Народного хозяйства и государственной службы 10 страница

Для глушения шума впуска применяют простейшие глушители, объем которых равен приблизительно 10-кратному объему цилиндра. Внутри глушителей помещают воздушные фильтры, корпусы изготов­ляют из пластмассы (глушитель шума впуска мотоцикла ЯВА-250, рис. 150).

Глава XIV

ПОВЫШЕНИЕ МОЩНОСТИ ДВУХТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Теория и практика использования газодинамических явлений в цилиндре и смежных системах для повышения мощности двухтактных мотоциклетных двигателей в последние годы достигли высокого уровни. Мощность двухтактных двигателей дорожных мотоциклов за последние 10 лет повысилась почти вдвое: литровая мощность современного двухтактного двигателя с рабочим объемом 50 см* дости­гает 100 л.с it. двигателей гоночных мотоциклов достигает 300 л.с./л.

Такие значения мощности получают за счет снижения коэффициен­тов прямого и обратного выброса, а также повышения коэффициен­та наполнения t)p до значений, превышающих единицу, прем ис­пользования колебательных процессов в смежных системах (впуска и выпуска). Повышение коэффициента i\_v за счет колебаний давления в смежных системах называется резонансным наддувом, а использо­вание этих газодинамических явлений с целью улучшения очистки и наполнения цилиндра путем наиболее целесообразных геометри­ческих размеров смежных систем называется настройкой.

Мощность двухтактного двигателя зависит от многих факторов — степени сжатия в цилиндре, фаз газораспределения, площади се­чения окон цилиндра, формы продувочных каналов, формы камеры сгорания и др. Однако, как показывает опыт ВНИМмотопрома, при прочих равных условиях за счет одной настройки смежных систем можно повысить мощность двигателя на 30—70%. Ниже рассмотрены процессы впуска, выпуска и продувки с точки зрения повышения мощ­ности двигателей.

§ 75. впуск

Рассмотрим процессы, происходящие при наполнении кривошип­ной камеры.

На рис. 151 схематически показана система, состоящая из криво­шипной камеры с объемом V_K, присоединенного к ней патрубка дли­ной L, и сечением F, и глушители шума впуска с воздухоочистителем. В момент открытия впускного окна в этой системе возникает импульс, вызывающий колебании скоростей и давлений газов.

23а

При движении поршня к в. м. т. объем кривошипной камеры увеличивается, в ней создается разрежение, равное примерно 0,3 кПсм*. Под влиянием имеющейся разности давлений в момент открытия впускного окна объем газов, заполняющих впускную трубу и глушитель впуска, устремляется в кривошипную камеру. Скорость газового потока увеличивается, разрежение в кривошипной камере уменьшается до нуля, под действием кинетической энергии газовый поток продолжает движение в кривошипную камеру, создавая в ней избыточное давление. В случае отсутствия сопротивлений в системе впуска это избыточное давление достигает величины разрежения, т. е. приблизительно 0,3 кГ/смИз-за наличия сопротивлений вели­чина избыточного давления снижается в зависимости от конструктивного испол­нения впускного трубопро­вода и окон до 35—70*о величины разрежения. Пос­ле того, как в кривошип­ной камере избыточное давление достигнет макси­мальной величины, если впускное окно еще открыто, газовый поток может изме­нить направление движе­ния и выходить из криво­шипной камеры наружу. В момент, когда давление в кривошипной камере ста­новится равным атмосфер­ному, скорость обратного газового потока достигает максимальной величины; далее, под дей­ствием кинетической энергии движение газового потока продол­жается, и в кривошипной камере создается разрежение; затем процесс повторяется. Под влиянием сопротивлений в системе эти колебания затухают. Время, в течение которого происходит одно колебание, называется периодом колебания.

Процесс рассматривался в предположении, что поршень остается неподвижным, а впускное окно открытым. Для улучшения наполне­нии кривошипной камеры впускное окно следует закрыть в тот мо­мент, когда в ней создается максимальное избыточное давление, или, иными словами, для этого необходимо, чтобы время открытия окна численно равнялось бы половике периода колебаний газов в системе.

Ввиду того, что время открытия окна. т. е. фаза впуска, завися­щая от его высоты, выбирается из условий достижения необходи­мого времени-сечения, при настройке системы подбирают колеба­ния впуска. Нужно заметить, что частота (а значит, и период) коле­бания зависит от геометрических размеров элементов системы и ско­
рости звукам не зависит от чисел оборотов двигателя, а время откры­тия впускного окна зависит от числа оборотов. Таким образом сов­падение времени открытия впускного окна и пат у пер иода колебании газового столба может наступить тать ко при определенном числе обо­ротов двигателя.

Принципиальный смысл настройки впускной системы заключается в том, чтобы путем подбора геометрических размеров создать такую частоту катебання газового потока, которая при заданном желатель­ном числе оборотов и заданной фазе впуска давала бы наилучшее на- патненне кривошипной камеры.

В действительности настройка улучшает напатненне в некотором сравнительно широком диапазоне чисел оборотов, что объясняется явлением затухания катебаний, негюльзоваиием гармоник высших порядков и влиянием систем продувки и выпуска.

Период катебания впуска определяется:

1. Общим объемом V_k кривошипной камеры (при патоженнн порш­ня в в. м. т.) в см*.

2. Длиной впускной системы L_tt (от входного отверстия расшири­тельного насадка карбюратора до впускного окна цилиндра) в см. Влияние объема глушителя шума впуска учитывают эквивалентной длиной L,.

3. Средней площадью поперечного сечения F_tt впускной системы в смР. I

4. Диаметром d_l{ круга с площадью, равной площади впускного окна, в см.

5. Скоростью звука, которая остается постоянной; с =* = 33 ООО см/сек.

При увеличении объема V_K уменьшается частота катебання и соот­ветственно лучшее наполнение камеры происходит в области более низких чисел оборотов. При увеличении параметров F_tt и d,_t частота колебаний повышается, а при увеличении L_lf — снижается.

лЗ

Формула частоты колебания впуска имеет следующий вид:

с

Частоту катебаннядля числа оборотов п и угла впуска a_tt, соответ­ствующую половине периода колебания, можно выразить другой фор-

мулой:

. п-360

< ⁼ ^

откуда

Ctf С

atf 1760

Решая последнее уравнение относительно L_tc, получим наивыгод­нейшее значение длины впускной трубы

/3065000а;_с 1 \

На рис. 152 даны две кривые среднего эффективного давления р, прн различных длинах L_le. nai ученные при настройке впускной системы двухтактного двигателя с рабочим объемом 125 см\ При уве­личении длины L_tt от 140 до 240 мм верши­на кривой Рг сдвигается в сторону уменьшения числа оборотов (до 4200 в минуту); давление р, увеличивается на 18— 25% в зоне чисел оборо­тов 3000—4000 в минуту.

Величина площади проходного сечения диф­фузора карбюратора вы­бирается аналогичной площади проходного сечения диффузора существующих двигателей и в процессе доводки конструкции опыт­ного образца корректируется.

В существующих двухтактных серийных двигателях величина пло­щади проходного сечения диффузора карбюратора, отнесенная к 100 см³ рабочего объема двига­теля, колеблется в довольно широких пределах (см. ниже).

Площадь сечения впускной трубы за карбюратором прини­мают равной 1,1 F_K, площадь се­чения впускного окна (1,25— 1.4) F_K, учитывая, что окно от­крыто полностью только в тече­ние малой части общей продол­жительности открытия окна.

р, я Г/см* 1000 5000 ЯЮ0 5000 ННЮпо6/*и* Рис. 152. Характеристики двигателя при раз­личной длине впускной системы:

I - LK - а«0 юг. i — LM - НО мм

Дмгател*	Площадь поперечного сечгмн» дм+- Фуюр» «»р- бюратора FK Ш см*/ем?
Май ко-175	3.03 ~й5о
1U-55 Крайдлер Виктория ДКВ Сакс	loo" 1 4.54 1 "нхГ
Цюндапп
Кроссовых мотоциклов	~П»
Гоночных мотоциклов	м 100

Наибольшая ширина впуск­ного окна (по хорде) не должна превышать 65?® диаметра ци­линдра, так как при больших значениях ширины поршневые кольца повреждаютси кромками окна. Дли улучшения условий работы поршневых колец ре­комендуется делать радиусы за­круглений в углах окон окаю 10% диаметра цилиндра, но не менее 5 мм.

Большое сопротивление потоку свежей смесн оказывает кромка поршни, которая за все время открытия окна перекрывает часть его сечения. Чтобы ослабить вредное влияние кромки поршня, сле­дует высоту окна делать такой, чтобы на некоторую часть хода кром­ка поршня уходила за верхнюю кромку окна.

Большое внимание следует уделять форме насадка карбюратора или, что то же, форме входа впускной трубы в глушитель впуска, так как в этом месте может создаться большое сопротивление, если нет расширения или если расширение выполнено с малым закругле­нием.

Перспективным для улучшения наполнения кривошипной камеры является использование дискового золотника на впуске, впервые при­мененного заводом Mz и конструктором лодочных двигателей Цим­мерманом (ГДР). Эта конструкция позволяет осуществить несиммет­ричную относительно н. м. т. фазу впуска и тем самым уменьшить обратный выброс. Кроме того, золотник уменьшает сопротивление потоку, потому что при его применении можно осуществить боль­шое проходное сечение, которое будет полностью открыто в течение 50?о периода открытия.

§ 76. ПРОДУВКА /

Заряд свежей горючей смеси, поступивший в кривошипную ка­меру, должен попасть через продувочные каналы и окна в рабочее пространство цилиндра, вытесняя оттуда отработавшие газы. Про­цесс продувки очень влияет на мощ­ность двигателя. Он зависит от вре- менн-сечении открытия продувочных окон, т. е. от их высоты и ширины; площади Поперечного сечения проду­вочных каналов, их длины, и углов входа продувочных струй в цилиндр.

Многие заводы проводили экспе­рименты по подбору наивыгоднейших углов входа продувочных каналов в цилиндр и в настоящее время наи­более благоприятным считаем угол, образованный стенками канала с осью симметрии горизонтального сечения цилиндра (рис. 153), равный 55—60°, т. е. общий угол между направления­ми входящих продувочных потоков должен быть равным 110—120°.

Рис. 153. Наиболее благоприят­ные угли входа продувочных - каналов

В вертикальной плоскости продувочные каналы направляют вверх под углом 10—15°. В этом случае потоки свежей смесн направ­ляются сначала к задней стенке цилиндра, затем вверх до камеры сжатия, омывают свечу зажигания, поворачивают вниз и, вытеснив

Ркс. 154. Направление продувочных потоков и цилиндре:

а — исправил!.кос. 6 — пр«»м|.ное

давлением

отработавшие газы из всего объема цилиндра, достигают выпускных окон.

В том случае, если углы входа продувочных каналов выбраны неправильно (рис. 154), часть смеси уже в начальной стадии про­дувки может попасть в выпускное окно, объем цилиндра плохо очистится от отработавших газов; в нем образуется не- продутая зона, а струн све­жей смеси, прижимаясь к стенкам цилиндра, попадают в выпускное окно. Все это приводит к увеличению пря­мого выброса, увеличению расхода топлива и уменьше­нию мощности.

Очень большое значение для правильного процесса продувки имеет симметрич­ность продувочных окон и умов входа продувочных ка­налов относительно выпуск­ного окна/

На рис. 155 изображены правильно н неправильно вы­полненные продувочные ка­налы. Несимметричность вхо­дящих в цилиндр потоков приводит к появлению зави­хрений и интенсивному пере­мешиванию свежей смеси с отработавшими газами, в ре­зультате чего увеличивается прямой выброс и коэффи­циент остаточных газов.

Чтобы добиться достаточ­ной точности изготовления продувочных каналов и окон, в чугунных цилиндрах при­меняют ручную обработку. В алюминиевых цилиндрах принимают меры для того, чтобы можно было их отливать под давлением (рис. 156) в металлические формы, обеспечивающие достаточную точность, или в конструкцию цилин­дра вводят крышки продувочных каналов, которые позволяют при­менить механическую обработку.

Рис. 157. Цилиндр двигателя Цюндапп с вкладышами, позволяющими выполнить «отдаленные» продувочные каналы литьем под давлением:

а — первый мрш«шг. 6 — «торой мриав*

На рис. 157 изображена оригинальная конструкция цилиндра двигателя мотоцикла Цюндапп-50, которая позволяет выполнить «отдаленные» продувочные каналы литьем в пресс-форму. Для этого
имеется вкладыш /, изготовленный отдельно и вставленный в тез- до цилиндра 2. Продувочный канал образуется поверхностями ци­линдра и вкладыша. Зеркало цилиндра покрыто хромом. Другой возможный вариант вкладыша дан на рис. 157, б. Вкладыш 3 встав­ляется в гнездо после запрессовки чугунной гильзы 4.

Эффективность продувки цилиндра зависит не только от направ­ления и формы продувочных каналов, но в большей мере также от скорости продувочных потоков, которая зависит от разности дав­ления в кривошипной камере н цилиндре во время открытия про­дувочных окон, определяемой степенью сжатия в картере (зна­чения е₄, принятые в современных двигателях, приведены выше).

Как было сказано, продувка зависит при прочих равных ус­ловиях и от длины продувочных каналов. В системе, состоящей из кривошипной камеры и продувочных каналов, в тот момент, когда поршень находится в н. м. т., во время продувки возникают ко­лебания. частота которых зависит от геометрических размеров час­тей этой системы.

Формула частоты собственных колебаний системы продувки имеет вид

где С| — скорость звука в продувочном канале; ее прини­

мают равной 38 ООО см/сек, т. е. выше, чем в си­стеме впуска ввиду более высокой температуры; — объем кривошипной камеры в н. м. т. без проду­вочных каналов в си³;

1„_р — средняя длина продувочного канала в см;

F,_П| — средняя площадь поперечного сечения продувоч­ного канала в см*\ Ь„_г н h„_p — ширина н высота среднего поперечного сечения продувочного каната в см.

Выражение 0,187 {b_ap -f h_np) представляет собой поправку, учитывающую влияние входной части продувочного канала.

Как и при впуске, время продувки должно быть равно поло­вине катебання — тогда в цилиндре остается наибольшее количест­во свежей смеси. Если время продувки больше половины периода — начинается движение смеси из цилиндра в кривошипную камеру.

Частота катебання, которая необходима для правильного ис­пользования фазы продувки а, и числа оборотов я,, имеет такую же величину, как частота катебання для впуска, т. е.

Число оборотов двигателя для лучшего наполнения цилиндра при заданных размерах продувочных канатов и необходимая длина

продувочных каналов при заданных paiaepax а„ V„,, Fm„n рассчи­тываются по формулам: -0.187(4., + V

^v "*------ - 0,187 (f>_v + h_v).

Нужно заметить, что попытки настроить продувочную систему на половину периода приводят к такому увеличению длины н объема этих каналов, что выполнить такую конструкцию невозможно. Кроме того, влияние колебательных явлений в выпускной системе и цилиндре значительно искажает сравнительно слабые колебания продувочной системы. Систему продувки можно настроить не на ■j- периода, а на I j периода, причем такаяпаст ройка имеет опре­деленный практический смысл.

При настройке на I '₂ периода колебаний в зависимости от зна­чений и, и л

а средняя длина продувочного канала

, 903 000а?F_Mt

В этом случае средняя длина продувочного канала получается в 9 раз меньше, чем при настройке продувочной системы на пе­риода.

Увеличение длины продувочных каналов по сравнению со сред­ними значениями, принятыми в современных двухтактных двига­телях, полезно как с точки зрения настройки на I периода, так и в целях увеличения радиуса поворота канала к окну для уменьше­ния сопротивления и лучшего направления продувочных струй при выходе нз окон. В соответствии с этими соображениями стали при­менять цилиндры с так называемой «отдаленной» продувкой, т. е. с продувочными каналами, напоминающими своей формой ручку чайника.

На процесс продувки определенное влияние оказывает форма камеры сгорания. В современных двигателях поверхность головки цилиндра выполняется сферами двух радиусов, причем малая сфера, представляющая собственно камеру сгорания, смещается в сторону выпускного окна, МО

§ 77. выпуск

Выпускная система двухтактного мотоциклетного двигателя (рис. 158) состоит из цилиндра 1, выпускной трубы 2, прямого ко­нуса 3, цилиндрической части глушителя 4. обратного конуса 5 и глушащей части 6, имеющей ряд перегородок, отверстий и тру­бок. Часть выпускной системы от выпускного окна цилиндра до малого отверстия обратного конуса можно назвать мощностной частью, настройка которой оказывает наибольшее влияние на мощ­ность двигателя. Необходимо, однако, заметить, что глушащая часть также может оказывать заметное влияние на мощность.

Истечение газов из цилиндра сопровождается возникновением волн давления и скорости как в самом цилиндре, так и в системе выпуска. При истечении в цилиндре образуется разрежение, а в выпускной системе — волна избыточного давления (сжатия). Эф-

Ряс. 158. Выпускная система: I — иоткостяая ч*стк II — глуитц»* честь

фскты влияния ускоренных масс н колебания давления в выпуск- нон системе представляют собой два различных явления, однако они тесно связаны между собой. Первый эффект основан на том, что газовый поток, приобретя в момент открытия выпускного окна некоторое ускорение, обеспечивает за счет сил инерции добавочное движение газа даже тогда, когда перепад давлений, вызывающий это ускорение, меняет свой знак. За счет этого в цилиндре перед выпускным окном может появиться разрежение. Второй эффект — колебание давлений оказывает влияние на дальнейшие явления, происходящие в цилиндре и системе выпуска. При настройке вы­пускной системы мотоциклетных двигателей колебания давлений имеют очень важное значение.

Если к выпускному патрубку присоединена прямая труба, оканчивающаяся отверстием того же или большего диаметра, то волна давления, дойдя до конца трубы, отражается от него в виде волны разрежения, двигающейся со скоростью звука в обратном направлении, т. е. к цилиндру. Скорость звука, зависящую от температуры газа, для выпускной системы принимают равной 600 м/сек. В том случае, если выпускная труба оканчивается стен­кой с отверстием меньшего диаметра, ваша давления отражается
от этой стенки в виде волны избыточного давления, перемещающейся к цилиндру.

В результате сложения отраженной ваты с ватной разрежения, вызванной влиянием ускорения масс газа при их истечении, уве­личивается разрежение в цилиндре, что улучшает очистку его от отработавших газов и поступление свежей смеси из кривошипной камеры. Однако при этом часть заряда свежей смеси выходит через

выпускное окно в трубу. Как показали исследова­ния, отраженная ватна давления выталкивает эту часть заряда обратно в цилиндр, если выпускное окно еще остается откры­тым. На рис. 159, а пока­зана диаграмма давления у выпускного окна в за­висимости от угла поворота кривошипа. Точка / соот­ветствует началу открытия выпускного окна. Давле­ние вблизи выпускного окна сначала начинает рез­ко возрастать, затем, до­стигнув максимума, падает и у и. м. т. имеет отрица­тельную величину; далее постепенно давление снова начинает расти и после точки 3. соответствующей закрытию продувочных окон, опять становится по­ложительным. В точке •/ выпускное окно закрывается, а давление перед окном начинает падать. Так выглядит диаграмма давления у окна в случае идеаль­ной настройки выпускной системы. На протяжении почти всего периода продувки, т. е. между точками 2 и 3, имеется разре­жение, способствующее отсасыванию отработавших газов из ци­линдра. уменьшению коэффициента остаточных газов и увеличе­нию коэффициента напатнения за счет увеличении разности дав­лений в кривошипной камере и цилиндре.

После закрытия продувочного окна начинается действие отра­женной ватны избыточного давления и дозарядка цилиндра за счет свежей смеси, попавшей в выпускную трубу, т. е. дальнейшее уве­личение коэффициента напатнения.

Pf 1 2 Нпт 3 * . —/.__________ L_ I— г                   \           /       V                 ч S.     /                       р, яГ/сп*                                                                             s                                     ю» w» го to ю so 90 1<Юа

Рнс. 159. Диаграмма давления у выпускного окна:

6)

а — npiiuuiia иастройка: 6 — аепраавльмаи ■ «строЯ на

На рис. 159, б показана диаграмма давлений у выпускного окна при неудачной настройке выпускной системы. На протяжении про- 242

			>
/С'
%		V
	✓
		-V

Рис. 160. Скоростные характери­стики донгателя с рабочим объе­мом 175 см®:

цосса продувки имеется избыточное давление, препятствующее вы­ходу отработавших газов, а между моментами закрытия проду­вочных окон (точка 3) и закрытия выпускного окна (точка 4) имеется разрежение, способствующее истечению части заряда свежей смеси в выпускную систему, т. е. увеличению коэффициента прямого вы­броса. Время прихода отраженных ват разрежения и избыточного давления зависит от скорости звука и длины частей выпускной системы и не зависит от числа обо­ротов. Время открытия выпускного окна дли данного двигателя зависит от числа оборотов. Таким образом настройка выпускной системы позво­ляет увеличить мощность двигателя татько в некотором узком диапазоне

4000 п oi/ми*

		1 л.
0=e<EZt>..	/	' г-
				/
		/
		у

Рис. 161. Влияние длины обратного кону­са на мощность донгателя U1-SSC: I - 1М - 2М> J — f„ — IИ мм

чисел оборотов. Маркс. 160 даны скоростные характеристики двига­теля с рабочим объемом 175 см³, напученные в лаборатории ВНИМмотопром. Сплошной линией обозначены значения мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива прн работе дви­гателя без выпускной системы. Штриховыми линиями даны значения тех же величин прн работе двигателя с подобранной выпускной системой. Прирост крутящего момента и мощности иаблюдаетси в интервале чисел оборотов 3600—5000 в минуту, причем мощность возросла на 2,5 л. е., т. е. на 23%. Интересно отметить, что удель­ный расход горючего снизился почти па 25% на всех скоростных режимах.

Назначение прямого конуса 3 (см. рис. 158) состоит в том, чтобы создать отраженные ватны разрежении, а обратного конуса 5 —

волны избыточного давления. Подбирая длину самих конусов и их положение относительно выпускного окна путем изменения длины трубы 2 и цилиндрической части 4. производят настройку системы. Увеличение длины всех элементов снижает число оборо­тов максимальной мощности; уменьшение длины выпускной сис­темы приводит к увеличению числа оборотов.

На рис. 161 показано влияние длины 1_ок обратного конуса на мощность спортивного двигателя с рабочим объемом 50 см*. При уве­личении длины обратного конуса с 150 до 250 мм число оборотов, соответствующее максимальной мощности, уменьшилось с 9400 до 8650 в минуту, а мощность двигателя на всем протяжении ско­ростной характеристики увеличилась от 1 до 1,5 л. е., т. е. примерно на 12—17%. При этом снижение максимальной мощности составило всего 0,25 л. с.