Двотактний двигун

Газорозподіл двотактних 2Т двигунів

23.09.2015

Газорозподіл двотактних двигунів

Тим, хто пов’язаний з гоночної автомобільної або мотоциклетної технікою або просто цікавиться конструкцією спортивних машин, добре знайоме ім’я інженера Вільгельма Вильгельмовича Бекмана — автора книг «Гоночні автомобілі» і «Гоночні мотоцикли». Не раз він виступав і на сторінках «За кермом».

Нещодавно вийшло у світ третє видання книги «Гоночні мотоцикли» (друге було випущено в 1969 році), перероблене і доповнене відомостями про нових конструктивних рішень та аналізом тенденції подальшого розвитку двоколісних машин. Читач знайде в книзі нарис про історію зародження мотоциклетного спорту і вплив його на розвиток мотоциклетної промисловості, отримає відомості про класифікацію машин і змагань, познайомиться з особливостями конструкції двигунів, трансмісії, шасі і системи запалювання гоночних мотоциклів, дізнається про шляхи їх вдосконалення.

Багато чого з того, що застосовується вперше на спортивних машинах, потім впроваджується на серійних дорожніх мотоциклах. Тому знайомство з ними дозволяє як би заглянути в майбутнє і уявити собі мотоцикл завтрашнього дня.

Переважна кількість споруджуваних нині у світі мотоциклетних двигунів працює за двотактний цикл, тому до них мотолюбителі проявляють найбільший інтерес. Пропонуємо увазі читачів уривок з книги Ст. Ст. Бекмана, присвячений одному з найважливіших питань розвитку двотактних двигунів. Ми зробили тільки незначні скорочення, змінили нумерацію рисунків і привели деякі найменування у відповідності з уживаними в журналі.

В даний час двотактні гоночні двигуни перевершують за потужністю своїх чотиритактних суперників у класах від 50 до 250 см3: в класах більшого робочого об’єму чотиритактні двигуни поки зберігають конкурентоспроможність. так як висока форсування двотактних двигунів цих класів важче, причому більш помітним стає відомий недолік двотактного процесу — підвищена витрата палива, вимагає збільшення обсягу паливних баків і більш частих зупинок для заправки.

Прототипом більшості сучасних двотактних двигунів гоночного типу є конструкція, розроблена фірмою МЦ (НДР). Роботи по удосконаленню двотактних двигунів, виконані цією фірмою, забезпечили гоночних мотоциклів МЦ класів 125 і 250 см3 високі динамічні якості, і їх конструкція в тій чи іншій мірі була скопійована багатьма фірмами в інших країнах світу.

Гоночні двигуни МЦ (рис. 1) мають просту конструкцію і схожі як з пристрою, так і за зовнішнім виглядом на звичайні двотактні двигуни.

Газорозподіл двотактних 2Т двигунів

Рис. 1. Гоночний двотактний двигун МЦ 125 см3: а — загальний вигляд; б — розташування газорозподільних каналів

За 13 років потужність гоночного двигуна МЦ 125 см3 зросла з 8 до 30 л. с.; вже в 1962 році була досягнута літрова потужність 200 к. с./л. Одним з істотних елементів двигуна є дисковий обертовий золотник, запропонований Д. Циммерманом. Він дозволяє отримати несиметричні фази впуску і вигідну форму впускного тракту: завдяки цьому зростає коефіцієнт наповнення картера. Дисковий золотник виготовляють з тонкої (близько 0,5 мм) листовий пружинної сталі. Оптимальна товщина диска знайдена досвідченим шляхом. Дисковий золотник працює як мебранный клапан, притискаючись до отвору впускного каналу, коли в картері відбувається стиснення горючої суміші. При збільшеної або зменшеної товщині золотника спостерігається прискорений знос диска. Занадто тонкий диск прогинається у бік впускного каналу, що тягне за собою збільшення сили тертя між диском і кришкою картера; збільшена товщина диска також веде до збільшеним втрат на тертя. В результаті доведення конструкції строк служби дискового золотника був збільшений з 3 до 2000 годин.

Дисковий золотник не вносить особливого ускладнення в пристрій двигуна. Золотник встановлюється на валу за допомогою ковзного шпоночного або шліцьового з’єднання, щоб диск міг займати вільне становище і не защемляться у вузькому просторі між стінкою картера і кришкою.

У порівнянні з класичною системою управління впускним вікном нижньою кромкою поршня золотник дає можливість раніше відкрити впускне вікно і довго тримати його відкритим, що сприяє підвищенню потужності як на високих, так і на середніх частотах обертання. При звичайному пристрої газорозподілу раннє відкриття впускного вікна неминуче пов’язано з великим запізненням його закриття: це корисно для отримання максимальної потужності, але пов’язано із зворотним викидом горючої суміші на середніх режимах і відповідним погіршенням характеристики крутного моменту і пускових якостей двигуна.

На двоциліндрових двигунів з паралельними циліндрами дискові золотники встановлюють по кінцях колінчастого вала, що при виступаючих праворуч і ліворуч карбюраторах дає великі габарити по ширині двигуна, збільшує лобову площу мотоцикла і погіршує його зовнішню форму. Для усунення цього недоліку іноді застосовували конструкцію у вигляді двох спарених під кутом одноциліндрових двигунів з загальним картером і повітряним охолодженням («Дербі», Ява).

На відміну від двигуна Ява циліндри спарених двигунів можуть займати вертикальне положення: при цьому потрібно водяне охолодження, так як задній циліндр затуляють переднім. За такою схемою був виготовлений один з гоночних двигунів МЦ 125 см3.

Трициліндровий двигун Suzuki (50 см3, літрова потужність близько 400 л. с./л) з дисковими золотниками по суті складався з об’єднаних в одному блоці трьох одноциліндрових двигунів з самостійними колінчатими валами: два циліндра були горизонтальними. один вертикальним.

Двигуни з золотнинами на впуску конструювалися і чотирициліндрових варіантах. Типовим прикладом можуть служити двигуни Yamaha, виготовлені у вигляді двох спарених шестеренной передачею двоциліндрових двигунів з паралельними циліндрами; одна пара циліндрів розташована горизонтально, друга — під кутом вгору. Двигун 250 см3 розвивав до 75 л. с. а потужність варіанти 125 см3 досягала 44 л. с. при 17 800 об/хв

За аналогічною схемою сконструйований і чотирициліндровий двигун Ява (350 см3, 48×47) з золотниками на впуску, що представляє собою два спарених двоциліндрових двигуна з водяним охолодженням. Він розвиває потужність 72 л. с. при 1300 об /хв. Ще більше потужність чотирициліндрового двигуна «Морбіделлі» класу 350 см3 такого ж типу — 85 л. с.

з Огляду на те, що дискові золотники встановлюються по кінцях колінчастого вала, відбір потужності в багатоциліндрових конструкціях з такою системою впуску зазвичай проводиться через шестерню на середній шийці вала між відсіками картера. При дискових золотниках розглянутого типу збільшення числа циліндрів двигуна понад чотирьох недоцільно, так як подальше парування двоциліндрових двигунів привело б до дуже громіздкої конструкції; навіть в чотирициліндровому виконанні двигун виходить на межі допустимих габаритів.

останнім часом на деяких гоночних двигунах «Ямаха» застосовують автоматичні мембранні клапани у впускному каналі між карбюратором і циліндром (рис. 2, а). Клапан являє собою тонку еластичну пластинку, отгибающуюся під дією розрідження в картері і звільняє прохід для горючої суміші. Щоб уникнути поломки клапанів передбачені обмежувачі їх перебігу. При середніх режимах роботи клапани досить швидко закриваються, щоб попередити зворотний викид горючої суміші, що покращує характеристику крутного моменту двигуна. Такі клапани на основі практичних спостережень можуть нормально функціонувати при швидкісних режимах до 10 000 об/хв. При більш високих числах обертів їх працездатність проблематична.

Газорозподіл двотактних 2Т двигунів

Рис. 2. Мембранні впускні клапани двигуна «Ямаха». а схема пристрою; б -початок наповнення картера; в підсмоктування суміші через клапани на циліндр; 1 — обмежувач; 2 — мембрана; 3 — вікно в поршні

В двигунах з мембранними клапанами для поліпшення наповнення доцільно підтримувати сполучення між впускним каналом і подпоршневым простором або продувним каналом при положенні поршня поблизу М.М.Т. Для цього в стінці поршня з боку впускання передбачають відповідні вікна 3 (рис. 2, б). Мембранні клапани забезпечують додатковий підсос горючої суміші, коли під час продувки в циліндрах і картері утворюється розрідження (рис. 2, в).

Високу потужність розвивають також двотактні двигуни, у яких процесом впуску горючої суміші в картер управляє поршень, як у переважної більшості звичайних двигунів масового виробництва. В основному це відноситься до двигунів робочим об’ємом 250 см3 і більше. Прикладами можуть служити мотоцикли «Ямаха» і «Харлей-Давідсон» (250 см3 — 60 л. с.;

350 см3 — 70 л. с.), а також мотоцикл «Сузукі» з двоциліндровим двигуном класу 500 см3 потужністю 75 л. с. посів перше місце в гонці Т. Т. ( Турист Трофі ) 1973 року. Форсування цих двигунів здійснюється так само, як і у випадку використання дискових золотників, ретельної конструктивної опрацюванням органів газорозподілу і на основі вивчення взаємного впливу впускного і випускного трактів.

Двотактні двигуни незалежно від системи управління впуском мають випрямлену форму впускного тракту, який спрямований у подпоршневое простір, куди поступає горюча суміш; по відношенню до осі циліндра впускний тракт може бути перпендикулярним або з нахилом знизу нагору або зверху вниз. Така форма впускного тракту сприятлива для використання ефекту резонансного наддуву. Потік пальної суміші у впускному тракті безперервно пульсує, причому в ньому виникають хвилі розрідження і підвищеного тиску. Налаштування впускного тракту за рахунок підбору його розмірів (довжини і прохідних перетинів) дозволяє забезпечити в певному інтервалі чисел оборотів закриття впускного вікна в момент входу в картер хвилі підвищеного тиску, що збільшує коефіцієнт наповнення і підвищує потужність двигуна.

При значеннях коефіцієнта наповнення картера, що перевищують одиницю, двотактний двигун мав би розвивати вдвічі більшу потужність в порівнянні з чотиритактним. У дійсності цього не відбувається внаслідок суттєвих втрат свіжої суміші в вихлоп н перемішування надійшла в циліндр заряду з залишковими газами від попереднього робочого циклу. Недосконалість робочого циклу двотактного двигуна обумовлено одночасним протіканням процесів наповнення циліндра і його очищення від продуктів згоряння, тоді як в чотиритактному двигуні ці процеси розділені в часі.

Процеси газообміну в двотактному двигуні відрізняються великою складністю і досі погано піддаються розрахунку. Тому форсування двигунів ведеться, головним чином, шляхом експериментального підбору співвідношень і розмірів конструктивних елементів органів газорозподілу від впускного патрубка карбюратора до кінцевого патрубка вихлопної труби. Згодом був накопичений великий досвід по форсуванню двотактних двигунів, описаний в різних дослідженнях.

У перших конструкціях гоночних двигунів МЦ була використана зворотньо-петльові продування типу «Шнюрле» з двома продувними каналами. Значне поліпшення потужностних показників було отримано завдяки додаванню третього продувочного каналу (див. рис. 1), розташованого спереду навпроти випускних вікон. Для перепуску через цей канал на поршні передбачене спеціальне вікно. Додатковий продувний канал усунув освіта подушки гарячих газів під дном поршня. Завдяки цьому каналу вдалося збільшити наповнення циліндра, поліпшити охолодження і змащення свіжою сумішшю голчастого підшипника верхньої головки шатуна, а також полегшити температурний режим роботи дна поршня. В результаті потужність двигуна підвищилася на 10 відсотків, а прогари поршнів і поломки підшипника верхньої головки шатуна були усунені.

Якість продувки залежить від ступеня стиснення горючої суміші в картері; на гоночних двигунах цей параметр витримується в межах 1,45 — 1,65, що вимагає досить компактній конструкції кривошипно-шатунного механізму.

Отримання високих літрових потужностей можливе за рахунок широких фаз розподілу і великої ширини газорозподільних вікон.

Ширина вікон гоночних двигунів, виміряна центральним кутом у поперечному перерізі циліндра, досягає 80 — 90 градусів, що створює важкі умови роботи для поршневих кілець. Зате при такій ширині вікон в сучасних двигунах обходяться без схильних до перегріву перемичок. Збільшення висоти продувних вікон зрушує максимальний крутний момент в область більш низького числа обертів, а збільшення висоти випускних вікон створює зворотний ефект.

Газорозподіл двотактних 2Т двигунів

Рис. 3. Системи продувки: а — з третім продувним вікном, б — з двома додатковими продувними каналами; в з разветвляющимися продувними каналами.

Система продувки з третім додатковим продувним каналом (див. рис. 1) зручна для двигунів з золотником, у яких впускний канал розташований збоку, а зона циліндра навпаки випускного вікна вільна для розміщення в ній продувочного вікна; останнє може мати перемичку, як показано на рис. 3, а. Додаткове продувочное вікно сприяє утворенню потоку пальної суміші, що обгинає порожнину циліндра (петльові продування). Досить істотне значення для ефективності процесу газообміну мають кути входу продувних каналів; від них залежать форма і напрямок потоку суміші в циліндрі. Горизонтальний кут а, коливається в межах 50 — 60 градусів, причому більше значення відповідає більш високому форсування двигуна. Вертикальний кут a2, дорівнює 45 — 50 градусів. відношення перерізів додаткового та основного продувних вікон становить близько 0,4.

На двигунах без золотника карбюратори і впускні вікна, як правило, розташовані на задній стороні циліндрів. В цьому випадку зазвичай застосовують іншу систему продувки — з двома додатковими бічними продувними каналами (рис. 3,б). Горизонтальний кут входу, (див. рис. 3,а) додаткових каналів близько 90 градусів. Вертикальний кут входу продувних наналов коливається для різних моделей в досить широких межах: моделі «Ямаха» ТД2 класу 250 см3 він становить для головних продувних каналів 15 градусів, а для додаткових — 0 градусів; на моделі «Ямаха» ТД2 класу 350 см3 відповідно 0 і 45 градусів.

Іноді застосовується варіант цієї системи продувки з разветвляющимися продувними каналами (рис. 3,в). Додаткові продувні вікна розташовані навпроти випускного вікна, і, отже, такий пристрій наближається до першої з розглянутих систем, що має три вікна. Вертикальний кут входу додаткових продувних каналів 45 — 50 градусів. Відношення перерізів додаткових та основних продувних вікон також близько 0,4.

Газорозподіл двотактних 2Т двигунів

Рис. 4. Схеми руху газів в циліндрі: а — з разветвляющимися ка наламі; б — з паралельними.

На рис. 4 показані схеми руху газів в циліндрі під час процесу продувки. При гострому куті входу додаткових продувних каналів надходить із них потік свіжої суміші видаляє клубок відпрацьованих газів в середині циліндра, не захоплюваних потоком суміші з основних продувних каналів. Можливі й інші варіанти систем продувки за кількістю продувних вікон.

Слід зауважити, що на багатьох двигунах тривалість відкриття додаткових продувних вікон на 2 — 3 градуси менше, ніж в основних.

На деяких двигунах «Ямаха» додаткові продувні канали були виконані у вигляді жолобків на внутрішній поверхні циліндра; внутрішньою стінкою каналу є тут стінка поршня при його положеннях поблизу від Н.М.Т.

На процесі продувки позначається і профіль продувних каналів. Плавна форма без різких вигинів дає менші перепади тиску та покращує показники роботи двигуна, особливо на проміжних режимах.

Наведені в цьому розділі відомості показують, що двотактні двигуни виділяються простотою свого пристрою.

Підвищення питомої потужності двигунів цього типу протягом останнього десятиліття не супроводжувалося якимись суттєвими змінами базової конструкції; воно стало наслідком ретельного експериментального підбору співвідношень і розмірів раніше відомих конструктивних елементів.

Короткий опис статті: двотактний двигун

Джерело: Газорозподіл двотактних 2Т двигунів

Також ви можете прочитати