Проектирование картов - Форсирование двигателей

Здесь не будет гото­вых рецептов по форсированию конкретных типов двигателей. Все двигатели разные, на разных шасси будут изменяться разме­ры отдельных элементов (например, выпускной системы), будут изменяться и характеристики. Поэтому, какие-то конкретные ре­цепты, в которых, тем не менее, останется немало белых пятен, могут привести лишь к бесполезной работе.

Будут рассмотрены, в частности, основы теории процессов, происходящих в двигателе, с особым упором на те вопросы, кото­рые являются основными при форсировании двигателя. Конечно, в предлагаемой главе рассматриваются только те разделы тео­рии, знание которых необходимо, чтобы начинающий поклонник картинга не испортил двигатель в стремлении выжать из него максимальную мощность. Приведены также общие рекомендации о том, в каких направлениях следует проводить доработки дви­гателя, чтобы добиться положительных результатов. Общие ука­зания иллюстрируются примерами из практических работ по фор­сированию картинговых двигателей. Кроме того, приводится ряд замечаний и практических рекомендаций относительно, казалось бы, мелких изменений, внесение которых улучшит работу двига­теля, повысит его надежность, избавит нас от порой дорогостоя­щей учебы на собственных ошибках.

Фазы газораспределения

Фазы газораспределения выражаются углами поворота ко­ленчатого вала, при которых открываются и закрываются со­ответствующие окна цилиндра. В двухтактном двигателе рас­смотрим три фазы: открытия впускного окна, открытия выпускно­го окна и открытия перепускных окон (рис. 9.3).

Фазой открытия окна, например, выпускного, назовем угол поворота коленчатого вала, измеряемый с момента, когда верх­ний край поршня откроет выпускное окно, до момента, когда поршень, двигаясь обратно, закроет окно. Аналогично можно оп­ределить фазы открытия остальных окон.

Рис. 9.3. Диаграммы фаз газораспределения:

a -симметричная; б- несимметричная; OD и ZD - открытие и закрытие впуска. ОР и ZP- открытие и закрытие перепуска; OW и ZW -открытие и закрытие выпуска; a,у- углы открытия соответственно впускного и выпускного окон; B - угол открытия перепускных окон

Рис. 9.4. Сравнение время-сечений (площадь под кривыми) для окон разной формы

В обычном поршневом двигателе все окна открываются и за­крываются поршнем, поэтому диаграмма фаз газораспределения симметрична (или почти симметрична) относительно вертикаль­ной оси (рис. 9.3, а). В картинговых двигателях, в которых на­полнение кривошипной камеры горючей смесью осуществляется с помощью вращающегося золотника, фаза впуска может не зави­сеть от движения поршня, поэтому диаграмма фаз газораспреде­ления имеет обычно несимметричный вид (рис. 9.3, б).

Фазы газораспределения являются сравнимыми величинами для двигателей с разным ходом поршня, т. е. они служат уни­версальными характеристиками. При сравнении двигателей, име­ющих одинаковый ход поршня, фазы газораспределения можно заменить расстояниями от окон, например, до верхней плоскос­ти цилиндра.

Кроме фаз газораспределения важным параметром является так называемое время-сечение. При постепенно открываемом поршнем окне от формы канала зависит, как увеличивается отк­рытая поверхность окна в зависимости от угла поворота колен­чатого вала (или времени). Чем шире окно, тем большая поверх­ность будет открываться при смещении поршня вниз. За одно и то же время через окно будет проходить большее количество горю­чей смеси. Целесообразно, чтобы при открытии окна поршнем его площадь была бы сразу как можно большей. Во многих дви­гателях для этого окно делается расширенным кверху. Благода­ря этому достигается эффект быстрого открытия окна без увели­чения его поверхности.

Диаграмма роста открытой поверхности окон разной формы в зависимости от времени при постоянной ЧВ двигателя пока­зана на рис. 9.4. Общая площадь окон в обоих случаях одинако­вая. Площадь под кривыми диаграммы характеризует значение время-сечения. Для окна неправильной формы время-сечение больше.

Системы продувки цилиндра

Рис. 9.10. Схема систем продувки цилиндра и соответствующие им развертки зеркала цилиндра:

а - двухканальная система; б - трехканальная система; в - четырехканаль-ная система; г - пятиканальная система

Применяемые в картинговых двигателях системы продувки цилиндра схематически представлены на рис. 9.10. Рядом по­казано расположение перепускных окон на развертке зеркала ци­линдра для каждой из систем: двух-, трех-, четырех- и пятиканальной. В тех двигателях, где наполнение картера регулируется поршнем, крывает и не закрывает впускное окно. В этом случае впускной патрубок сделан не в цилиндре, и появляется возможность раз­местить дополнительный перепускной канал.

Роль выпускной системы

В двухтактном двигателе огромную роль играет выпускная система, состоящая из выпускного патрубка (в цилиндре и за цилиндром), расширительной камеры и глушителя. В момент от­крытия выпускного окна в цилиндре имеется некоторое давление, которое снижается в выпускной системе. Газ расширяется, воз­никают ударные волны, которые отражаются от стенок расшири­тельной камеры. Отраженные ударные волны вызывают новый рост давления около выпускного окна, в результате чего некото­рая часть отработавших газов снова попадает в цилиндр (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Схематическое представ­ление последовательных фаз выхода отработавших газов:

а - открытие выпускного окна; б - полное открытие окна; в - закрытие окна

Кажется, что выгоднее было бы получить разрежение у вы­пускного окна, когда оно полностью открыто. Это вызовет отка­чивание газов из цилиндра и, тем самым, наполнение цилиндра свежей смесью. Однако в таком случае часть этой смеси вместе с отработавшими газами попадет в выпускной патрубок. Поэтому надо добиваться повышенного давления у выпускного окна, когда оно закрывается. В этом случае горючая смесь, попавшая вместе с отработавшими газами в выпускной патрубок, будет возвращена в цилиндр, заметно улучшая его наполнение. Проис­ходит это уже после закрытия поршнем перепускных окон. Как и во впускной системе, волновые явления в выпускной системе дают положительный эффект только вблизи резонансной ЧВ. Изменяя размеры, а особенно длину выпускной системы, также можно формировать скоростные характеристики двигате­ля. Влияние изменений размеров выпускной системы на харак­теристики двигателя более значительно, чем изменение размеров впускной системы.

Основы процесса сгорания

Для лучшего понимания работы двигателя необходимо ска­зать несколько слов о процессах, происходящих в камере сгора­ния двигателя. От протекания процесса сгорания зависит на­растание давления в цилиндре, что определяет мощность двига­теля.

Результаты сгорания топлива, воспринимаемые в виде работы кривошипно-шатунного механизма, в первую очередь зависят от состава горючей смеси. Теоретически идеальным составом горю­чей смеси является так называемый стехиометрический состав, т. е. такой, при котором в смеси содержится столько топлива и кислорода, что после сгорания в отработавших газах нет ни топ­лива, ни кислорода. Другими словами, сгорит все находящееся в камере сгорания топливо, а для его сгорания будет израсходо­ван весь кислород, содержащийся в горючей смеси.

Если бы в камере сгорания был избыток воздуха (недоста­ток топлива), то избыток этот не смог бы помочь процессу горения. Однако он стал бы дополнительной массой газа, которую надо «прокачать» через двигатель и нагреть, используя для этого теплоту, которая без этой дополнительной массы повысила бы температуру и, следовательно, давление в цилиндре. Горючая смесь с избытком воздуха называется бедной.

Столь же неблагоприятен недостаток воздуха (или избыток топлива). Это привело бы к неполному сгоранию топлива и, как следствие, к получению меньшей энергии. Избыток топлива при этом будет пропущен через двигатель и испарится. Горючая смесь с недостатком воздуха называется богатой.

На практике для получения наибольшей мощности целесо­образно использовать слегка обогащенную смесь. Это объясня­ется тем, что в камере сгорания всегда образуются локальные неоднородности состава горючей смеси, возникающие из-за то­го, что невозможно добиться идеального перемешивания топлива с воздухом. Оптимальный состав смеси может быть определен только опытным путем.

Объем горючей смеси, засасываемой каждый раз в цилиндр, определяется рабочим объемом этого цилиндра. А вот масса воздуха, находящегося в этом объеме, зависит от температуры воздуха: чем выше температура, тем меньше плотность воздуха. Таким образом, состав горючей смеси зависит от температуры воздуха. Из-за этого необходимо «настраивать» двигатель в за­висимости от погоды. В жаркий день в двигатель поступает теп­лый воздух, поэтому для сохранения соответствующего состава горючей смеси необходимо уменьшить подачу топлива. В холод­ный день масса поступающего воздуха возрастает, поэтому надо подавать больше топлива. Надо заметить, что на состав горючей смеси влияет также влажность воздуха.

Вследствие всего этого температура даже идеального в дан­ных условиях состава смеси значительно влияет на степень на­полнения кривошипной камеры. В постоянном объеме картера при более высокой температуре масса горючей смеси будет мень­ше и, тем самым, после ее сгорания в цилиндре будет более низ­кое давление. Из-за этого явления элементам двигателя стара­ются придать такую форму, особенно картеру (оребрение), что­бы добиться их максимального охлаждения.

Горение смеси в камере сгорания происходит с определен­ной скоростью, за время горения коленчатый вал поворачивает­ся на определенный угол. Давление в цилиндре нарастает по мере горения смеси. Целесообразно получение наибольшего дав­ления в тот момент, когда уже начался рабочий ход поршня. Чтобы этого добиться, смесь надо зажигать несколько раньше, с определенным опережением. Это опережение, измеряемое углом поворота коленчатого вала, называется углом опережения зажигания. Часто опережение зажигания удобнее измерять расстоянием, которое осталось пройти поршню до верхней мертвой точки.

Диапазон доработок

Прежде, чем приступить к работе над двигателем, надо ре­шить, какой показатель мы хотим достичь. В пяти-, шестиступен-чатых двигателях гоночной категории мы можем стремиться к увеличению ЧВ, хотя известно, что в результате этого ЧВ максимального момента приближается к ЧВ максимальной мощ­ности; мы уменьшаем диапазон рабочих оборотов, добиваясь взамен большей мощности.

В двигателях популярной категории, а это двигатели «Дэмба» объемом 125 см 3 с трехступенчатой коробкой передач, не следует стремиться к достижению слишком большой ЧВ, надо добиваться наибольшего диапазона рабочих ЧВ. В таких двигателях (ис­пользуя его собственные узлы и агрегаты) можно добиться мощности более 10 кВт при частоте вращения порядка 7000-8000 об/мин.

Необходимо также определить диапазон доработок, которые мы собираемся выполнить. Надо заранее знать, будет это внесе­ние усовершенствований в дорабатываемый двигатель или же диапазон доработок будет столь широк, что в итоге получим практически новый двигатель с сохранением нескольких ори­гинальных (но доработанных) узлов, как того требуют пра­вила.

Предполагая доработку двигателя, предпочтение следует от­давать тем операциям, которые значительно повысят показатели двигателя. Однако не стоит (по крайней мере на этом этапе работ) предусматривать выполнение таких операций, которые требуют значительного труда и о которых заранее известно, что они дадут незначительные результаты. К таким операциям относится полирование всех каналов цилиндра двигателя, несмотря на то, что существует всеобщее убеждение в эффек­тивности этой операции. Стендовые испытания многих двига­телей показали, что полирование каналов цилиндра повышает мощность двигателя на 0,15-0,5 кВт. Как видите, усилия, затра­ченные на выполнение этой работы, совершенно несоизмеримы с результатами.

Вот операции, которые несомненно повлияют на увеличение показателей двигателя: увеличение степени сжатия; изменение фаз газораспределения; изменение формы и размеров каналов и окон цилиндра; правильный подбор параметров впускной и вы­пускной систем; оптимизация опережения зажигания.

Изменение степени сжатия

Увеличение степени сжатия, получаемое путем уменьшения объема камеры сгорания, ведет к увеличению мощности двига­теля. Увеличение степени сжатия ведет к росту давления сго­рания в цилиндре за счет увеличения давления сжатия, улучше­ния циркуляции смеси в камере сгорания и увеличения скорости сгорания.

Степень сжатия нельзя увеличивать до любой произвольной величины. Она ограничена качеством используемого топлива, а также тепловой и механической прочностью узлов двигателя. Достаточно сказать, что при увеличении эффективной степени сжатия с 6 до 10 силы, действующие на поршень, возрастают почти вдвое; т. е. вдвое возрастает нагрузка, например, на кривошипный механизм.

С учетом прочности деталей двигателя и детонационных свойств доступных топлив не рекомендуется применять геомет­рическую степень сжатия больше 14. Увеличение степени сжатия до этого значения требует не только удаления прокладки (если она была), но и придания соответствующей формы головке цилиндра, а иногда и цилиндру. Для облегчения расчета объема камеры сгорания для разных степеней можно пользоваться диаграммой, показанной на рис. 9.17. Каждая из кривых от­носится к определенному рабочему объему цилиндра.

Рис. 9.17. Диаграмма зависимости степени сжатия а от объемов камеры сгорания V 1 = 125 см 3 и V 2 -50 см 3

В некоторых двигателях с относительно небольшой степенью сжатия ее значительное увеличение возможно только путем механической обработки. В этом случае заплавляют камеру сгорания и снова обрабатывают ее. Это позволяет также изменить форму камеры. Большинство современных двигателей, применяемых в картинге, имеют камеру сгорания в виде шляпы. Эту форму не следует изменять при доработках двигателя.

Единственный метод точного определения объема камеры сгорания - это заполнение ее моторным маслом через отверстие для запальной свечи (рис. 9.18) при положении поршня в верхней мертвой точке. При таком методе измерения от объема налитого масла надо отнять объем свечного отверстия. Объем свечного отверстия для свечи с короткой резьбой равен 1 -1,1 см’ 1 , для свечи с длинной резьбой - 1,7-1,8 см 3 .

Прокладки под головку цилиндра в гоночных двигателях либо вообще не применяются, либо их заменяют тонкие медные кольца. В обоих случаях поверхности стыка цилиндра и головки должны быть притерты. Применение прокладок из материала с низким коэффициентом теплопроводности противопоказано, потому что это затруднит отток теплоты от верхней части гильзы цилиндра, несущей значительную тепловую нагрузку, к головке и ее охлаждающим ребрам. Прокладка головки цилиндра ни в коем случае не должна выступать в камеру сгорания. Выступающая кромка прокладки будет накаляться и станет источником калильного зажигания.

Рис. 9.18. Определение объема камеры сгорания

Октановое число применяемого бензина должно соответ­ствовать степени сжатия. Однако надо учитывать, что степень сжатия является не единственным фактором, определяющим возможную детонацию топлива.

Детонация зависит от протекания процесса сгорания, от движения смеси в камере сгорания, от способа зажигания и т. п. Вид топлива для конкретного двигателя подбирается опытным путем. Однако использовать высокооктанное топливо для двига­теля с низкой степенью сжатия не имеет смысла, потому что работа двигателя не улучшается.

Продувка цилиндра

Подбор соответствующих фаз газораспределения в двух­тактном двигателе играет огромное значение для удаления отработавших газов из цилиндра и наполнения его свежей смесью. Кроме того, надо так направить струи смеси, идущие из перепускных окон, чтобы они проходили через все закутки цилиндра и камеры сгорания, выдувая из них остатки отработав­ших газов и направляя их к выпускному окну.

Для увеличения ЧВ двигателя и, как следствие, его мощности, необходимо значительно расширить фазу выпуска, а точнее, увеличить разность между фазами выпуска и продувки. В резуль­тате этого увеличивается время, в течение которого отработав­шие газы, расширяясь, выходят из цилиндра. В этом случае в момент открытия перепускных окон цилиндр уже пуст, посту­пающий в него свежий заряд лишь незначительно смешивается с остатками отработавших газов.

Фаза выпуска увеличивается за счет смещения (спиливания) верхней кромки окна. Фаза выпуска в гоночных двигателях до­стигает 190° по сравнению со 130-140° в серийных двигателях. Это значит, что верхнюю кромку можно спилить на несколько миллиметров. Надо, однако, учитывать, что в результате увели­чения высоты выпускного окна уменьшается ход поршня, на котором выполняется работа. Поэтому увеличение высоты вы­пускного окна окупается только в том случае, если потери в работе поршня компенсируются улучшением продувки цилиндра.

В связи с целесообразностью достижения максимальной раз­ности между фазами выпуска и продувки угол открытия проду­вочных окон обычно остается неизменным.

Существенное влияние на качество продувки имеют размер и форма перепускных каналов и окон. Направление впуска смеси в цилиндр из перепускного канала должно соответствовать принятой системе продувки (см. п. 9.2.4, рис. 9.10). В двух-и четырехканальной системах продувки струи поступающей в цилиндр горючей смеси направляются над поршнем к стенке цилиндра, противоположной выпускному окну, причем в четырех­канальной системе струи, исходящие из окон, расположенных ближе к выпускному окну, обычно направлены к оси цилиндра. В системах с тремя или пятью перепускными окнами одно окно должно быть расположено напротив выпускного окна, канал этого окна должен направлять струю горючей смеси вверх под минимальным углом к стенке цилиндра (рис. 9.19). Это необ­ходимое условие эффективного действия этой дополнительной струи, получаемое обычно уменьшением ее сечения, а также более позднего открытия этого окна.

Изготовление дополнительного (третьего или пятого) канала является правилом, для двигателей с вращающимся золотником или мембранным клапаном. В двигателях, в которых наполнением кривошипной камеры управляет поршень, на месте классического третьего (или пятого) перепускного канала находится впускное окно. В таких двигателях могут быть дополнительные пере­пускные каналы, причем впускное окно должно иметь соответст­вующую форму; подобное решение показано на рис. 9.20. В этом двигателе сделаны три дополнительных перепускных окна небольшого размера, соединенных общим перепускным каналом, вход в который находится над впускным окном. Необходимая фаза впуска обеспечивается здесь соответствующей формой впускного окна.

Рис. 9.19. Влияние формы третьего перепускного канала на движение заряда в цилиндре:

a - неправильная форма; б- правильная форма

При установке на обычный двигатель вращающегося золот­ника в цилиндре появляется возможность сделать перепускной канал напротив выпускного окна. Здесь удобно сделать сильно изогнутый короткий канал (рис. 9.21, а), поступление смеси в ко­торый на некоторое время закрывается юбкой поршня.

Недоста­ток этого решения заключается в том, что движение поршня нарушает нормальный ток горючей смеси, но оно имеет два важных достоинства: маленький объем канала лишь незначи­тельно увеличивает объем кривошипной камеры, а горючая смесь, проходя через поршень, прекрасно его охлаждает. Прак­тически такой канал легко сделать следующим образом. В цилиндре делаются два отверстия (перепускное окно и вход в канал), в этом месте вырезаются ребра и прикручивается накладка с проточенным в ней каналом (рис. 9.21,6). Можно также попробовать вырезать вертикальную канавку в зеркале цилиндра между входом в канал и окном, ширина канавки равна ширине канала. Однако в этом случае движение поршня вниз будет вызывать некоторую турбулизацию горючей смеси в канале (рис. 9.21, в).

Перепускные каналы должны сужаться к окнам в цилиндре.

Рис. 9.21. Дополнительный перепускной канал с протеканием смеси через поршень:

а - принцип действия; б - часть канала проходит во внешней накладке; в - канал, вырезанный в зеркале цилиндра

Вход в перепускной канал должен иметь площадь на 50 % боль­ше, чем площадь перепускного окна. Очевидно, что изменение сечения канала должно быть выполнено по всей его длине. Углы окон и сечений каналов должны быть скруглены радиусом 5 мм для повышения ламинарности потока.

Недопустимы какие-либо погрешности при стыковке частей каналов, находящихся в разных деталях двигателя. Это заме­чание прежде всего касается места соединения цилиндра с карте­ром двигателя, где источником дополнительных завихрений смеси может стать прокладка, и стыков впускного и выпускного патрубков с цилиндром. Вихри в потоке смеси могут возникать также в месте стыка литой рубашки цилиндра с залитой или запрессованной гильзой (рис. 9.22). Несовпадения размеров в этих местах должны быть безусловно исправлены.

В некоторых двигателях окна цилиндра разделены ребром. Это прежде всего касается впускных и выпускных окон. Не реко­мендуется уменьшать толщину этих ребер и, уж тем более, удалять их при увеличении площади окна. Такие ребра предох­раняют поршневые кольца от попадания в широкие окна и, следо­вательно, от поломки. Допустимо лишь придать обтекаемую форму ребру впускного окна, но только с внешней стороны цилиндра.

Рис. 9.22. Нарушения движения заряда, вызванные неправильным

взаимным расположением гильзы цилиндра и литой рубашки цилиндра

Невозможно дать однозначный рецепт для получения опре­деленных эффектов доработок. Вообще можно сказать, что увеличение открытия выпускного окна увеличивает мощность двигателя, увеличивая одновременно ЧВ максимальной мощ­ности и максимального момента, но сужая диапазон рабочих ЧВ. Аналогичное действие оказывает увеличение размеров окон и сечений каналов в цилиндре.

Хорошо иллюстрируют эти тенденции изменения в скоростных характеристиках двигателя (рис. 9.23) объемом 100 см (диаметр цилиндра 51 мм, ход поршня 48,5 мм), полученные в результате изменения размеров и фаз газораспределения (рис. 9.24). На рис. 9.24, а приведены размеры окон, при которых двигатель развивает наибольшую мощность (кривые N А и М д на рис. 9.23). Фаза выпуска составляет 160°, продувки - 122°, впуска - 200°. Впускное окно открывалось при 48° от НМТ, а закрывалось при 68° от ВМТ. Диаметр диффузора карбюратора 24 см.

На рис. 9.24, б показаны размеры окон, при которых дос­тигается наибольший рабочий диапазон ЧВ (см. рис. 9.23, кривые N B и М в). Фаза выпуска составляет 155°, продувки - 118° и впуска - 188°, открытие впуска на угол 48° после НМТ и закрытие на угол 56° после ВМТ. Диаметр диффузора кар­бюратора равен 22 мм.

Следует обратить внимание, что сравнительно небольшие изменения размеров и фаз газораспределения значительно изме­нили характеристики двигателя. У двигателя А мощность больше, но он практически бесполезен при частоте вращения ниже 6000 об/мин. Вариант В применим в значительно большем диапа­зоне ЧВ, а это основное достоинство двигателя без коробки передач.

Хотя рассмотренный пример касается двигателя не приме­няемого в Польше класса, он хорошо иллюстрирует зависимость между формой окон и каналов цилиндра и параметрами его работы. Однако надо помнить о том, что привели ли наши доработки к желаемым результатам, мы будем знать только после их выполнения и проверки двигателя на стенде (или субъективно во время обкатки). Подготовка гоночного двигателя является бесконечным циклом доработок и проверок результатов этой работы, новых доработок и проверок, а ведь на характеристики двигателя огромное влияние оказывают и другие агрегаты дви­гателя (карбюратор, выпускная система и т. п.), оптимальные параметры которых можно определить только опытным путем.

Надо также подчеркнуть огромное значение геометрической симметрии всех окон и каналов в цилиндре. Даже небольшое отклонение от симметричности окажет отрицательное влияние на движение газов в цилиндре. Незначительная разница в высоте перепускных окон с обеих сторон цилиндра (рис. 9.25) вызовет несимметричное движение смеси и нару­шит действие всей системы продувки. Отличным показателем, позволя­ющим непосредственно оценить правиль­ность направления потоков смеси, по­ступающих из перепускных окон, явля­ются следы на днище поршня. Спустя некоторое время работы двигателя часть днища поршня покрывается слоем сажи. Та же часть днища, которую омывают струи свежей горючей смеси, поступа­ющей в цилиндр, остается блестящей, словно ее вымыли.

Рис. 9.25. Влияние различия в высоте пере­пускных окон

с обеих сторон цилиндра на симметрию движения заряда

Поршень и поршневые кольца

Рис. 9.28. Зависимость пропускной способности входного канала карбю­ратора от форумы его сечения

В современных двигателях применяются поршни, сделанные из материала с маленьким коэффициентом линейного расшире­ния, поэтому зазор между поршнем и гильзой цилиндра может быть небольшим. Если предположить, что зазор по окружности и длине юбки поршня в нагретом двигателе будет везде одина­ковым, то после охлаждения поршень деформируется. Поэтому поршень должен получать соответствующую форму еще во время механической обработки, что и делается на практике. К сожале­нию, форма эта слишком сложная, и ее можно получить только на специальных станках. Из этого следует, что форму поршня нельзя изменять слесарными операциями, а всевозможные об­тачивания юбки поршня напильником или точилом, приме­няемые повсеместно после заклинивания поршня, приведут к тому, что поршень потеряет правильную форму. В случае острой необходимости такой поршень может быть использован, однако можно не сомневаться, что его взаимодействие с зеркалом ци­линдра будет значительно хуже.

Надо предостеречь от использования наждачной бумаги для аварийной зачистки юбки поршня. Крупинки абразивного ма­териала впиваются в мягкий материал поршня, после чего исполосуют все зеркало цилиндра. Это приведет к необходимости растачивания цилиндра до следующего ремонтного размера.

Примерное распределение температур на поршне приведено на рис. 9.29. Наибольшая тепловая нагрузка приходится на днище и верхнюю часть, особенно со стороны выпускного окна. Температура нижней части юбки меньше и зависит, прежде всего, от формы поршня. Форма внутренней поверхности поршня должна быть такой, чтобы в сечении поршня не было сужений, затрудняющих теплообмен (рис. 9.30). Теплота от поршня цилиндру передается через поршневые кольца и места контакта юбки поршня с цилиндром.

Для уменьшения массы поршня и, тем самым, уменьшения сил, заметно возрастающих при высокой частоте вращения дви­гателя, можно удалить часть материала внутри поршня, но толь­ко в его нижней части. Обычно нижняя кромка поршня внутри заканчивается буртиком, являющимся технологической базой для обработки поршня. Этот буртик можно удалить, оставив толщину юбки в этом месте около 1 мм. Толщина стенки поршня должна плавно возрастать по направлению к днищу. Можно немного увеличить вырезы в юбке поршня под бобышками. Форма и размеры этих вырезов должны соответствовать вырезам в нижней части гильзы цилиндра (рис. 9.31). Для изменения время-сечения легче всего подрезать нижнюю кромку поршня со стороны впускного окна, хотя большую труд­ность представляет подбор величины подреза.

Для снижения тепловой нагрузки на верхнее поршневое кольцо рекомендуется сделать над ним обводную канавку ши­риной 0,8-1 мм и глубиной 1-2 мм. Иногда подобная канавка (или даже две) делаются между кольцами. Такие надрезы направляют тепловой поток в нижнюю часть поршня, уменьшая температуру поршневых колец.

Вообще мы не имеем возможности изменить вид и располо­жение колец. Можем только контролировать зазор в замке (раз­резе) кольца, который не должен превышать 0,5 % диаметра цилиндра. Надо также тщательно определить угловое положение замков так, чтобы они никогда не попадали на окна при движении поршня (рис. 9.32). Проводя работы над цилиндром, также надо учитывать положение замков поршневых колец.

Иногда применяется несложный способ уменьшения упру­гости поршневого кольца путем снятия фасок с его внутренних кромок. Это обеспечивает лучшее прилегание колец к зеркалу цилиндра. Такой способ особенно целесообразен при смене колец без шлифования цилиндра.

Кривошипный механизм

Как уже говорилось, в двигателе 501-Z3A целесообразно переставить щеки коленчатого вала. После разборки с помощью пресса над валом надо выполнить следующие операции.

1. Углубить в щеках вала гнезда для нижней головки шатуна на толщину дополнительных дисков, прикрепляемых к внешней поверхности щек (рис. 9.35, размер е).

2. Выдавить полуоси из щек на толщину дополнительных
дисков.

3. Уменьшить толщину шатуна (рис. 9.36) на шлифовальном станке. Ручная обработка применяется только для доводки.
Толщину можно уменьшить даже до 3,5 мм, но при условии, что шатун будет полироваться. Каждая царапина на шатуне является концентратором напряжений, с которого может на­ чаться развитие трещины. Кроме того, все скругления должны быть сделаны очень аккуратно. Дорабатывая шатун, целесооб­разно сделать прорези в верхней и нижней головках для улучше­ния доступа-смеси к подшипникам.

4. Укоротить палец кривошипа до размера с (рис. 9.36), равного ширине вала после перестановки щек, но до крепления дополнительных дисков. Палец надо укорачивать с обеих сторон, это позволит оставить дорожки качения роликов подшипника на старом месте.

5. Взвесить верхнюю и нижнюю головки шатуна, как это показано на рис. 9.37.

6. Собрать коленчатый вал. Запрессовка пальца кривошипа может быть выполнена с помощью пресса или больших тисков.

Конечно, после такой сборки трудно добиться соосности полуосей вала. Погрешность можно обнаружить, приложив к одной из щек стальную пластину (рис. 9.38), которая будет отставать от другой щеки. Это можно исправить, ударяя по одной из щек киянкой (рис. 9.39). Точнее биение вала проверим при его вра­щении в подшипниках. На покрытой мелом полуоси штихель обозначит места, в которых надо уменьшить биение (рис. 9.40). При сборке вала надо помнить о необходимости сохранения зазора между нижней головкой шатуна и щеками вала. Этот зазор должен быть не меньше 0,3 мм. Слишком маленький зазор во многих случаях явля­ется причиной заклинивания подшипника шатуна.

7. Уравновесить коленчатый вал. Это делается статическим методом. Обопрем вал на приз­мы и, повесив грузик в верхнюю головку шатуна, будем так под­бирать уравновешенную массу (не путать с массой грузика), чтобы вал оставался в состоянии покоя при любом положении. Масса грузика пред­ставляет собой часть масс, участвующих в возвратно-посту­пательном движении, которую надо уравновесить. Предположим, что масса верхней головки шатуна составляет 170 г, а масса поршня с кольцами и поршневым пальцем - 425 г. Масса, совершающая возвратно-поступательное движение, составляет 595 г. Предполагая, что коэффициент уравновешен­ности равен 0,66, получим, что масса, которую необходимо уравновесить, равна 595X0,66 = 392,7 г. Отнимая от этой величины массу верхней головки шатуна, получим массу гру­зика G, подвешенного на головке.

Состояние статического равновесия коленчатого вала дости­гается путем высверливания отверстий в щеках вала с той сто­роны, которая перетягивает.

8. Сделать дополнительные диски из стали и прикрепить их к валу тремя винтами Мб с потайными коническими головками. Перед креплением дисков целесообразно плоскость стыка с валом смазать герметиком. Винты законтрить кернением.

Добавим, что дополнительные диски можно крепить не к валу, а неподвижно к внутренним стенкам картера. Однако из-за неплотного прилегания диска к стенке может ухудшиться теплообмен. Надо отметить, что смещение щек коленчатого вала не исключает применения тонкой «подковы».

Перед началом доработок цилиндра надо сделать инструмент для измерения фаз газораспределения, используя для этой цели круглый угломер со шкалой 360° (рис. 9.42). Угломер установим на коленчатый вал двигателя, а на двигатель прикрепим прово­лочную стрелку.

Для однозначного определе­ния времени открытия и закры­тия окон можно использовать тоненькую проволоку, вставленную через окно в цилиндр и прижимаемую поршнем в верхней кромке окна. Толщина про­волоки на точности измерений практически не скажется, но такой способ облегчит работу. Особенно он полезен при опре­делении угла открытия впускного окна.

Значительно облегчить работу по изменению фаз газораспре­деления и размеров каналов и окон поможет снятие оттисков с зеркала цилиндра. Такой оттиск можно получить следующим образом:

внутрь цилиндра вкладываем кусок картона и подгоняем его так, чтобы он точно лежал вдоль зеркала цилиндра; его верхний край должен совпадать с верхней плоскостью цилиндра;

тупым концом карандаша выдавливаем контуры всех окон;

на вынутом из цилиндра картоне получаем отпечаток зеркала цилиндра; вдоль линий оттисков вырезаем в картоне отображен­ные окна.

На полученной развертке зеркала цилиндра можно измерить расстояние от краев окон до верхней плоскости цилиндра и рассчитать соответствующие им фазы газораспределения (используя формулы, имеющиеся в каждой книге о двигателях).

Теперь рассмотрим, как зафиксировать новые фазы газорас­пределения в дорабатываемом двигателе. Для этого на угломере поочередно устанавливаем необходимые углы, измеряя каждый раз расстояние от верхней кромки поршня до верхней плоскости цилиндра. Измеренные расстояния наносим на предварительно сделанную выкройку.

Теперь мы можем наметить новую форму окон, а потом выре­зать их на выкройке. Остается вложить выкройку в цилиндр и увеличить окна так, чтобы их форма совпадала со спроектиро­ванными. Использование выкройки избавит нас от необходимости многократной проверки углов при увеличении окон.

Рис. 9.42. Несложный угломер для измерения фаз газораспре­деления

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.

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

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

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

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

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

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

Отрезки времени от начала момента открытия клапанов двигателя до их полного закрытия относительно мертвых точек движения поршня получили наименование фазы газораспределения. Их влияние на работу двигателя очень велико. Так, от продолжительности фаз зависит эффективность заполнения и очистки цилиндров в процессе работы мотора. Это напрямую определяет экономичность расхода топлива, мощность и крутящий момент.

Сущность и роль фаз газораспределения

На данный момент существуют двигатели, в которых фазы не могут изменяться принудительно, и двигатели, оснащенные механизмами (например, CVVT). Для первого типа двигателей фазы подбираются эксперементально при конструировании и расчете силового агрегата.

Нерегулируемые и регулируемые фазы газораспределения

Визуально все они отображаются на специальных диаграммах фаз газораспределения. Верхняя и нижняя мертвые точки (ВМТ и НМТ соответственно) представляют собой крайние позиции поршня, движущегося в цилиндре, которые соответствуют наибольшему и наименьшему расстоянию между произвольной точкой поршня и осью вращения коленвала мотора. Точки начала открытия и закрытия клапанов (длина фазы) показываются в градусах и рассматриваются относительно вращения коленчатого вала.

Управление фазами осуществляется при помощи (ГРМ), который состоит из следующих элементов:

• кулачковый распредвал (один или два);
• цепной или ременной привод от коленвала к распредвалу.

Газораспределительный механизм

Всегда состоит из тактов, каждому из которых соответствует определенное положение клапанов на впуске и выпуске. Таким образом, начало и конец фазы зависят от угла положения коленвала, который связан с распределительным валом, управляющим положением клапанов.

За один оборот распредвала коленчатый вал выполняет два оборота и его суммарный угол поворота за рабочий цикл равен 720°.

Круговая диаграмма фаз газораспределения

Работу фаз газораспределения для четырехтактного двигателя рассмотрим на следующем примере (см. картинку):

1. Впуск . На этом этапе поршень движется от ВМТ к НМТ, а коленвал поворачивается на 180º. Осуществляется закрытие выпускного клапана и последующее открытие впускного. Последние происходит с опережением на 12º.
2. Сжатие . Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, а коленвал совершает еще один поворот на 180º (360º от начального положения). Выпускной клапан остается в закрытом положении, а впускной остается открытым, пока коленвал не повернется на 40º.
3. Рабочий ход . Поршень идет от ВМТ к НМТ под действием силы воспламенения топливовоздушной смеси. Впускной клапан находится в закрытом положении, а выпускной открывается с опережением, когда коленвал еще не дошел 42º до НМТ. На этом такте полный поворот коленвала составляет также 180º (540º от начального положения).
4. Выпуск . Поршень идет от НМТ к ВМТ и при этом выталкивает отработавшие газы. В этот момент впускной клапан закрыт (откроется за 12º до ВМТ), а выпускной остается в открытом положении и после достижения коленвалом ВМТ еще на 10º. Общая величина поворота коленвала на этом такте также 180º (720º от начальной точки).

Фазы грм также зависят от профиля и позиции кулачков распредвала. Так, если они одинаковы на впуске и выпуске, то длительность открытия клапанов также будет одинакова.

Почему выполняется запаздывание и опережение срабатывания клапанов?

Чтобы улучшить наполнение цилиндров, а также обеспечить более интенсивную очистку от отработавших газов, срабатывание клапанов происходит не в момент достижения поршня мертвых точек, а с небольшим опережением или запаздыванием. Так, открытие впускного клапана выполняется до момента прохождения поршнем ВМТ (от 5° до 30°). Это позволяет обеспечить более интенсивное нагнетание свежего заряда в камеру сгорания. В свою очередь, закрытие впускного клапана происходит с запаздыванием (после того как поршень достиг нижней мертвой точки), что позволяет продолжить наполнение цилиндра горючим за счет сил инерции, так называемый инерционный наддув.

Выпускной клапан также открывается с опережением (от 40° до 80°) до момента достижения поршнем НМТ, что позволяет обеспечить выход большей части отработавших газов под действием собственного давления. Закрытие выпускного клапана, напротив, происходит с запаздыванием (после прохождения поршнем верхней мертвой точки), что позволяет силам инерции продолжить удаление отработавших газов из полости цилиндра и делает более эффективной его очистку.

Углы опережения и запаздывания не являются общими для всех двигателей. Более мощные и быстроходные имеют большие значения этих интервалов. Таким образом, их фазы газораспределения будут шире.

Этап работы двигателя, при котором оба клапана открыты одновременно, получил название перекрытие клапанов. Как правило, величина перекрытия составляет около 10°. При этом, поскольку длительность перекрытия очень мала, а раскрытие клапанов незначительно, утечки не происходит. Это довольно благоприятный этап для наполнения и очистки цилиндров, что особенно важно при высоких оборотах.

В начале открытия впускного клапана текущий уровень давления в камере сгорания выше, чем атмосферное. В результате отработавшие газы очень быстро перемещаются к выпускному клапану. Когда двигатель перейдет на такт впуска, в камере установится высокое разрежение, выпускной клапан полностью закроется, а впускной раскроется на достаточную для интенсивного наполнения цилиндра величину сечения.

Особенности регулируемых фаз газораспределения

При высоких скоростях двигателю автомобиля необходимо больше объема воздуха. И поскольку в нерегулируемых ГРМ клапаны могут закрыться до того, как в камеру сгорания поступает его достаточное количество, работа мотора оказывается неэффективной. Для решения этой проблемы были разработаны различные способы регулировки фаз газораспределения.

Клапан регулировки фаз газораспределения

Первые моторы, имеющие подобную функцию, позволяли выполнять ступенчатую регулировку, которая позволяла менять длину фазы в зависимости от достижения двигателем определенных величин. Со временем появились бесступенчатые конструкции, позволяющие выполнить более плавную и оптимальную настройку.

Простейшим решением является система сдвига фаз (CVVT), реализуемая путем поворота распределительного вала относительно коленвала на определенный угол. Это позволяет изменить момент открытия и закрытия клапанов, но фактическая продолжительность фазы остается неизменной.

Чтобы изменить непосредственно длительность фазы, в ряде автомобилей используются несколько кулачковых механизмов, а также колеблющиеся кулачки. Для точной работы регуляторов применяются комплексы из датчиков, контроллера и исполнительных механизмов. Управление такими устройствами может быть электрическим или гидравлическим.

Одной из основных причин внедрения систем с регулировкой ГРМ является ужесточение экологических стандартов по уровню токсичности отработавших газов. Это означает, что для большинства производителей вопрос оптимизации фаз газораспределения остается одним из важнейших.

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…