результате доводки конструкции срок службы дискового золотника был увеличен с 3 до 2000 часов.

Дисковый золотник не вносит особого усложнения в устройство двигателя. Золотник устанавливается на валу посредством скользящего шпоночного или шлицевого соединения, чтобы диск мог занимать свободное положение и не защемляться в узком пространстве между стенкой картера и крышкой.

По сравнению с классической системой управления впускным окном нижней кромкой поршня золотник дает возможность раньше открыть впускное окно и долго держать его открытым, что способствует повышению мощности как на высоких, так и на средних частотах вращения. При обычном устройстве газораспределения раннее открытие впускного окна неизбежно связано с большим запаздыванием его закрытия: это полезно для получения максимальной мощности, но связано с обратным выбросом горючей смеси на средних режимах и соответствующим ухудшением характеристики крутящего момента и пусковых качеств двигателя.

На двухцилиндровых двигателях с параллельными цилиндрами дисковые золотники устанавливают по концам коленчатого вала, что при выступающих справа и слева карбюраторах дает большие габариты по ширине двигателя, увеличивает лобовую площадь мотоцикла и ухудшает его внешнюю форму. Для устранения этого недостатка иногда применяли конструкцию в виде двух спаренных под углом одноцилиндровых двигателей с общим картером и воздушным охлаждением («Дерби», Ява).

В отличие от двигателя Ява цилиндры спаренных двигателей могут занимать вертикальное положение: при этом требуется водяное охлаждение, так как задний цилиндр заслонен передним. По такой схеме был изготовлен один из гоночных двигателей МЦ 125 см3.

Трехцилиндровый двигатель Suzuki (50 см3, литровая мощность около 400 л. с./л) с дисковыми золотниками по существу состоял из объединенных в одном блоке трех одноцилиндровых двигателей с самостоятельными коленчатыми валами: два цилиндра были горизонтальными. один вертикальным.

Двигатели с золотнинами на впуске конструировались и в четырехцилиндровых вариантах. Типичным примером могут служить двигатели Yamaha, изготовленные в виде двух спаренных шестеренной передачей двухцилиндровых двигателей с параллельными цилиндрами; одна пара цилиндров расположена горизонтально, вторая — под углом вверх. Двигатель 250 см3 развивал до 75 л. с., а мощность варианта 125 см3 достигала 44 л. с. при 17 800 об/мин.

По аналогичной схеме сконструирован и четырехцилиндровый двигатель Ява (350 см3, 48x47) с золотниками на впуске, представляющий собой два спаренных двухцилиндровых двигателя с водяным охлаждением. Он развивает мощность 72 л. с. при 1300 об /мин. Еще больше мощность четырехцилиндрового двигателя «Морбиделли» класса 350 см3 такого же типа — 85 л. с.

Ввиду того, что дисковые золотники устанавливаются по концам коленчатого вала, отбор мощности в многоцилиндровых конструкциях с такой системой впуска обычно производится через шестерню на средней шейке вала между отсеками картера. При дисковых золотниках рассматриваемого типа увеличение числа цилиндров двигателя свыше четырех нецелесообразно, так как дальнейшее спаривание двухцилиндровых двигателей привело бы к очень громоздкой конструкции; даже в четырехцилиндровом исполнении двигатель получается на пределе допустимых габаритов.

В последнее время на некоторых гоночных двигателях «Ямаха» применяют автоматические мембранные клапаны во впускном канале между карбюратором и цилиндром (рис. 2, а). Клапан представляет собой тонкую эластичную пластинку, отгибающуюся под действием разрежения в картере и освобождающую проход для горючей смеси. Во избежание поломки клапанов предусмотрены ограничители их хода. При средних режимах работы клапаны достаточно быстро закрываются, чтобы предупредить обратный выброс горючей смеси, что улучшает характеристику крутящего момента двигателя. Такие клапаны на основании практических наблюдений могут нормально функционировать при скоростных режимах до 10 000 об/мин. При более высоких числах оборотов их работоспособность проблематична.

: а — схема устройства; б —начало наполнения картера; в — подсос смеси через клапаны в цилиндр; 1 — ограничитель; 2 — мембрана; 3 — окно в поршне

В двигателях с мембранными клапанами для улучшения наполнения целесообразно поддерживать сообщение между впускным каналом и подпоршневым пространством или продувочным каналом при положении поршня вблизи Н.М.Т. Для этого в стенке поршня со стороны впуска предусматривают соответствующие окна 3 (рис. 2, б). Мембранные клапаны обеспечивают дополнительный подсос горючей смеси, когда во время продувки в цилиндрах и картере образуется разрежение (рис. 2, в).

Высокую мощность развивают также двухтактные двигатели, у которых процессом впуска горючей смеси в картер управляет поршень, как у подавляющего большинства обычных двигателей массового производства. В основном это относится к двигателям рабочим объемом 250 см3 и более. Примерами могут служить мотоциклы «Ямаха» и «Харлей-Давидсон» (250 см3 — 60 л. с.;

350 см3 — 70 л. с.), а также мотоцикл «Сузуки» с двухцилиндровым двигателем класса 500 см3 мощностью 75 л. с., занявший первое место в гонке Т.Т. (Турист Трофи) 1973 года. Форсирование этих двигателей осуществляется так же, как и в случае использования дисковых золотников, тщательной конструктивной проработкой органов газораспределения и на основе изучения взаимного влияния впускного и выпускного трактов.

Двухтактные двигатели независимо от системы управления впуском имеют выпрямленную форму впускного тракта, который направлен в подпоршневое пространство, куда поступает горючая смесь; по отношению к оси цилиндра впускной тракт может быть перпендикулярным или с наклоном снизу вверх или сверху вниз. Такая форма впускного тракта благоприятна для использования эффекта резонансного наддува. Поток горючей смеси во впускном тракте непрерывно пульсирует, причем в нем возникают волны разрежения и повышенного давления. Настройка впускного тракта за счет подбора его размеров (длины и проходных сечений) позволяет обеспечить в определенном интервале чисел оборотов закрытие впускного окна в момент входа в картер волны повышенного давления, что увеличивает коэффициент наполнения и повышает мощность двигателя.

При значениях коэффициента наполнения картера, превышающих единицу, двухтактный двигатель должен был бы развивать вдвое большую мощность по сравнению с четырехтактным. В действительности этого не происходит вследствие существенных потерь свежей смеси в выхлоп н перемешивания поступившего в цилиндр заряда с остаточными газами от предыдущего рабочего цикла. Несовершенство рабочего цикла двухтактного двигателя обусловлено одновременным протеканием процессов наполнения цилиндра и его очистки от продуктов сгорания, тогда как в четырехтактном двигателе эти процессы разделены во времени.

Процессы газообмена в двухтактном двигателе отличаются большой сложностью и до сих пор плохо поддаются расчету. Поэтому форсирование двигателей ведется, главным образом, путем экспериментального подбора соотношений и размеров конструктивных элементов органов газораспределения от впускного патрубка карбюратора до концевого патрубка выхлопной трубы. Со временем был накоплен большой опыт по форсированию двухтактных двигателей, описанный в различных исследованиях.

В первых конструкциях гоночных двигателей МЦ была использована возратно-петлевая продувка типа «Шнюрле» с двумя продувочными каналами. Значительное улучшение мощностных показателей было получено благодаря добавлению третьего продувочного канала (см рис. 1), расположенного спереди напротив выпускных окон. Для перепуска через этот канал на поршне предусмотрено специальное окно. Дополнительный продувочный канал устранил образование подушки горячих газов под дном поршня. Благодаря этому каналу удалось увеличить наполнение цилиндра, улучшить охлаждение и смазку свежей смесью игольчатого подшипника верхней головки шатуна, а также облегчить температурный режим работы дна поршня. В результате мощность двигателя повысилась на 10 процентов, а прогары поршней и поломки подшипника верхней головки шатуна были устранены.

Качество продувки зависит от степени сжатия горючей смеси в картере; на гоночных двигателях этот параметр выдерживается в пределах 1,45 — 1,65, что требует весьма компактной конструкции кривошипно-шатунного механизма.

Получение высоких литровых мощностей возможно за счет широких фаз распределения и большой ширины газораспределительных окон.

Ширина окон гоночных двигателей, измеренная центральным углом в поперечном сечении цилиндра, достигает 80 — 90 градусов, что создает тяжелые условия работы для поршневых колец. Зато при такой ширине окон в современных двигателях обходятся без склонных к перегреву перемычек. Увеличение высоты продувочных окон сдвигает максимальный крутящий момент в область более низкого числа оборотов, а увеличение высоты выпускных окон создает обратный эффект.

Рис. 3. Системы продувки: а — с третьим продувочным окном, б — с двумя дополнительными продувочными каналами; в — с разветвляющимися продувочными каналами.

Система продувки с третьим дополнительным продувочным каналом (см. рис. 1) удобна для двигателей с золотником, у которых впускной канал расположен сбоку, а зона цилиндра напротив выпускного окна свободна для размещения в ней продувочного окна; последнее может иметь перемычку, как показано на рис. 3, а. Дополнительное продувочное окно способствует образованию потока горючей смеси, огибающего полость цилиндра (петлевая продувка). Весьма существенное значение для эффективности процесса газообмена имеют углы входа продувочных каналов; от них зависят форма и направление потока смеси в цилиндре. Горизонтальный угол а, колеблется в пределах 50 — 60 градусов, причем большее значение соответствует более высокому форсированию двигателя. Вертикальный угол a2, равен 45 — 50 градусов. отношение сечений дополнительного и основного продувочных окон составляет около 0,4.

На двигателях без золотника карбюраторы и впускные окна, как правило, расположены на задней стороне цилиндров. В этом случае обычно применяют иную систему продувки — с двумя боковыми дополнительными продувочными каналами (рис. 3,б). Горизонтальный угол входа а, (см. рис. 3,а) дополнительных каналов — около 90 градусов. Вертикальный угол входа продувочных наналов колеблется для различных моделей в довольно широких пределах: на модели «Ямаха» ТД2 класса 250 см3 он составляет для главных продувочных каналов 15 градусов, а для дополнительных — 0 градусов; на модели «Ямаха» ТД2 класса 350 см3 соответственно 0 и 45 градусов.

Иногда применяется вариант этой системы продувки с разветвляющимися продувочными каналами (рис. 3,в). Дополнительные продувочные окна расположены напротив выпускного окна, и, следовательно, подобное устройство приближается к первой из рассмотренных систем, имеющей три окна. Вертикальный угол входа дополнительных продувочных каналов 45 — 50 градусов. Отношение сечений дополнительных и основных продувочных окон также около 0,4.

Рис. 4. Схемы движения газов в цилиндре: а — с разветвляющимися ка налами; б — с параллельными.

На рис. 4 показаны схемы движения газов в цилиндре во время процесса продувки. При остром угле входа дополнительных продувочных каналов поступающий из них поток свежей смеси удаляет клубок отработавших газов в середине цилиндра, не захватываемый потоком смеси из основных продувочных каналов. Возможны и другие варианты систем продувки по количеству продувочных окон.

Следует заметить, что на многих двигателях продолжительность открытия дополнительных продувочных окон на 2 — 3 градуса меньше, чем у основных.

На некоторых двигателях «Ямаха» дополнительные продувочные каналы были выполнены в виде желобков на внутренней поверхности цилиндра; внутренней стенкой канала является здесь стенка поршня при его положениях вблизи от Н.М.Т.

На процессе продувки сказывается и профиль продувочных каналов. Плавная форма без резких изгибов дает меньшие перепады давления и улучшает показатели работы двигателя, в особенности на промежуточных режимах.

Приведенные в этом разделе сведения показывают, что двухтактные двигатели выделяются простотой своего устройства.

Повышение удельной мощности двигателей этого типа в течение последнего десятилетия не сопровождалось какими-либо существенными изменениями базовой конструкции; оно явилось следствием тщательного экспериментального подбора соотношений и размеров ранее известных конструктивных элементов.

Проектирование картов - Форсирование двигателей

Здесь не будет гото­вых рецептов по форсированию конкретных типов двигателей. Все двигатели разные, на разных шасси будут изменяться разме­ры отдельных элементов (например, выпускной системы), будут изменяться и характеристики. Поэтому, какие-то конкретные ре­цепты, в которых, тем не менее, останется немало белых пятен, могут привести лишь к бесполезной работе.

Будут рассмотрены, в частности, основы теории процессов, происходящих в двигателе, с особым упором на те вопросы, кото­рые являются основными при форсировании двигателя. Конечно, в предлагаемой главе рассматриваются только те разделы тео­рии, знание которых необходимо, чтобы начинающий поклонник картинга не испортил двигатель в стремлении выжать из него максимальную мощность. Приведены также общие рекомендации о том, в каких направлениях следует проводить доработки дви­гателя, чтобы добиться положительных результатов. Общие ука­зания иллюстрируются примерами из практических работ по фор­сированию картинговых двигателей. Кроме того, приводится ряд замечаний и практических рекомендаций относительно, казалось бы, мелких изменений, внесение которых улучшит работу двига­теля, повысит его надежность, избавит нас от порой дорогостоя­щей учебы на собственных ошибках.

Фазы газораспределения

Фазы газораспределения выражаются углами поворота ко­ленчатого вала, при которых открываются и закрываются со­ответствующие окна цилиндра. В двухтактном двигателе рас­смотрим три фазы: открытия впускного окна, открытия выпускно­го окна и открытия перепускных окон (рис. 9.3).

Фазой открытия окна, например, выпускного, назовем угол поворота коленчатого вала, измеряемый с момента, когда верх­ний край поршня откроет выпускное окно, до момента, когда поршень, двигаясь обратно, закроет окно. Аналогично можно оп­ределить фазы открытия остальных окон.

Рис. 9.3. Диаграммы фаз газораспределения:

a -симметричная; б- несимметричная; OD и ZD - открытие и закрытие впуска. ОР и ZP- открытие и закрытие перепуска; OW и ZW -открытие и закрытие выпуска; a,у- углы открытия соответственно впускного и выпускного окон; B - угол открытия перепускных окон

Рис. 9.4. Сравнение время-сечений (площадь под кривыми) для окон разной формы

В обычном поршневом двигателе все окна открываются и за­крываются поршнем, поэтому диаграмма фаз газораспределения симметрична (или почти симметрична) относительно вертикаль­ной оси (рис. 9.3, а). В картинговых двигателях, в которых на­полнение кривошипной камеры горючей смесью осуществляется с помощью вращающегося золотника, фаза впуска может не зави­сеть от движения поршня, поэтому диаграмма фаз газораспреде­ления имеет обычно несимметричный вид (рис. 9.3, б).

Фазы газораспределения являются сравнимыми величинами для двигателей с разным ходом поршня, т. е. они служат уни­версальными характеристиками. При сравнении двигателей, име­ющих одинаковый ход поршня, фазы газораспределения можно заменить расстояниями от окон, например, до верхней плоскос­ти цилиндра.

Кроме фаз газораспределения важным параметром является так называемое время-сечение. При постепенно открываемом поршнем окне от формы канала зависит, как увеличивается отк­рытая поверхность окна в зависимости от угла поворота колен­чатого вала (или времени). Чем шире окно, тем большая поверх­ность будет открываться при смещении поршня вниз. За одно и то же время через окно будет проходить большее количество горю­чей смеси. Целесообразно, чтобы при открытии окна поршнем его площадь была бы сразу как можно большей. Во многих дви­гателях для этого окно делается расширенным кверху. Благода­ря этому достигается эффект быстрого открытия окна без увели­чения его поверхности.

Диаграмма роста открытой поверхности окон разной формы в зависимости от времени при постоянной ЧВ двигателя пока­зана на рис. 9.4. Общая площадь окон в обоих случаях одинако­вая. Площадь под кривыми диаграммы характеризует значение время-сечения. Для окна неправильной формы время-сечение больше.

Системы продувки цилиндра

Рис. 9.10. Схема систем продувки цилиндра и соответствующие им развертки зеркала цилиндра:

а - двухканальная система; б - трехканальная система; в - четырехканаль-ная система; г - пятиканальная система

Применяемые в картинговых двигателях системы продувки цилиндра схематически представлены на рис. 9.10. Рядом по­казано расположение перепускных окон на развертке зеркала ци­линдра для каждой из систем: двух-, трех-, четырех- и пятиканальной. В тех двигателях, где наполнение картера регулируется поршнем, крывает и не закрывает впускное окно. В этом случае впускной патрубок сделан не в цилиндре, и появляется возможность раз­местить дополнительный перепускной канал.

Роль выпускной системы

В двухтактном двигателе огромную роль играет выпускная система, состоящая из выпускного патрубка (в цилиндре и за цилиндром), расширительной камеры и глушителя. В момент от­крытия выпускного окна в цилиндре имеется некоторое давление, которое снижается в выпускной системе. Газ расширяется, воз­никают ударные волны, которые отражаются от стенок расшири­тельной камеры. Отраженные ударные волны вызывают новый рост давления около выпускного окна, в результате чего некото­рая часть отработавших газов снова попадает в цилиндр (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Схематическое представ­ление последовательных фаз выхода отработавших газов:

а - открытие выпускного окна; б - полное открытие окна; в - закрытие окна

Кажется, что выгоднее было бы получить разрежение у вы­пускного окна, когда оно полностью открыто. Это вызовет отка­чивание газов из цилиндра и, тем самым, наполнение цилиндра свежей смесью. Однако в таком случае часть этой смеси вместе с отработавшими газами попадет в выпускной патрубок. Поэтому надо добиваться повышенного давления у выпускного окна, когда оно закрывается. В этом случае горючая смесь, попавшая вместе с отработавшими газами в выпускной патрубок, будет возвращена в цилиндр, заметно улучшая его наполнение. Проис­ходит это уже после закрытия поршнем перепускных окон. Как и во впускной системе, волновые явления в выпускной системе дают положительный эффект только вблизи резонансной ЧВ. Изменяя размеры, а особенно длину выпускной системы, также можно формировать скоростные характеристики двигате­ля. Влияние изменений размеров выпускной системы на харак­теристики двигателя более значительно, чем изменение размеров впускной системы.

Основы процесса сгорания

Для лучшего понимания работы двигателя необходимо ска­зать несколько слов о процессах, происходящих в камере сгора­ния двигателя. От протекания процесса сгорания зависит на­растание давления в цилиндре, что определяет мощность двига­теля.

Результаты сгорания топлива, воспринимаемые в виде работы кривошипно-шатунного механизма, в первую очередь зависят от состава горючей смеси. Теоретически идеальным составом горю­чей смеси является так называемый стехиометрический состав, т. е. такой, при котором в смеси содержится столько топлива и кислорода, что после сгорания в отработавших газах нет ни топ­лива, ни кислорода. Другими словами, сгорит все находящееся в камере сгорания топливо, а для его сгорания будет израсходо­ван весь кислород, содержащийся в горючей смеси.

Если бы в камере сгорания был избыток воздуха (недоста­ток топлива), то избыток этот не смог бы помочь процессу горения. Однако он стал бы дополнительной массой газа, которую надо «прокачать» через двигатель и нагреть, используя для этого теплоту, которая без этой дополнительной массы повысила бы температуру и, следовательно, давление в цилиндре. Горючая смесь с избытком воздуха называется бедной.

Столь же неблагоприятен недостаток воздуха (или избыток топлива). Это привело бы к неполному сгоранию топлива и, как следствие, к получению меньшей энергии. Избыток топлива при этом будет пропущен через двигатель и испарится. Горючая смесь с недостатком воздуха называется богатой.

На практике для получения наибольшей мощности целесо­образно использовать слегка обогащенную смесь. Это объясня­ется тем, что в камере сгорания всегда образуются локальные неоднородности состава горючей смеси, возникающие из-за то­го, что невозможно добиться идеального перемешивания топлива с воздухом. Оптимальный состав смеси может быть определен только опытным путем.

Объем горючей смеси, засасываемой каждый раз в цилиндр, определяется рабочим объемом этого цилиндра. А вот масса воздуха, находящегося в этом объеме, зависит от температуры воздуха: чем выше температура, тем меньше плотность воздуха. Таким образом, состав горючей смеси зависит от температуры воздуха. Из-за этого необходимо «настраивать» двигатель в за­висимости от погоды. В жаркий день в двигатель поступает теп­лый воздух, поэтому для сохранения соответствующего состава горючей смеси необходимо уменьшить подачу топлива. В холод­ный день масса поступающего воздуха возрастает, поэтому надо подавать больше топлива. Надо заметить, что на состав горючей смеси влияет также влажность воздуха.

Вследствие всего этого температура даже идеального в дан­ных условиях состава смеси значительно влияет на степень на­полнения кривошипной камеры. В постоянном объеме картера при более высокой температуре масса горючей смеси будет мень­ше и, тем самым, после ее сгорания в цилиндре будет более низ­кое давление. Из-за этого явления элементам двигателя стара­ются придать такую форму, особенно картеру (оребрение), что­бы добиться их максимального охлаждения.

Горение смеси в камере сгорания происходит с определен­ной скоростью, за время горения коленчатый вал поворачивает­ся на определенный угол. Давление в цилиндре нарастает по мере горения смеси. Целесообразно получение наибольшего дав­ления в тот момент, когда уже начался рабочий ход поршня. Чтобы этого добиться, смесь надо зажигать несколько раньше, с определенным опережением. Это опережение, измеряемое углом поворота коленчатого вала, называется углом опережения зажигания. Часто опережение зажигания удобнее измерять расстоянием, которое осталось пройти поршню до верхней мертвой точки.

Диапазон доработок

Прежде, чем приступить к работе над двигателем, надо ре­шить, какой показатель мы хотим достичь. В пяти-, шестиступен-чатых двигателях гоночной категории мы можем стремиться к увеличению ЧВ, хотя известно, что в результате этого ЧВ максимального момента приближается к ЧВ максимальной мощ­ности; мы уменьшаем диапазон рабочих оборотов, добиваясь взамен большей мощности.

В двигателях популярной категории, а это двигатели «Дэмба» объемом 125 см 3 с трехступенчатой коробкой передач, не следует стремиться к достижению слишком большой ЧВ, надо добиваться наибольшего диапазона рабочих ЧВ. В таких двигателях (ис­пользуя его собственные узлы и агрегаты) можно добиться мощности более 10 кВт при частоте вращения порядка 7000-8000 об/мин.

Необходимо также определить диапазон доработок, которые мы собираемся выполнить. Надо заранее знать, будет это внесе­ние усовершенствований в дорабатываемый двигатель или же диапазон доработок будет столь широк, что в итоге получим практически новый двигатель с сохранением нескольких ори­гинальных (но доработанных) узлов, как того требуют пра­вила.

Предполагая доработку двигателя, предпочтение следует от­давать тем операциям, которые значительно повысят показатели двигателя. Однако не стоит (по крайней мере на этом этапе работ) предусматривать выполнение таких операций, которые требуют значительного труда и о которых заранее известно, что они дадут незначительные результаты. К таким операциям относится полирование всех каналов цилиндра двигателя, несмотря на то, что существует всеобщее убеждение в эффек­тивности этой операции. Стендовые испытания многих двига­телей показали, что полирование каналов цилиндра повышает мощность двигателя на 0,15-0,5 кВт. Как видите, усилия, затра­ченные на выполнение этой работы, совершенно несоизмеримы с результатами.

Вот операции, которые несомненно повлияют на увеличение показателей двигателя: увеличение степени сжатия; изменение фаз газораспределения; изменение формы и размеров каналов и окон цилиндра; правильный подбор параметров впускной и вы­пускной систем; оптимизация опережения зажигания.

Изменение степени сжатия

Увеличение степени сжатия, получаемое путем уменьшения объема камеры сгорания, ведет к увеличению мощности двига­теля. Увеличение степени сжатия ведет к росту давления сго­рания в цилиндре за счет увеличения давления сжатия, улучше­ния циркуляции смеси в камере сгорания и увеличения скорости сгорания.

Степень сжатия нельзя увеличивать до любой произвольной величины. Она ограничена качеством используемого топлива, а также тепловой и механической прочностью узлов двигателя. Достаточно сказать, что при увеличении эффективной степени сжатия с 6 до 10 силы, действующие на поршень, возрастают почти вдвое; т. е. вдвое возрастает нагрузка, например, на кривошипный механизм.

С учетом прочности деталей двигателя и детонационных свойств доступных топлив не рекомендуется применять геомет­рическую степень сжатия больше 14. Увеличение степени сжатия до этого значения требует не только удаления прокладки (если она была), но и придания соответствующей формы головке цилиндра, а иногда и цилиндру. Для облегчения расчета объема камеры сгорания для разных степеней можно пользоваться диаграммой, показанной на рис. 9.17. Каждая из кривых от­носится к определенному рабочему объему цилиндра.

Рис. 9.17. Диаграмма зависимости степени сжатия а от объемов камеры сгорания V 1 = 125 см 3 и V 2 -50 см 3

В некоторых двигателях с относительно небольшой степенью сжатия ее значительное увеличение возможно только путем механической обработки. В этом случае заплавляют камеру сгорания и снова обрабатывают ее. Это позволяет также изменить форму камеры. Большинство современных двигателей, применяемых в картинге, имеют камеру сгорания в виде шляпы. Эту форму не следует изменять при доработках двигателя.

Единственный метод точного определения объема камеры сгорания - это заполнение ее моторным маслом через отверстие для запальной свечи (рис. 9.18) при положении поршня в верхней мертвой точке. При таком методе измерения от объема налитого масла надо отнять объем свечного отверстия. Объем свечного отверстия для свечи с короткой резьбой равен 1 -1,1 см’ 1 , для свечи с длинной резьбой - 1,7-1,8 см 3 .

Прокладки под головку цилиндра в гоночных двигателях либо вообще не применяются, либо их заменяют тонкие медные кольца. В обоих случаях поверхности стыка цилиндра и головки должны быть притерты. Применение прокладок из материала с низким коэффициентом теплопроводности противопоказано, потому что это затруднит отток теплоты от верхней части гильзы цилиндра, несущей значительную тепловую нагрузку, к головке и ее охлаждающим ребрам. Прокладка головки цилиндра ни в коем случае не должна выступать в камеру сгорания. Выступающая кромка прокладки будет накаляться и станет источником калильного зажигания.

Рис. 9.18. Определение объема камеры сгорания

Октановое число применяемого бензина должно соответ­ствовать степени сжатия. Однако надо учитывать, что степень сжатия является не единственным фактором, определяющим возможную детонацию топлива.

Детонация зависит от протекания процесса сгорания, от движения смеси в камере сгорания, от способа зажигания и т. п. Вид топлива для конкретного двигателя подбирается опытным путем. Однако использовать высокооктанное топливо для двига­теля с низкой степенью сжатия не имеет смысла, потому что работа двигателя не улучшается.

Продувка цилиндра

Подбор соответствующих фаз газораспределения в двух­тактном двигателе играет огромное значение для удаления отработавших газов из цилиндра и наполнения его свежей смесью. Кроме того, надо так направить струи смеси, идущие из перепускных окон, чтобы они проходили через все закутки цилиндра и камеры сгорания, выдувая из них остатки отработав­ших газов и направляя их к выпускному окну.

Для увеличения ЧВ двигателя и, как следствие, его мощности, необходимо значительно расширить фазу выпуска, а точнее, увеличить разность между фазами выпуска и продувки. В резуль­тате этого увеличивается время, в течение которого отработав­шие газы, расширяясь, выходят из цилиндра. В этом случае в момент открытия перепускных окон цилиндр уже пуст, посту­пающий в него свежий заряд лишь незначительно смешивается с остатками отработавших газов.

Фаза выпуска увеличивается за счет смещения (спиливания) верхней кромки окна. Фаза выпуска в гоночных двигателях до­стигает 190° по сравнению со 130-140° в серийных двигателях. Это значит, что верхнюю кромку можно спилить на несколько миллиметров. Надо, однако, учитывать, что в результате увели­чения высоты выпускного окна уменьшается ход поршня, на котором выполняется работа. Поэтому увеличение высоты вы­пускного окна окупается только в том случае, если потери в работе поршня компенсируются улучшением продувки цилиндра.

В связи с целесообразностью достижения максимальной раз­ности между фазами выпуска и продувки угол открытия проду­вочных окон обычно остается неизменным.

Существенное влияние на качество продувки имеют размер и форма перепускных каналов и окон. Направление впуска смеси в цилиндр из перепускного канала должно соответствовать принятой системе продувки (см. п. 9.2.4, рис. 9.10). В двух-и четырехканальной системах продувки струи поступающей в цилиндр горючей смеси направляются над поршнем к стенке цилиндра, противоположной выпускному окну, причем в четырех­канальной системе струи, исходящие из окон, расположенных ближе к выпускному окну, обычно направлены к оси цилиндра. В системах с тремя или пятью перепускными окнами одно окно должно быть расположено напротив выпускного окна, канал этого окна должен направлять струю горючей смеси вверх под минимальным углом к стенке цилиндра (рис. 9.19). Это необ­ходимое условие эффективного действия этой дополнительной струи, получаемое обычно уменьшением ее сечения, а также более позднего открытия этого окна.

Изготовление дополнительного (третьего или пятого) канала является правилом, для двигателей с вращающимся золотником или мембранным клапаном. В двигателях, в которых наполнением кривошипной камеры управляет поршень, на месте классического третьего (или пятого) перепускного канала находится впускное окно. В таких двигателях могут быть дополнительные пере­пускные каналы, причем впускное окно должно иметь соответст­вующую форму; подобное решение показано на рис. 9.20. В этом двигателе сделаны три дополнительных перепускных окна небольшого размера, соединенных общим перепускным каналом, вход в который находится над впускным окном. Необходимая фаза впуска обеспечивается здесь соответствующей формой впускного окна.

Рис. 9.19. Влияние формы третьего перепускного канала на движение заряда в цилиндре:

a - неправильная форма; б- правильная форма

При установке на обычный двигатель вращающегося золот­ника в цилиндре появляется возможность сделать перепускной канал напротив выпускного окна. Здесь удобно сделать сильно изогнутый короткий канал (рис. 9.21, а), поступление смеси в ко­торый на некоторое время закрывается юбкой поршня.

Недоста­ток этого решения заключается в том, что движение поршня нарушает нормальный ток горючей смеси, но оно имеет два важных достоинства: маленький объем канала лишь незначи­тельно увеличивает объем кривошипной камеры, а горючая смесь, проходя через поршень, прекрасно его охлаждает. Прак­тически такой канал легко сделать следующим образом. В цилиндре делаются два отверстия (перепускное окно и вход в канал), в этом месте вырезаются ребра и прикручивается накладка с проточенным в ней каналом (рис. 9.21,6). Можно также попробовать вырезать вертикальную канавку в зеркале цилиндра между входом в канал и окном, ширина канавки равна ширине канала. Однако в этом случае движение поршня вниз будет вызывать некоторую турбулизацию горючей смеси в канале (рис. 9.21, в).

Перепускные каналы должны сужаться к окнам в цилиндре.

Рис. 9.21. Дополнительный перепускной канал с протеканием смеси через поршень:

а - принцип действия; б - часть канала проходит во внешней накладке; в - канал, вырезанный в зеркале цилиндра

Вход в перепускной канал должен иметь площадь на 50 % боль­ше, чем площадь перепускного окна. Очевидно, что изменение сечения канала должно быть выполнено по всей его длине. Углы окон и сечений каналов должны быть скруглены радиусом 5 мм для повышения ламинарности потока.

Недопустимы какие-либо погрешности при стыковке частей каналов, находящихся в разных деталях двигателя. Это заме­чание прежде всего касается места соединения цилиндра с карте­ром двигателя, где источником дополнительных завихрений смеси может стать прокладка, и стыков впускного и выпускного патрубков с цилиндром. Вихри в потоке смеси могут возникать также в месте стыка литой рубашки цилиндра с залитой или запрессованной гильзой (рис. 9.22). Несовпадения размеров в этих местах должны быть безусловно исправлены.

В некоторых двигателях окна цилиндра разделены ребром. Это прежде всего касается впускных и выпускных окон. Не реко­мендуется уменьшать толщину этих ребер и, уж тем более, удалять их при увеличении площади окна. Такие ребра предох­раняют поршневые кольца от попадания в широкие окна и, следо­вательно, от поломки. Допустимо лишь придать обтекаемую форму ребру впускного окна, но только с внешней стороны цилиндра.

Рис. 9.22. Нарушения движения заряда, вызванные неправильным

взаимным расположением гильзы цилиндра и литой рубашки цилиндра

Невозможно дать однозначный рецепт для получения опре­деленных эффектов доработок. Вообще можно сказать, что увеличение открытия выпускного окна увеличивает мощность двигателя, увеличивая одновременно ЧВ максимальной мощ­ности и максимального момента, но сужая диапазон рабочих ЧВ. Аналогичное действие оказывает увеличение размеров окон и сечений каналов в цилиндре.

Хорошо иллюстрируют эти тенденции изменения в скоростных характеристиках двигателя (рис. 9.23) объемом 100 см (диаметр цилиндра 51 мм, ход поршня 48,5 мм), полученные в результате изменения размеров и фаз газораспределения (рис. 9.24). На рис. 9.24, а приведены размеры окон, при которых двигатель развивает наибольшую мощность (кривые N А и М д на рис. 9.23). Фаза выпуска составляет 160°, продувки - 122°, впуска - 200°. Впускное окно открывалось при 48° от НМТ, а закрывалось при 68° от ВМТ. Диаметр диффузора карбюратора 24 см.

На рис. 9.24, б показаны размеры окон, при которых дос­тигается наибольший рабочий диапазон ЧВ (см. рис. 9.23, кривые N B и М в). Фаза выпуска составляет 155°, продувки - 118° и впуска - 188°, открытие впуска на угол 48° после НМТ и закрытие на угол 56° после ВМТ. Диаметр диффузора кар­бюратора равен 22 мм.

Следует обратить внимание, что сравнительно небольшие изменения размеров и фаз газораспределения значительно изме­нили характеристики двигателя. У двигателя А мощность больше, но он практически бесполезен при частоте вращения ниже 6000 об/мин. Вариант В применим в значительно большем диапа­зоне ЧВ, а это основное достоинство двигателя без коробки передач.

Хотя рассмотренный пример касается двигателя не приме­няемого в Польше класса, он хорошо иллюстрирует зависимость между формой окон и каналов цилиндра и параметрами его работы. Однако надо помнить о том, что привели ли наши доработки к желаемым результатам, мы будем знать только после их выполнения и проверки двигателя на стенде (или субъективно во время обкатки). Подготовка гоночного двигателя является бесконечным циклом доработок и проверок результатов этой работы, новых доработок и проверок, а ведь на характеристики двигателя огромное влияние оказывают и другие агрегаты дви­гателя (карбюратор, выпускная система и т. п.), оптимальные параметры которых можно определить только опытным путем.

Надо также подчеркнуть огромное значение геометрической симметрии всех окон и каналов в цилиндре. Даже небольшое отклонение от симметричности окажет отрицательное влияние на движение газов в цилиндре. Незначительная разница в высоте перепускных окон с обеих сторон цилиндра (рис. 9.25) вызовет несимметричное движение смеси и нару­шит действие всей системы продувки. Отличным показателем, позволя­ющим непосредственно оценить правиль­ность направления потоков смеси, по­ступающих из перепускных окон, явля­ются следы на днище поршня. Спустя некоторое время работы двигателя часть днища поршня покрывается слоем сажи. Та же часть днища, которую омывают струи свежей горючей смеси, поступа­ющей в цилиндр, остается блестящей, словно ее вымыли.

Рис. 9.25. Влияние различия в высоте пере­пускных окон

с обеих сторон цилиндра на симметрию движения заряда

Поршень и поршневые кольца

Рис. 9.28. Зависимость пропускной способности входного канала карбю­ратора от форумы его сечения

В современных двигателях применяются поршни, сделанные из материала с маленьким коэффициентом линейного расшире­ния, поэтому зазор между поршнем и гильзой цилиндра может быть небольшим. Если предположить, что зазор по окружности и длине юбки поршня в нагретом двигателе будет везде одина­ковым, то после охлаждения поршень деформируется. Поэтому поршень должен получать соответствующую форму еще во время механической обработки, что и делается на практике. К сожале­нию, форма эта слишком сложная, и ее можно получить только на специальных станках. Из этого следует, что форму поршня нельзя изменять слесарными операциями, а всевозможные об­тачивания юбки поршня напильником или точилом, приме­няемые повсеместно после заклинивания поршня, приведут к тому, что поршень потеряет правильную форму. В случае острой необходимости такой поршень может быть использован, однако можно не сомневаться, что его взаимодействие с зеркалом ци­линдра будет значительно хуже.

Надо предостеречь от использования наждачной бумаги для аварийной зачистки юбки поршня. Крупинки абразивного ма­териала впиваются в мягкий материал поршня, после чего исполосуют все зеркало цилиндра. Это приведет к необходимости растачивания цилиндра до следующего ремонтного размера.

Примерное распределение температур на поршне приведено на рис. 9.29. Наибольшая тепловая нагрузка приходится на днище и верхнюю часть, особенно со стороны выпускного окна. Температура нижней части юбки меньше и зависит, прежде всего, от формы поршня. Форма внутренней поверхности поршня должна быть такой, чтобы в сечении поршня не было сужений, затрудняющих теплообмен (рис. 9.30). Теплота от поршня цилиндру передается через поршневые кольца и места контакта юбки поршня с цилиндром.

Для уменьшения массы поршня и, тем самым, уменьшения сил, заметно возрастающих при высокой частоте вращения дви­гателя, можно удалить часть материала внутри поршня, но толь­ко в его нижней части. Обычно нижняя кромка поршня внутри заканчивается буртиком, являющимся технологической базой для обработки поршня. Этот буртик можно удалить, оставив толщину юбки в этом месте около 1 мм. Толщина стенки поршня должна плавно возрастать по направлению к днищу. Можно немного увеличить вырезы в юбке поршня под бобышками. Форма и размеры этих вырезов должны соответствовать вырезам в нижней части гильзы цилиндра (рис. 9.31). Для изменения время-сечения легче всего подрезать нижнюю кромку поршня со стороны впускного окна, хотя большую труд­ность представляет подбор величины подреза.

Для снижения тепловой нагрузки на верхнее поршневое кольцо рекомендуется сделать над ним обводную канавку ши­риной 0,8-1 мм и глубиной 1-2 мм. Иногда подобная канавка (или даже две) делаются между кольцами. Такие надрезы направляют тепловой поток в нижнюю часть поршня, уменьшая температуру поршневых колец.

Вообще мы не имеем возможности изменить вид и располо­жение колец. Можем только контролировать зазор в замке (раз­резе) кольца, который не должен превышать 0,5 % диаметра цилиндра. Надо также тщательно определить угловое положение замков так, чтобы они никогда не попадали на окна при движении поршня (рис. 9.32). Проводя работы над цилиндром, также надо учитывать положение замков поршневых колец.

Иногда применяется несложный способ уменьшения упру­гости поршневого кольца путем снятия фасок с его внутренних кромок. Это обеспечивает лучшее прилегание колец к зеркалу цилиндра. Такой способ особенно целесообразен при смене колец без шлифования цилиндра.

Кривошипный механизм

Как уже говорилось, в двигателе 501-Z3A целесообразно переставить щеки коленчатого вала. После разборки с помощью пресса над валом надо выполнить следующие операции.

1. Углубить в щеках вала гнезда для нижней головки шатуна на толщину дополнительных дисков, прикрепляемых к внешней поверхности щек (рис. 9.35, размер е).

2. Выдавить полуоси из щек на толщину дополнительных
дисков.

3. Уменьшить толщину шатуна (рис. 9.36) на шлифовальном станке. Ручная обработка применяется только для доводки.
Толщину можно уменьшить даже до 3,5 мм, но при условии, что шатун будет полироваться. Каждая царапина на шатуне является концентратором напряжений, с которого может на­ чаться развитие трещины. Кроме того, все скругления должны быть сделаны очень аккуратно. Дорабатывая шатун, целесооб­разно сделать прорези в верхней и нижней головках для улучше­ния доступа-смеси к подшипникам.

4. Укоротить палец кривошипа до размера с (рис. 9.36), равного ширине вала после перестановки щек, но до крепления дополнительных дисков. Палец надо укорачивать с обеих сторон, это позволит оставить дорожки качения роликов подшипника на старом месте.

5. Взвесить верхнюю и нижнюю головки шатуна, как это показано на рис. 9.37.

6. Собрать коленчатый вал. Запрессовка пальца кривошипа может быть выполнена с помощью пресса или больших тисков.

Конечно, после такой сборки трудно добиться соосности полуосей вала. Погрешность можно обнаружить, приложив к одной из щек стальную пластину (рис. 9.38), которая будет отставать от другой щеки. Это можно исправить, ударяя по одной из щек киянкой (рис. 9.39). Точнее биение вала проверим при его вра­щении в подшипниках. На покрытой мелом полуоси штихель обозначит места, в которых надо уменьшить биение (рис. 9.40). При сборке вала надо помнить о необходимости сохранения зазора между нижней головкой шатуна и щеками вала. Этот зазор должен быть не меньше 0,3 мм. Слишком маленький зазор во многих случаях явля­ется причиной заклинивания подшипника шатуна.

7. Уравновесить коленчатый вал. Это делается статическим методом. Обопрем вал на приз­мы и, повесив грузик в верхнюю головку шатуна, будем так под­бирать уравновешенную массу (не путать с массой грузика), чтобы вал оставался в состоянии покоя при любом положении. Масса грузика пред­ставляет собой часть масс, участвующих в возвратно-посту­пательном движении, которую надо уравновесить. Предположим, что масса верхней головки шатуна составляет 170 г, а масса поршня с кольцами и поршневым пальцем - 425 г. Масса, совершающая возвратно-поступательное движение, составляет 595 г. Предполагая, что коэффициент уравновешен­ности равен 0,66, получим, что масса, которую необходимо уравновесить, равна 595X0,66 = 392,7 г. Отнимая от этой величины массу верхней головки шатуна, получим массу гру­зика G, подвешенного на головке.

Состояние статического равновесия коленчатого вала дости­гается путем высверливания отверстий в щеках вала с той сто­роны, которая перетягивает.

8. Сделать дополнительные диски из стали и прикрепить их к валу тремя винтами Мб с потайными коническими головками. Перед креплением дисков целесообразно плоскость стыка с валом смазать герметиком. Винты законтрить кернением.

Добавим, что дополнительные диски можно крепить не к валу, а неподвижно к внутренним стенкам картера. Однако из-за неплотного прилегания диска к стенке может ухудшиться теплообмен. Надо отметить, что смещение щек коленчатого вала не исключает применения тонкой «подковы».

Перед началом доработок цилиндра надо сделать инструмент для измерения фаз газораспределения, используя для этой цели круглый угломер со шкалой 360° (рис. 9.42). Угломер установим на коленчатый вал двигателя, а на двигатель прикрепим прово­лочную стрелку.

Для однозначного определе­ния времени открытия и закры­тия окон можно использовать тоненькую проволоку, вставленную через окно в цилиндр и прижимаемую поршнем в верхней кромке окна. Толщина про­волоки на точности измерений практически не скажется, но такой способ облегчит работу. Особенно он полезен при опре­делении угла открытия впускного окна.

Значительно облегчить работу по изменению фаз газораспре­деления и размеров каналов и окон поможет снятие оттисков с зеркала цилиндра. Такой оттиск можно получить следующим образом:

внутрь цилиндра вкладываем кусок картона и подгоняем его так, чтобы он точно лежал вдоль зеркала цилиндра; его верхний край должен совпадать с верхней плоскостью цилиндра;

тупым концом карандаша выдавливаем контуры всех окон;

на вынутом из цилиндра картоне получаем отпечаток зеркала цилиндра; вдоль линий оттисков вырезаем в картоне отображен­ные окна.

На полученной развертке зеркала цилиндра можно измерить расстояние от краев окон до верхней плоскости цилиндра и рассчитать соответствующие им фазы газораспределения (используя формулы, имеющиеся в каждой книге о двигателях).

Теперь рассмотрим, как зафиксировать новые фазы газорас­пределения в дорабатываемом двигателе. Для этого на угломере поочередно устанавливаем необходимые углы, измеряя каждый раз расстояние от верхней кромки поршня до верхней плоскости цилиндра. Измеренные расстояния наносим на предварительно сделанную выкройку.

Теперь мы можем наметить новую форму окон, а потом выре­зать их на выкройке. Остается вложить выкройку в цилиндр и увеличить окна так, чтобы их форма совпадала со спроектиро­ванными. Использование выкройки избавит нас от необходимости многократной проверки углов при увеличении окон.

Рис. 9.42. Несложный угломер для измерения фаз газораспре­деления

Фазы газораспределения четырехтактных двигателей.
Дайджест от Михаила Сорокина (aka Sharoka)

Выпускной клапан начинает открываться в конце процесса расширения с опережением относительно НМТ на угол Фо.в ~30 –75 град. И закрывается после ВМТ с запаздыванием на угол Фз.в, когда поршень движется в такте наполнения к НМТ. Начало открытия и закрытие впускного клапана также сдвинуты относительно мертвых точек: открытие начинается до ВМТ с опережением на угол Фо.вп, а закрытие происходит после НМТ с запаздыванием на угол Фз.вп в начале такта сжатия. Большая часть процессов выпуска и наполнения протекает раздельно, но около ВМТ впускной и выпускной клапаны открыты одновременно. Продолжительность перекрытия клапанов невелика у поршневых двигателей. Общая продолжительность газообмена составляет 400 –520 град. , у высокооборотных двигателей она больше.

Периоды газообмена.

Периоды газообмена различают, руководствуясь величиной направления и скорости во впускных или выпускных клапанах и направлением движения поршня.

Свободный выпуск. От начала открытия выпускного клапана до НМТ продолжается свободный выпуск. Истечение газов из цилиндра при увеличении его объема происходит следствии того, что давление в начале выпуска и вплоть до НМТ выше, чем в выпускном патрубке. Температура газов в цилиндре в начале такта выпуска 1300 –700 град. Скорость истечения газов 720 –550 м/сек. В НМТ температура и скорость понижаются до значений, характерных для принудительного выпуска.

Принудительный выпуск. Продолжается от НМТ до ВМТ.
Средняя скорость в клапанной щели 80 –250 м/с. Давление в цилиндре в начале открытия впускного клапана выше давления во впускном трубопроводе, продукты сгорания вытекают одновременно через выпускной клапан и открывающийся впускной клапан, происходит так называемый заброс продуктов сгорания во впускной трубопровод. Заброс продолжается и после ВМТ. Поэтому наполнение начинается с запаздыванием.

Наполнение. От ВМТ до НМТ происходит наполнение. Скорость в клапанной щели 80 –200 м/с.

Дозарядка. Поле НМТ – при перемещении поршня в направлении ВМТ в такте сжатия – давление в цилиндре остается некоторое время меньше давления перед впускным клапаном, несмотря на уменьшение объема цилиндра

Процессы воспламенения и горения

Окислительные процессы являются процессами перемещения электронов с орбит атомов или ионов окисляющегося вещества на орбиты атомов или ионов окислителя. Для такого перемещения электронов необходима энергия, которая подводится к молекулам в начале реакции в виде кинетической энергии при соударениях. Число соударений и их энергия зависят от концентрации реагентов в смеси и температуры и могут быть определены для гомогенных и гетерогенных смесей из законов молекулярной физики.

Развитию теории окисления углеводородов положила начало перекисная теория окисления, предложенная А. Н. Бахом в 1897 г. по которой окисление происходит через промежуточные образования перекисей, обладающих большей окислительной способностью, чем молекулярный кислород.

Предложенная в 1903 г. гидроскиляционная теория была заметным началом в познании последовательности промежуточных реакций. Согласно этой теории, на некоторой стадии происходит распад молекул кислорода на атомы и внедрение последних между атомами углерода и водорода углеводородов с образованием молекул, содержащих группу ОН и ускоряющих окислительные процессы.

Н. Н. Семеновым в 1927 г. была высказана идея о возможности цепных реакций (существование которых было обнаружено В. Нернстом в 1919 г.) при окислении углеводородов. Эта идея была развита впоследствии в стройную теорию цепных окислительных процессов, объясняющую процессы воспламенения и сгорания топлив и объединившую в себе перекисную и гндроксиляцнонную теории.

Согласно этой теории, окисление идет через последовательность промежуточных реакций образования промежуточных продуктов, осуществляющих переход реагирующей системы от исходного состояния к конечным продуктам. Такими промежуточными продуктами могут быть перекиси, молекулы и их «осколки» с группой ОН, атомы водорода и кислорода, свободные радикалы ОН, СН, СН2 . Наиболее химически активные из них (атомы, радикалы) играют очень важную роль активных центров реакций: появление одного из них может повлечь за собой лавинообразную массу превращений в реагирующей системе, в которых участвуют конечные продукты окисления и менее активные насыщенные молекулы углеводородокислородных соединений (альдегиды, спирты, аминокислоты), способствующие образованию все новых активных центров.

В зависимости от условий в зоне реакции может развиваться неразветвленная или разветвленная цепная реакция . В первом случае вместо одного активного центра образуется один новый, и реакция идет до тех пор, пока не израсходуются реагенты или реакция не оборвется в результате местных неблагоприятных условии (мало число соударений активных частиц промежуточных продуктов из-за малой концентрации реагентов или пониженной температуры, замедляющее каталитическое действие некоторых реагентов, стенок камеры сгорания).

Во втором случае в результате реакции в одном активном центре могут образоваться два или больше новых активных центров; как следствие, реакция окисления саморазгоняется, несмотря на то, что концентрации реагентов уже начали убывать. Процесс ускоряется, так как возрастают энергия соударений и в результате дробления молекул – число центров реакций. При разветвленной цепной реакции скорость сгорания могла бы быстро увеличиться до бесконечности. Однако этого не происходит, так как часть ответвлений в реакции обрывается (главным образом около стенок камеры сгорания), а число частиц, вступающих в реакцию, уменьшается по мере расходования смеси. Достигнув максимальной величины, скорость реакции начнет уменьшаться.

После того как в реакцию вступит достаточно много молекул, отвод теплоты от заряда в стенки и на испарение топлива будет компенсироваться выделяющейся теплотой окисления (момент теплового равновесия) и в камере установится так называемая критическая температура Гкр, или температура воспламенения смеси, по достижении которой начинается быстрое общее повышение температуры и давления. Момент теплового равновесия можно заметить, если индикатором давления записать сначала изменение давления в камере без впрыска топлива, а затем при впрыске.

При записи давлений достаточно чувствительным датчиком можно заметить, что после точки, в которой начался впрыск топлива, линия давлений сначала пойдет ниже линии сжатия без впрыска топлива, а затем в точке 2 пересечет линию сжатия и быстро начнет подниматься. Отставание линии давления в начале впрыска объясняется затратой теплоты на прогрев и испарение капель впрыснутого топлива; если датчик давлений не очень чувствителен, то разность давлений в камере при впрыске топлива и без него можно не заметить, так как они сольются в одну линию. Однако в некоторый момент времени соответствующий точке 2 . линии разойдутся. Можно, следовательно, отметить существование скрытого периода окислительных процессов между точками 1 и 2 , когда сгорание как бы отсутствует или запаздывает по сравнению с подачей топлива. Этот период называют периодом индукции или периодом задержки воспламенения топлива и обозначают Тi (в секундах) или Фi (в градусах).

Измеренный по индикаторной диаграмме угол Фi будет зависеть от чувствительности датчика давлений: чем он чувствительнее и чем точнее записывающая часть индикатора зафиксирует сигнал датчика, тем меньше окажется угол Фi и тем точнее он будет определен. Ясно, что угол Фi зависит от физико-химических свойств топлива и условий paзвития окислительных процессов в камере. Более глубокое изучение процессов в период самовоспламенения топлива с использованием химических, оптических и ионных методов позволило установить, что в цепочно-тепловой теории воспламенения при различных условиях могут преобладать цепочные или тепловые процессы, вследствие чего А. С. Соколиком были выдвинуты гипотезы низкотемпературного многостадийного к высокотемпературного одностадийного воспламенения.

Согласно теории низкотемпературного воспламенения сначала в камере развиваются предпламенные окислительные процессы с образованием промежуточных продуктов в достаточно большом объеме смеси. Теплоты при этом выделяется недостаточно для резкого ускорения реакций окисления; кроме того, превращения идут в многостадийном процессе с накоплением в результате местного недостатка кислорода сначала спиртов, альдегидов (формальдегид НСНО, акролеин СН2 СНСНО, ацеталь-альдегид или уксусный альдегид СНзСНО), окиси углерода, а затем перекисей и радикалов. В результате таких процессов в камере сгорания возникает так называемое холодное пламя ‑голубое свечение, являющееся результатом оптического возбуждения молекул формальдегида и радикала НСО. В этот период времени TI (рис. 54 , кривая 1 ) давление в камере не увеличивается или даже снижается; температура, при которой начинается и заканчивается свечение, составляет 440 –670 К, практически не изменяясь.

Во втором периоде т3 идет процесс окисления альдегидов н образование перекисей нового типа, химически более активных; становится заметным увеличение давления на дельта Р холл плам в результате повышения температуры холодного пламени (от нескольких десятков до сотен градусов) .

В дальнейшем появляется вторичное, более интенсивное свечение; накопление активных перекисей, радикалов и атомов приводит к тепловому местному взрыву в конце периода тiи образованию очага сгорания. Такие процессы в период задержки самовоспламенения топлива с характерным преобладанием в них цепных многостадийных химических превращений имеют место при относительно низких температурах и мало зависят от температуры; при этом период TI с повышением температуры сокращается и мало зависит от давления, а период Т2 , наоборот, увеличивается с повышением температуры и уменьшается с возрастанием давления.

Низкотемпературное многостадийное воспламенение свойственно для парафинов и нафтенов и имеет место в дизелях, при этом, чем выше цетановое число топлива, тем короче период т,. Таких очагов может образоваться в камере и даже в одном факеле несколько в точках где создаются наиболее благоприятные для этого условия сочетание температуры, давления и меняющегося в процессе образования очага сгорания состава смеси (от а«0 ,1 в начале до а=1 в конце), обычно под поверхностью факела, на некотором удалении от сопла форсунки в зоне повышенных температур (со стороны выпускных каналов, над нагретыми поверхностями).

Длительность та и число образующихся очагов сгорания, как показывают эксперименты, мало зависят от тонкости распыливания топлива, так как даже при очень грубом распыливании оказывается достаточное для воспламенения количество мелких капель. Увеличение угла опережения впрыска топлива удлиняет период задержки воспламенения для всех сортов топлива, так как процессы прогрева, испарения топлива и разгона химических реакций начинаются при более низких температурах; интенсификация турбулентности увеличивает период Тi вследствие снижения температуры и концентрации паров топлива в вероятной точке образования очага сгорания.

Высокотемпературное воспламенение (кривая 2 ) имеет место при высоких начальных температурах (800 - 1200 К) и представляет собой непрерывный процесс цепных химических самоускоряющихся в результате выделения теплоты превращений. Мощный тепловой толчок, вызывающий ускорение процессов, приводящих к образованию очага сгорания, можно осуществить электрическим разрядом между электродами свечи зажигания при напряжении (8 –15 )103 В. При высоких температурах в канале или шнуре разряда (Т более 10000 ) образуется очаг сгорания небольшого объема. Это означает, что в данном объеме процессы прогрева, распада, ионизации молекул топлива и кислорода и воспламенение происходят столь быстро (через состояние плазмы), что укладываются в период разряда, длительность которого не превышает (1 –2 ) 10 ~5 с. Естественно предположить, что это возможно в гомогенной, достаточно однородной смеси.

Если объем образовавшегося очага сгорания достаточно велик, а времени его существования достаточно для прогрева и воспламенения окружающих слоев смеси, то процесс сгорания начинает распространяться, и через некоторое время т; (период задержки воспламенения) на индикаторной диаграмме давлений можно будет заметить отрыв линии давления в процессе начавшегося его рания от линии давления сжатия, которую можно эд-писать при выключенном зажигании. Если же объем очага сгорания и длительность его поддержки разрядом оказались недостаточными, то очаг затухает к сгорание не развивается.

Опытами установлено, что период задержки воспламенения зависит от сорта топлива, состава смеси, темпера туры и давления смеси в конце сжатия, я также от мощности электрического разряда. Чем ниже температура воспламенения топлива и его термическая стабильность тем короче период задержки воспламенения; период задержки сокращается с обогащением смеси (до а=0 ,4 –0 ,6 и ниже), повышение температуры и давления смеси снижает Тi, повышение мощности разряда снижает Тi тем сильнее, чем неблагоприятнее другие условия самовоспламенения.

Высокотемпературное воспламенение характерно для всех двигателей с электрическим зажиганием, а также для дизелей при использовании топлива с большим содержанием ароматиков.

В двигателях с электрическим зажиганием образование очага сгорания в результате действия искры сопровождается насыщением его объема продуктами сгорания и образованием слоя – раздела между негорящей смесью и образовавшимися продуктами сгорания. В этот слой со стороны смеси в результате диффузии поступают молекулы топлива и окислителя, а со стороны очага сгорания – продукты сгорания и теплота. Образуется так называемый ламинарный фронт пламени (рис. 55 , а ) толщиной 6 в несколько десятых миллиметра и площадью в несколько квадратных миллиметров. Температура в этом слое резко изменяется от Тсм до Гвс. что способствует ускорению диффузионных процессов н образованию зоны прогрева толщиной бп и,зоны химических реакций толщиной б», в которой концентрации молекул топлива Ст и кислорода Со, постепенно уменьшаются. Пламя начинает перемещаться в сторону горючей смеси перпендикулярно к поверхности фронта с так называемой нормальной скоростью Uи.

Опытами в бомбах установлено, что распространение сгорания по объему возможно только при определенных составах горючих смесей, ограниченных как минимальными, так и максимальными значениями а, различными для разных условий сгорания (температура, давление, количество инертных газов), В табл. 7 даны концентрационные пределы распространения пламени в воздушных смесях топлив при атмосферных условиях во время испытаний в бомбе.

Нормальные скорости Uи находятся в большой зависимости от состава смесей (рис.56 ) и имеют максимальные значения в смесях с воздухом при а от0 ,5 (для оки си углерода) до 1 ,1 (для метана). Для бензино и спиртовоздушных смесей Uи имеет место при а=0 ,85 –0 ,95 При повышенных температурах и давлениях концентрационные пределы горючести расширяются, а скорости Uи повышаются, с увеличением остаточных газов в смеси концентрационные пределы сужаются, а скорости Uи уменьшаются.

Ускорению распространения сгорания по объему камеры способствуют возникающие мелкомасштабные пульсации, масштаб которых не превышает толщины 6 , (мелкомасштабная или микротурбулентность), и крупномасштабные пульсации – макротурбулентность, возникновение которой связано с вихреобразованием во время наполнения и сжатия.

Микротурбулентность способствует увеличению Uи в результате интенсификации диффузии и замены кондуктивной теплопроводности в зоне прогрева турбулентной; макротурбулентность искривляет фронт пламени по мере его развития, а затем и разрывает его (см. рис. 55 , б ). Поверхность и толщина фронта увеличиваются (последняя до 25 мм); объемы реагирующих компонентов внедряются в зоны прогрева и в негорящую смесь, которая вследствие нагрева поджимается. В результате скорость перемещения фронта пламени в сторону смеси повышается до 15 –80 м/с; ее называют турбулентной скоростью Uт. Количество смеси, сгорающей в единицу времени, возрастает. В результате увеличения скорости тепловыделения возрастают скорости повышения температуры и давления в цилиндре двигателя (см. рис. 53 ).

После того как пламя распространится по всему объему камеры сгорания, количество смеси, вступающей в реакцию, уменьшается. Снижается и скорость реакций, так как концентрации топлива и окислителя в зонах сгорания уменьшаются, а концентрация продуктов сгорания увеличивается. Вместе с возрастающим отводом теплоты в стенки камеры сгорания и объемом цилиндра с началом перемещения поршня от в. м. т. это приводит к тому, что давление, достигнув максимального значения при положении поршня, соответствующем углу Фi начинает снижаться.

Надежно записанных диаграмм изменения температур в процессе сгорания еще недостаточно для количественной характеристики процессов сгорания и обобщений. Однако установлено, что температуры, полученные из уравнении состояния газов в различные моменты сгорания и расширения при использовании давлений из индикаторных диаграмм н известных конструктивных объемов камеры сгорании н цилиндра, также возрастают в процессе сгорании и достигают максимальных значений в момент Фi (см. рис. 53 ), позднее момента достижения максимальных давлений. Последнее обстоятельство объясняется совместным влиянием увеличения объема газа вследствие перемещения поршня от ВМТ и продолжающимся подводом теплоты к газу.

При некоторых условиях описанный нормальный процесс сгорания может нарушаться, что отражается на мощности и экономичности работы двигателя, шумности, токсичности отработавших газов, надежности и сроке работы двигателя. К таким нарушениям сгорания относят следующие.

1 . Пропуски вспышек в цилиндрах, появляющихся в результате переобеднения смеси, пропусков в искрообразовании или в результате малой мощности искры; двигатель при этом не запускается или не развивает мощности.

2 . Вспышки во впускной системе; могут иметь место в результате малой скорости сгорания в цилиндрах, главным образом из-за переобеднения смеси или позднего зажигания; смесь в этих случаях продолжает гореть даже в такте выпуска и при значительном перекрытии фаз действия выпускных и впускных клапанов может зажечь смесь во впускной системе, что воспринимается как хлопок в карбюраторе.

3 . Преждевременное, до появления искр, самовоспламенение смеси в цилиндрах, которое возможно при местном перегреве поверхностей камеры сгорания (выпускные клапаны, свечи зажигания, отдельные участки головки цилиндра или поршня) или перегрева нагара на этих поверхностях (калильное зажигание); снижение мощности двигателя из-за чрезмерного противодавления в конце хода поршня к ВМТ, его перегрев, неясно выраженные на общем шумовом фоне глухие стуки, возникающие вследствие больших скоростей повышения давления и увеличения их максимальных значений, – признаки калильного зажигания.

4 . Детонация – сложный химико-тепловой процесс, развивающийся в горючей смеси при особых условиях; внешними признаками детонации являются появление звонких металлических звуков в цилиндрах двигателя, снижение мощности и перегрев двигателя, выброс из выпускной системы черного дыма; в темноте замечается зеленоватая окраска пламени, выбрасываемого из коротких выпускных патрубков двигателей, имеющих поршни из легких сплавов; на индикаторной диаграмме, записанной при детонации, в зоне максимальных давлений отмечается их резкое колебание в виде острых пиков.

Возникновению детонации и ее интенсификации способствуют нестойкие в отношении детонации топлива с малыми октановыми числами; обогащенные (а = 0 .9 ) составы смеси; высокая степень сжатия; большие нагрузки на двигатель; снижение частоты вращения вала двигателя; чрезмерно большой угол опережения зажигания; высокие температуры и давление на впуске в двигатель; перегрев камеры сгорания; увеличение размеров цилиндров.

Детонационное сгорание возникает в наиболее удаленном от свечи зажигания месте, расположенном около горячих стенок. Смесь до прихода фронта пламени нормального сгорания успевает в таких местах сильно перегреться и подвергается интенсивному сжатию при распространении фронта пламени, что способствует быстрому развитию в ней предпламенных реакций с образованием и накоплением химически активных промежуточных продуктов (радикалы, перекиси, атомы водорода и кислорода). В результате таких процессов возникает, самовоспламенение смеси с самоускоряющимися процессами. Сгорание приобретает взрывной характер с резким местным повышением температуры и образованием ударной волны давления; скорость ее перемещения в камере может дойти до 1000 –2300 м/с. Отражаясь от стенок камеры сгорания, ударная волна образует новые волны и новые очаги воспламенения, приводящие к развитию диссоциации с образованием окиси углерода, атомарных углерода, водорода, кислорода и поглощением большого количества теплоты. Продукты диссоциации и несгоревшая часть топлива догорают в процессе расширения неполностью и с меньшей эффективностью, мощность и экономичность снижаются, а перегрев двигателя и дымление на выпуске увеличиваются тем сильнее, чем в большем объеме смеси развивается детонация. Ударные волны, действуя локально и кратковременно, не повышают работу газов, но резко увеличивают теплоотдачу в стенки, механические и тепловые ударные нагрузки на детали, газовую коррозию поверхностей, особенно днищ поршней. Длительная работа двигателей с детонацией недопустима.

5 . Вспышки в выпускной системе, сопровождаемые звуками, похожими на выстрелы; такие вспышки являются следствием воспламенения накопившейся там горючей смеси при пропусках вспышек в цилиндрах или сажи, срываемой с нагретых стенок при внезапном нагружении двигателя. В дизелях после образования в камере сгорания очагов сгорания вокруг них формируется фронт пламени; выделение теплоты и расширение продуктов сгорания приводит к образованию тепловой волны и поджатию смеси. Это ускоряет предпламенные реакции и образование новых очагов сгорания. Поддержание сгорания в очагах и образование новых очагов в неоднородной смеси начинает лимитироваться не скоростью химических реакций окисления, а скоростью образования смеси горючих составов. Поэтому при температурах выше 1000 К факторами, определяющими скорость выгорания топлива, становится диффузионные процессы и вихревые движении заряда.

Если за время задержки воспламенения впрыснуто много топлива, то возникает и большее число очагов. В результате этого резко ускоряются химические реакции и образование новой смеси; скорости тепловыделения и нарастания давлений могут оказаться слишком большими, а сгорание будет характеризоваться как «жесткое».

Снижение температуры и давления заряда в конце сжатия может быть следствием засорения воздушного фильтра, закоксовывания клапанов и щелей газораспределительных органов, потери плотности клапанов и поршневых колец, изменения фаз газораспределения, попадания масла в воздух.