Газораспределение двухтактных двигателей

 

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.

 

Рис. 1. Гоночный двухтактный двигатель МЦ 125 см3

Рис. 1. Гоночный двухтактный двигатель МЦ 125 см3: 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.

 

 

Рис. 2. Мембранные впускные клапаны двигателя «Ямаха»

Рис. 2. Мембранные впускные клапаны двигателя «Ямаха»: 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

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

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.


 

1975N12P34-35









Связь с администрацией: admin@roker.kiev.ua