Наполнение кривошипной камеры

Чтобы лучше понять, сколь важное значение для правильного наполнения кривошипной камеры горючей смесью имеет момент открытия и закрытия впускного окна, рассмотрим движение газов во впускном патрубке и в картере. В такте сжатия при движении поршня вверх в кривошипной камере создается разрежение. Пос­ле открытия впускного окна начинается поступление горючей смеси. Однако движение смеси в патрубке не равномерное и не всегда направлено в кривошипную камеру.

Хоть и упрощенно, процесс колебаний столба смеси во впуск­ном патрубке и в кривошипной камере можно представить в виде работы механизма, в котором смесь заменяется грузом, а упру­гое содержимое картера — пружиной (рис. 9.5). Обладающий энергией груз попадает в картер и сжимает пружину, которая тормозит его движение, останавливает, а потом выталкивает наружу. Теперь груз растягивает пружину, которая снова втя­гивает груз внутрь картера. Если бы не было трения, колебатель­ные движения груза, растягивающего и сжимающего пружину, продолжались бы бесконечно долго.

Рис. 9.5. Механическая аналогия движения столба смеси во впускном патрубке и кривошипной камере

Точно так же обстоит и с движением газа. Заряд смеси (по аналогии с грузом) втягивается в картер, в котором после дви­жения поршня вверх наступает разрежение. Давление в картере возрастает, достигает максимума, после чего начинается обрат­ный процесс: смесь, которая заполнила картер, начинает возвра­щаться во впускной патрубок. Если бы впускное окно было откры­то, то происходило бы поочередное заполнение и опорожнение кривошипной камеры. Необходимо подобрать такой момент зак­рытия впускного окна, чтобы в картере находилось как можно больше горючей смеси. Этого мы сможем добиться, если закроем окно в тот момент, когда поступающая в картер струя смеси остановится, но еще не будет идти обратно во впускной патрубок.

В картинговых двигателях применяются три метода ре­гулирования наполнения кривошипной камеры горючей смесью. Регулирующими элементами являются поршень, вращающийся золотник или мембранный клапан (рис. 9.6). Как уже говорилось в гл. 4, регулирование с помощью поршня в специальных картинговых двигателях не применяется, а в адаптированных двига­телях мембранные клапаны встречаются очень редко.

Рис. 9.6. Различные способы управления подачей заряда в кривошипную камеру:

а — управление поршнем; б — управление вращающимся золотником; в — управление мембранным клапаном

В двигателе с регулированием наполнения картера горючей смесью путем закрытия впускного окна нижней кромкой поршня возможность изменения фазы открытия впускного окна ограни­чена. Фазу можно увеличить путем соответствующего увеличения самого окна, особенно за счет изменения положения нижней кромки, либо путем изменения положения регулирующей кромки поршня. На рис. 9.7 даны схемы возможных изменений и диаг­раммы время-сечения. Заштрихованная поверхность отражает величину время-сечения. На рис. 9.7, б показано окно, которое полностью открыто при ходе поршня So, что обеспечивает наибо­лее стабильное течение смеси. Продолжительность открытия ок­на в этом случае больше, чем в случае, приведенном на рис. 9.7, а. Высота окна (сечение) в обоих случаях одинаковая. Увеличение высоты окна путем поднятия его верхней кромки (рис. 9.7, в) несколько увеличивает время-сечение, но приводит к тому, что полностью окно открыто только в верхнем положении поршня. Увеличение время-сечения не всегда компенсирует потери от воз­мущений, вызванных кромкой поршня.

В двигателях с вращающимся золотником изменения фазы открытия впускного окна можно добиться путем изменения выре­за во вращающемся золотнике или угловой ширины окна (рис. 9.8). В обоих случаях фаза открытия окна равна 210°, но фаза полного открытия окна, показанного на рис. 9.8, а, состав­ляет 110°, а на рис. 9.8, б—всего 50°. Хотя окно, показанное на рис. 9.8, а значительно больше окна, показанного на рис. 9.8, б, одна из кромок вращающегося золотника возмущает протекание смеси на 160° поворота коленчатого вала, а в примере рис. 9.8, а всего 100°. Этот пример показывает, что при подборе фазы впуска большую роль играют размеры впускного окна.

Наполнение кривошипной камеры зависит от сочетания нес­кольких факторов: фазы впуска, размеров и формы впускного ок­на, длины и формы впускного патрубка, объема картера (криво­шипной камеры) и т. д. Влияние каждого из этих факторов мож­но изменить путем соответствующего изменения размеров и фор­мы элементов двигателя. Их можно подобрать таким образом,

Рис. 9.8. Влияние изменения размера впускного окна на угол открытия окна:

а — окно полностью открыто при угле 110°; б—окно открыто лишь при угле 50° и неизменном угле открытия окна (210°)

чтобы обеспечить наибольшее на­полнение картера. Трудность, однако, состоит в том, что продол­жительность открытия впускного окна непосредственно зависит от скорости вращения коленчатого вала. Наибольшее наполнение картера горючей смесью происхо­дит только при такой ЧВ, при которой была оптимизирована впускная система, т. е. при такой ЧВ, при которой впускное окно закрывается в момент наиболь­шего давления в картере. Эта частота вращения двигателя называется резонансной. При меньшей ЧВ окно закрывается слишком поздно, когда горючая смесь начинает движение из картера. Когда ЧВ будет слишком большой, окно будет закрыто слишком рано, еще не весь заряд смеси, поступающей через впускной патрубок, попадает в картер.

Рис. 9.9. Скоростные характеристики форсированного двигателя CZ типа «8»;

четко выражена резонансная ЧВ двига­теля при частоте вращения 9600 об/мин (по данным А. Холовея)

Так как невозможно добиться оптимального наполнения кар­тера в широком диапазоне ЧВ, приходится останавливать вы­бор на резонансной ЧВ. Изменение геометрических размеров впускной системы позволяет осуществить формирование внеш­ней характеристики двигателя (рис. 9.9). Необходимо добавить, что изменение сопротивления потоку горючей смеси во впускной системе (например, за счет использования воздушного фильтра), также окажет влияние на значение резонансной ЧВ.

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.