Устройство в работа

У двухтактных двигателей с кривошипно-кам.ерной продувкой нет специального механизма газораспределения. Газораспределение осуществляется с помощью цилиндра, поршня и картера, при этом корпусом продувочного насоса служит кривошипная камера.

В цилиндре имеются окна, которые открываются и закрываются движущимся поршнем. Через окна в цилиндр поступает горючая смесь из картера и выходят из цилиндра отработавшие газы.

В двухтактных двигателях применяют петлевые и прямоточные схемы продувки. Петлевые схемы характеризуются поворотом горючей смеси при ее движении внутри цилиндра таким образом, что она обра-вуетлетлю. Различают возвратную и поперечную петлевые схемы.

При прямоточной схеме горючая смесь обычно входит с одного конца цилиндра, а продукты сгорания выходят с другого конца.

Ниже описаны двигатели с различными видами систем газораспределения.

На рис. 54, а показан цилиндр с продувочным окном, расположенным напротив выпускного окна. При продувке, когда поршень находится вблизи н. м. т., горючая смесь, предварительно сжатая в картере, поступает через продувочное окно в цилиндр и направляется имеющимся на поршне дефлектором вверх к камере сгорания. Затем горючая смесь опускается вниз, вытесняя отработавшие газы через выпускное окно, которое к концу продувки закрывается. При вытеснении из цилиндра через выпускное окно отработавших газов происходит незначительная утечка горючей смеси.

Описанная поперечная продувка" почти не применяется. Более совершенной является возвратно-петлевая продувка, осуществляемая при обычном поршне с плоской или слегка выпуклой головкой. Такие поршни дают возможность применять камеру сгорания, близкую по форме к полусферической камере.

При возвратно-петлевой продувке в цилиндре двигателя имеются два продувочных окна (рис. 54, б), направляющих две струи горючей смеси под углом одна к другой на стенку цилиндра, расположенную против выпускного окна. Струи горючей смеси поднимаются вверх к камере сгорания и, делая петлю, опускаются вниз, к выпускному окну. Таким образом происходит вытеснение отработавших газов и заполнение цилиндра свежей смесью.

Наибольшее распространение имеет возвратная двухканальная продувка. Она применяется как в двигателях отечественных, так и зарубежных мотоциклов (М-104, «Ковровец-175А», «Ковро-вец-175Б» и «Ковровец-175В», ИЖ «Юпитер», Ява, «Панония», и др.).

Трехканальная продувка (рис. 54, е) применяется, например, у двигателей Цюндап, четырехканальная продувка (рис. 54, г) - у двигателей мотоциклов ИЖ-56, крестообразная двухканальная продувка (рис. 54, д) - у двигателей Арди, четырехканальная (рис. 54, е) -_.у двигателей Вильерс.

При всех описанных способах продувки однопоршневой двигатель имеет симметричную диаграмму фаз газораспределения (рис. 55). Это означает, что* если фаза впуска начинается до прихода поршня в в. м. т. (например, за 67,5°), то окончание ее наступает через 67,5° угла поворота коленчатого вала после в. м. т. Также начинаются и заканчиваются относительно н. м. т. фазы выпуска и продувки. Фаза выпуска больше фазы продувки. Заполнение цилиндра горючей смесью происходит все время при открытом выпускном окне. Эта особенность газораспределения с симметричными фазами ограничивает возможность увеличения литровой мощности двигателя. Кроме того, в сжатой рабочей смеси содержится относительно много остаточных газов. Чтобы уменьшить количество остаточных газов и улучшить наполнение цилиндра горючей смесью, совершенствуют продувку. Для этого иногда изменяют конструкцию двигателя, хотя более целесообразно добиваться повышения мощности у обычного двухтактного двигателя, не усложняя его конструкцию. У двигателя Дунелт (рис. 56, а) для увеличения количества поступающей горючей смеси применен ступенчатый поршень. Объем, описываемый нижней частью поршня увеличенного диаметра, примерно на 50% больше объема верхней части цилиндра.

У двигателя Бекамо (рис. 56, б) установлен дополнительный цилиндр большого диаметра с поршнем, имеющим небольшой ход. Поршень приводится в движение шатуном от дополнительного кривошипа на коленчатом валу. Такие двигатели в отличие от двигателей с нагнетателями называют двигателями с «подпором» (двигатели указанного типа устанавливали, в частности, на некоторых отечественных спортивных мотоциклах). У этих двигателей газораспределение с симметричными фазами осуществляется одним поршнем. Однако выпускное окно закрывается позже продувочного. Поршень подает дополнительное количество смеси при открытом выпускном окне, вследствие чего цилиндр не наполняется сжатой горючей смесью, как это наблюдается в двигателе с нагнетателем, у которого впуск частично происходит при закрытом выпускном окне или клапане.

Для увеличения наполнения двигателя горючей смесью применяют также золотниковые устройства, с помощью которых увеличивается фаза впуска. Возможными вариантами золотникового устройства являются установка золотника на цилиндре вместо патрубка для карбюратора (рис. 57, а) или на картере (рис. 57, б), а также предложенный автором золотник в полой коренной шейке коленчатого вала. В последнем случае можно изменять фазы газораспределения во время работы двигателя (рис. 57, в) и использовать для образования и остановки струй горючей смеси вихревое движение ее в картере. Такая конструкция, но без устройства для изменения фаз газораспределения, применена, в частности, на велосипедном двигателе Д-4.

Рекордные результаты показывают изготовляемые в ГДР двигатели для мотоцикла MZ, в которых горючая смесь подается в центральную часть картера через расположенное в нем устройство с вращающимся пружинящим золотником (рис. 57, г), сделанным из листовой стали.

Большой мощностью отличаются двигатели с прямоточной продувкой, имеющие два поршня в двух цилиндрах с общей камерой сгорания (так называемые двухпоршневые двигатели).

Двигатель Юнкерс с прямоточной продувкой имеет следующее устройство (рис. 58, а). В цилиндре помещены два движущихся навстречу друг другу поршня. Средняя часть цилиндра между днищами поршней при положении их в в. м. т. служит камерой сгорания. В ней помещена свеча зажигания. Горючая смесь поступает через окна в правой части цилиндра и вытесняет- отработавшие газы в выпускные окна, расположенные в левой части цилиндра. При этом горючая смесь почти не смешивается с отработавшими газами.

Питание цилиндра может осуществляться обычным способом с помощью кривошипно-камерной продувки или отдельного компрессора, подающего смесь золотниковым устройством. Каждый поршень соединен шатуном с отдельным коленчатым валом. Коленчатые валы соединены между собой шестернями так, что при приближении к н. м. т. левый поршень открывает выпускные окна примерно на 19° раньше, чем правый поршень откроет продувочные окна. Выпуск отработавших газов начинается раньше, чем в однопоршневом двигателе, и соответственно давление в ци- линдрё к началу продувки ниже. При движении поршня от н. м. т. кв. м. т., в отличие от однопоршневых двигателей, выпускные окна закрываются раньше продувочных и наполнение цилиндра происходит при закрытых выпускных окнах примерно в течение времени, соответствующего повороту коленчатого вала на 29*. Несимметричная диаграмма фаз продувки и выпуска при прямоточной продувке дает возможность эффективно применить нагнетатель для получения высокой мощности.

Аналогично устроен отечественный двигатель гоночного мотоцикла ГК-1.

Двигатели подобной конструкции сложны и дороги в производстве, не. соответствуют принятой в мотоцйклостроении компоновке и поэтому массового распространения не получили.

Существуют двигатели с прямоточной продувкой, которые более удобны для расположения на мотоцикле. В двигателях с прямоточной продувкой по схеме Цоллера в П-образном цилиндре движутся два поршня. Камера сгорания расположена посередине. Горючая смесь поступает через окно в правой части цилиндра, а отработавшие газы выходят через окно в левой его части. Движение поршней, обеспечивающее несимметричные фазы продувки и выпуска, осуществляется с помощью различных кривошипных механизмов. У двигателей ДКВ (рис. 58, б) один поршень установлен на главном шатуне, а другой - на прицепном. У двигателя Пух (рис. 58, в) применен вильчатый шатун. У двигателей Триумф, имеющих схему Цоллера, коленчатый вал состоит из двух смещенных один относительно другого кривошипов и двух шатунов (рис. 58, г).

При прямоточной продувке цилиндры можно располагать под острым углом-с камерой сгорания в вершине угла (рис. 58, д). В этом случае камера сгорания получается менее растянутой, чем при П-образном цилиндре. В остальном такой двигатель подобен двигателю системы Юнкере.

Прямоточную продувку и расположенные под углом части цилиндра имеют отечественные двигатели с нагнетателями гоночных мотоциклов С-1Б, С-2Б и С-ЗБ, отличающиеся высокой литровой мощностью.

Обслуживание

Газораспределение в двухтактном двигателе нарушается чаще всего при проникновении в него лишнего воздуха и при увеличении сопротивления выпускного тракта. Необходимо следить за герметичностью картера, своевременно подтягивать соединения, менять поврежденные прокладки и сальники, а также очищать от нагара выпускные окна цилиндра, трубу и глушитель.

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.

Отрезки времени от начала момента открытия клапанов двигателя до их полного закрытия относительно мертвых точек движения поршня получили наименование фазы газораспределения. Их влияние на работу двигателя очень велико. Так, от продолжительности фаз зависит эффективность заполнения и очистки цилиндров в процессе работы мотора. Это напрямую определяет экономичность расхода топлива, мощность и крутящий момент.

Сущность и роль фаз газораспределения

На данный момент существуют двигатели, в которых фазы не могут изменяться принудительно, и двигатели, оснащенные механизмами (например, CVVT). Для первого типа двигателей фазы подбираются эксперементально при конструировании и расчете силового агрегата.

Нерегулируемые и регулируемые фазы газораспределения

Визуально все они отображаются на специальных диаграммах фаз газораспределения. Верхняя и нижняя мертвые точки (ВМТ и НМТ соответственно) представляют собой крайние позиции поршня, движущегося в цилиндре, которые соответствуют наибольшему и наименьшему расстоянию между произвольной точкой поршня и осью вращения коленвала мотора. Точки начала открытия и закрытия клапанов (длина фазы) показываются в градусах и рассматриваются относительно вращения коленчатого вала.

Управление фазами осуществляется при помощи (ГРМ), который состоит из следующих элементов:

• кулачковый распредвал (один или два);
• цепной или ременной привод от коленвала к распредвалу.

Газораспределительный механизм

Всегда состоит из тактов, каждому из которых соответствует определенное положение клапанов на впуске и выпуске. Таким образом, начало и конец фазы зависят от угла положения коленвала, который связан с распределительным валом, управляющим положением клапанов.

За один оборот распредвала коленчатый вал выполняет два оборота и его суммарный угол поворота за рабочий цикл равен 720°.

Круговая диаграмма фаз газораспределения

Работу фаз газораспределения для четырехтактного двигателя рассмотрим на следующем примере (см. картинку):

1. Впуск . На этом этапе поршень движется от ВМТ к НМТ, а коленвал поворачивается на 180º. Осуществляется закрытие выпускного клапана и последующее открытие впускного. Последние происходит с опережением на 12º.
2. Сжатие . Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, а коленвал совершает еще один поворот на 180º (360º от начального положения). Выпускной клапан остается в закрытом положении, а впускной остается открытым, пока коленвал не повернется на 40º.
3. Рабочий ход . Поршень идет от ВМТ к НМТ под действием силы воспламенения топливовоздушной смеси. Впускной клапан находится в закрытом положении, а выпускной открывается с опережением, когда коленвал еще не дошел 42º до НМТ. На этом такте полный поворот коленвала составляет также 180º (540º от начального положения).
4. Выпуск . Поршень идет от НМТ к ВМТ и при этом выталкивает отработавшие газы. В этот момент впускной клапан закрыт (откроется за 12º до ВМТ), а выпускной остается в открытом положении и после достижения коленвалом ВМТ еще на 10º. Общая величина поворота коленвала на этом такте также 180º (720º от начальной точки).

Фазы грм также зависят от профиля и позиции кулачков распредвала. Так, если они одинаковы на впуске и выпуске, то длительность открытия клапанов также будет одинакова.

Почему выполняется запаздывание и опережение срабатывания клапанов?

Чтобы улучшить наполнение цилиндров, а также обеспечить более интенсивную очистку от отработавших газов, срабатывание клапанов происходит не в момент достижения поршня мертвых точек, а с небольшим опережением или запаздыванием. Так, открытие впускного клапана выполняется до момента прохождения поршнем ВМТ (от 5° до 30°). Это позволяет обеспечить более интенсивное нагнетание свежего заряда в камеру сгорания. В свою очередь, закрытие впускного клапана происходит с запаздыванием (после того как поршень достиг нижней мертвой точки), что позволяет продолжить наполнение цилиндра горючим за счет сил инерции, так называемый инерционный наддув.

Выпускной клапан также открывается с опережением (от 40° до 80°) до момента достижения поршнем НМТ, что позволяет обеспечить выход большей части отработавших газов под действием собственного давления. Закрытие выпускного клапана, напротив, происходит с запаздыванием (после прохождения поршнем верхней мертвой точки), что позволяет силам инерции продолжить удаление отработавших газов из полости цилиндра и делает более эффективной его очистку.

Углы опережения и запаздывания не являются общими для всех двигателей. Более мощные и быстроходные имеют большие значения этих интервалов. Таким образом, их фазы газораспределения будут шире.

Этап работы двигателя, при котором оба клапана открыты одновременно, получил название перекрытие клапанов. Как правило, величина перекрытия составляет около 10°. При этом, поскольку длительность перекрытия очень мала, а раскрытие клапанов незначительно, утечки не происходит. Это довольно благоприятный этап для наполнения и очистки цилиндров, что особенно важно при высоких оборотах.

В начале открытия впускного клапана текущий уровень давления в камере сгорания выше, чем атмосферное. В результате отработавшие газы очень быстро перемещаются к выпускному клапану. Когда двигатель перейдет на такт впуска, в камере установится высокое разрежение, выпускной клапан полностью закроется, а впускной раскроется на достаточную для интенсивного наполнения цилиндра величину сечения.

Особенности регулируемых фаз газораспределения

При высоких скоростях двигателю автомобиля необходимо больше объема воздуха. И поскольку в нерегулируемых ГРМ клапаны могут закрыться до того, как в камеру сгорания поступает его достаточное количество, работа мотора оказывается неэффективной. Для решения этой проблемы были разработаны различные способы регулировки фаз газораспределения.

Клапан регулировки фаз газораспределения

Первые моторы, имеющие подобную функцию, позволяли выполнять ступенчатую регулировку, которая позволяла менять длину фазы в зависимости от достижения двигателем определенных величин. Со временем появились бесступенчатые конструкции, позволяющие выполнить более плавную и оптимальную настройку.

Простейшим решением является система сдвига фаз (CVVT), реализуемая путем поворота распределительного вала относительно коленвала на определенный угол. Это позволяет изменить момент открытия и закрытия клапанов, но фактическая продолжительность фазы остается неизменной.

Чтобы изменить непосредственно длительность фазы, в ряде автомобилей используются несколько кулачковых механизмов, а также колеблющиеся кулачки. Для точной работы регуляторов применяются комплексы из датчиков, контроллера и исполнительных механизмов. Управление такими устройствами может быть электрическим или гидравлическим.

Одной из основных причин внедрения систем с регулировкой ГРМ является ужесточение экологических стандартов по уровню токсичности отработавших газов. Это означает, что для большинства производителей вопрос оптимизации фаз газораспределения остается одним из важнейших.

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

Итак, что же это такое и для чего нужно. Расписывать основы работы 2Т двигателей не буду, так как их все знают, но не все понимают, что такое фазы газораспределения и почему они именно такие, а не другие.
Фазы газораспределения - это промежуток времени, за который открываются и закрываются окна в цилиндре при движении поршня вверх-вниз. Считаются они в градусах поворота колен вала двигателя. К примеру, фаза выпуска в 180 градусов означает, что выпускное окно начнет открываться, будет открыто, а затем закроется при половине оборота (180 из 360) колен вала двигателя. Также надо сказать, что окна открываются при движении поршня вниз. И открываются на максимум в нижней мертвой точке (НМТ). Затем при движении поршня вверх закрываются. Из-за такой особенности конструкции 2Т двигателей фазы газораспределения получаются симметричными относительно мертвых точек.

Для полноты картины процесса газораспределения надо также сказать и о площади окон. Фаза, как я уже писал это время, в течение которого открываются и закрываются окна, но не менее важную роль играет и площадь окна. Ведь при одном и том же времени открытия окна, смеси (продувка) пройдет больше через то окно, которое больше по площади и наоборот. Тоже самое и для выпуска, отработавших газов больше уйдет из цилиндра, если площадь окна больше.
Общий термин, характеризующий весь процесс протекания газов через окна, называется время-сечение.
И чем он больше, тем выше мощность двигателя и наоборот. Именно поэтому мы видим такие огромные по сечению каналы продувки, впуска и выпуска, а также высокие фазы газораспределения на современных высокофорсированных 2Т двигателях.

Итак, мы видим, что функции газораспределения выполняют окна цилиндра и поршень, который их открывает и закрывает. Однако из-за этого теряется время, в течение которого поршень совершал бы полезную работу. По сути, мощность двигателя формируется только до открытия выпускного окна и при дальнейшем движении поршня вниз создание крутящего момента не происходит либо очень незначительно. В общем, объем двигателя 2Т в отличие от 4Т используется не полностью. Поэтому первостепенной задачей конструкторов является увеличение времени - сечения при минимальных фазах. Это дает лучшие показатели кривых момента и экономичности, чем притом же времени – сечении, но более высоких фазах.
Но поскольку диаметр цилиндра ограничен, а также ограничены и ширина окон, то для достижения высокого уровня форсирования двигателя приходится повышать фазы газораспределения.
Многие люди, желая достичь большей мощности начинают увеличивать окна в цилиндре либо наугад, либо по чьему то совету или где то вычитав совет, но не очень то понимают, что получат в итоге, и правильно ли делают. А может им совсем другое надо?
Допустим у нас имеется какой либо двигатель и мы хотим получить от него большей отдачи. Что нам делать с фазами? Первое что многим приходит на ум – пропилить выпускные окна вверх, либо поднять цилиндр за счет прокладки, а также пропилить впуск вниз или подрезать поршень со стороны впуска. Да, таким образом мы добьемся увеличения фаз и как следствие времени - сечение, но какой ценой. Мы уменьшили время, в течение которого поршень будет делать полезную работу. Почему же вообще увеличивается мощность при увеличении фаз, а не уменьшается? Увеличивается время – сечение скажите вы, да это так. Но не забываем что это 2Т двигатель и в нем весь принцип работы построен на резонансных волнах давления и разряжения. И по большей части ключевую роль здесь играет выпускная система. Именно она создает разряжение в цилиндре при начале выпуска, вытягивая отработавшие газы, а также вслед вытягивает и смесь из продувочных каналов, увеличивая время-сечение продувки. А также дозаправляет обратно вылетевшую смесь из цилиндра назад в цилиндр. В результате мы имеем увеличение мощности при увеличении фаз. Но нельзя забывать также что выпускная система настроена на определенные обороты, за пределами которых смесь, вылетевшая из цилиндра не возвращается обратно, а полезный ход поршня уменьшен из-за высоких фаз. Вот и выходит провал мощности и перерасход топлива на нерезонансных частотах двигателя.
Так можно ли получить ту же мощность и уменьшить провал и расход топлива? Да, если добиться того же время - сечения без увеличения фаз газораспределения!
Но что это означает на практике? Увеличение ширины окон и сечение каналов ограничено толщиной стенок каналов и предельными величинами ширины окон из-за работы колец. Но пока есть резерв, его надо использовать, а только затем повышать фазы.
Итак, если вы сами толком не знаете, чего хотите и как многие говорят - хочу мощности, но и чтобы низы не пропали, тогда увеличиваете пропускную способность каналов и окон без увеличения фаз. Если вам этого окажется мало, повышаете фазы постепенно. К примеру, оптимально будет на 10 градусов выпуск, на 5 градусов продувку.
Хотелось бы немного отступить и отдельно сказать о фазе впуска. Тут нам очень повезло, когда люди придумали обратный пластинчатый клапан, в простонароде лепестковый клапан (ЛК). Плюс его в том, что он автоматически изменяет фазу впуска и площадь впуска. Таким образом, он изменяет время-сечение впуска по потребностям двигателя в данный конкретный момент. Главное изначально правильно его подобрать и установить. Площадь клапана должна быть больше площади сечения карбюратора в 1,3 раза, чтобы не создать лишнего сопротивления потоку смеси.

Сами впускные окна должны быть еще больше, а фаза впуска должна быть максимально большой, чтобы ЛК начинал работать как можно раньше. В идеале с самого начала движения поршня вверх.
Примером того, как можно добиться максимальной фазы впуска, могут служить следующие фото доработок впуска(не Ява, но суть от этого не меняется):

Это один из лучших вариантов доработки впуска. По сути, впуск здесь представляет комбинированный вариант впуска в цилиндр и впуска в картер(впускной канал постоянно соединён с кривошипно-шатунной камерой, КШК). Это также увеличивает ресурс НГШ за счет лучшего обдува свежей смесью.

Для формирования этого канала, соединяющего впускной канал с КШКв картере выбирается максимально возможное количество металла, который расположен со стороны впуска возле гильзы.

В самой гильзе делаются дополнительные окна ниже основных.

В рубашке цилиндра также выбирается металл возле гильзы.
Правильно установленный ЛК позволяет один раз и навсегда решить проблему с подбором фазы впуска.
Кто же все-таки решился добиться большей мощности и знает на что нацелен, готов пожертвовать низами ради взрывного подхвата на верхах, тот может смело увеличивать фазы газораспределения. Лучшим решением будет использование чужого опыта в этом деле.
К примеру, в зарубежной литературе даются такие рекомендации:

Вариант Road race я бы исключил, так фазы очень экстремальные, рассчитанные на шоссейно-кольцевые гонки и при езде на обычных дорогах не практичны. Да и скорей всего рассчитаны под мощностной клапан, уменьшающий фазу выпуска на низких и средних оборотах до приемливого уровня. В любом случае делать фазу выпуска больше 190 градусов не стоит. Оптимальный же вариант как по мне 175-185градусов.

По поводу продувки… тут все более - менее указано оптимально. Однако как понять сколько будет крутить ваш двигатель? Можно поискать уже доработки людей и выяснить у них, а можно просто взять усредненные числа. Это в районе 120-130 градусов. Оптимально 125 градуса. Более высокие числа относятся к меньшим кубатурам двигателей.
И ещё, с повышением фаз продувки также надо поднять и её давление, т.е. картерное сжатие. Для этого нужно максимально уменьшать объём кривошипно-шатунной камеры убирая лишние пустоты. Например, для начала заглушив балансировочные отверстия в коленчатом валу. Заглушки нужно делать из максимально лёгкого материала, чтобы те не повлияли на балансировку КВ. Обычно их вырезают из винных пробок(пробковое дерево) и загоняют в балансировочные отверстия, после чего с обоих сторон промазывают эпоксидкой.

По поводу впуска я писал выше, что лучше поставить ЛК и не ломать себе голову с подбором фазы.

Итак, допустим, вы определились, как будете дорабатывать свой двигатель, какие фазы газораспределения у него будут. Теперь, как же проще всего посчитать, сколько это в мм.? Очень просто. Есть математические формулы определения хода поршня, которые можно приспособить к нашим целям, что я и сделал. Один раз занес формулы в программу Exсel и получил программу по высчитыванию фаз газораспределения продувки и выпуска (ссылка для скачивания программы в конце статьи ).
Нужно только знать длину шатуна (Ява 140мм, ИЖ юпитер, восход, минск 125мм, ИЖ пс 150мм. При желании в интернете можно найти длину практически любого шатуна) и ход поршня.
Программа сделана таким образом что определяет расстояние от верхней кромки окна до края гильзы. Почему так, а не скажем просто высоту окна? Потому что это наиболее точное определение фаз. В верхней мертвой точке днище поршня ОБЯЗАНО находиться на одном уровне с краем гильзы из-за сквиша (особенности формы камеры сгорания для бездетонационной работы), и если оно вдруг не на одном уровне, то прийдеться подогнать цилиндр по высоте(например, подбором толщины прокладки под цилиндром). А вот в нижней мертвой точке днище поршня как правило находится не на одном уровне с кромками окон, а чуть выше, т.е. поршень не полностью открывает окна! Такие конструктивные особенности, ничего не поделаешь. Но это означает, что окна работают не на всю свою высоту, а поэтому фазы по ним определятся, не могут!