>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>

Учебное пособие

Гоночные мотоциклы

       

18. Газораспределение двухтактных двигателей

До второй мировой войны двухтактные двигатели были конкурентоспособными только при использовании наддува. Поэтому после 1946 г., когда ФИМ запретила применение нагнетателей, многим специалистам казалось, что отказ от наддува исключает возможность применения двухтактных двигателей на гоночных мотоциклах. В действительности систематическая работа по усовершенствованию классического двухтактного двигателя без наддува, выполненная мотоциклетными заводами в послевоенные годы, явилась основой для новейшего направления развития конструкций гоночных двигателей такого типа. Эта работа заключалась в выборе наиболее рациональных конструктивных форм органов распределения (окон и каналов), впускного и выпускного трактов и камер сгорания, а также в подборе оптимальных фаз распределения и элементов регулировки. В результате на некоторых двигателях удалось довести коэффициент наполнения картера до 105—110%, а также повысить эффективность процесса продувки цилиндра.

Следует подчеркнуть, что в течение последних 25 лет высокие мощностные показатели были получены без применения нагнетателей от гоночных двухтактных двигателей, построенных по обычной однопоршневой схеме; применявшиеся ранее двухпоршневые двигатели с П-образными цилиндрами имели тяжелые возвратно-движущиеся детали, не приспособленные к работе на высокой частоте вращения, и, кроме того, эффективное наполнение П-образного цилиндра представляло значительные трудности. Таким образом, по сравнению с довоенными конструкциями гоночный двухтактный двигатель в значительной степени избавился от усложнений, отличавших его от двигателей дорожных мотоциклов. Это обстоятельство благоприятствовало использованию гоночного опыта в повышении эксплуатационных качеств дорожных мотоциклов и безусловно сыграло известную роль в значительном повышении мощности серийных двухтактных двигателей, составляющем одно из главных достижений массового мотоциклетостроения в послевоенный период; в результате серийный мотоцикл с двухтактным двигателем может теперь превосходить по динамическим качествам серийный дорожный мотоцикл с четырехтактным верхнеклапанным двигателем.

В табл. 20 приведена сводка основных технических параметров гоночных двухтактных двигателей, характеризующая быстрый прогресо их мощностных показателей за последние годы.

Таблица 20.
Развитие технических параметров гоночных двухтактных двигателей

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.

Простота базовой конструкции и газораспределительных органов современного гоночного двухтактного двигателя, а также его сходство о двигателями массового производства хорошо видны на рис. 41. В некоторых удачных гоночных мотоциклах успешно использовались многие детали (картер, коленчатый вал и др.) от серийных моделей.

Рис. 41. Разрезы одноцилиндрового гоночного двухтактного двигателя

Прототипом большинства современных двухтактных двигателей гоночного типа является конструкция, разработанная фирмой МZ (ГДР). Работы по усовершенствованию двухтактных двигателей, выполненные этой фирмой, обеспечили гоночным мотоциклам MZ 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 MZ (рис. 42) имеют простую конструкцию и похожи как по устройству, так и по внешнему виду на обычные двухтактные двигатели.

Рис. 42. Гоночный двухтактный двигатель MZ класса 125 см3: а — общий вид; б — расположении газораспределительных каналов; в — устройство вращающегося золотника и картера

За последние годы мощность гоночного двигателя MZ 125 см3 выросла с 6 до 22 кВт; уже в 1962 г. была достигнута литровая мощность 150 кВт/л. Одним из существенных элементов двигателя является дисковый вращающийся золотник 3 (рис. 42), 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 мембранный клапан, прижимаясь к отверстию впускного канала, когда в карьере происходит сжатие горючей смеси. При увеличенной или уменьшенной толщине золотника наблюдается ускоренный износ диска. Слишком тонкий диск прогибается в сторону впускного клапана, 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 200 ч.

Как видно из рис. 41 и 42, 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.

Для работы на высоких частотах вращения газораспределительные окна должны иметь достаточную пропускную способность. Лучше всего пропускная способность распределительного органа характеризуется время-сечением, т. е. площадью, заключенной между осью абсцисс и кривой, изображающей изменение проходного сечения окна по времени (или углу поворота коленчатого вала с учетом частоты вращения в минуту). При управлении впускным окном посредством золотника время-сечение для частоты вращения, соответствующей максимальной мощности, составляет 18—19 мм2•с на литр рабочего объема цилиндра, при управлении кромкой поршня — 14—16 мм2•с/л, т. е. на ~20 % меньше. Этим объясняется большая мощность двигателей с золотником на впуске, достигавшая 220—295 кВт/л. Разницу в мощностях двигателей с рассмотренными системами впуска тоже можно оценить приблизительно в 20 %.

На двухцилиндровых двигателях с параллельными цилиндрами дисковые золотники устанавливают по концам коленчатого вала, что при выступающих справа и слева карбюраторах дает большие габаритные размеры 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»).

Устройство двигателя «Ява» (2x44x41) представлено на рис. 43. Ведущие шестерни обоих коленчатых валов находятся в зацеплении с большой шестерней сцепления. На противоположных коренных шейках коленчатых валов расположены дисковые золотники, управляющие впуском горючей смеси в самостоятельные кривошипные камеры. Плоскости разъема крышек картера пересекают перепускные каналы. Благодаря этому на боковой поверхности картера имеется паз, доходящий до плоскости крепления цилиндра и позволяющий вынимать коленчатый вал после снятия цилиндра без демонтажа второго цилиндра; при этом двигатель не нужно снимать с мотоцикла. Такое устройство очень удобно в эксплуатации при выполнении работ, связанных с ремонтом и профилактическим контролем двигателя.

Рис. 43. Двухцилиндровый гоночный двигатель «Ява» класса 125 см3

Конструкция этого двигателя позволяет проводить испытания с полным отключением одного цилиндра, что дает возможность легче определять различные дефекты и удобнее для анализа мероприятий по форсированию двигателя. Ведущие шейки коленчатых валов работают на игольчатых подшипниках, противоположные шейки — на шарикоподшипниках. Верхняя и нижняя головки шатунов имеют игольчатые подшипники с сепараторами. Для каждого цилиндра установлен самостоятельный карбюратор о диаметром смесительной камеры 24 мм; зажигание батарейное; мощность 22 кВт при 14 000 мин-1. Рассматривая эту конструкцию как два спаренных одноцилиндровых двигателя, нетрудно заметить, что каждый из них мало отличается от устройства прототипа — двигателя MZ.

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 MZ 125 см3.

Трехцилиидровый двигатель «Судзуки» (50 см3, литровая мощность около 295 кВт/л) с дисковыми золотниками по существу состоял из объединенных в одном блоке трех одноцилиндровых двигателей с самостоятельными коленчатыми валами. Два цилиндра этого двигателя выполнены горизонтальными, один — вертикальным.

Двигатели с золотниками на впуске конструировались и в четырехцилиндровых вариантах. Типичным примером могут служить двигатели «Ямаха», изготовленные в виде двух спаренных шестеренной передачей двухцилиндровых двигателей с параллельными цилиндрами: одна пара цилиндров расположена горизонально, вторая — под углом вверх. Двигатель 250 см3 развивал до 55 кВт, а мощность варианта 125 см3 достигала 32 кВт при 17 800 мин-1.

По аналогичной схеме сконструирован и четырехцилиндровый двигатель «Ява» (рис. 44) 350 см3, 48х47 с золотниками на впуске, представляющий собой два спаренных двухцилиндровых двигателя с водяным охлаждением. Он развивает мощность 53 кВт при 13 000 мин-1. Еще больше мощность четырехцилиндрового двигателя «Морбнделли» класса 350 см3 такого же типа — 62 кВт.

Рис. 44. Четырехцилиндровый гоночный двигатель «Ява» классу 350 см3

Заслуживает внимания то, что фирма «Ява» заменила на своих гоночных мотоциклах применявшиеся в течение многих лет четырехтактные двигатели двухтактными конструкциями; такое изменение ориентации фирмы следует признать правильным, поскольку ее основную продукцию, известную во всех странах мира, составляют мотоциклы с двухтактными двигателями.

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 габаритных размеров.

В последнее время на некоторых гоночных двигателях «Ямаха» применяют автоматические мембранные клапаны во впускном канале между карбюратором и цилиндром (рис. 45, а). Клапан представляет собой тонкую эластичную пластинку, отгибающуюся под действием разрежения в картере и освобождающую проход для горючей смеси.

Рис. 45. Мембранные впускные клапаны двигателя «Ямаха»: а — схема устройства клапанов; б — начало наполнения картера; в — подсос горючей смеси через клапаны непосредственно в цилиндр; с — форма и размеры окон; 1 — ограничитель; 2 — мембрана

Во избежание поломки клапанов предусмотрены ограничители их хода.

При такой конструкции двухтактного двигателя рабочая смесь поступает в картер двигателя, когда поршень движется вниз (продувка) и открыты пять перепускных каналов. В этот момент пластинки мембранного клапана плотно прижаты к окнам избыточным давлением. Один канал совмещен со всасывающим патрубком, и поток топливной смеси из него поступает в картер, охлаждая стенки последнего.

В конце продувки, когда перепускные окна еще не закрыты за счет инерционности потока выхлопных газов, давление в цилиндре становится меньше атмосферного, так как часть свежей смеси уносится с отработавшими газами. 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 мин-1. При более высоких числах оборотов их работоспособность проблематична.

В двигателях с мембранными клапанами для улучшения наполнения целесообразно поддерживать сообщение между впускным каналом и подпоршневым пространством или продувочным каналом при положении поршня вблизи и. м. т. Для этого в стенке поршня со стороны впуска предусматривают соответствующие окна (рис. 45, б). Мембранные клапаны обеспечивают дополнительный подсос горючей смеси, когда во время продувки в цилиндрах и картере образуется разрежение (рис. 45, е).

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 с рабочим объемом 250 см3 и более. Примерами могут служить мотоциклы «Ямаха» и «Харлей — Дэвидсон» (250 см3 — 44 кВт; 350 см3 — 52 кВт), а также мотоцикл «Судзуки» о двухцилиндровым двигателем класса 500 см3 мощностью 55 кВт, занявший первое место в гонке Т. Т. 1973 г. 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.

О форме впускных окон двигателя без золотника можно получить представление по рис. 46, где показаны размеры газораспределительных окон одноцилиндрового двигателя «Бультако» (51,5х60) с рабочим объемом 125 см3. Мощность этого серийного гоночного двигателя составляет 16 кВт при 11 500 мин-1. Впускное окно выполнялось в двух вариантах: круглым или продолговатым с перемычкой. На многих двухтактных двигателях гоночного типа хорошие результаты дало применение впускных (и выпускных) окон овальной формы (см. рис. 45, г) вместо прямоугольной. Такая форма окон облегчает условия работы поршневых колец.

Рис. 46. Размеры газораспределительных окон гоночного двигателя «Бультако» класса 125 см3

Двухтактные двигатели независимо от системы управления впуском имеют выпрямленную форму впускного тракта (см. рис. 41), который направлен в подпоршневое пространство, куда поступает горючая смесь; по отношению к оси цилиндра впускной тракт может быть перпендикулярным или с наклоном снизу вверх (см. рис. 37) 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 при определенной частоте вращения 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 и 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. Из работ такого характера заслуживает внимания, например, обстоятельное исследование, которое выполнил Э. Анзорг.

В первых конструкциях гоночных двигателей MZ была использована возвратно-петлевая продувка типа Шнюрле с двумя продувочными каналами. Значительное улучшение мощностных показателей было получено благодаря добавлению третьего продувочного канала 1 (см. рис. 42), расположенного спереди напротив выпускных окон. Для перепуска через этот канал на поршне предусмотрено специальное окно 2. 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, облегчить температурный режим работы дна поршня. В результате мощность двигателя повысилась на 10%, а прогары поршней и поломки подшипника верхней головки шатуна были устранены.

Как показано на схеме, выпускное окно разделено обтекаемой перегородкой 4 на две части; длина этой перегородки в радиальном направлении около 25 мм. Таким образом, крепление выпускной трубы расположено близко к цилиндру; в креплении трубы предусмотрена тепловая изоляция, препятствующая переходу тепла от трубы к цилиндру. Все же, по-видимому, перегородка выпускного окна, в особенности ее часть, принадлежащая гильзе, запрессованной в алюминиевый цилиндр, является термически очень напряженным местом, тем более что выпускное окно расположено на задней стенке цилиндра. Хотя расположение выпускного окна сзади связано g некоторым неудобством в размещении выпускной системы, такое устройство позволяет несколько повысить мощность на средних частотах вращения: во время рабочего хода поршень прижимается к задней стенке цилиндра и герметизирует зазор между поршнем и цилиндром в зоне выпускного окна, где возможны наибольшие утечки газов. При больших частотах вращения это преимущество отпадает, так как поршень колеблется с высокой частотой под совместным влиянием сил давления газов и инерционных сил. Заднее расположение выпускного окна было выбрано после сравнительных испытаний различных выпускных систем.

Тщательному исследованию были подвергнуты колебания потока газов во впускном и выпускном трактах с целью использования этих колебаний для улучшения процессов газообмена. Выпускная система состоит из выпускной трубы и продолговатой расширительной камеры, заканчивающейся выпускным патрубком с сравнительно небольшим проходным сечением. Такое устройство создает в первой фазе процесса выпуска быстрое падение давления отработавших газов в выпускной системе и даже разрежение, способствующее наполненню цилиндра свежей смесью из картера; в заключительной фазе процесса впуска в расширительной камере возникает отраженная волна повышенного давления, заставляющая часть горючей смеси, попавшую в выпускную трубу, возвратиться в цилиндр. На работу системы выпуска влияет толщина стенок расширительной камеры; при толщине жести более 0,75 мм мощность двигателя уменьшается.

На многих гоночных двигателях применяется и обратное расположение газораспределительных окон: выпускных — спереди, а продувочных — сзади. Для улучшения процесса газообмена желательно, чтобы часть выхлопной трубы, непосредственно примыкающая к выпускному окну, была по возможности прямолинейной; это легче осуществить, когда выпускное окно расположено сзади.

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 только при достаточно больших значениях фактора время-сечения, которые на режимах максимальной мощности составляют 8—10 мм2•с/л для продувки и 14—15 мм2•с/л — для выхлопа. Эти значения достигаются за счет широких фаз распределения и большой ширины газораспределительных окон.

В табл. 21 приведены фазы распределения двухтактных двигателей гоночного типа. Ширина окон гоночных двигателей, измеренная центральным углом в поперечном сечении цилиндра, достигает 80—90°, 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 низкой частоты вращения, а увеличение высоты впускных окон создает обратный эффект. Увеличение время-сечения выпуска повышает мощность двигателя, но вместе с тем увеличивает тепловую нагрузку верхней части поршня.

Таблица 21.
Фазы распределения двухтактных гоночных двигателей (в градусах поворота коленчатого вала)

Система продувки о третьим дополнительным продувочным каналом (см. рис. 42) удобна для двигателей е 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. 47. Дополнительное продувочное окно способствует образованию потока горючей смеси, огибающего полость цилиндра (петлевая продувка).

Рис. 47. Система продувки с третьим продувочным окном

Весьма существенное значение для эффективности процесса газообмена имеют углы входа продувочных каналов; от них зависят форма и направление потока смеси в цилиндре. Горизонтальный угол α1 колеблется в пределах 50—60° (рис. 47), причем большее значение соответствует более высокому форсированию двигателя. Вертикальный угол α2 равен 45—50°, 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. 48).

Рис. 48. Система продувки с двумя дополнительными продувочными каналами

Развертка цилиндра с таким устройством представлена на рис. 49. Горизонтальный угол входа α3 дополнительных каналов — около 90°. Вертикальный угол входа продувочных каналов колеблется для различных моделей в довольно широких пределах: на модели «Ямаха TD2» класса 250 см3 он составляет для главных продувочных каналов 15°, а для дополнительных — 0°; на модели «Ямаха TR2» класса 350 см3 соответственно 0 и 45°.

Рис. 49. Развертка цилиндра с двумя дополнительными продувочными каналами

Иногда применяется вариант этой системы продувки с разветвляющимися продувочными каналами (рис. 50). 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°. Отношение сечений дополнительных и основных продувочных окон составляет также около 0,4.

Рис. 50. Система продувки с разветвляющимися продувочными каналами

На рис. 51 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.

Рис. 51. Движение газов в цилиндре. Слева — разветвляющиеся продувочные каналы, справа — параллельные

Возможны и другие варианты систем продувки по количеству продувочных окон. Так, двигатель на рис. 41 имеет по два боковых продувочных окна и одно напротив выпускного окна, что оказалось возможным благодаря большому диаметру цилиндра — 88 мм.

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

На некоторых двигателях «Ямаха» дополнительные продувочные каналы были выполнены в виде желобков (рис. 52) на внутренней поверхности цилиндра; внутренней стенкой канала является здесь стенка поршня при его положениях вблизи от и. м. т.

Рис. 52. Дополнительные продувочные каналы двигателя «Ямаха»

На процессе продувки сказывается и профиль продувочных каналов. Плавная форма без резких изгибов, показанная на рис. 53 справа, дает меньшие перепады давления и улучшает показатели работы двигателя в особенности на промежуточных режимах.

Рис. 53. Профиль продувочных каналов

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.

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru