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…
В большинстве конструкций двухтактных двигателей клапанный механизм отсутствует и газораспределение осуществляется рабочим поршнем через выпускные, впускные и продувочные окна. Отсутствие клапанного привода упрощает конструкцию двигателя и облегчает его эксплуатацию. Существенным недостатком бесклапанного газораспределения является недостаточная очистка цилиндров от продуктов сгорания в процессе его продувки.
Системы продувок подразделяются на два основных вида: контурные и прямоточные. Продувочные, выпускные окна при контурной системе продувки располагаются внизу цилиндра. Продувочный воздух движется по контуру цилиндра вверх, затем у крышки делает поворот на 180° и направляется вниз, вытесняя продукты сгорания и заполняя цилиндр. При прямоточных системах продувки продувочный воздух движется от продувочных окон к органам выпуска только в одном направлении - вдоль оси цилиндра. Расположение продувочных и выпускных окон, наклон их к оси цилиндра имеют очень важное значение для всех систем продувки.
На рис. 160, а-д показаны различные схемы продувок. Поперечно-щелевые продувки (схемы а и б) наиболее просты и применяются в различных двигателях. В схеме б , применяемой в дизелях большой мощности, продувочные окна имеют эксцентричное расположение в горизонтальной плоскости и наклонены к вертикальной плоскости. Такое расположение окон улучшает продувку. Коэффициент остаточных газов 0,1-0,15. Контурно-петлевая продувка (схема в) с лучевым расположением продувочных окон характеризуется тем, что продувочный воздух поступает вначале к днищу поршня, а затем, описав петлю по контуру, вытесняет продукты сгорания в выпускные окна, которые расположены выше продувочных и имеют наклон на 10-15° к оси цилиндра вниз. Коэффициент остаточных газов равен 0,08-0,12. Контурные продувки применяют в тихоходных и среднеоборотных двигателях.
Прямоточные системы продувок бывают клапанно-щелевыми (схема г) и прямоточно-щелевыми (схема д).
При прямоточно-клапанпой продувке тангенциально направленные окна расположены внизу цилиндра по окружности. Через выпускные тарельчатые клапаны (один-четыре) осуществляется выпуск. Выпускные клапаны приводятся в действие от распределительного вала, что позволяет установить наивыгоднейшие фазы газораспределения, а также в случае необходимости обеспечить дозарядку за счет более позднего закрытия продувочных окон. Продувочный воздух, двигаясь спиралеобразно, обеспечивает хорошее вытеснение продуктов сгорания и хорошо перемешивается с распыленным топливом. Данный тип продувки применяют в мощных тихоходных дизелях Брянского завода, фирмы «Бурмайстер и Вайн», а также в высокооборотных дизелях. Прямоточно-клапанная продувка является одной из наиболее эффективных, коэффициент остаточных газов 0,04-0,06.
Прямоточно-щелевую продувку (рис. 160, д ) используют в двигателях с противоположно движущимися поршнями. Продувочные и выпускные окна расположены по всей окружности цилиндра: выпускные вверху, а продувочные внизу. Продувочные окна имеют тангенциальное расположение. Этот тип продувки в настоящее время является наиболее эффективным. Качество очистки цилиндра не уступает очистке в четырехтактных двигателях. Коэффициент остаточных газов 0,02-0,06. Прямоточно-щелевая продувка находит применение в двигателях фирмы Доскфорд, в двигателях 10Д100 и др.
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.
Выпускной клапан начинает открываться в конце процесса расширения с опережением относительно н.м.т. на угол φ о.в. = 30ч-75° (рис. 20) и закрывается после в.м.т. с запаздыванием на угол φ з.в., когда поршень движется в такте наполнения в направлении к н.м.т. Начало открытия и закрытие впускного клапана также сдвинуты относительно мертвых точек: открытие начинается до в.м.т. с опережением на угол φ 0 . вп, а закрытие происходит после н.м.т. с запаздыванием на угол φ з.вп. в начале такта сжатия. Большая часть процессов выпуска и наполнения протекает раздельно, но около в.м.т. впускной и выпускной клапаны открыты некоторое время одновременно. Продолжительность перекрытия клапанов, равная сумме углов φ з.в + φ о.вп, невелика у поршневых двигателей (рис. 20, а), а у комбинированных может быть значительной (рис. 20, б). Общая продолжительность газообмена составляет φ о.в + 360 о + φ з.вп =400-520 о; у высокооборотных двигателей она больше.
Периоды газообмена в двухтактных двигателях
В двухтактном двигателе процессы газообмена происходят при перемещении поршня вблизи н.м.т. и занимают часть хода поршня в тактах расширения и сжатия.
В двигателях с петлевой схемой газообмена и впускные, и выяускные окна открываются поршнем, поэтому фазы газораспределения и диаграммы площади поперечного сечения окон симметричны относительно н.м.т. (рис. 24, а). Во всех двигателях с прямоточными схемами газообмена (рис. 24, б) фазы открытия выпускных окон (или клапанов) выполняют несимметричными относительно н.м.т., достигая тем самым лучшего наполнения цилиндра. Обычно впускные окна и выпускные окна (или клапаны) закрываются одновременно или с небольшой разницей по углу. Осуществить несимметричные фазы возможно и в двигателе с петлевой схемой газообмена,
если установить (на впуске или выпуске) дополнительные устройства - золотники или клапаны. Из-за недостаточной надежности подобных устройств в настоящее время их не применяют.
Общая продолжительность процессов газообмена в двухтактных двигателях соответствует 120-150° угла поворота коленчатого вала, что в 3-3,5 раза меньше, чем в четырехтактных. Угол открытия выпускных окон (или клапанов) φ о.в. = 50-90° до н.м.т., а угол предварения их открытия φ пр = 10-15 0 . В высокооборотных двигателях с выпуском через клапаны эти углы больше, а в двигателях с выпуском через окна - меньше.
В двухтактных двигателях процессы выпуска и наполнения происходят в большей части совместно - при одновременно открытых впускных (продувочных) и выпускных окнах (или выпускных клапанах). Поэтому воздух (или горючая смесь) поступает в цилиндр, как правило, при условии, что давление перед впускными окнами больше давления за выпускными окнами (клапанами) .
Литература:
Наливайко В.С., Ступаченко А.Н. Сыпко С.А. Методические указания к проведению лабораторных работ по курсу «Судовые ДВС», Николаев, НКИ, 1987, 41с.
Судовые двигатели внутреннего сгорания. Учебник/ Ю.Я. Фомин, А.И. Горбань, В.В. Добровольский, А.И. Лукин и др.-Л.:Судостроение, 1989 – 344 с.:ил.
Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей: Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова –М.: Машиностроение,1983ю – 372стр.
Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л. Судостроение, 1977.-392с.
Типы продувки горючей смеси двигателя внутреннего сгорания.
Существует два основных типа продувки: дефлекторная (поперечная) и бездефлекторная (возвратная или петлевая).
Дефлектором называется специальный выступ - козырек - на днище поршня, который служит для того, чтобы обеспечить правильное направление потока горючей смеси, поступающей в цилиндр через продувочное окно. На рис. 44 показана схема дефлекторной продувки.
Сжатая в картере смесь через продувочные канал и окно поступает в цилиндр, встречая на своем пути дефлектор. Поток смеси отклоняется вверх, в камеру сгорания, а оттуда идет вниз, к выхлопному окну, вытесняя через него из цилиндра отработавшие газы. При такой системе продувки выхлопное окно располагается против продувочного, что до некоторой степени способствует увеличению потерь рабочей смеси через выхлопное окно во время продувки цилиндра. Двигатели с дефлекторной продувкой имеют повышенный расход топлива. Наличие на днище поршня дефлектора увеличивает его вес и ухудшает форму камеры сгорания. Тем не менее, по ряду конструктивных соображений дефлекторная продувка широко применяется для подвесных моторов: так, например, устроен мотор "Москва" мощностью 10 л. с.
Несколько большая экономичность достигается применением бездефлекторной продувки. Схема возвратной, двухканальной продувки показана на рис. 45.
В этом случае поршень делается с плоским или слегка выпуклым днищем. Продувочные потоки сталкиваются и поднимаются вверх вдоль стенки цилиндра, вытесняя в выпускное окно отработавшие газы. По числу продувочных каналов и характеру движения смеси этот тип продувки называется двухканальной, петлевой.
Возвратная петлевая продувка может быть трех- и четырех-канальной; в последнем случае продувочные каналы располагаются рядом, попарно или крестообразно.
Рис. 45. Схема возвратной (петлевой) бездефлекторной продувки
Возвратная, двухканальная продувка распространена больше. Такую продувку имеют подвесные лодочные моторы ЗИФ-5М и "Стрела".
Применение бездефлекторной продувки позволяет получить высокие степени сжатия при наивыгоднейшей форме камеры сгорания, что дает возможность снять с двигателя большую литровую мощность. Гоночные двухтактные моторы с кривошипно-камерной продувкой, как правило, имеют двух- или трехканальную возвратную петлевую продувку.
Протекание процесса продувки и заполнения картера двухтактного двигателя свежей рабочей смесью зависит в большой степени от размеров окон и продолжительности их открытия поршнем. Начало открытия и закрытия впускного, продувочного и выпускного окон цилиндра, а также продолжительность впуска, продувки и выпуска, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала, можно видеть на диаграмме газораспределения двигателя (рис. 46).
Период, соответствующий углу поворота коленчатого вала, когда через открытое впускное окно происходит заполнение картера свежей рабочей смесью, называется фазой впуска. Периоды, соответствующие углам поворота коленчатого вала при открытии продувочного и выхлопного окон, называются фазами продувки и выпуска.
На рис. 46 приведена диаграмма газораспределения двигателя "Стрела". У этого двигателя фазы газораспределения, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала, составляют: фаза впуска в картер - 120°, продувка- 110° и выпуск - 140°.
Из диаграммы видно, что относительно оси, проходящей через мертвые точки, правая и левая части диаграммы симметричны. Это значит, что если впускное окно начинает открываться поршнем за 60° до ВМТ, то закроется оно через 60° после ВМТ. Открытие и закрытие вхлопного и продувочного окон происходит аналогичным образом. Продолжительность фазы выпуска обычно на 30-35° больше продолжительности фазы продувки. Описанный двигатель носит название трехоконного.
Симметричные фазы газораспределения двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой отрицательно сказываются на его литровой мощности и экономичности.
Рис. 46. Диаграмма газораспределения двигателей подвесных лодочных моторов ЗИФ-5М и "Стрела"
Малая продолжительность фазы впуска снижает наполнение картера и, следовательно, мощность двигателя. Увеличение высоты впускного окна имеет свой предел: оно повышает количество смеси, засасываемой в картер во время восходящего хода поршня, но зато приводит к потерям его за счет выбрасывания смеси обратно в карбюратор через открытое окно при движении, поршня вниз. Продолжительность фазы впуска зависит от числа оборотов двигателя. Если двигатель делает не более 3000-4000 об/мин, фаза впуска не превышает обычно 110- 120° угла поворота кривошипа. У гоночных двигателей, развивающих 6000 об/мин и более, она доходит до 130-140°, но при работе на малых оборотах у такого двигателя наблюдается выбрасывание смеси обратно в карбюратор.
Фаза выпуска у высокооборотных двигателей также увеличена и составляет 150-160°. При этом выхлопное окно по высоте больше продувочного на 7-"8 мм. Необходимость расширения фаз для гоночных многооборотных двигателей объясняется тем, то на больших оборотах время (продолжительность) открытия окон уменьшается, вследствие чего наполнение цилиндров рабочей смесью и мощность двигателя падают.
Рис. 47. Схема двухтактных двигателей с золотниковым газораспределением:а- с дисковым золотником на коленчатому; б- с приводным цилиндрическим золотником,(краном)
Повысить наполнение картера двухтактного двигателя можно путем применения системы впуска через вращающийся золотник или пластинчатые клапаны.
В первом случае на шейке коленчатого вала, внутри картера, устанавливается диск с отверстием для пропуска всасываемой в картер рабочей смеси. Второе отверстие имеется в верхней стенке картера, к которой золотник прижимается пружиной. Во время вращения коленчатого вала золотник вращаетсявместе с ним; при совпадении отверстия в золотнике с впускным окном в стенке картера смесь заполняет внутренний объем картера. Схемы двигателя со всасыванием через вращающийся золотник показаны на рис. 47.
Преимуществом такого устройства является возможность полностью использовать восходящий ход поршня и довести величину фазы впуска до 180-200° угла поворота коленчатого вала. Впуск смеси в картер начинается, как только верхняя кромка поршня закроет продувочное окно. Заканчивается впуск через 40-50°, пройдя ВМТ (рис. 48).
Диаграмма фазы впуска такого двигателя несимметрична.
Рис. 48. Диаграмма газораспределения двухтактного двигателя с золотниковым управлением выпуском горючей смеси в картер