>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>

Учебное пособие

Гоночные мотоциклы

       

25. Наддув четырехтактных двигателей

Значительного увеличения мощности можно добиться путем наддува, т. е. принудительного питания двигателя нагнетателем. Нагнетатель приводится в действие от двигателя; он всасывает горючую смесь из карбюратора и подает под давлением по нагнетательному трубопроводу к впускным клапанам цилиндров. Количество смеси, подаваемой нагнетателем, достаточно не только для полного, но и для избыточного наполнения цилиндра, т. е. коэффициент наполнения может быть больше единицы При наддуве избыточное давление в конце хода впуска у некоторых двигателей превышает 100 кПа.

Влияние установки нагнетателя на работу двигателя сводится к следующему.

  1. Увеличивается частота вращения, соответствующая максимальной мощности, иначе говоря, точка перегиба характеристики отодвигается в область более высокой частоты вращения.
  2. Среднее эффективное давление увеличивается по всему диапазону изменения частоты вращения вследствие увеличения количества тепла, выделяющегося при каждой вспышке, и возрастания максимального давления вспышки.

Таким образом, переход на питание с наддувом дает возможность увеличить мощность путем увеличения частоты вращения и форсированием рабочего процесса двигателя. Уже в начале применения нагнетателей удалось добиться увеличения мощности на 25—50 % по сравнению с лучшими показателями двигателей без наддува.

Первый мотоцикл с двигателем, имеющим наддув, был построен в 1925 г. («Виктория» класса 500 см3). В гонке на 1 км с хода этот мотоцикл показал хорошую по тем временам максимальную скорость 148,76 км/ч.

Для увеличения мощности нужно стремиться к возможно большему давлению наддува, чтобы вводить в цилиндр большее количество горючей смеси. Именно таким путем шло постепенное увеличение литровой мощности двигателей с наддувом. Однако для устранения детонации при этом приходится прибегать к уменьшению степени сжатия, что сопряжено с ухудшением теплоиспользования и возрастанием расхода горючего. Плохое теплоиспользование увеличивает часть тепла, подлежащего удалению из цилиндра с охлаждающей средой и отработавшими газами, вследствие чего тепловое состояние двигателя становится более напряженным. Так, например, если двигатель работал без наддува при степени сжатия ε — 11, то после перехода на давление подачи 100 кПа степень сжатия должна быть снижена до 7,8, а при давлении 200 кПа — до 6,3.

Необходимое понижение степени сжатия может быть определено по эмпирической формуле

где ε1 — первоначальная степень сжатия при работе без наддува; ε2 — степень сжатия после перехода на наддув; р1 — атмосферное давление; p2 — давление подачи нагнетателя.

Установка нагнетателя приводит к уменьшению механического КПД, так как часть выигрыша мощности, полученного от наддува, затрачивается на привод нагнетателя. Эта потеря с увеличением давления наддува быстро возрастает и достигает большего значения.

Уменьшение теплоиспользования и механического КПД приводит к тому, что мощность увеличивается медленнее, чем давление наддува; в частности, при переходе от атмосферного питания к давлению наддува 100 кПа мощность увеличивается не вдвое, а приблизительно на 70—90 %.

В последние годы широкого применения наддува (до 1946 г.) среднее значение давления наддува для дорожно-гоночиых двигателей составляло около 50 кПа, для рекордных — 100 кПа Большие давления наддува приводят к очень высоким давлениям вспышки и увеличивают среднюю температуру поршней и выпускных клапанов несмотря на интенсивное охлаждение двигателя. Более высокие давления наддува лучше выдерживают двигатели с небольшим объемом отдельного цилиндра 125—175 см3 из-за их меньшей склонности к перегреву. В спринте давление наддува теперь доводят до 200 кПа.

При современном состоянии развития техники повышение давления наддува ограничено прочностью основных деталей и их способностью выдерживать высокую температуру Высокие максимальные давления вспышки при наддуве требуют применения более прочных деталей кривошипно-шатунного механизма.

Не менее важное значение имеет увеличение теплового потока, проходящего через двигатель. Под тепловым потоком подразумевается часть тепла, не превращенная двигателем в механическую работу. Быстрый рост теплового потока обусловлен как увеличением теплосодержания заряда, так и ухудшением теплоиспользования (уменьшением ε). Усилением теплового потока объясняется необходимость особого устройства таких деталей, как поршни, выпускные клапаны и свечи. Поршни должны иметь достаточно толстое дно и массивный пояс за поршневыми кольцами по соображениям отвода интенсивного потока тепла. Особой тщательности требует подбор свечей: выбрасывание нагнетателем некоторого количества масла иногда служило поводом для ошибочной установки свечей слишком горячего типа.

При больших давлениях наддува рекомендуется предусматривать промежуточное охлаждение горючей смеси между нагне тателем и двигателем для подавления детонации, а также уменьшения противодавления и потери мощности на привод нагнетателя.

Дальнейшее форсирование гоночных двигателей увеличением давления наддува несомненно привело бы к более широкому распространению жидкостного охлаждения.

Нагнетатели, применяемые на мотоциклетных двигателях, делятся по конструкции на три основных вида: 1) поршневые, 2) ротативные тина «Рутс» с двумя вращающимися роторами и 3) ротативные с одним эксцентрично-расположенным ротором (типы «Поуэрплюс» и «Цоллер»).

Нагнетатели первого типа ставились только на двухтактных гоночных двигателях. Для высокой частоты вращения поршневые нагнетатели не приспособлены, так как подвержены большим инерционным нагрузкам, но зато они обеспечивают очень большую подачу горючей смеси на малых и средних оборотах. Это качество обеспечивает двигателям с поршневыми нагнетателями отличную приемистость.

Нагнетатели типа «Рутс» тоже имели довольно ограниченное распространение на гоночных мотоциклах. Устройство нагнетателя представлено на рис. 106, а. В корпусе овальной формы вращаются два ротора специального профиля; корпус и роторы изготовляют обычно из алюминиевых сплавов.

Рис. 106. Основные типы нагнетателей для наддува

Роторы насажены на оси, связанные между собой шестернями, не показанными на схеме, и отделены один от другого и от корпуса постоянным небольшим зазором 0,1—0,15 мм. При вращении роторов смесь из всасывающего патрубка попадает в промежутки между роторами и корпусом, а затем выжимается в нагнетательный трубопровод, следуя по пути, отмеченному на схеме стрелками. Смесь подается не непрерывной струей, а отдельными толчками — на каждый оборот роторов в нагнетательный трубопровод поступают четыре порции смеси, по две от каждого ротора.

Включение нагнетателя между карбюратором и двигателем способствует энергичному перемешиванию топлива с воздухом и лучшему испарению бензина. Недостатком установки является разжижение смазки нагнетателя топливом и, как следствие, довольно быстрый износ трущихся деталей.

В нагнетательном трубопроводе обычно предусматривается предохранительный клапан, который открывается наружу и выпускает газы при внезапном и резком повышении давления, предотвращая таким путем разрушительные последствия взрыва в нагнетателе, вызванного обратной вспышкой.

Коэффициент наполнения нагнетателя зависит от частоты вращения его роторов и противодавления в нагнетательном трубопроводе. До 3000—3500 мин-1 коэффициент наполнения быстро увеличивается, так как сокращается время утечки смеси через зазоры у роторов, а при дальнейшем возрастании частоты вращения роторов до 7000 и даже 10 000 мин-1 сохраняет почти постоянное значение. Давление подачи находится в прямой зависимости от наполнения нагнетателя. Поэтому давление подачи изменяется так же, как и коэффициент наполнения.

Идеальным случаем для работы двигателя является постоянство давления в нагнетательном трубопроводе независимо от частоты вращения коленчатого вала. Для достижения этого между нагнетателем и коленчатым валом двигателя обычно вводится ускорительная передача с отношением от 1 : 1,2 до 1 : 3. Тогда частота вращения нагнетателя составляет 7000—10 000 мин-1, не выходя за пределы интервала, в котором коэффициент наполнения нагнетателя и давление подачи мало изменяются даже при относительно невысокой частоте вращения коленчатого вала. Сохранение достаточного давления в нагнетательном трубопроводе на малых и средних оборотах должно обеспечивать мотоциклам, снабженным нагнетателями типа «Рутс», хороший разгон. В связи с этим целесообразно применять нагнетатели малых размеров, но с ускорительной передачей, а ие более тихоходные нагнетатели больших габаритных размеров.

Быстроходные нагнетатели типа «Рутс», несмотря на большую производительность, отличаются малыми габаритными размерами и массой.

Наибольшее распространение на мотоциклетных двигателях имели ротативные нагнетатели с вращающимися лопатками (рис. 106, б). В цилиндрическом корпусе вращается эксцентрично расположенный барабан, который увлекает при вращении лопатки, насаженные при помощи шарикоподшипников на вал, концентричный с наружным корпусом (тип «Поуэрплюс»), Лопатки пропущены через фибровые валики, вставленные в продольные прорези на периферии барабана. Между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью барабана получается полость, разделенная лопатками на отсеки переменного объема. При вращении барабана смесь попадает из карбюратора п полости между лопатками с одной стороны корпуса, как показано стрелкой, затем переносится на другую сторону, подвергаясь в то же время сжатию, и выталкивается в нагнетательный трубопровод В нагнетателях типа «Цоллер» противолежащие лопатки соединены в одно целое (рис. 106, в), вращение барабана сопровождается скольжением лопаток в радиальных прорезях; лопатки снабжены башмаками, скользящими по поверхности эксцентриков, жестко связанных с неподвижными крышками корпуса. По отношению к барабану лопатки движутся в прорезях только поступательно и необходимость в шарнирах отпадает.

Изменение давления подачи и наполнения при перемене частоты вращения в лопаточных нагнетателях протекает примерно так же, как у нагнетателей типа «Руте». Однако они не могут работать на больших частотах вращения, выгодных для правильного питания двигателя, так как при этом в лопатках возникают опасные напряжения; кроме того, значительно увеличиваются механические потери от трения лопаток в прорезях. По этим причинам нередко уменьшали частоту вращения нагнетателя посредством соответствующей понижающей передачи. Меньшей частотой вращения лопаточного нагнетателя обусловлены его большие размеры и увеличенная масса.

В отличие от других конструкций лопаточные нагнетатели обеспечивают постоянный почти непрерывный поток горючей смеси. При больших давлениях подачи нагнетатели этого типа более экономичны в смысле затраты мощности на сжатие горючей смеси.

Не все двигатели могут быть одинаково легко приспособлены к работе с принудительным питанием. Большие трудности встретились при установке нагнетателей на одноцилиндровые четырехтактные двигатели вследствие прерывистого отбора горючей смеси и возникновения резких колебаний давления в нагнетательном трубопроводе.

Все же существуют примеры удачных четырехтактных одноцилиндровых двигателей с наддувом («Гуцци», «Бенелли», BSA). Для ослабления пульсации горючей смеси в нагнетательном трубопроводе между двигателем и нагнетателем устанавливают ресиверы большого объема (рис. 107).

Рис. 107. Одноцилиндровый четырехтактный двигатель «Гуцци» класса 250 см3 с наддувом (нагнетатель лопаточного типа расположен над коробкой передач; виден цилиндрический ресивер)

Двухцилиндровые V-образные двигатели часто снабжались нагнетателями, но неравномерность чередования вспышек и неблагоприятные условия охлаждения не дали возможности увеличения мощности более чем на 40—50 %. Гоночные двигатели такого типа (1000 см3) давали с наддувом 70—-90 кВт.

Удовлетворительные результаты были получены от двухцилиндровых двигателей с противолежащимн цилиндрами, для которых прирост мощности после установки нагнетателя достигал 100 %; форсированию двигателей способствовали хорошие условия охлаждения цилиндров.

Удовлетворительные показатели дали также и четырехцилиндровые двигатели водяного охлаждения (рис. 108).

Рис. 108. Четырех цилиндровый двигатель «Джилера» класса 500 см3 с нагнетателем типа «Руте» (см. табл. 18)

Равномерный отбор горючей смеси такими двигателями благоприятен для работы с нагнетателем. Основные данные двигателей с наддувом были приведены в табл. 18.

Некоторое отставание показателей двигателей рассматриваемого типа объясняется ограничениями в использовании наддува согласно правилам ФИМ, утвержденным в 1946 г.; наибольшая мощность довоенного двухцилиндрового двигателя BMW класса 500 см3 с наддувом составляет 80 кВт, тогда как в конце 60-х годов четырехцилнндровый двигатель «Хонда» класса 500 см3 без наддува развивал до 84 кВт. Тем не менее наддув сохраняет большие потенциальные возможности; при соответствующем изменении регламента, например определении рабочего объема с помощью уравнительного коэффициента, наддув может снова получить более широкое распространение, как это имело место в смежной области — автомобильном спорте.

Сжатие горючей смеси всегда сопряжено с повышением ее температуры, что имеет следствием увеличение противодавления в нагнетательном трубопроводе и уменьшение коэффициента наполнения нагнетателя, а также увеличивает затраты мощности на привод нагнетателя. Кроме того, при повышении температуры смеси, входящей в цилиндр, возникает опасность появления детонации. Для уменьшения нагрева горючей смеси при сжатии корпуса нагнетателей всех типов, ресиверы и нагнетательные трубопроводы отливают с развитой ребристой поверхностью, рассеивающей тепло в воздухе.

Существуют два основных способа размещения нагнетателя на мотоцикле: 1) перед картером двигателя; этот вариант выгоден с точки зрения охлаждения нагнетателя встречным потоком воздуха; 2) за двигателем над коробкой передач (см. рис. 107).

Оси роторов, обычно расположенные параллельно коленчатому валу, получают от него вращение через цепную или ременную передачу, а на двигателях оппозитного типа — через муфту. В приводе нагнетателя нередко предусматривается амортизатор.

Смазка нагнетателя обеспечивается специальной помпой малой производительности, установленной на крышке корпуса. Такое устройство применяется при наличии большого количества трущихся частей (лопаточные нагнетатели). Чрезмерной смазки следует опасаться во избежание замасливания свечей. Удовлетворительная смазка нагнетателей типа «Рутc» может быть получена примешиванием к топливу 1—2 % моторного масла. Масло оседает на внутренней поверхности нагнетателя, когда горючая смесь ударяется о роторы и стенки корпуса, и стекает к подшипникам. Часть масла попадает в двигатель и служит так называемой верхней смазкой для впускных клапанов и верхней части цилиндров. Этот способ смазки употребляется и для лопаточных нагнетателей, но чаще в виде дополнения к основной системе. Если нагнетатель присоединен к фланцу картера, то для смазки может быть использовано специальное ответвление масляной системы двигателя.

На мотоцикле «Хонда» для рекордных заездов применяется так называемый турбонаддув (рис. 109), позволяющий использовать часть тепловой энергии отработавших газов и осуществить наддув без отбора мощности от коленчатого вала двигателя. Отработавшие газы вращают колесо турбины, смонтированное на общем валу с колесом центробежного компрессора, который нагнетает горючую смесь в цилиндр. Поскольку между коленчатым валом н валом турбокомпрессора механической связи нет, двигатель может реагировать на открытие дросселя с запаздыванием, а прикрытие дросселя не сразу сопровождается соответствующим уменьшением подачи турбокомпрессора. Для устранения этого недостатка турбонаддува требуются специальные системы регулирования.

Рис. 109. Схема двигателя с турбонаддувом: 1 — центробежный компрессор; 2 — газовая турбина

Двигатели с наддувом отличаются сложностью, высокой стоимостью и большими удельными расходами топлива. Эксплуатация двигателей этого типа дала меньше полезных данных для серийного производства по сравнению с двигателями без наддува. Однако в последние годы наддув снова получает распространение в связи о развитием спринтерских гонок.

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru