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.

Круговая диаграмма фаз газораспределения 4-тактного двигателя

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.

Полная диаграмма впуска (выпуска): миллиметры подъема клапана по углу поворота коленчатого вала

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.

Двигаем неизменную диаграмму впуска на «позже-позже»: фазовращение

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…

Классический хондовский механизм VTEC: 3 кулачка на пару клапанов. Центральный кулачок «широкий», 2 боковых (для симметрии) – «узкие». Блокировка коромысел поршеньком дает широкие фазы впуска (выпуска)

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.

Две неодинаковые диаграммы впуска у одного и того же мотора

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.

Бесступенчатое варьирование диаграммы впуска (изменяется ширина основания): баварский Valvetronic. Обратите внимание: схема механизма показана неправильно – он не сможет работать. Фирменная пресс-служба… max = 9,5 mm; min = 0,2 mm

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.

Электромагнитный клапанный механизм (Valeo): безграничные возможности 1 – шайбы; 2 – электромагнит; 3 – пластина; 4 – клапан; 5 – пружины; 6 – сжатие; 7 – растяжение

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…

Фазы газораспределения четырехтактных двигателей.
Дайджест от Михаила Сорокина (aka Sharoka)

Выпускной клапан начинает открываться в конце процесса расширения с опережением относительно НМТ на угол Фо.в ~30 –75 град. И закрывается после ВМТ с запаздыванием на угол Фз.в, когда поршень движется в такте наполнения к НМТ. Начало открытия и закрытие впускного клапана также сдвинуты относительно мертвых точек: открытие начинается до ВМТ с опережением на угол Фо.вп, а закрытие происходит после НМТ с запаздыванием на угол Фз.вп в начале такта сжатия. Большая часть процессов выпуска и наполнения протекает раздельно, но около ВМТ впускной и выпускной клапаны открыты одновременно. Продолжительность перекрытия клапанов невелика у поршневых двигателей. Общая продолжительность газообмена составляет 400 –520 град. , у высокооборотных двигателей она больше.

Периоды газообмена.

Периоды газообмена различают, руководствуясь величиной направления и скорости во впускных или выпускных клапанах и направлением движения поршня.

Свободный выпуск. От начала открытия выпускного клапана до НМТ продолжается свободный выпуск. Истечение газов из цилиндра при увеличении его объема происходит следствии того, что давление в начале выпуска и вплоть до НМТ выше, чем в выпускном патрубке. Температура газов в цилиндре в начале такта выпуска 1300 –700 град. Скорость истечения газов 720 –550 м/сек. В НМТ температура и скорость понижаются до значений, характерных для принудительного выпуска.

Принудительный выпуск. Продолжается от НМТ до ВМТ.
Средняя скорость в клапанной щели 80 –250 м/с. Давление в цилиндре в начале открытия впускного клапана выше давления во впускном трубопроводе, продукты сгорания вытекают одновременно через выпускной клапан и открывающийся впускной клапан, происходит так называемый заброс продуктов сгорания во впускной трубопровод. Заброс продолжается и после ВМТ. Поэтому наполнение начинается с запаздыванием.

Наполнение. От ВМТ до НМТ происходит наполнение. Скорость в клапанной щели 80 –200 м/с.

Дозарядка. Поле НМТ – при перемещении поршня в направлении ВМТ в такте сжатия – давление в цилиндре остается некоторое время меньше давления перед впускным клапаном, несмотря на уменьшение объема цилиндра

Процессы воспламенения и горения

Окислительные процессы являются процессами перемещения электронов с орбит атомов или ионов окисляющегося вещества на орбиты атомов или ионов окислителя. Для такого перемещения электронов необходима энергия, которая подводится к молекулам в начале реакции в виде кинетической энергии при соударениях. Число соударений и их энергия зависят от концентрации реагентов в смеси и температуры и могут быть определены для гомогенных и гетерогенных смесей из законов молекулярной физики.

Развитию теории окисления углеводородов положила начало перекисная теория окисления, предложенная А. Н. Бахом в 1897 г. по которой окисление происходит через промежуточные образования перекисей, обладающих большей окислительной способностью, чем молекулярный кислород.

Предложенная в 1903 г. гидроскиляционная теория была заметным началом в познании последовательности промежуточных реакций. Согласно этой теории, на некоторой стадии происходит распад молекул кислорода на атомы и внедрение последних между атомами углерода и водорода углеводородов с образованием молекул, содержащих группу ОН и ускоряющих окислительные процессы.

Н. Н. Семеновым в 1927 г. была высказана идея о возможности цепных реакций (существование которых было обнаружено В. Нернстом в 1919 г.) при окислении углеводородов. Эта идея была развита впоследствии в стройную теорию цепных окислительных процессов, объясняющую процессы воспламенения и сгорания топлив и объединившую в себе перекисную и гндроксиляцнонную теории.

Согласно этой теории, окисление идет через последовательность промежуточных реакций образования промежуточных продуктов, осуществляющих переход реагирующей системы от исходного состояния к конечным продуктам. Такими промежуточными продуктами могут быть перекиси, молекулы и их «осколки» с группой ОН, атомы водорода и кислорода, свободные радикалы ОН, СН, СН2 . Наиболее химически активные из них (атомы, радикалы) играют очень важную роль активных центров реакций: появление одного из них может повлечь за собой лавинообразную массу превращений в реагирующей системе, в которых участвуют конечные продукты окисления и менее активные насыщенные молекулы углеводородокислородных соединений (альдегиды, спирты, аминокислоты), способствующие образованию все новых активных центров.

В зависимости от условий в зоне реакции может развиваться неразветвленная или разветвленная цепная реакция . В первом случае вместо одного активного центра образуется один новый, и реакция идет до тех пор, пока не израсходуются реагенты или реакция не оборвется в результате местных неблагоприятных условии (мало число соударений активных частиц промежуточных продуктов из-за малой концентрации реагентов или пониженной температуры, замедляющее каталитическое действие некоторых реагентов, стенок камеры сгорания).

Во втором случае в результате реакции в одном активном центре могут образоваться два или больше новых активных центров; как следствие, реакция окисления саморазгоняется, несмотря на то, что концентрации реагентов уже начали убывать. Процесс ускоряется, так как возрастают энергия соударений и в результате дробления молекул – число центров реакций. При разветвленной цепной реакции скорость сгорания могла бы быстро увеличиться до бесконечности. Однако этого не происходит, так как часть ответвлений в реакции обрывается (главным образом около стенок камеры сгорания), а число частиц, вступающих в реакцию, уменьшается по мере расходования смеси. Достигнув максимальной величины, скорость реакции начнет уменьшаться.

После того как в реакцию вступит достаточно много молекул, отвод теплоты от заряда в стенки и на испарение топлива будет компенсироваться выделяющейся теплотой окисления (момент теплового равновесия) и в камере установится так называемая критическая температура Гкр, или температура воспламенения смеси, по достижении которой начинается быстрое общее повышение температуры и давления. Момент теплового равновесия можно заметить, если индикатором давления записать сначала изменение давления в камере без впрыска топлива, а затем при впрыске.

При записи давлений достаточно чувствительным датчиком можно заметить, что после точки, в которой начался впрыск топлива, линия давлений сначала пойдет ниже линии сжатия без впрыска топлива, а затем в точке 2 пересечет линию сжатия и быстро начнет подниматься. Отставание линии давления в начале впрыска объясняется затратой теплоты на прогрев и испарение капель впрыснутого топлива; если датчик давлений не очень чувствителен, то разность давлений в камере при впрыске топлива и без него можно не заметить, так как они сольются в одну линию. Однако в некоторый момент времени соответствующий точке 2 . линии разойдутся. Можно, следовательно, отметить существование скрытого периода окислительных процессов между точками 1 и 2 , когда сгорание как бы отсутствует или запаздывает по сравнению с подачей топлива. Этот период называют периодом индукции или периодом задержки воспламенения топлива и обозначают Тi (в секундах) или Фi (в градусах).

Измеренный по индикаторной диаграмме угол Фi будет зависеть от чувствительности датчика давлений: чем он чувствительнее и чем точнее записывающая часть индикатора зафиксирует сигнал датчика, тем меньше окажется угол Фi и тем точнее он будет определен. Ясно, что угол Фi зависит от физико-химических свойств топлива и условий paзвития окислительных процессов в камере. Более глубокое изучение процессов в период самовоспламенения топлива с использованием химических, оптических и ионных методов позволило установить, что в цепочно-тепловой теории воспламенения при различных условиях могут преобладать цепочные или тепловые процессы, вследствие чего А. С. Соколиком были выдвинуты гипотезы низкотемпературного многостадийного к высокотемпературного одностадийного воспламенения.

Согласно теории низкотемпературного воспламенения сначала в камере развиваются предпламенные окислительные процессы с образованием промежуточных продуктов в достаточно большом объеме смеси. Теплоты при этом выделяется недостаточно для резкого ускорения реакций окисления; кроме того, превращения идут в многостадийном процессе с накоплением в результате местного недостатка кислорода сначала спиртов, альдегидов (формальдегид НСНО, акролеин СН2 СНСНО, ацеталь-альдегид или уксусный альдегид СНзСНО), окиси углерода, а затем перекисей и радикалов. В результате таких процессов в камере сгорания возникает так называемое холодное пламя ‑голубое свечение, являющееся результатом оптического возбуждения молекул формальдегида и радикала НСО. В этот период времени TI (рис. 54 , кривая 1 ) давление в камере не увеличивается или даже снижается; температура, при которой начинается и заканчивается свечение, составляет 440 –670 К, практически не изменяясь.

Во втором периоде т3 идет процесс окисления альдегидов н образование перекисей нового типа, химически более активных; становится заметным увеличение давления на дельта Р холл плам в результате повышения температуры холодного пламени (от нескольких десятков до сотен градусов) .

В дальнейшем появляется вторичное, более интенсивное свечение; накопление активных перекисей, радикалов и атомов приводит к тепловому местному взрыву в конце периода тiи образованию очага сгорания. Такие процессы в период задержки самовоспламенения топлива с характерным преобладанием в них цепных многостадийных химических превращений имеют место при относительно низких температурах и мало зависят от температуры; при этом период TI с повышением температуры сокращается и мало зависит от давления, а период Т2 , наоборот, увеличивается с повышением температуры и уменьшается с возрастанием давления.

Низкотемпературное многостадийное воспламенение свойственно для парафинов и нафтенов и имеет место в дизелях, при этом, чем выше цетановое число топлива, тем короче период т,. Таких очагов может образоваться в камере и даже в одном факеле несколько в точках где создаются наиболее благоприятные для этого условия сочетание температуры, давления и меняющегося в процессе образования очага сгорания состава смеси (от а«0 ,1 в начале до а=1 в конце), обычно под поверхностью факела, на некотором удалении от сопла форсунки в зоне повышенных температур (со стороны выпускных каналов, над нагретыми поверхностями).

Длительность та и число образующихся очагов сгорания, как показывают эксперименты, мало зависят от тонкости распыливания топлива, так как даже при очень грубом распыливании оказывается достаточное для воспламенения количество мелких капель. Увеличение угла опережения впрыска топлива удлиняет период задержки воспламенения для всех сортов топлива, так как процессы прогрева, испарения топлива и разгона химических реакций начинаются при более низких температурах; интенсификация турбулентности увеличивает период Тi вследствие снижения температуры и концентрации паров топлива в вероятной точке образования очага сгорания.

Высокотемпературное воспламенение (кривая 2 ) имеет место при высоких начальных температурах (800 - 1200 К) и представляет собой непрерывный процесс цепных химических самоускоряющихся в результате выделения теплоты превращений. Мощный тепловой толчок, вызывающий ускорение процессов, приводящих к образованию очага сгорания, можно осуществить электрическим разрядом между электродами свечи зажигания при напряжении (8 –15 )103 В. При высоких температурах в канале или шнуре разряда (Т более 10000 ) образуется очаг сгорания небольшого объема. Это означает, что в данном объеме процессы прогрева, распада, ионизации молекул топлива и кислорода и воспламенение происходят столь быстро (через состояние плазмы), что укладываются в период разряда, длительность которого не превышает (1 –2 ) 10 ~5 с. Естественно предположить, что это возможно в гомогенной, достаточно однородной смеси.

Если объем образовавшегося очага сгорания достаточно велик, а времени его существования достаточно для прогрева и воспламенения окружающих слоев смеси, то процесс сгорания начинает распространяться, и через некоторое время т; (период задержки воспламенения) на индикаторной диаграмме давлений можно будет заметить отрыв линии давления в процессе начавшегося его рания от линии давления сжатия, которую можно эд-писать при выключенном зажигании. Если же объем очага сгорания и длительность его поддержки разрядом оказались недостаточными, то очаг затухает к сгорание не развивается.

Опытами установлено, что период задержки воспламенения зависит от сорта топлива, состава смеси, темпера туры и давления смеси в конце сжатия, я также от мощности электрического разряда. Чем ниже температура воспламенения топлива и его термическая стабильность тем короче период задержки воспламенения; период задержки сокращается с обогащением смеси (до а=0 ,4 –0 ,6 и ниже), повышение температуры и давления смеси снижает Тi, повышение мощности разряда снижает Тi тем сильнее, чем неблагоприятнее другие условия самовоспламенения.

Высокотемпературное воспламенение характерно для всех двигателей с электрическим зажиганием, а также для дизелей при использовании топлива с большим содержанием ароматиков.

В двигателях с электрическим зажиганием образование очага сгорания в результате действия искры сопровождается насыщением его объема продуктами сгорания и образованием слоя – раздела между негорящей смесью и образовавшимися продуктами сгорания. В этот слой со стороны смеси в результате диффузии поступают молекулы топлива и окислителя, а со стороны очага сгорания – продукты сгорания и теплота. Образуется так называемый ламинарный фронт пламени (рис. 55 , а ) толщиной 6 в несколько десятых миллиметра и площадью в несколько квадратных миллиметров. Температура в этом слое резко изменяется от Тсм до Гвс. что способствует ускорению диффузионных процессов н образованию зоны прогрева толщиной бп и,зоны химических реакций толщиной б», в которой концентрации молекул топлива Ст и кислорода Со, постепенно уменьшаются. Пламя начинает перемещаться в сторону горючей смеси перпендикулярно к поверхности фронта с так называемой нормальной скоростью Uи.

Опытами в бомбах установлено, что распространение сгорания по объему возможно только при определенных составах горючих смесей, ограниченных как минимальными, так и максимальными значениями а, различными для разных условий сгорания (температура, давление, количество инертных газов), В табл. 7 даны концентрационные пределы распространения пламени в воздушных смесях топлив при атмосферных условиях во время испытаний в бомбе.

Нормальные скорости Uи находятся в большой зависимости от состава смесей (рис.56 ) и имеют максимальные значения в смесях с воздухом при а от0 ,5 (для оки си углерода) до 1 ,1 (для метана). Для бензино и спиртовоздушных смесей Uи имеет место при а=0 ,85 –0 ,95 При повышенных температурах и давлениях концентрационные пределы горючести расширяются, а скорости Uи повышаются, с увеличением остаточных газов в смеси концентрационные пределы сужаются, а скорости Uи уменьшаются.

Ускорению распространения сгорания по объему камеры способствуют возникающие мелкомасштабные пульсации, масштаб которых не превышает толщины 6 , (мелкомасштабная или микротурбулентность), и крупномасштабные пульсации – макротурбулентность, возникновение которой связано с вихреобразованием во время наполнения и сжатия.

Микротурбулентность способствует увеличению Uи в результате интенсификации диффузии и замены кондуктивной теплопроводности в зоне прогрева турбулентной; макротурбулентность искривляет фронт пламени по мере его развития, а затем и разрывает его (см. рис. 55 , б ). Поверхность и толщина фронта увеличиваются (последняя до 25 мм); объемы реагирующих компонентов внедряются в зоны прогрева и в негорящую смесь, которая вследствие нагрева поджимается. В результате скорость перемещения фронта пламени в сторону смеси повышается до 15 –80 м/с; ее называют турбулентной скоростью Uт. Количество смеси, сгорающей в единицу времени, возрастает. В результате увеличения скорости тепловыделения возрастают скорости повышения температуры и давления в цилиндре двигателя (см. рис. 53 ).

После того как пламя распространится по всему объему камеры сгорания, количество смеси, вступающей в реакцию, уменьшается. Снижается и скорость реакций, так как концентрации топлива и окислителя в зонах сгорания уменьшаются, а концентрация продуктов сгорания увеличивается. Вместе с возрастающим отводом теплоты в стенки камеры сгорания и объемом цилиндра с началом перемещения поршня от в. м. т. это приводит к тому, что давление, достигнув максимального значения при положении поршня, соответствующем углу Фi начинает снижаться.

Надежно записанных диаграмм изменения температур в процессе сгорания еще недостаточно для количественной характеристики процессов сгорания и обобщений. Однако установлено, что температуры, полученные из уравнении состояния газов в различные моменты сгорания и расширения при использовании давлений из индикаторных диаграмм н известных конструктивных объемов камеры сгорании н цилиндра, также возрастают в процессе сгорании и достигают максимальных значений в момент Фi (см. рис. 53 ), позднее момента достижения максимальных давлений. Последнее обстоятельство объясняется совместным влиянием увеличения объема газа вследствие перемещения поршня от ВМТ и продолжающимся подводом теплоты к газу.

При некоторых условиях описанный нормальный процесс сгорания может нарушаться, что отражается на мощности и экономичности работы двигателя, шумности, токсичности отработавших газов, надежности и сроке работы двигателя. К таким нарушениям сгорания относят следующие.

1 . Пропуски вспышек в цилиндрах, появляющихся в результате переобеднения смеси, пропусков в искрообразовании или в результате малой мощности искры; двигатель при этом не запускается или не развивает мощности.

2 . Вспышки во впускной системе; могут иметь место в результате малой скорости сгорания в цилиндрах, главным образом из-за переобеднения смеси или позднего зажигания; смесь в этих случаях продолжает гореть даже в такте выпуска и при значительном перекрытии фаз действия выпускных и впускных клапанов может зажечь смесь во впускной системе, что воспринимается как хлопок в карбюраторе.

3 . Преждевременное, до появления искр, самовоспламенение смеси в цилиндрах, которое возможно при местном перегреве поверхностей камеры сгорания (выпускные клапаны, свечи зажигания, отдельные участки головки цилиндра или поршня) или перегрева нагара на этих поверхностях (калильное зажигание); снижение мощности двигателя из-за чрезмерного противодавления в конце хода поршня к ВМТ, его перегрев, неясно выраженные на общем шумовом фоне глухие стуки, возникающие вследствие больших скоростей повышения давления и увеличения их максимальных значений, – признаки калильного зажигания.

4 . Детонация – сложный химико-тепловой процесс, развивающийся в горючей смеси при особых условиях; внешними признаками детонации являются появление звонких металлических звуков в цилиндрах двигателя, снижение мощности и перегрев двигателя, выброс из выпускной системы черного дыма; в темноте замечается зеленоватая окраска пламени, выбрасываемого из коротких выпускных патрубков двигателей, имеющих поршни из легких сплавов; на индикаторной диаграмме, записанной при детонации, в зоне максимальных давлений отмечается их резкое колебание в виде острых пиков.

Возникновению детонации и ее интенсификации способствуют нестойкие в отношении детонации топлива с малыми октановыми числами; обогащенные (а = 0 .9 ) составы смеси; высокая степень сжатия; большие нагрузки на двигатель; снижение частоты вращения вала двигателя; чрезмерно большой угол опережения зажигания; высокие температуры и давление на впуске в двигатель; перегрев камеры сгорания; увеличение размеров цилиндров.

Детонационное сгорание возникает в наиболее удаленном от свечи зажигания месте, расположенном около горячих стенок. Смесь до прихода фронта пламени нормального сгорания успевает в таких местах сильно перегреться и подвергается интенсивному сжатию при распространении фронта пламени, что способствует быстрому развитию в ней предпламенных реакций с образованием и накоплением химически активных промежуточных продуктов (радикалы, перекиси, атомы водорода и кислорода). В результате таких процессов возникает, самовоспламенение смеси с самоускоряющимися процессами. Сгорание приобретает взрывной характер с резким местным повышением температуры и образованием ударной волны давления; скорость ее перемещения в камере может дойти до 1000 –2300 м/с. Отражаясь от стенок камеры сгорания, ударная волна образует новые волны и новые очаги воспламенения, приводящие к развитию диссоциации с образованием окиси углерода, атомарных углерода, водорода, кислорода и поглощением большого количества теплоты. Продукты диссоциации и несгоревшая часть топлива догорают в процессе расширения неполностью и с меньшей эффективностью, мощность и экономичность снижаются, а перегрев двигателя и дымление на выпуске увеличиваются тем сильнее, чем в большем объеме смеси развивается детонация. Ударные волны, действуя локально и кратковременно, не повышают работу газов, но резко увеличивают теплоотдачу в стенки, механические и тепловые ударные нагрузки на детали, газовую коррозию поверхностей, особенно днищ поршней. Длительная работа двигателей с детонацией недопустима.

5 . Вспышки в выпускной системе, сопровождаемые звуками, похожими на выстрелы; такие вспышки являются следствием воспламенения накопившейся там горючей смеси при пропусках вспышек в цилиндрах или сажи, срываемой с нагретых стенок при внезапном нагружении двигателя. В дизелях после образования в камере сгорания очагов сгорания вокруг них формируется фронт пламени; выделение теплоты и расширение продуктов сгорания приводит к образованию тепловой волны и поджатию смеси. Это ускоряет предпламенные реакции и образование новых очагов сгорания. Поддержание сгорания в очагах и образование новых очагов в неоднородной смеси начинает лимитироваться не скоростью химических реакций окисления, а скоростью образования смеси горючих составов. Поэтому при температурах выше 1000 К факторами, определяющими скорость выгорания топлива, становится диффузионные процессы и вихревые движении заряда.

Если за время задержки воспламенения впрыснуто много топлива, то возникает и большее число очагов. В результате этого резко ускоряются химические реакции и образование новой смеси; скорости тепловыделения и нарастания давлений могут оказаться слишком большими, а сгорание будет характеризоваться как «жесткое».

Снижение температуры и давления заряда в конце сжатия может быть следствием засорения воздушного фильтра, закоксовывания клапанов и щелей газораспределительных органов, потери плотности клапанов и поршневых колец, изменения фаз газораспределения, попадания масла в воздух.

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.

Тем, кто связан с гоночной автомобильной или мотоциклетной техникой или просто интересуется конструкцией спортивных машин, хорошо знакомо имя инженера Вильгельма Вильгельмовича Бекмана — автора книг «Гоночные автомобили» и «Гоночные мотоциклы». Не раз он выступал и на страницах «За рулем».

Недавно вышло в свет третье издание книги «Гоночные мотоциклы» (второе было выпущено в 1969 году), переработанное и дополненное сведениями о новых конструктивных решениях и анализом тенденции дальнейшего развития двухколесных машин. Читатель найдет в книге очерк об истории зарождения мотоциклетного спорта и влиянии его на развитие мотоциклетной промышленности, получит сведения о классификации машин и соревнований, познакомится с особенностями конструкции двигателей, трансмиссии, шасси и системы зажигания гоночных мотоциклов, узнает о путях их совершенствования.

Многое из того, что применяется впервые на спортивных машинах, затем внедряется на серийных дорожных мотоциклах. Поэтому знакомство с ними позволяет как бы заглянуть в будущее и представить себе мотоцикл завтрашнего дня.

Подавляющее количество строящихся ныне в мире мотоциклетных двигателей работает по двухтактному циклу, поэтому к ним мотолюбители проявляют наибольший интерес. Предлагаем вниманию читателей отрывок из книги В. В. Бекмана, посвященный одному из важнейших вопросов развития двухтактных двигателей. Мы сделали только незначительные сокращения, изменили нумерацию рисунков и привели некоторые наименования в соответствие с употребляемыми в журнале.

В настоящее время двухтактные гоночные двигатели превосходят по мощности своих четырехтактных соперников в классах от 50 до 250 см3: в классах большего рабочего объема четырехтактные двигатели пока сохраняют конкурентоспособность. так как высокая форсировка двухтактных двигателей этих классов труднее, причем более заметным становится известный недостаток двухтактного процесса — повышенный расход топлива, требующий увеличения объема топливных баков и более частых остановок для заправки.

Прототипом большинства современных двухтактных двигателей гоночного типа является конструкция, разработанная фирмой МЦ (ГДР). Работы по усовершенствованию двухтактных двигателей, выполненные этой фирмой, обеспечили гоночным мотоциклам МЦ классов 125 и 250 см3 высокие динамические качества, и их конструкция в той или иной степени была скопирована многими фирмами в других странах мира.

Гоночные двигатели МЦ (рис. 1) имеют простую конструкцию и похожи как по устройству, так и по внешнему виду на обычные двухтактные двигатели.

А — общий вид; б — расположение газораспределительных каналов

За 13 лет мощность гоночного двигателя МЦ 125 см3 выросла с 8 до 30 л. с.; уже в 1962 году была достигнута литровая мощность 200 л. с./л. Одним из существенных элементов двигателя является дисковый вращающийся золотник, предложенный Д. Циммерманом. Он позволяет получить несимметричные фазы впуска и выгодную форму впускного тракта: благодаря этому возрастает коэффициент наполнения картера. Дисковый золотник изготовляют из тонкой (около 0,5 мм) листовой пружинной стали. Оптимальная толщина диска найдена опытным путем. Дисковый золотник работает как мебранный клапан, прижимаясь к отверстию впускного канала, когда в картере происходит сжатие горючей смеси. При увеличенной или уменьшенной толщине золотника наблюдается ускоренный износ диска. Слишком тонкий диск прогибается в сторону впускного канала, что влечет за собой увеличение силы трения между диском и крышкой картера; увеличенная толщина диска также ведет к увеличенным потерям на трение. В результате доводки конструкции срок службы дискового золотника был увеличен с 3 до 2000 часов.

Дисковый золотник не вносит особого усложнения в устройство двигателя. Золотник устанавливается на валу посредством скользящего шпоночного или шлицевого соединения, чтобы диск мог занимать свободное положение и не защемляться в узком пространстве между стенкой картера и крышкой.

По сравнению с классической системой управления впускным окном нижней кромкой поршня золотник дает возможность раньше открыть впускное окно и долго держать его открытым, что способствует повышению мощности как на высоких, так и на средних частотах вращения. При обычном устройстве газораспределения раннее открытие впускного окна неизбежно связано с большим запаздыванием его закрытия: это полезно для получения максимальной мощности, но связано с обратным выбросом горючей смеси на средних режимах и соответствующим ухудшением характеристики крутящего момента и пусковых качеств двигателя.

На двухцилиндровых двигателях с параллельными цилиндрами дисковые золотники устанавливают по концам коленчатого вала, что при выступающих справа и слева карбюраторах дает большие габариты по ширине двигателя, увеличивает лобовую площадь мотоцикла и ухудшает его внешнюю форму. Для устранения этого недостатка иногда применяли конструкцию в виде двух спаренных под углом одноцилиндровых двигателей с общим картером и воздушным охлаждением («Дерби», Ява).

В отличие от двигателя Ява цилиндры спаренных двигателей могут занимать вертикальное положение: при этом требуется водяное охлаждение, так как задний цилиндр заслонен передним. По такой схеме был изготовлен один из гоночных двигателей МЦ 125 см3.

Трехцилиндровый двигатель Suzuki (50 см3, литровая мощность около 400 л. с./л) с дисковыми золотниками по существу состоял из объединенных в одном блоке трех одноцилиндровых двигателей с самостоятельными коленчатыми валами: два цилиндра были горизонтальными. один вертикальным.

Двигатели с золотнинами на впуске конструировались и в четырехцилиндровых вариантах. Типичным примером могут служить двигатели Yamaha, изготовленные в виде двух спаренных шестеренной передачей двухцилиндровых двигателей с параллельными цилиндрами; одна пара цилиндров расположена горизонтально, вторая — под углом вверх. Двигатель 250 см3 развивал до 75 л. с., а мощность варианта 125 см3 достигала 44 л. с. при 17 800 об/мин.

По аналогичной схеме сконструирован и четырехцилиндровый двигатель Ява (350 см3, 48x47) с золотниками на впуске, представляющий собой два спаренных двухцилиндровых двигателя с водяным охлаждением. Он развивает мощность 72 л. с. при 1300 об /мин. Еще больше мощность четырехцилиндрового двигателя «Морбиделли» класса 350 см3 такого же типа — 85 л. с.

Ввиду того, что дисковые золотники устанавливаются по концам коленчатого вала, отбор мощности в многоцилиндровых конструкциях с такой системой впуска обычно производится через шестерню на средней шейке вала между отсеками картера. При дисковых золотниках рассматриваемого типа увеличение числа цилиндров двигателя свыше четырех нецелесообразно, так как дальнейшее спаривание двухцилиндровых двигателей привело бы к очень громоздкой конструкции; даже в четырехцилиндровом исполнении двигатель получается на пределе допустимых габаритов.

В последнее время на некоторых гоночных двигателях «Ямаха» применяют автоматические мембранные клапаны во впускном канале между карбюратором и цилиндром (рис. 2, а). Клапан представляет собой тонкую эластичную пластинку, отгибающуюся под действием разрежения в картере и освобождающую проход для горючей смеси. Во избежание поломки клапанов предусмотрены ограничители их хода. При средних режимах работы клапаны достаточно быстро закрываются, чтобы предупредить обратный выброс горючей смеси, что улучшает характеристику крутящего момента двигателя. Такие клапаны на основании практических наблюдений могут нормально функционировать при скоростных режимах до 10 000 об/мин. При более высоких числах оборотов их работоспособность проблематична.

: а — схема устройства; б —начало наполнения картера; в — подсос смеси через клапаны в цилиндр; 1 — ограничитель; 2 — мембрана; 3 — окно в поршне

В двигателях с мембранными клапанами для улучшения наполнения целесообразно поддерживать сообщение между впускным каналом и подпоршневым пространством или продувочным каналом при положении поршня вблизи Н.М.Т. Для этого в стенке поршня со стороны впуска предусматривают соответствующие окна 3 (рис. 2, б). Мембранные клапаны обеспечивают дополнительный подсос горючей смеси, когда во время продувки в цилиндрах и картере образуется разрежение (рис. 2, в).

Высокую мощность развивают также двухтактные двигатели, у которых процессом впуска горючей смеси в картер управляет поршень, как у подавляющего большинства обычных двигателей массового производства. В основном это относится к двигателям рабочим объемом 250 см3 и более. Примерами могут служить мотоциклы «Ямаха» и «Харлей-Давидсон» (250 см3 — 60 л. с.;

350 см3 — 70 л. с.), а также мотоцикл «Сузуки» с двухцилиндровым двигателем класса 500 см3 мощностью 75 л. с., занявший первое место в гонке Т.Т. (Турист Трофи) 1973 года. Форсирование этих двигателей осуществляется так же, как и в случае использования дисковых золотников, тщательной конструктивной проработкой органов газораспределения и на основе изучения взаимного влияния впускного и выпускного трактов.

Двухтактные двигатели независимо от системы управления впуском имеют выпрямленную форму впускного тракта, который направлен в подпоршневое пространство, куда поступает горючая смесь; по отношению к оси цилиндра впускной тракт может быть перпендикулярным или с наклоном снизу вверх или сверху вниз. Такая форма впускного тракта благоприятна для использования эффекта резонансного наддува. Поток горючей смеси во впускном тракте непрерывно пульсирует, причем в нем возникают волны разрежения и повышенного давления. Настройка впускного тракта за счет подбора его размеров (длины и проходных сечений) позволяет обеспечить в определенном интервале чисел оборотов закрытие впускного окна в момент входа в картер волны повышенного давления, что увеличивает коэффициент наполнения и повышает мощность двигателя.

При значениях коэффициента наполнения картера, превышающих единицу, двухтактный двигатель должен был бы развивать вдвое большую мощность по сравнению с четырехтактным. В действительности этого не происходит вследствие существенных потерь свежей смеси в выхлоп н перемешивания поступившего в цилиндр заряда с остаточными газами от предыдущего рабочего цикла. Несовершенство рабочего цикла двухтактного двигателя обусловлено одновременным протеканием процессов наполнения цилиндра и его очистки от продуктов сгорания, тогда как в четырехтактном двигателе эти процессы разделены во времени.

Процессы газообмена в двухтактном двигателе отличаются большой сложностью и до сих пор плохо поддаются расчету. Поэтому форсирование двигателей ведется, главным образом, путем экспериментального подбора соотношений и размеров конструктивных элементов органов газораспределения от впускного патрубка карбюратора до концевого патрубка выхлопной трубы. Со временем был накоплен большой опыт по форсированию двухтактных двигателей, описанный в различных исследованиях.

В первых конструкциях гоночных двигателей МЦ была использована возратно-петлевая продувка типа «Шнюрле» с двумя продувочными каналами. Значительное улучшение мощностных показателей было получено благодаря добавлению третьего продувочного канала (см рис. 1), расположенного спереди напротив выпускных окон. Для перепуска через этот канал на поршне предусмотрено специальное окно. Дополнительный продувочный канал устранил образование подушки горячих газов под дном поршня. Благодаря этому каналу удалось увеличить наполнение цилиндра, улучшить охлаждение и смазку свежей смесью игольчатого подшипника верхней головки шатуна, а также облегчить температурный режим работы дна поршня. В результате мощность двигателя повысилась на 10 процентов, а прогары поршней и поломки подшипника верхней головки шатуна были устранены.

Качество продувки зависит от степени сжатия горючей смеси в картере; на гоночных двигателях этот параметр выдерживается в пределах 1,45 — 1,65, что требует весьма компактной конструкции кривошипно-шатунного механизма.

Получение высоких литровых мощностей возможно за счет широких фаз распределения и большой ширины газораспределительных окон.

Ширина окон гоночных двигателей, измеренная центральным углом в поперечном сечении цилиндра, достигает 80 — 90 градусов, что создает тяжелые условия работы для поршневых колец. Зато при такой ширине окон в современных двигателях обходятся без склонных к перегреву перемычек. Увеличение высоты продувочных окон сдвигает максимальный крутящий момент в область более низкого числа оборотов, а увеличение высоты выпускных окон создает обратный эффект.

Рис. 3. Системы продувки: а — с третьим продувочным окном, б — с двумя дополнительными продувочными каналами; в — с разветвляющимися продувочными каналами.

Система продувки с третьим дополнительным продувочным каналом (см. рис. 1) удобна для двигателей с золотником, у которых впускной канал расположен сбоку, а зона цилиндра напротив выпускного окна свободна для размещения в ней продувочного окна; последнее может иметь перемычку, как показано на рис. 3, а. Дополнительное продувочное окно способствует образованию потока горючей смеси, огибающего полость цилиндра (петлевая продувка). Весьма существенное значение для эффективности процесса газообмена имеют углы входа продувочных каналов; от них зависят форма и направление потока смеси в цилиндре. Горизонтальный угол а, колеблется в пределах 50 — 60 градусов, причем большее значение соответствует более высокому форсированию двигателя. Вертикальный угол a2, равен 45 — 50 градусов. отношение сечений дополнительного и основного продувочных окон составляет около 0,4.

На двигателях без золотника карбюраторы и впускные окна, как правило, расположены на задней стороне цилиндров. В этом случае обычно применяют иную систему продувки — с двумя боковыми дополнительными продувочными каналами (рис. 3,б). Горизонтальный угол входа а, (см. рис. 3,а) дополнительных каналов — около 90 градусов. Вертикальный угол входа продувочных наналов колеблется для различных моделей в довольно широких пределах: на модели «Ямаха» ТД2 класса 250 см3 он составляет для главных продувочных каналов 15 градусов, а для дополнительных — 0 градусов; на модели «Ямаха» ТД2 класса 350 см3 соответственно 0 и 45 градусов.

Иногда применяется вариант этой системы продувки с разветвляющимися продувочными каналами (рис. 3,в). Дополнительные продувочные окна расположены напротив выпускного окна, и, следовательно, подобное устройство приближается к первой из рассмотренных систем, имеющей три окна. Вертикальный угол входа дополнительных продувочных каналов 45 — 50 градусов. Отношение сечений дополнительных и основных продувочных окон также около 0,4.

Рис. 4. Схемы движения газов в цилиндре: а — с разветвляющимися ка налами; б — с параллельными.

На рис. 4 показаны схемы движения газов в цилиндре во время процесса продувки. При остром угле входа дополнительных продувочных каналов поступающий из них поток свежей смеси удаляет клубок отработавших газов в середине цилиндра, не захватываемый потоком смеси из основных продувочных каналов. Возможны и другие варианты систем продувки по количеству продувочных окон.

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

На некоторых двигателях «Ямаха» дополнительные продувочные каналы были выполнены в виде желобков на внутренней поверхности цилиндра; внутренней стенкой канала является здесь стенка поршня при его положениях вблизи от Н.М.Т.

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

Приведенные в этом разделе сведения показывают, что двухтактные двигатели выделяются простотой своего устройства.

Повышение удельной мощности двигателей этого типа в течение последнего десятилетия не сопровождалось какими-либо существенными изменениями базовой конструкции; оно явилось следствием тщательного экспериментального подбора соотношений и размеров ранее известных конструктивных элементов.

Для овладения мастерством вождения мотоцикла на высоких скоростях, углубленного изучения мотоциклетной техники, участия в соревнованиях, сдачи разрядных спортивных норм с успехом широко используются отечественные мотоциклы массового производства. Однако улучшения рекордов скорости достигают преимущественно на специальных гоночных мотоциклах. Мотоциклы с двигателями, собранными из деталей серийного производства, могут в результате различных усовершенствований показать большие скорости, но не отвечают специальным спортивным требованиям. При выборе двигателя для достижения наиболее высокой скорости необходимо иметь в виду, что если прочие условия равны, то двигатель, имеющий большее количество цилиндров, будет обладать большей мощностью. Для достижений спортивных результатов на уровне существующих разрядных норм необходимо выполнение некоторых мероприятий по увеличению мощности двигателя, а также уменьшению сопротивлений, препятствующих движению.
Рабочий процесс двигателя - это превращение тепловой энергии рабочей смеси в механическую работу. Следовательно, необходимо добиваться, чтобы как можно больше рабочей смеси попало в цилиндр, чтобы возможно большая часть тепловой энергии превратилась в механическую работу и чтобы оба эти процесса произошли в кратчайшее время. Другими словами, мощность возрастает вследствие:
1) увеличения наполнения цилиндра рабочей смесью;
2) увеличения степени сжатия;
3) увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя и
4) уменьшения потерь на трение.
Вследствие того, что в двигатель увеличенной мощности в единицу времени поступает большое количество горючей смеси, то для предупреждения перегрева охлаждение двигателя должно быть увеличено.
Увеличение наполнения цилиндра горючей смесью. Объем смеси, поступающей в цилиндр за период впуска при определенной температуре и давлении окружающей среды, меньше рабочего объема цилиндра. Это происходит главным образом из-за сопротивлений впускной системы. Отношение количества горючей смеси, поступившей в цилиндр, к теоретически возможному называют коэфициентом наполнения. Чем больше коэфициент наполнения, тем выше мощность двигателя. В двухтактных двигателях, вследствие ряда причин, связанных с продувкой - зарядом, наполнение на 50 - 60% меньше, чем у четырехтактных двигателей. Однако литровая мощность двухтактных двигателей не уступает литровой мощности четырехтактных двигателей вследствие того, что уменьшение наполнения компенсируется двойным количеством рабочих ходов.
В Советском Союзе даже серийные двухтактные двигатели с рабочим объемом 125 см 3 , подготовленные для соревнований заводом-изготовителем и отдельными спортсменами, развивают в среднем до 10 л. с ., т. е. имеют литровую мощность 80 л. с . Такая высокая литровая мощность у четырехтактных мотоциклетных двигателей без наддува была достигнута лишь в единичных случаях.
Наполнение цилиндра горючей смесью на больших числах оборотов коленчатого вала двигателя, на которых сопротивление впускной системы возрастает, можно увеличить, если осуществить следующие мероприятия.
1. Увеличить сечения для прохода смеси. В четырехтактных двигателях для этого уменьшают до 30° угол фаски, увеличивают диаметр и высоту подъема впускного клапана, сечение канала в цилиндре или головке цилиндра до клапана, сечение канала в патрубке карбюратора и в карбюраторе. В двухтактном двигателе увеличивают ширину впускных и продувочных окон, каналов, патрубка карбюратора и карбюратора.
2. Устранить во впускном патрубке резкие переходы от широкого сечения к узкому и наоборот, а также по возможности уменьшить сопротивление движению смеси в изогнутых каналах, патрубках и т. п.
3. Отполировать все поверхности, соприкасающиеся с потоком горючей смеси, до приобретения ими зеркального блеска. Для полировки каналы последовательно подвергают обработке фигурными фрезами и точильными камнями (фиг. 153), наждачными шкурками (сначала с более крупным, а затем с мелким зерном) и войлочными кругами с полировочной пастой.

Работу выполняют с помощью гибкого вала с зажимным патроном (приводимым во вращение от электродвигателя) или напильниками, шаберами, шкурками.
4. Увеличить продолжительность фазы впуска. Увеличения фаз впуска достигают путем более раннего открытия клапана (окон) и более позднего закрытия клапана (окон).
Более существенное значение для наполнения на больших числах оборотов коленчатого вала двигателя имеет увеличение запаздывания конца впуска.
При предварении начала впуска к моменту прихода поршня в в.м.т. проходное сечение под клапанами (в окнах) будет больше. Во время большого запаздывания конца впуска смесь может дольше поступать по инерции в цилиндр.
Для получения большего эффекта от увеличения фазы впуска следует комплексно увеличивать фазу выпуска у четырехтактных двигателей и фазы выпуска и продувки у двухтактных двигателей. Фазы изменяют обычно по аналогии с подобным двигателем, у которого достигнута наибольшая мощность или путем экспериментов.
При увеличении фазы выпуска улучшается очистка цилиндра от отработавших газов, что способствует лучшему наполнению цилиндра, и уменьшается противодавление газов на поршень.
В четырехтактном двигателе для увеличения фаз газораспределения устанавливают специальный распределительный вал с соответственно измененным профилем кулачков, увеличивают опорные поверхности скользящих по кулачкам деталей - толкателей или промежуточных рычагов.
В двухтактных двигателях увеличения фазы впуска достигают сдвигом (путем опиливания) нижней кромки впускного окна или юбки поршня, фаз продувки и выпуска - спиливанием верхних кромок окон. При изменении фаз распиловкой окон одновременно улучшают место перехода канала в кромки окон в соответствии с данным типом продувки, особенно у продувочных окон.
Для большого увеличения фазы впуска у серийных двухтактных двигателей устанавливают на впускном пути золотниковый распределительный механизм. У серийных двигателей при газораспределении поршнем фаза впуска в среднем составляет 100 - 120°. Цилиндрический золотник на впуске позволяет увеличивать фазу до 220 - 240°. Среди возможных вариантов установки золотника можно отметить следующие.
Установка золотника на цилиндре (фиг. 154) на месте патрубка для карбюратора.

Корпус золотника крепят к цилиндру или отливают совместно с алюминиевым цилиндром. Цилиндрическое тело золотника приводят во вращение с помощью роликовой цепи и двух звездочек от коренной шейки двигателя. Смесь из золотника поступает в двигатель по обычному пути - в нижнюю часть цилиндра под поршень. Для уплотнения зазора между наружной поверхностью золотника и стенками корпуса золотник и отверстие для него соответственно растачивают на конус и шлифуют. При сближении конических поверхностей зазор между ними, образовавшийся от износа, может быть уменьшен.
На фиг. 155 показан золотник, установленный в картере параллельно коренным шейкам, между полостью кривошипа и коробкой передач.

Корпусом для золотника служит отверстие, расточенное в картере. Золотник получает вращение от коренной шейки с помощью пары шестерен или роликовой цепи и пары звездочек. Смесь из золотника поступает непосредственно в картер к ободам маховиков. Для предложенного авторами золотника в полой коренной шейке кривошипа, золотниковая часть которой вращается внутри бронзовой втулки (фиг. 156), никакого специального привода не требуется. Его преимущество заключается в конструктивной простоте и в использовании давления вихря рабочей смеси, возникающего от вращения маховиков и обладающего некоторым динамическим напором.

При вводе смеси в картер через окно в нижней части цилиндра (т. е. на периферии картера) направление движения поступающей порции смеси прямо противоположно радиальной составляющей вызванного кривошипом вихря; при вводе смеси в центре вала указанные направления совпадают. Таким образом, при ходе поршня вверх вихрь способствует поступлению смеси, при ходе вниз препятствует выталкиванию смеси из картера, образуя «газовый затвор». Фазы впуска могут бйть увеличены. Наполнение на высоких числа х оборотов коленчатого вала двигателя возрастает.
При данном выполнении золотника не требуется полировка маховиков, их шероховатость и даже установка лопаток способствуют усилению вихря.
Поворотом промежуточной бронзовой втулки обеспечивается подбор наивыгоднейших фаз на работающем двигателе.
5. Расположить наклонно карбюратор (фиг. 157).

При наклонном расположении патрубка цилиндра и смесительной камеры карбюратора поток смеси претерпевает, меньше поворотов и движется сверху вниз.
6. Установить насадку - раструб на карбюратор (фиг. 157). Насадка - раструб, установленная на входной горловине карбюратора, облегчает поступление воздуха в карбюратор и обычно требует соответственного увеличения жиклера.
7. Применить так называемый «прямоточный карбюратор».
8. Установить взамен одного два стандартных карбюратора.
9. Уменьшить сопротивление в выпускной системе. Для уменьшения сопротивлений в выпускной системе увеличивают способами, указанными выше, проходное сечение у клапана (в окнах) и фазу выпуска, а также производят изменения в выпускном устройстве.
При удалении перегородок из глушителя или глушителя целиком уменьшается сопротивление выпускной системы, что способствует улучшению наполнения и увеличению мощности примерно на 10%. Но так как езда без глушителя вне зоны соревнований запрещена и связана с неприятным шумом, то прежде чем осуществить это мероприятие, следует учесть, что увеличение мощности на 10% не обеспечивает такого же возрастания скорости.
Влияние глушителя при скорости движения около 100 км/час выразится в уменьшении скорости всего лишь на 2 - 3 км/час .
Большего эффекта достигают при подборе определенной длины выпускной трубы и установке на ее конце раструба - мегафона.
В этом случае выпускная труба и мегафон не только уменьшают сопротивление выпускной системы, но начинают «подсасывать» из цилиндра отработавшие газы.
Правильно подобранная длина трубы способствует лучшему наполнению двигателя. Подбор осуществляют путем использования раздвижных труб или последовательного укорочения длины трубы. Стандартные трубы обычно приходится значительно укорачивать.
Конус раструба во избежание отрыва от его стенок движущегося потока газа должен быть в пределах от 8 до 10° (фиг. 158). С увеличением длины раструба его действие усиливается.

В двухтактном двигателе увеличенной мощности лишь правильно подобранная интенсивность «подсасывания» выпускным устройством, не вызывающая увеличения потери рабочей смеси, улучшает продувку - заряд цилиндра и обеспечивает увеличение мощности двигателя. При правильном подборе трубы в выпускном устройстве на высоких числах оборотов коленчатого вала двигателя возникает колебание массы отработавших газов, которое в начальных стадиях продувки - заряда усиливает поступление рабочей смеси в цилиндр, а к концу процесса препятствует потере ее через выпускные трубы.
В четырехтактном двигателе, у которого в в. м. т. имеется достаточно большое перекрытие клапанов (одновременное открытие впускного и выпускного клапанов), увеличение интенсивности «подсасывания» выпускной трубы приводит к увеличению наполнения и по другой причине. Как известно, первоначально поступление горючей смеси в цилиндр происходит под влиянием разрежения, которое образуется над поршнем при его движении от в. м. т. к н. м. т., а затем вследствие приобретаемой смесью инерции. Мегафон усиливает поступление смеси в цилиндр вследствие дополнительного разрежения, образующегося в выпускных трубах.
10. Понизить температуру рабочей смеси. Температура рабочей смеси в цилиндре повышается главным образом в результате получения тепла от стенок цилиндра, его головки и патрубка, головки поршня, выпускного клапана и теплообмена с остатками сгоревших газов. От нагревания плотность и, следовательно, весовой заряд рабочей смеси уменьшаются, коэфициент наполнения снижается.
Понижению температуры рабочей смеси способствуют некоторые мероприятия, изложенные в описании способов охлаждения двигателя.
11. Применить наддув. Известно, что при нормальном питании двигателя количество горючей смеси, поступающей в цилиндр, всегда меньше теоретически возможного и на больших числах оборотов коленчатого вала двигателя быстро уменьшается.
Наддув - наполнение цилиндра горючей смесью под давлением при помощи нагнетателя позволяет вводить большее количество горючей смеси, увеличивает крутящий момент и приемистость двигателя и препятствует снижению наполнения на высоких числах оборотов коленчатого вала.
Как способ увеличения мощности мотоциклетного двигателя наддув и до настоящего времени применяют только на единичных экземплярах гоночных мотоциклов, предназначенных для установления рекордов скорости.
Нагнетатели, посредством которых осуществляют наддув в мотоциклетных двигателях, при каждом обороте вала подают в двигатель определенное количество горючей смеси. Для повышения интенсивности наддува обычно увеличивают число оборотов вала нагнетателя относительно числа оборотов коленчатого вала двигателя путем изменения передаточного отношения привода нагнетателя.
Схемы устройства нагнетателей на фиг. 159, изображают два основных типа нагнетателей.

Для двухтактных двигателей применяли также обычный поршневой насос.
Нагнетатели устанавливают двумя способами: перед карбюратором (фиг. 160,а) и между карбюратором и цилиндром (фиг. 160, б). В первом случае поплавковую камеру соединяют с впускным патрубком для уравнивания давлений. Для предупреждения поломки нагнетателя от обратной вспышки в цилиндре на впускном пути устанавливают редукционный клапан.

Для приведения в действие нагнетателя необходимо затратить мощность. Следовательно, для получения от двигателя при наддуве дополнительной мощности будет затрачено количество горючей смеси, эквивалентное не только дополнительной мощности, но и той, которая затрачивается на вращение нагнетателя. Это вызовет значительное увеличение тепловой и механической напряженности двигателя.
Поэтому наддуву можно подвергать только специально приспособленные двигатели, выдерживающие повышенные тепловые и механические нагрузки.
Необходимость в нагнетателе возникает только при изготовлении мотоцикла для установления рекордов скорости или иных очень высоких спортивных результатов. При состязаниях на большие дистанции и на кроссах с успехом служат обычные двигатели без наддува.
12. Осуществить впрыск топлива в цилиндр. Одним из способов увеличения наполнения двигателя является непосредственный впрыск топлива в цилиндр с помощью топливного насоса.
13. Уменьшить объем картера двухтактного двигателя. Горючая смесь, поступившая в картер двухтактного двигателя, при ходе поршня вниз подвергается предварительному сжатию, необходимому для осуществления процесса продувки - заряда цилиндра. Давление в картере, требуемое для эффективной продувки цилиндра, у различных двигателей колеблется от 1,2 до 1,5 кг/см 2 .
Для уменьшения затраты мощности на предварительное сжатие смеси в картере целесообразнее осуществлять продувку при меньшем давлении. Однако в практике увеличения мощности двухтактных двигателей установлено, что нередко наблюдается возрастание мощности при увеличении давления продувочной смеси.
Для увеличения давления продувочной смеси обычно уменьшают объем картера путем установки в нем между маховиками алюминиевой детали в виде кольца, из которого удален небольшой участок для свободного перемещения шатуна.
Примерный способ установки этой детали показан на фиг. 161. Кольцо вводят в картер одновременно с маховиками и его положение фиксируют штифтами.

14. Добиться герметичности сборки картера двухтактного двигателя. Даже незначительные утечки рабочей смеси из картера двухтактного двигателя уменьшают его наполнение и существенно влияют на уменьшение мощности. Герметичность всякого картера двухтактного двигателя достигается плотной подгонкой соединительных швов, установкой бумажных прокладок, уплотнением зазоров у коренных шеек сальниками.
В двигателе увеличенной мощности требования к герметичности картера повышаются. Прокладки смазывают бакелитовым или шеллачным лаком, внимательно проверяют качество сальников и с особой тщательностью стягивают половинки картера.
Двигатели, предназначенные для работы на топливе с содержанием спирта, не рекомендуется собирать на прокладках, смазанных бакелитовым или шеллачным лаком, так как спирт растворяет эти лаки. В этом случае особо точно притирают все соединяемые поверхности или устанавливают бумажные прокладки, смазанные жидким стеклом.
Увеличение степени сжатия. Вследствие повышения предварительного сжатия рабочей смеси увеличиваются мощность и экономичность двигателя.
Повышения сжатия достигают путем увеличения степени сжатия, а также обеспечением полной герметичности цилиндра. О последней судят обычно по качеству компрессии. Увеличения степени сжатия достигают путем уменьшения объема камеры сгорания.
Объем камеры сгорания до и после его уменьшения определяют путем заполнения ее маслом из мензурки. Эту операцию выполняют следующим образом.
Узкую мензурку предварительно наполняют маслом до определенного уровня. Устанавливают поршень в в. м. т. (конец хода сжатия). Через отверстие для свечи зажигания в цилиндр вливают содержимое мензурки до тех пор, пока его уровень не установится у нижней кромки резьбы отверстия. Чтобы весь объем камеры сгорания заполнился маслом и в ней не образовывалось пустот, двигатель при наливании масла наклоняют. Величина убыли масла в мензурке соответствует объему камеры сгорания.
Для получения точных результатов измерения рекомендуется: пользоваться только жидким маслом или автолом с керосином; проконтролировать точность установки поршня в в. м. т. путем небольшого повертывания кривошипа в ту и другую сторону - уровень масла в отверстии при этом подниматься не должен; измерить объем дважды, учитывая возможность прилипания части масла к стенкам камеры сгорания.
Уменьшают объем камеры сгорания путем одного или нескольких из перечисленных ниже способов:
1) стачивают торец головки цилиндра;
2) изготовляют головку цилиндра с меньшим объемом;
3) изготовляют новый поршень с более выпуклой головкой или с увеличенным расстоянием от пальца до края днища;
4) стачивают верхний или нижний торец цилиндра;
5) дополнительно фрезеруют картер в месте установки цилиндра.
Можно также увеличивать ход поршня и растачивать цилиндр, но эти два способа связаны с увеличением рабочего объема цилиндра.
О влиянии увеличения степени сжатия на мощность двигателя косвенно можно судить по возрастанию максимального давления вспышки.
Ориентировочные значения максимального давления вспышки в зависимости от степени сжатия следующие:

Увеличение степени сжатия ограничивается детонационной стойкостью топлива, характеризуемой октановым числом. Чем выше октановое число топлива, тем большая степень сжатия может быть применена в двигателе. Если увеличить степень сжатия, но работать на бензине с низким октановым числом, то в цилиндре возникает детонация, мощность двигателя уменьшается и двигатель будет быстрее изнашиваться.
Серийные отечественные мотоциклы работают со степенями сжатия, допустимыми при использовании автомобильного бензина с октановым числом не ниже 66. При повышении степени сжатия двигатель переводят на топливо с более высоким октановым числом (фиг. 162).

Двигатели с малым рабочим объемом цилиндров по сравнению с двигателями, имеющими цилиндры с большим рабочим объемом, при прочих равных условиях могут работать при меньшей детонационной стойкости топлива и, следовательно, в этих двигателях при высоких степенях сжатия допускается применение топлива с меньшим октановым числом. Октановые числа топлив, наиболее часто используемых для спортивных мотоциклов, указаны в табл. 9.

Таблица 9

Октановые числа топлив, применяемых для спортивных мотоциклов

Для предупреждения вредных последствий спортсменам рекомендуется по возможности подбирать топливо, не содержащее этиловой жидкости, так как при постоянном обращении с мотоциклом неизбежно попадание этилированного бензина на руки и вдыхание его испарений.
Обеспечение работы двигателя с большой степенью сжатия на топливах, не содержащих значительных количеств этиловой жидкости, нередко вызывающей освинцование свечей и клапанов, достигается при применении бензола и толуола в чистом виде и в различных смесях с бензином.
Октановые числа используемых бензино-бензольных и бензино-толуоловых смесей приведены в табл. 10.

Таблица 10

Октановые числа топливных смесей

При максимальных степенях сжатия, ограничиваемых только конструкциями двигателей, используют спирт в чистом виде или в смесях с другим топливом. Спирт в смеси с бензином применяют главным образом по следующим причинам.
Чистый спирт как топливо может быть эффективно использован только при достаточно высоких степенях сжатия, но не всегда удается соответственно уменьшить камеру сгорания, особенно в четырехтактных двигателях. Расход спирта вдвое больше, чем бензина. Спирт является топливом менее доступным, чем бензин. Пуск двигателя на спиртовых смесях с содержанием бензина осуществляется легче, чем на чистом спирте. Но смеси спирта с бензином при недостаточной крепости спирта легко расслаиваются при понижении температуры. Поэтому для мотоциклов, предназначенных для спорта, чаще используют различные смеси спирта с бензолом и толуолом, не расслаивающиеся при любых пропорциях смешения. В смеси спирта и бензина включают бензол, толуол или ацетон, так как последние три вида топлива являются хорошими стабилизаторами смеси.
Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя. По мере увеличения числа оборотов коленчатого вала мощность двигателя возрастает, достигает максимальной величины, а затем начинает снижаться. Это происходит вследствие уменьшения наполнения цилиндра рабочей смесью при больших числах оборотов. Для того чтобы с возрастанием числа оборотов увеличивалась мощность двигателя, улучшают наполнение цилиндра на больших числах оборотов вала и обеспечивают в возможно более короткий промежуток времени сгорание всего заряда рабочей смеси.
Наполнение цилиндра на больших числах оборотов вала улучшается в результате осуществления изложенных выше мероприятий. Продолжительность сгорания заряда рабочей смеси уменьшится от увеличения степени сжатия и усовершенствования камеры сгорания.
Приспосабливая двигатель к работе на высоких числах оборотов, обращают особое внимание на следующие его части и механизмы.
Камера сгорания . При рассмотрении процесса сгорания заряда рабочей смеси различают два явления: во-первых, скорость в м/сек распространения фронта пламени от свечи; во-вторых, продолжительность протекания всего процесса горения от момента воспламенения смеси искрой до образования конечных продуктов сгорания.
Лучшей формой камеры сгорания в конструкциях, осуществленных для двигателей спортивных мотоциклов, является форма, приближающаяся к полусфере, с зажиганием смеси в центре. Для помещения свечи в центре в головке двигателей с верхним расположением клапанов не остается места. Поэтому место для установки свечи выбирают с таким расчетом, чтобы пути распространения пламени были примерно одинаковыми.
Важное значение имеет наклонное расположение свечи. При наклоне, соответствующем наибольшей длине камеры сгорания, подожженная смесь будет «простреливать» все пространство камеры и тем самым ускорять процесс сгорания. Не следует только направлять свечу непосредственно на поршень, так как это способствует его местному перегреву и прогоранию днища.
Установка двух синхронно действующих свечей ускоряет сгорание смеси, но оказывает существенное влияние только при сравнительно большом рабочем объеме цилиндра.
Скорость распространения пламени, если пренебречь движением смеси, не превышает 20 - 30 м/сек , что недостаточно для быстрого завершения сгорания смеси. Скорость потока смеси в клапанном проходе достигает 90 - 110 м/сек . Однако это не значит, что скорость смеси внутри камеры столь же велика, но косвенно позволяет понять смысл следующего явления: если движению поступающей в цилиндр смеси придать вихревой характер, то время, потребное для сгорания, будет зависеть не только от скорости распространения пламени, но и от интенсивности горящих вихрей.
Механизм газораспределения четырехтактного двигателя . На высоких числах оборотов, вследствие возрастания сил инерции клапанов, пружин, коромысел, длинных штанг и толкателей, упругость пружин может оказаться недостаточной для своевременной посадки клапана в гнездо. Внешним признаком этого явления служит нарушение четкого чередования вспышек в цилиндре и возникновения хлопков в карбюраторе и глушителе на максимальных числах оборотов коленчатого вала двигателя.
Запаздывание посадки клапана в гнездо выявляют при осмотре запорного устройства клапана. На выточке его стержня, на сухариках и в коническом отверстии упорной шайбы пружины обнаруживаются потертости от их взаимного перемещения. На головке поршня могут быть следы от удара головки клапана. Между витками пружин появляются следы от соприкосновения витков.
Для своевременного закрытия клапана облегчают до возможного предела детали механизма газораспределения, не уменьшая их прочности. Особое преимущество в этом отношении имеют пружины шпилечного типа. Допустимо увеличение упругости пружин путем подкладывания регулировочных шайб под их неподвижные концы, учитывая при этом, что применение чрезмерно тугих пружин у мотоциклов для гонок связано с обрыванием выпускного клапана, приводящим к очень серьезным поломкам двигателя.
Поршень и шатун . Силы инерции деталей поршневой группы двигателя увеличенной мощности на максимальных оборотах больше максимальных сил давления газов в момент вспышки. От чрезвычайно больших напряжений, наблюдаются случаи обрыва шатуна в верхней части поршня преимущественно по плоскости расположения верхнего маслосъемного кольца.
В двигателях с коротким ходом, с прочным, но легким шатуном, изготовленным из высококачественной стали или из электрона, и при совершенной конструкции поршня возможность этих поломок уменьшается. Шатун дополнительно подвергают полированию, которое повышает его прочность и позволяет своевременно выявить пороки металла.
Поршневые кольца . При высоких числах оборотов коленчатого вала (около 6500 об/мин. и более) в двигателях увеличенной мощности вследствие большой скорости поршня иногда происходят поломки поршневых колец. Возможность поломок уменьшается при применении узких колец особо высокого качества, тщательной подгонке их к поршню, большой точности изготовления цилиндра и качества полировки зеркала, а также от проведения длительной холодной и горячей обкатки двигателя.
Зажигание . При оценке спортивных качеств, применяемых на мотоциклах двух систем зажигания - батарейного и от магнето - руководствуются следующими соображениями.
С увеличением числа оборотов мощность искры батарейного зажигания уменьшается, а при зажигании от магнето - увеличивается. Двигатели увеличенной мощности отличаются: 1) большим давлением сжатия в цилиндре в момент зажигания рабочей смеси электрической искрой и 2) высоким числом оборотов, соответствующим максимальной мощности. При высоком давлении для преодоления искрового промежутка в свече потребное пробивное напряжение увеличивается.
Поэтому зажигание от магнето при высоком сжатии и высоком числе оборотов должно иметь преимущество перед батарейным. Однако из практики подготовки мотоциклов к спортивным соревнованиям установлено, что батарейное зажигание действует вполне удовлетворительно. Например, двухцилиндровый четырехтактный двигатель со степенью сжатия 9,5 при 6000 об/мин, имея один молоточек прерывателя, дававший соответственно 6000 отрывов в минуту, работал на шоссейных соревнованиях с рекордными результатами на батарейном зажигании, причем не было каких-либо неполадок, которые служили бы основанием для замены батарейного зажигания. Двухтактные двигатели увеличенной мощности с батарейным зажиганием при 5000 - 5500 отрывах молоточка в минуту также работали безупречно. Из этого можно сделать вывод, что батарейное зажигание для указанных степеней повышения мощности вполне пригодно.
Увеличение затраты мощности на вращение вала генератора с максимальным числом оборотов по сравнению с мощностью, потребляемой магнето, ничтожно и может быть по желанию снижено путем включения увеличенного добавочного сопротивления в цепь обмотки возбуждения генератора или уменьшения скорости вращения якоря.
Повреждение обмоток якоря генератора на больших числах оборотов может произойти от электрической перегрузки обмоток и недостаточной механической прочности в условиях сильного возрастания центробежных сил. Электрическую перегрузку, сопровождающуюся нагреванием генератора, устраняют включением дополнительного сопротивления в обмотку возбуждения, и при достаточной механической прочности обмоток якоря генератор вполне пригоден для работы двигателя на больших числах оборотов коленчатого вала, в особенности, если якорь расположен на коренной шейке коленчатого вала.
Основное неудобство батарейного зажигания при занятиях спортом заключается в том, что оно включает в себя, помимо генератора, аккумуляторную батарею, катушку зажигания, реле-регулятор напряжения и контрольный прибор. Расположенные в разных частях мотоцикла аккумуляторная батарея и приборы значительно утяжеляют мотоцикл, а соединение их сложной системой электропроводов делает всю электросистему легко уязвимой.
Магнето, в котором все элементы электрической схемы находятся в общем герметичном корпусе, в смысле удобства обслуживания значительно проще. При установке двигателя достаточно присоединить провода к свечам и один провод - к кнопке выключения зажигания.
К недостаткам зажигания от магнето, при оборудовании им мотоциклов М1А, К-125, ИЖ-350, ИЖ-49 относится обычно недостаточная надежность применяемой спортсменами соединительной муфты; на мотоцикле М-72 - сложность работ по устройству привода.
При выборе магнето для двигателя высокой литровой мощности необходимо учитывать первоначальное назначение магнето и отдавать преимущество типам магнето с неподвижными обмотками. Для двигателей с особо большим числом оборотов коленчатого вала необходимо специальное магнето. В противном случае при применении обычного магнето, для уменьшения пробивного напряжения, расстояние между электродами свечи приходится уменьшать до 0,3 мм .
Так как максимальное давление сжатия образуется в цилиндре не при максимальном числе оборотов коленчатого вала, а на промежуточных режимах, соответствующих максимальному крутящему моменту, то перебои в искрообразовании могут возникнуть на переходном режиме оборотов при зажигании не от специального магнето и на очень высоких числах оборотов при батарейном зажигании.
Из приведенных соображений можно сделать следующие выводы:
1. Наиболее приемлемым зажиганием для спортивных мотоциклов является зажигание от магнето специального типа.
2. При отсутствии последнего с успехом может быть применено батарейное зажигание.
Уравновешивание . В движущихся деталях двигателя развиваются инерционные силы, которые дополнительно нагружают подшипники, вызывают вибрацию двигателя и всего мотоцикла и препятствуют возрастанию числа оборотов коленчатого вала.
Рассматривая возникновение инерционных сил в кривошипном механизме, различают детали, участвующие во вращательном движении и детали, движущиеся возвратно - поступательно.
К вращающимся деталям относятся маховики, шатунная шейка, нижняя головка шатуна с подшипником и около 1/3 массы шатуна. Все эти детали полностью уравновешиваются противовесами маховиков.
Группа деталей, движущихся возвратно - поступательно, состоит из поршня с кольцами и пальцем и 1/3 массы шатуна. Если перечисленные детали совсем не уравновешивать, то разовьется неуравновешенная сила, действующая по оси цилиндра. Если же детали, движущиеся возвратно-поступательно, полностью уравновесить противовесами маховиков, то неуравновешенные силы переместятся в плоскость, перпендикулярную оси цилиндра. Рекомендуемые пределы уравновешивания - 45 - 65%, причем 45% относятся к двигателям с особо большим числом оборотов коленчатого вала.
При уравновешивании двигателя учитывают конструкцию рамы, передней вилки, устойчивость мотоцикла и выбирают наиболее приемлемое для данной конструкции направление неуравновешенных сил, так как их полное устранение практически затруднено.
Среди конструкций двигателей, получивших широкое распространение, наиболее хорошо уравновешиваются двухцилиндровые двигатели с противолежащими цилиндрами типа двигателя отечественного мотоцикла М-72, так как в них силы инерции равны и противоположно направлены. В этих двигателях веса шатунов и поршней должны быть одинаковыми.
В одноцилиндровых двигателях при небольшом изменении веса поршня из легких сплавов, получающемся в результате дополнительной механической обработки, не требуется обязательное эквивалентное уравновешивание кривошипа.
Уменьшение веса возвратно движущихся масс кривошипа и деталей механизма газораспределения является основным способом улучшения уравновешенности двигателя и сильно повышает возможность увеличения максимальных чисел оборотов коленчатого вала двигателя.
Двигатель заводского изготовления уравновешивают в следующем порядке.
Определяют, какой процент веса возвратно - поступательно движущихся деталей у двигателя был уравновешен. Для этого коленчатый вал в сборе с шатуном и поршневой группой, не подвергавшийся еще каким-либо изменениям, устанавливают коренными шейками на две призмы, в качестве которых могут служить две полосы углового железа (фиг. 163).

В точке маховика, симметричной центру шатунной шейки, сверлят отверстие и устанавливают в него штифт. К штифту подвешивают груз и добиваются равновесия кривошипа. В качестве разновесов удобно пользоваться шариками подшипников.
После полировки шатуна, облегчения поршня, поршневого пальца и выполнения других работ, связанных с облегчением поршневой группы, кривошип в сборе с поршневой группой вторично устанавливают на призме и определяют разницу в весе груза при первом и втором взвешиваниях.
Для восстановления уравновешенности двигателя на радиусе установки штифта из маховиков около обода удаляют высверливанием количество металла, равное по весу величине разности двух взвешиваний кривошипа, умноженный на 0,45 - 0,65. В соответствии с вычисленным весом подбирают диаметры сверл и сверлят сразу насквозь оба маховика для того, чтобы с каждого было удалено равное количество металла в одинаковых местах. В противном случае маховики при работе двигателя могут расцентрироваться.
При необходимости удаления большого количества металла не следует упускать из виду возможности ослабления прочности маховиков. Вместо одного большого отверстия рекомендуется сверлить несколько отверстий. Первое большое отверстие сверлят на радиусе установки штифта между последним и ободом маховика (с учетом равенства моментов), а следующие располагают симметрично по обеим сторонам от первого, пользуясь сверлами уменьшающихся диаметров.
Центрирование кривошипа двигателя . Соблюдение точной соосности коренных шеек кривошипного механизма, выверенной с точностью до 0,01 мм , является обязательным условием приспособления двигателя к работе на высоких числах оборотов коленчатого вала.
Известен способ центрирования коренных шеек кривошипа при помощи линейки и штангеля, прикладываемых к ободам маховиков, с последующей проверкой точности выполнения операции по легкости вращения кривошипа в собранном картере.
Линейку прикладывают к внешней поверхности обода маховиков в местах, удаленных от кривошипного пальца на 90°. Путем постукивания по ободам маховиков добиваются равного прилегания линейки к ободам или равного просвета между линейкой и ободами. Штангелем измеряют по всей окружности расстояние между маховиками. Если расстояния окажутся неравными, то для частичного исправления кривошипа маховики в месте наибольшего расстояния между ними сжимают тисками.
Затем устанавливают кривошип в картер, последний не стягивают болтами и вращают кривошип. Колебание половинок картера в радиальном и осевом направлениях соответственно указывает на неточное центрирование линейкой и штангелем. Но если кривошип даже при затянутых половинках картера вращается легко на коренных подшипниках, то этой проверки все же недостаточно.
Указанным способом пользуются только для предварительной проверки кривошипа.
Центрирование кривошипа двигателя увеличенной мощности нужно обязательно производить в центрах токарного станка индикатором (фиг. 164). Никакой другой, менее точный способ центрирования кривошипа двигателя, предназначенного для работы с особо большим числом оборотов, недопустим.

Уменьшение потерь мощности на трение. Эффективная мощность, снимаемая с вала двигателя, является частью индикаторной мощности, получаемой в цилиндре в результате сгорания рабочей смеси, за вычетом потерь на трение.
Отношение эффективной мощности к индикаторной представляет собой механический к. п. д. двигателя. Механический к. п. д. мотоциклетного двигателя 0,7 - 0,85 с возрастанием числа оборотов вала уменьшается, поэтому в среднем не менее 20% индикаторной мощности расходуется на трение.
Из всех потерь мощности на трение наибольший процент, достигающий 65% от общих потерь, составляет трение поршня по цилиндру. Остальные потери приходятся на трение подшипников кривошипа, на механизм газораспределения, вращение масляного насоса, магнето, генератора. Следовательно, для уменьшения потерь на трение основное внимание должно быть направлено на улучшение условий работы поршня.
Величина зазоров между поршнем и цилиндром, рекомендованная заводом для нормальной эксплуатации в двигателе мотоциклов, предназначенных для занятий спортом, может быть увеличена на несколько сотых долей миллиметра в соответствии с работой поршня на высоких числах оборотов вала.
При напряженном температурном режиме уменьшение высоты колец допустимо только в том случае, если обеспечено достаточное охлаждение поршня, так как через поршневые кольца отводится до 80% тепла, воспринимаемого головкой поршня.
Наиболее рациональный путь уменьшения потерь на трение в хорошо собранном двигателе, дающий существенный прирост мощности, - это обкатка двигателей на стенде или с помощью буксира на шоссе.
Обкатка, часто предпринимаемая только для предупреждения заклинивания в цилиндре нового поршня и приработки по всему периметру поршневых колец, необходима по следующим, еще более важным причинам. Как показали исследования, проведенные в Институте машиноведения Академии наук СССР, новые неприработанные детали из-за недостаточно чистой обработки поверхностей и неизбежных перекосов в механизме, имеют опорные площади, передающие и воспринимающие нагрузку, в сотни и даже тысячи раз меньшие, чем предусмотрено расчетами. Вследствие этого в новом необкатанном двигателе, если его сильно нагрузить, у отдельных мест поверхностей трения создаются очень высокие давления, которые могут выдавить масляную пленку и вызвать задир поверхностей. Возможно, повреждения поверхностей невооруженным глазом будут неразличимы, но несомненно, что в результате приработки деталей во время длительной и правильной обкатки сформируются высококачественные поверхности, обеспечивающие наименьшие потери на трение и наибольшую износоустойчивость отдельных деталей и механизма в целом.
Последовательно проводят холодную обкатку, горячую обкатку без нагрузки и горячую обкатку под нагрузкой.
При проведении обкатки пользуются следующими основными рекомендациями.
Степень сжатия двигателя целесообразно понизить до величины, допускающей бездетонационную работу на низкооктановых бензинах.
Обкатку производят на шоссе с гладким покрытием. На горловину карбюратора устанавливают эффективный воздухоочиститель.
В бензин примешивают 2% масла МС. В топливной смеси двухтактных двигателей содержание масла должно быть увеличено с 4 до 5%.
В масло рекомендуется добавлять 1 - 2% коллоидального графита. Карбюратор регулируют для образования богатой рабочей смеси.
Масло в картере за период обкатки сменяют несколько раз, внимательно следя за составом спускаемого масла.
В первый период горячей обкатки под нагрузкой проходят короткие расстояния с умеренно открытым дросселем, а затем закрывают его и дают мотоциклу двигаться по инерции. Вследствие этого поршень попеременно нагревается и охлаждается, более расширяющиеся участки его шлифуются, и достигается хорошая приработка поршня к цилиндру.
Пробег для обкатки нового двигателя или собранного из новых деталей должен быть не менее 2000 км . Только после длительного срока приработки трение между деталями уменьшается до необходимого минимума и мотоцикл в целом становится надежным для движения с высокой скоростью.
Способы улучшения охлаждения двигателя. Охлаждение двигателя усиливается при соблюдении следующих условий.
Полное использование охлаждающей способности ребер цилиндра . Масло, смешанное с грязью, является своеобразной теплоизоляцией. Так, например, теплопроводность пригоревшего масла равна только 1/50 теплопроводности чугуна. Поэтому охлаждающие ребра цилиндра и головки, а также весь двигатель необходимо тщательно очищать. Если промывкой в керосине с помощью кисти и проволочных щеток надлежащей чистоты поверхностей не достигают, то применяют очистку пескоструйной установкой. В этом случае надежно защищают зеркало цилиндра, седла клапанов и поверхности соединения головки и цилиндра от попадания песка. Другой способ очистки цилиндра - это кипячение его в каустике (едкое кали, едкий натр). Точная рецептура раствора каустика значения не имеет, но чем выше концентрация каустического раствора, тем быстрее будет происходить процесс очистки. При погружении в каустический раствор зеркала цилиндра и клапанных седел не причиняется им вред, но требуется тщательная двух - трехкратная последующая промывка в горячей воде.
Для очистки алюминиевых деталей каустический раствор применять недопустимо, так как алюминий в каустике растворяется и детали приходят в полную негодность.
Одним из средств сохранения охлаждающего действия ребер цилиндра является покрытие их специальными, лаками. Несмотря на то, что лаковая пленка будет дополнительным препятствием на пути перехода тепла к воздуху, охлаждение улучшится. Это происходит потому, что металл ребер, очищенный от масла, быстро покрывается слоем коррозии, который менее теплопроводен, чем лаковая пленка.
Применение металлов с повышенной теплопроводностью . Для улучшения охлаждения двигателей, применяемых для спортивных целей, изготовляют цилиндры, головки и другие нагревающиеся детали из металлов, обладающих повышенной теплопроводностью.
При осуществлении указанной замены металлов можно воспользоваться приведенными ниже коэфициентами теплопроводности некоторых наиболее употребительных металлов.

Таким образом, изготовление, например, алюминиевого цилиндра с вставной гильзой взамен чугунного и головки цилиндра из сплава, содержащего медь, улучшает охлаждение двигателя.
Полировка поверхностей . Полировкой камеры сгорания и головки поршня уменьшают поверхность их соприкасания с газами высокой температуры, а кроме того, полированные поверхности этих деталей лучше отражают тепловые лучи. Передача тепла металлу от сгорающих газов теплопроводностью и лучеиспусканием уменьшается.
Теплоизоляция карбюратора . Карбюратор, установленный непосредственно на коротком патрубке цилиндра или его головке, сильно нагревается. Для уменьшения нагрева карбюратора от двигателя между ними устанавливают теплоизоляторы. При фланцевом креплении карбюратора теплоизолятор представляет собой прокладку из нетеплопроводного материала, например, волокнита или гетинакса (род прессованного картона) толщиной примерно 15 мм , устанавливаемую между фланцем карбюратора и двигателем. Для карбюратора, закрепляемого хомутом, простейшим видом теплоизоляции является кольцевая прокладка в виде втулки из тех же материалов.
Охлаждение маслом . В четырехтактных двигателях при увеличении количества масла, участвующего в циркуляции, установке масляного бака вне двигателя, включении в коммуникацию масляного радиатора улучшается охлаждение двигателя.
Применение богатой рабочей смеси . Обогащением рабочей смеси даже до предела, при котором мощность двигателя начинает несколько снижаться, рекомендуется пользоваться для снижения температуры двигателя увеличенной мощности.
Использование спирта . При использовании в качестве топлива вместо бензина спирта в чистом виде и в смесях с бензином, бензолом и толуолом температура рабочей смеси понижается вследствие высокой скрытой теплоты испарения спиртов.
Ниже указаны величины скрытой теплоты испарения топлива, применяемого для двигателей спортивных мотоциклов.

При использовании спиртов мощность увеличивается приблизительно на 20% вследствие уменьшения температуры смеси и возможности работы двигателя на очень высокой степени сжатия без детонации.