Фазы газораспределения двухтактного двигателя. Механизм газораспределения двухтактных двигателей. Диаграмма фаз газораспределения двухтактного двигателя

Устройство в работа

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

В большинстве конструкций двухтактных двигателей клапан­ный механизм отсутствует и газораспределение осуществляется рабочим поршнем через выпускные, впускные и продувочные окна. Отсутствие клапанного привода упрощает конструкцию двигателя и облегчает его эксплуатацию. Существенным недостатком бескла­панного газораспределения является недостаточная очистка ци­линдров от продуктов сгорания в процессе его продувки.

Системы продувок подразделяются на два основных вида: кон­турные и прямоточные. Продувочные, выпускные окна при контур­ной системе продувки располагаются внизу цилиндра. Продувоч­ный воздух движется по контуру цилиндра вверх, затем у крышки делает поворот на 180° и направляется вниз, вытесняя продукты сгорания и заполняя цилиндр. При прямоточных системах продувки продувочный воздух движется от продувочных окон к органам выпуска только в одном направлении - вдоль оси цилиндра. Рас­положение продувочных и выпускных окон, наклон их к оси ци­линдра имеют очень важное значение для всех систем продувки.

На рис. 160, а-д показаны различные схемы продувок. Попе­речно-щелевые продувки (схемы а и б) наиболее просты и приме­няются в различных двигателях. В схеме б , применяемой в дизе­лях большой мощности, продувочные окна имеют эксцентричное расположение в горизонтальной плоскости и наклонены к верти­кальной плоскости. Такое расположение окон улучшает продувку. Коэффициент остаточных газов 0,1-0,15. Контурно-петлевая про­дувка (схема в) с лучевым расположением продувочных окон ха­рактеризуется тем, что продувочный воздух поступает вначале к днищу поршня, а затем, описав петлю по контуру, вытесняет продукты сгорания в выпускные окна, которые расположены выше продувочных и имеют наклон на 10-15° к оси цилиндра вниз. Коэффициент остаточных газов равен 0,08-0,12. Контурные про­дувки применяют в тихоходных и среднеоборотных двигателях.

Прямоточные системы продувок бывают клапанно-щелевыми (схема г) и прямоточно-щелевыми (схема д).

При прямоточно-клапанпой продувке тангенциально направ­ленные окна расположены внизу цилиндра по окружности. Через выпускные тарельчатые клапаны (один-четыре) осуществляется выпуск. Выпускные клапаны приводятся в действие от распреде­лительного вала, что позволяет установить наивыгоднейшие фазы газораспределения, а также в случае необходимости обеспечить дозарядку за счет более позднего закрытия продувочных окон. Продувочный воздух, двигаясь спиралеобразно, обеспечивает хо­рошее вытеснение продуктов сгорания и хорошо перемешивается с распыленным топливом. Данный тип продувки применяют в мощных тихоходных дизелях Брянского завода, фирмы «Бурмайстер и Вайн», а также в высокооборотных дизелях. Прямоточно-клапанная продувка является одной из наиболее эффективных, коэффициент остаточных газов 0,04-0,06.

Прямоточно-щелевую продувку (рис. 160, д ) используют в дви­гателях с противоположно движущимися поршнями. Продувочные и выпускные окна расположены по всей окружности цилиндра: выпускные вверху, а продувочные внизу. Продувочные окна имеют тангенциальное расположение. Этот тип продувки в настоящее время является наиболее эффективным. Качество очистки ци­линдра не уступает очистке в четырехтактных двигателях. Коэф­фициент остаточных газов 0,02-0,06. Прямоточно-щелевая про­дувка находит применение в двигателях фирмы Доскфорд, в дви­гателях 10Д100 и др.

Моторы работают на бензине, газе, спирте или дизельном топливе — по 2- или 4-тактному циклу. И в любом случае их характер сильно зависит от того, что называют фазами газораспределения. Так с чем же их едят? Зачем нужно регулировать фазы? Давайте посмотрим.

Газообмен

От того, как мы дышим, зависит многое в нашей жизни. Да и сама жизнь; в мире д.в.с. примерно так же. Возьмем 1,5-литровый ВАЗовский 16-клапанник; хотите, чтобы он тянул на V при 600 мин -1 ? Для прикола. Вопрос выбора фаз газораспределения: подберем профиль кулачков впускного распредвала так, чтобы впуск начинался примерно на 24° (по углу поворота коленчатого вала) после в.м.т. Кулачки сделаем настолько «тупыми», что клапаны поднимаются только на 3 мм, а заканчивается впуск где-то на 6° после н.м.т.

Начало выпуска регулируем на 12° до н.м.т., а закрываются выпускные клапаны пусть как раз в в.м.т.; их подъем оставляем «по штату». Градусы и миллиметры подъема клапанов и есть те самые фазы: раньше, позже.

Проверьте экспериментально: при правильной настройке зажигания и впрыска горючего модифицированная «четверка» покажет наибольший в 75-80 Нм — где-то на 6 сотнях оборотов! Максимальная мощность — 10-12 л.с. при 1500 мин -1 ; не обессудьте. Однако мотор и в самом деле потянет от самых «низов» — как (маленькая) паровая машина. Жаль только, ни оборотов, ни мощности он не развивает.

Не нравится… Зайдем с другого конца: профиль кулачков такой, что впуск начинается на 90° до в.м.т., а заканчивается на 108° после н.м.т; подъем — до 14 мм. Есть разница? И выпуск тоже: начало на 102° до н.м.т., завершение — на 96° после в.м.т. Как говорят спецы, перекрытие выпуска и впуска — 186° по углу поворота коленвала! И что? Смотрите: с правильной настройкой зажигания и впрыска [А также с тарелками клапанов увеличенного диаметра, расточенными и отполированными впускными и выпускными каналами…] ваш 1,5-литровый ВАЗ выдаст что-то вроде 185 Нм крутящего момента — под… 11 тыс. оборотов! А при 13500 мин -1 разовьет около 330 л.с. — безо всякого наддува. Конечно, если выдержат ГРМ и кривошипно-шатунный механизм (вряд ли). Лет 40 назад такую мощность показывал хороший 3-литровый двигатель Формулы 1… Правда, ниже 6000 мин -1 форсированный ВАЗ окажется совсем дохлым [Обороты «холостого» хода придется выставлять где-то на 3500 мин -1 …] ; его рабочий диапазон — 9-14 тыс. оборотов.

На «верхах» наоборот: широкие фазы газораспределения позволят на все 100% мобилизовать резонанс газовых потоков на впуске и выпуске, — как говорят, акустический наддув. При правильном подборе длин и сечений (индивидуальных) впускных и выпускных патрубков, коэффициент наполнения цилиндров достигнет в зоне 11 тыс. оборотов уровня 1,25-1,35; получите искомые 185 Нм.

Вот что такое фазы газораспределения: они задают газообмен д.в.с. — впуск-выпуск. А газообмен определяет все остальное: протекание крутящего момента, оборотность двигателя, его максимальную мощность, эластичность… На паре примеров видно, как сильно меняется характер одного и того же мотора в зависимости от фаз. Тут же возникает мысль: фазы газораспределения нужно регулировать — прямо на ходу. И тогда под капотом вашего авто окажется не один-единственный движок — на все случаи жизни, а множество неодинаковых!

Как учил лучший друг автомобилистов, «кадры решают все». Перефразируя знаменитое выражение, примем, что все решают фазы (газораспределения). Генералиссимус умел регулировать кадровые вопросы, а моторостроители всегда стремились управлять фазами.

Фазовращение

Легко сказать, но трудно сделать; у 4-тактного двигателя фазы газораспределения заданы профилем кулачков (из высокопрочной закаленной стали). Изменять его по ходу — задача не из простых. Однако кое-что удается сделать даже и с неизменным профилем, — скажем, сдвигать распредвал по углу поворота коленчатого вала. Вперед-назад; то есть, продолжительность впуска остается неизменной (во 2-м примере — 378°), однако он и начинается, и заканчивается раньше. Допустим, впускные клапаны открываются теперь на 120° до в.м.т. и закрываются на 78° после н.м.т. Так сказать, на «раньше-раньше». Или наоборот — на «позже-позже»: впуск начинается на 78° до в.м.т. и заканчивается на 120° после н.м.т.

Такое решение (для впуска) впервые применили у ALFA Romeo на 2-литровой 8-клапанной «четверке» Twin spark [Понятно, что фазовращение применимо, когда впускные и выпускные клапаны приводятся 2-я отдельными распредвалами; в середине 80-х Twin spark представлял собой одну из редких конструкций DOHC. А с тех пор 2 вала в головке цилиндров получили широкое распространение — именно ради фазовращения.] — еще в 1985 году. Его называют фазовращением и применяют (на впуске и/или на выпуске) довольно широко. И что оно дает? Немного, но все же лучше, чем ничего. Так, при холодном пуске двигателя с каталитическим нейтрализатором выпускной распредвал поворачивают на опережение. Выпуск начинается рано, и на нейтрализатор идут отработанные газы повышенной температуры; он быстрее прогревается до рабочего состояния. В атмосферу выбрасывается меньше вредных веществ.

Или едете вы равномерно со скоростью 90 км/ч, от мотора требуются лишь 10% его максимальной мощности. Значит, дроссельная заслонка сильно прикрыта; повышенные насосные потери, перерасход горючего. А если сильно сдвинуть впускной распредвал на «позже-позже», то часть (допустим, 1/3) топливововоздушной смеси выбрасывается на ходе сжатия обратно во впускной коллектор [Не беспокойтесь, она никуда не денется. Так называемый «5-тактный» цикл.] . и мощность двигателя понижаются (до нужного по условиям движения уровня) без излишнего дросселирования на впуске. То есть, дроссельная заслонка хотя и прикрыта, но не так сильно, насосные потери значительно меньше. Экономия бензина — и кое-что еще; разве не стоит того?

VTEC

Возможности фазовращения ограничены тем, что как говорится, «хвост вытащил — нос увяз». Когда вы уменьшаете опережение открытия клапанов, ровно на столько же увеличивается запаздывание закрытия.

Час от часу не легче. Вот если каким-то образом изменять продолжительность впуска-выпуска… Допустим, во 2-м примере сокращать ее, — когда надо, — с 378 до 225°. Двигатель сможет нормально работать также и «на низах» — без потери мощности «на верхах».

Осуществляются мечты: прошло 4 года после появления Twin spark с фазовращением, и Honda Motor показала 1,6-литровый 16-клапанник В16A с революционным VTEC. Двигатель оснащался — впервые в истории — 2-режимным клапанным механизмом (на впуске и выпуске); процесс пошел. Однако иной раз приходится слышать: подумаешь, VTEC — всего 2 режима. А у мотора моей «короллы» фазы регулируются бесступенчато — континуум режимов. Ну да, — если не видеть две большие разницы…

В нашей солнечной стране принято зачем-то дважды в год истязать людей переводом стрелок на час — на «раньше-раньше» весной и на «позже-позже» осенью. Бог им судья, речь о другом. Переводить стрелки технически несложно не только на час каждые полгода, но и хоть каждый день по минуте. Так сказать, бесступенчато. Фазовращение подобно переводу часов — и эффект примерно такой же.

А изменять продолжительность светового дня не пробовали? Пусть не бесступенчато, только два режима, — скажем, 9 часов и 12? Так вот, хондовские инженеры нашли решение задачи такого класса; почувствуйте разницу. Допустим, в «нижнем» режиме продолжительность впуска — 186° (по углу поворота коленвала), а в «верхнем» — 252°. Радикальное изменение условий газообмена: под капотом как бы два неодинаковых мотора. Один эластичный и тяговитый на «низах», другой — «острый», крутильный и мощный на «верхах»; 25 лет назад о таком и не мечтали. И кстати, ничего не стоит присоединить к VTEC еще и фазовращение, что у Honda и сделали в конструкции i-VTEC. Тогда как наоборот — придать VTEC к фазовращению — не выйдет; фирменный механизм не так прост и обложен патентами.

Обратите внимание: VTEC позволяет варьировать диаграмму впуска (и выпуска)! Не просто двигать ее на «раньше-раньше» или «позже-позже», а изменять профиль. Качественное продвижение против банального фазовращения — хотя режимов только 2 (в позднейших вариантах — аж 3). У Honda немало подражателей и последователей: Mitsubishi MIVEC, Porsche VarioCam Plus, Toyota VVTL-i. Во всех случаях применяются кулачки неодинаковых профилей с блокировкой привода клапанов; представьте, работает.

Valvetronic

Ну а в 2002-м баварские конструкторы обнародовали знаменитый ГРМ Valvetronic. И если VTEC — «монтана», то Valvetronic — «полный …». Механизм в массовой эксплуатации уже 5 лет, но автообозреватели до сих пор так и не постигли его смысл и принцип работы. Да что журналисты, если и пресс-служба BMW… Посмотрите и убедитесь: в фирменных пресс-релизах Valvetronic трактуют как механизм изменения подъема клапанов! А если призадуматься? Нет ничего проще, чем регулировать подъем — не сложнее фазовращения. Однако же Valvetronic — изощренное устройство; наверное, там есть кое-что сверх того.

О необычном механизме поговорим отдельно. А пока признаем, что баварские моторы Valvetronic стали первыми двигателями Отто, мощность которых регулируется без дросселирования на впуске! Как у дизелей. Они обходятся без самой зловредной детали в конструкции двигателя с искровым зажиганием; сравнимо с изобретением карбюратора. Или магнето. В 2002 году мир изменился, хотя никто и не заметил…

Электромагниты

Снимаю шляпу перед инженерами BMW, и тем не менее Valvetronic — лишь эпизод в развитии двигателя Отто. Промежуточное решение — в ожидании радикального. А оно уже на пороге: бескулачковый ГРМ с электромагнитным приводом клапанов. Никаких распредвалов с их приводом, толкателей, коромысел, гидрокомпенсаторов зазоров и пр. Просто стержень клапана входит в мощный электромагнит [С усилием по оси клапана до 80-100 кг! Иначе клапаны не успевают за своими фазами. А обеспечить такие усилия в компактном механизме непросто, в чем и состоит главная трудность создания э-магнитного ГРМ.] , напряжение на который подается под контролем ЦПУ. Вот и все: на каждом обороте коленвала ЦПУ управляет моментами начала открытия и закрытия клапанов — и высотой их подъема. Отсутствуют кулачки с их неизменным профилем, нет раз и навсегда заданных фаз газораспределения.

Диаграммы впуска и выпуска регулируются свободно и в широких пределах (ограниченных только физикой процессов). Раздельно для каждого из цилиндров и от цикла к циклу — как момент впрыска и количество подаваемого горючего. Или зажигания. По существу двигатель Отто станет самим собой — впервые в истории. И не оставит никаких шансов дизелю. Как компьютеры нашли себя с появлением микро-«чипов», и карманные калькуляторы мгновенно вытеснили электромеханические счетные машины. Тогда как в конце 40-х ЭВМ строили на вакуумных лампах и электромагнитных реле; считайте, что двигатели с искровым зажиганием все еще находятся на той самой стадии. Ну разве что Valvetronic…

Выпускной клапан начинает открываться в конце про­цесса расширения с опережением относительно н.м.т. на угол φ о.в. = 30ч-75° (рис. 20) и закрывается после в.м.т. с запаздыванием на угол φ з.в., когда поршень движется в такте наполнения в направлении к н.м.т. Начало откры­тия и закрытие впускного клапана также сдвинуты отно­сительно мертвых точек: открытие начинается до в.м.т. с опережением на угол φ 0 . вп, а закрытие происходит пос­ле н.м.т. с запаздыванием на угол φ з.вп. в начале такта сжатия. Большая часть процессов выпуска и наполнения протекает раздельно, но около в.м.т. впускной и выпуск­ной клапаны открыты некоторое время одновременно. Продолжительность перекрытия клапанов, равная сумме углов φ з.в + φ о.вп, невелика у поршневых двигателей (рис. 20, а), а у комбинированных может быть значи­тельной (рис. 20, б). Общая продолжительность газооб­мена составляет φ о.в + 360 о + φ з.вп =400-520 о; у высоко­оборотных двигателей она больше.

Периоды газообмена в двухтактных двигателях

В двухтактном двигателе процессы газообмена про­исходят при перемещении поршня вблизи н.м.т. и зани­мают часть хода поршня в тактах расширения и сжатия.

В двигателях с петлевой схемой газообмена и впуск­ные, и выяускные окна открываются поршнем, поэтому фазы газораспределения и диаграммы площади попереч­ного сечения окон симметричны относительно н.м.т. (рис. 24, а). Во всех двигателях с прямоточными схема­ми газообмена (рис. 24, б) фазы открытия выпускных окон (или клапанов) выполняют несимметричными отно­сительно н.м.т., достигая тем самым лучшего наполнения цилиндра. Обычно впускные окна и выпускные окна (или клапаны) закрываются одновременно или с небольшой разницей по углу. Осуществить несимметричные фазы возможно и в двигателе с петлевой схемой газообмена,

если установить (на впуске или выпуске) дополнитель­ные устройства - золотники или клапаны. Из-за недоста­точной надежности подобных устройств в настоящее вре­мя их не применяют.

Общая продолжительность процессов газообмена в двухтактных двигателях соответствует 120-150° угла поворота коленчатого вала, что в 3-3,5 раза меньше, чем в четырехтактных. Угол открытия выпускных окон (или клапанов) φ о.в. = 50-90° до н.м.т., а угол предва­рения их открытия φ пр = 10-15 0 . В высокооборотных двигателях с выпуском через клапаны эти углы больше, а в двигателях с выпуском через окна - меньше.

В двухтактных двигателях процессы выпуска и на­полнения происходят в большей части совместно - при одновременно открытых впускных (продувочных) и вы­пускных окнах (или выпускных клапанах). Поэтому воз­дух (или горючая смесь) поступает в цилиндр, как пра­вило, при условии, что давление перед впускными окна­ми больше давления за выпускными окнами (клапа­нами) .

Литература:

Наливайко В.С., Ступаченко А.Н. Сыпко С.А. Методические указания к проведению лабораторных работ по курсу «Судовые ДВС», Николаев, НКИ, 1987, 41с.

Судовые двигатели внутреннего сгорания. Учебник/ Ю.Я. Фомин, А.И. Горбань, В.В. Добровольский, А.И. Лукин и др.-Л.:Судостроение, 1989 – 344 с.:ил.

Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей: Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова –М.: Машиностроение,1983ю – 372стр.

Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л. Судостроение, 1977.-392с.

Простейший двухтактный двигатель

Двухтактный двигатель наиболее прост с технической точки зрения: в нем поршень выполняет работу распределительного органа. На поверхности цилиндра двигателя выполнено несколько отверстий. Их называет окнами, и они принципиальны для двухтактного цикла. Предназначение впускных и выпускных каналов достаточно очевидно — впускное окно позволяет топливовоздушной смеси попасть в двигатель для последующего сгорания, а выпускное окно обеспечивает отвод полученных в результате сгорания газов из двигателя. Продувочный канал служит для обеспечения перетекания из кривошипной камеры, в которую она поступила ранее, в камеру сгорания, где происходит сгорание. Здесь возникает вопрос, почему смесь поступает в пространство картера под поршнем, а не непосредственно в камеру сгорания над поршнем. Чтобы понять это, следует отметить, что в двухтактном двигателе кривошипная камера выполняет важную второстепенную роль, являясь своего рода насосом для смеси.

Она образует собой герметичную камеру, закрытую сверху поршнем, из чего следует, что объем этой камеры, а, следовательно, и давление внутри нее, изменяется, поскольку поршень перемешается возвратно-поступательно в цилиндре (по мере того как поршень двигается вверх, объем увеличивается, и давление падает ниже атмосферного, создается разрежение; наоборот, при движении поршня вниз объем уменьшается, и давление становится выше атмосферного).

Впускное окно на стенке цилиндра большую часть времени закрыто юбкой поршня, оно открывается, когда поршень приближается к верхней точке своего хода. Созданное разрежение всасывает свежий заряд смеси в кривошипную камеру, затем, по мере того как поршень движется вниз и создает давление в кривошипной камере, эта смесь вытесняется в камеру сгорания через продувочный канал.

Данная конструкция, в которой поршень играет роль распределительного органа по очевидным причинам, является самой простой разно¬видностью двухтактного двигателя, число перемеoающихся частей в ней не значительно. Во многих отношениях это является значительным преимуществом, однако оставляет желать лучшего с точки зрения эффективности (КПД). В свое время почти во всех двухтактных двигателях поршень выполнял роль органа распределения, но в современных конструкциях эта функция отводится более сложным и эффективным устройствам

Улучшенные конструкции двухтактного двигателя

Влияние на течение газа Одна из причин неэффективности выше-описанного двухтактного двигателя-неполная очистка от отработавших газов. Оставаясь в цилиндре, они мешают проникновению всего объема свежей смеси, и, следовательно, снижают мощность. Также существует связанная с этим проблема: свежая смесь из окна продувочного канала поступает прямо в выпускной канал, и, как было упомянуто ранее, чтобы это минимизировать, окно продувочного канала направляет смесь вверх.

Поршни с дефлектором

Эффективность очистки и топливная экономичность могут быть улучшены за счет создания более эффективного течения газа внутри цилиндра. На ранней стадии усовершенствование двухтактных двигателей было достигнуто за счет придания днищу поршня особой формы для отклонения смеси от впускного канала к головке цилиндра — данная конструкция получила название поршня с дефлектором». Однако использование поршней с дефлектором на двухтактных двигателях было непродолжительным в связи с проблемами расширения поршня. Тепловыделение в камере сгорания двухтактного двигателя обычно выше, чем у четырехтактного, потому что сгорание происходит вдвое чаше, кроме того, головка, верхняя часть цилиндра и поршня являются наиболее нагретыми частями двигателя. Это приводит к проблемам, связанным с тепловым расширением поршня. Фактически, поршню при изготовлении придается такая форма, чтобы он слегка отличался от окружности и был конусным кверху (овало-бочкообразный профиль), таким образом, когда он расширяется при изменении температуры, он становится круглыми и цилиндрическим. Добавление несимметричного металлического выступа в виде дефлектора на днище поршня, изменяет характеристики его рас¬ширения (если поршень будет чрезмерно расширяться в неправильном направлении, его может заклинить в цилиндре), а также приводит к его утяжелению со смещением массы от оси симметрии. Этот недостаток стал намного более очевидным по мере того, как двигатели усовершенствовались для работы при более высоких скоростях вращения.

Типы продувок двухтактного двигателя

Петлевая продувка

Поскольку у поршня с дефлектором слишком много недостатков, а плоское или слегка скругленное днище поршня не сильно влияет не движение поступающей смеси или вытекающих отработавших газов, был необходим другой вариант. Он был разработан в ЗО-х годах XX века доктором Е. Шнурле, который его изобрел и запатентовал (хотя, по общему признанию, он первоначально спроектировал его для двухтактного дизельного двигателя). Продувочные окна расположены напротив друг друга на стенке цилиндра и направлены под углом вверх и назад. Таким образом, поступающая смесь наталкивается на заднюю стенку цилиндра и отклоняется вверх, затем, образуя наверху петлю, падает на отработавшие газы и способствует их вытеснению через выпускное окно. Следовательно, хорошая продувка цилиндра может быть получена подбором расположения продувочных окон. Необходимо тщательно прорабатывать форму и размер каналов. Если сделать канал слишком широким,поршневое кольцо, минуя его,может попасть в окно и заклинить, тем самым вызывая поломку. Поэтому размер и форма окон выполняется так, чтобы гарантировать безударный проход колеи мимо окон, а некоторые широкие окна соединены в середине перемычкой, служащей опорой для колец. В качестве еще одного варианта можно предложить использование большего числа окон меньших размеров.

На данный момент существует множество вариантов расположения, численности и размеров окон, сыгравших большую роль в увеличении мощности двухтактных двигателей. Некоторые двигатели снабжены продувочным и окнами, служащими для единственной цели — улучшения продувки, они открываются незадолго до открытия главных продувочных окон, которые подают большую часть свежей смеси. Но пока это всё. что можно сделать для улучшения газообмена без использования дорогих в производстве деталей. Чтобы продолжать улучшать характеристики, необходимо более точно управлять фазой наполнения.

Лепестковый клапан Suzuki Lets TW

Лепестковые клапана

В любой конструкции двухтактного двигателя улучшение КПД и топливной экономичности означает, что двигатель должен работать более эффективно, это требует сгорания максимального количества топлива (следовательно, получения максимальной мощности) на каждом рабочем такте двигателя. Остается проблема сложного удаления всего объема отработавшего газа и заполнения цилиндра максимальным объемом свежей смеси. До тех пор, пока процессы газообмена совершенствуются в рамках двигателя с поршнем в роли органа распределения, нельзя гарантировать полную очистку от отработавших газов, остающихся в цилиндре, при этом нельзя увеличить объем поступающей свежей смеси, чтобы способствовать вытеснению отработавших газов. Решением может служить заполнение кривошипной камеры большим количеством смеси за счет увеличения ее объема, но на практике это приводит к менее эффективной продувке. Увеличение эффективности продувки требует уменьшения объема кривошипной камеры и, таким образом, ограничения пространства, предназнеченного для заполнения смесью. Так что компромисс уже найден, и следует искать другие способы улучшения характеристик. В двухтактном двигателе, в котором роль органа газораспределения отведена поршню, часть топливовоздушной смеси, поданной в кривошипную камеру, неизбежно будет потеряна по мере того, как поршень начинает двигаться вниз в процессе сгорания. Эта смесь вытесняется обратно во впускное окно и, таким образом, теряется. Необходим более эффективный способ управления поступающей смесью. Предотвратить потери смеси можно путем использования лепесткового или дискового (золотникового) клапана или их комбинации.

Лепестковый клапан состоит из металлического корпуса клапанов и закрепленного на его поверхности седла с уплотнением из синтетического каучука. Два или более лепестковых клапана закреплены на корпусе клапанов, при нормальных атмосферных условиях эти лепестки закрыты. Кроме того, для ограничения перемещения лепестка установлены ограничительные пластины по одной на каждый лепесток клапана, служащие для предотвращения его поломки. Тонкие лепестки клапана обычно изготавливаются из гибкой (пружинной) стали, хотя все более популярными становятся экзотические материалы на основе фенольной смолы или стеклотекстолита.

Клапан открывается за счет изгиба лепестков до ограничительных пластин, которые спроектированы таким образом, что открываются, как только появляется положительный перепад давления между атмосферой и кривошипной камерой; это происходит, когда движущийся вверх поршень создает разрежение в картере, Когда смесь подана в кривошипную камеру, и поршень начинает двигаться вниз, давление внутри картера возрастает до уровня атмосферного, и лепестки прижимаются, закрывая клапан. Таким образом, подается максимальное количество смеси, и предотвращаются любые обратные выбросы. Дополнительная масса смеси более полно заполняет цилиндр, и продувка происходит более эффективно. Сначала лепестковые клапана были приспособлены для использования на существующих двигателях с поршнем в роли органа газораспределения, это привело к существенному улучшению эффективности двигателей. В отдельных случаях производители выбирали комбинацию двух конструкций: одной — когда двигатель с поршнем в роли органа газораспределения. дополненный лепестковым клапаном для продолжения процесса наполнения через дополнительные каналы в кривошипной камере после того, как поршень перекроет основной канал, если уровень давления в картере двигателя позволяет это. В другой конструкции на поверхности юбки поршня выполнялись окна, чтобы окончательно избавиться от контроля, который поршень имеет над каналами; в таком случае они открываются и закрываются исключительно под воздействием лепесткового клапана. Развитие этой идеи означало, что клапан и впускной канал могут быть перенесены из цилиндра в кривошипную камеру. Устрашающие предостережения, что на лепестках клапана образуются трещины и лепестки могут попасть внутрь двигателя, оказались в значительной степени необоснованными. Перемещение впускного канала предоставляет ряд преимуществ, главное из которых связано с тем. что течение газа в полость картера становится более свободным.и,следовательно, большее количество смеси может поступить в кривошипную камеру. Этому до некоторой степени способствует импульс (скорость и вес) поступающей смеси. При переносе впускного канала из цилиндра можно продолжать повышать эффективность путем смешения продувочного окна (окон) в оптимальное для продувки положение. Безусловно, за последние годы основное расположение лепестковых клапанов было подвергнуто тщательному исследованию, и появились сложные конструкции. содержащие двухступенчатые лепестки и многолепестковые корпуса клапанов. Последние разработки в области лепестковых клапанов связаны с материалами, используемыми для лепестков, и с расположением и размером лепестков.

Дисковые клапана (золотниковое распределение)

Дисковый клапан состоит из тонкого стального диска, закрепленного на коленчатому валу шпонкой

Или шлицами таким образом, что они вращаются вместе, Он располагается снаружи впускного окна между карбюратором и крыш¬кой картера так. чтобы в нормальном состоянии канал перекрывался диском, Чтобы произошло наполнение в нужной области цикла двигателя, из диска вырезается сектор. При вращении коленчатого вала и дискового клапана впускное окно открывается в момент, когда вырезанный сектор проходит мимо канала, позволяя смеси проникнуть непосредственно в кривошипную камеру. Затем канал перекрывается диском, предотвращая обратный выброс смеси в карбюратор по мере того, как поршень начинает двигаться вниз.

К очевидным преимуществам использования дискового клапана можно причислить более точное управление началом и концом процесса участок, или сектор, диска минует канал), и продолжительностью процесса наполнения (то есть величиной вырезанного участка диска, пропорциональной времени открытия канала). Также дисковый клапан допускает применение впускного канала большого диаметра и гарантирует беспрепятственный проход смеси, попадающей в кривошипную камеру. В отличие от лепесткового клапана с достаточно большим корпусом клапанов, дисковый клапан не создает никаких преград во впускном канале, и поэтому газообмен в двигателе улучшается. Другое преимущество дискового клапана проявляется на спортивных мотоциклах — это время, за которое его можно заменить для подбора рабочих характеристик двигателя под различные трассы. Главным недостатком дискового клапана являются технические трудности, требующие маленьких производственных допусков и отсутствие приспособляемости, то есть неспособность клапана реагировать на изменение потребностей двигателя подобно лепестковому клапану. Кроме того, все дисковые клапана уязвимы в отношении попадания мусора, поступающего в двигатель с воздухом (мелкие частицы и пыль оседают на уплотняющих канавках и царапают диск). Несмотря на это. на практике дисковые клапана работают очень хорошо и обычно способствуют значительному приросту мощности на низких частотах вращения двигателя по сравнению с обычным двигателем с поршнем в роли органа газораспределения.

Совместное использование лепестковых и дисковых клапанов

Неспособность дискового клапана реагировать на изменение потребностей двигателя навела некоторых производителей на мысль — использовать комбинацию дискового и лепесткового клапана для получения высокой эластичности двигателя. Поэтому.когда этого требуют условия, давление в картере двигателя закрывает лепестковый клапан, таким образом, закрывая впускной канал со стороны кривошипной камеры, даже несмотря на то, что вырезанный участок (сектор) диска все еще может открывать впускной канал со стороны карбюратора.

Использование щеки коленвала в качестве дискового клапана

Интересный вариант дискового клапана использовался в течение нескольких лет на ряде двигателей мотороллеровVespa . Вместо применения отдельного клапанного устройства для выполнения его роли производители использовали стандартный коленчатый вал. Плоскость правой щеки маховика обработана с очень высокой точностью так, что при вращении коленвала зазор между ней и картером составляет несколько тысячных долей дюйма. Впускной канал находится прямо над маховиком (на этих двигателях цилиндр располагается горизонтально) и, таким образом,прикрывается краем маховика, Путем механической обработки выемки в части маховика можно в заданной точке цикла двигателя открыть канал аналогично тому, как это происходит при использовании традиционного дискового клапана. Хотя получаемый впускной канал оказывается менее прямым, чем мог бы быть, на практике эта система работает очень хорошо. В результате двигатель вырабатывает полезную мощность в широком диапазоне частот вращения двигателя, и по прежнему остается технически простым.

Расположение выпускного окна

во многих отношениях системы впуска и выпуска на двухтактном двигателе очень тесно связаны. В предшествующих параграфах мы обсудили способы подвода смеси и отвода отработавших газов из цилиндра. За эти годы проектировщики и испытатели обнаружили, что фазы выпуска могут иметь столь же существенное влияние на характеристики двигателя, как и фазы впуска. Фазы выпуска определяются высотой выпускного окна в стенке цилиндра, то есть когда оно закрывается и открывается поршнем по мере того, как он перемешается в цилиндре вверх и вниз. Конечно, как и во всех других случаях, нет одного единственного положения, которое охватывало бы все режимы двигателя. Во- первых, это зависит оттого, для чего двигатель должен использоваться, во-вторых, как этот двигатель используется. Например, для одного и того же двигателя оптимальная высота выпускного окна различна при низких и при высоких частотах вращения двигателя, а при углубленном рассмотрении можно сказать, что то же относится и к размерам канала, и непосредственно к размерам выпускной трубы. В результате на производстве разработаны различные системы с изменяющимися при работе двигателя характеристиками выпускных систем для соответствия изменяющимся частотам врашения. Такие системы появились у (YPVS), (АТАС). (KIPS), (SAPC), Cagiva (CTS) и Aprilia (RAVE). Ниже описываются системы , и .

Системе с мощностным клепаном Yamaha — YPVS

В основе этой системы лежит непосредственно мощностной клапан, который по существу является роторным клапаном, установленным в гильзе цилиндра так, чтобы его нижняя кромка соответствовала верхней кромке выпускного окна. На низких частотах вращения двигателя клапан находится в закрытом положении, ограничивая эффективную высоту окна: это улучшает характеристики на низких и средних режимах Когда частота вращения двигателя достигает заданного уровня, клапан открывается, увеличивая эффективную высоту окна, что способствует улучшению характеристик на высоких скоростях. Положение мощностного клапана контролирует серводвигатель при помощи троса и шкива. Блок управления YPVSi-получает данные об угле открытия клапана от потенциометра на серводвигателе и данные о частоте вращения двигателя от блока управления зажиганием; эти данные используются для выработки правильного сигнала к механизму привода серводвигателя (см. рис. 1.86). Замечание: На внедорожных мотоциклах компании используется несколько отличная версия системы из-за малой мощности аккумулятора: мощностной клапан приводится в действие от центробежного механизма, установленного на коленчатом валу.

Комплексная система мощностных клапанов Kawasaki — KIPS

Система имеет механический привод от установленного на коленчатом валу центробежного (шарикового) регулятора, Вертикальная тяга соединяет механизм привода с тягой управления мощностным клапаном, установленным в гильзе цилиндра. Два таких мощностных клапана расположены во вспомогательных каналах с обеих сторон от главного впускного окна и связаны с тягой привода посредством шестерни и зубчатой рейки. По мере того, как тяга привода перемещается «из стороны в сторону», клапана вращаются, открывая и закрывая вспомогательные каналы в цилиндре и камере резонатора, расположенной с левой стороны двигателя. Система рассчитана так, чтобы при низкой частоте вращения вспомогательные каналы были закрыты клапанами для обеспечения кратковременного открытия канала. Левый клапан открывает камеру резонатора покидающим отработавшим газам, таким образом увеличивая объем расширительной камеры. При высокой частоте вращения клапана поворачиваются, чтобы открыть оба вспомогательных канала и увеличить продолжительность открытия канала, следовательно, обеспечить большую пиковую мощность. Камера резонатора закрывается клапаном с левой стороны, снижая общий объем выпускной системы. Система KIPS обеспечивает улучшение характеристик на низких и средних частотах вращения за счет уменьшения высоты канала и большего объема выпускной системы а при высоких частотах вращения — за счет увеличения высоты выпускного окна и меньшего объема системы выпуска. В дальнейшем система была усовершенствована за счет введения промежуточной шестерни между тягой привода и одним из клапанов, обеспечивающей вращение клапанов во встречных направлениях, а также добавления плоского мощностного клапана на передней кромке выпускного окна. На моделях большего объема запуск и работа на низких частотах вращения была улучшены за счет добавления соплового профиля в верхней части клапанов.

Камера усиления крутящего момента с автоматическим управлением Honda — АТАС

Система, применяемая на моделях фирмы , имеет привод от автоматического центробежного регуляторе, установленного на коленчатом валу. Механизм, состоящий из рейки и валика, передает усилие от регулятора к клапану АТАС, установленному в гильзе цилиндра. Камера HERP (Резонансная Энергетическая Труба ) открывается клапаном АТАС при низких частотах вращения двигателя и закрывается при высоких.

Система впрыска топлива

Судя по всему, очевидным методом решения всех проблем, связанных с наполнением камеры сгорания двухтактного двигателя топливом и воздухом, не говоря уже о проблемах высокого расхода горючего и вредных выбросов, является использование системы впрыска топлива. Однако, если топливо не подводится непосредственно в камеру сгорания, все еще остаются характерные проблемы с фазой наполнения и эффективностью двигателя. Проблема, связанная с непосредственным впрыском топлива в камеру сгорания, заключается в том. что топливо может быть подано только после того, как впускные окна будут закрыты, следовательно, остается мало времени для распыливания и полного перемешивания топлива с воздухом, находящимся в цилиндре (который поступает из кривошипной камеры, как в традиционных двухтактных двигателях). Это порождает другую проблему, так как давление внутри камеры сгорания после закрытия выпускного окна велико, и она быстро нарастает, следовательно, топливо должно подаваться при еще более высоком давлении, иначе оно просто не будет истекать из форсунки. Это требует довольно крупногабаритного топливного насоса, что влечет за собой проблемы связанные с увеличением веса, габаритов и стоимости.Aprilia решила эти проблемы, применив систему, называемуюDITECH, основанную на конструкции австралийской компании,PeugeotиKymmcoразработали подобную систему. Форсунка в начале цикла двигателя подает струю топлива в отдельную закрытую вспомогательную камеру, содержащую сжатый воздух (подаваемый либо от отдельного компрессора, либо по каналу с обратным клапаном от цилиндра]. После того, как выпускное окно закрывается, вспомогательная камера сообщается с камерой сгорания через клапан или сопло, и смесь подается непосредственно к свече зажигания. Aprilia претендует на снижение вредных выбросов на 80 %, достигаемое за счет снижения не 60 % расхода масла и на 50 % расхода горючего, кроме того, скорость скутера с такой системой на 15 % выше скорости такого же скутера со стандартным карбюратором.

Главное преимущество применения непосредственного впрыска в том. что по сравнению с обыкновенным двухтактным двигателем исчезает необходимость предварительного перемешивания топлива с маслом для смазки двигателя. Смазка улучшается, поскольку масло не смывается топливом с подшипников и, следовательно, требуется меньшее количество масла, в результате чего снижается токсичность. Сгорание топлива также улучшается, а нагарообразование на поршнях, поршневых кольцах и в выпускной системе снижается. Воздух по-прежнему подается через кривошипную камеру (его расход определяется дроссельной заслонкой, связанной с ручкой газа мотоцикла) Это означает, что масло все еще сгорает в цилиндре, и смазка и смазка не столь эффективна, как хотелось бы. Однако результаты независимых испытаний говорят сами за себя. Все, что теперь необходимо-обеспечить подвод воздуха, минуя кривошипную камеру.

Статью прочитали: 880