Система продувки двигателей подвесных моторов

Если процессы сжатия, сгорания и расширения в двух и четырехтактных двигателях аналогичны, то очистка цилиндра от остаточных газов и наполнение его свежей смесью у них существенно различаются. В четырехтактном двигателе основная масса остаточных газов вытесняется поршнем при его ходе к ВМТ (верхней мертвой точке). В двухтактном двигателе отработанные газы вытесняются свежей смесью, предварительно сжатой в картере, при открытых продувочных и выхлопных окнах, т. е. продувка и выпуск происходят одновременно. При больших конструктивных преимуществах такая система очистки имеет и свои минусы: свежая смесь частью смешивается с остатками продуктов сгорания, а частью вылетает в атмосферу через выпускную систему. Чтобы свести к минимуму эти нежелательные явления при наилучшей очистке цилиндра от остаточных продуктов сгорания, конструкторами двухтактных двигателей разработаны различные системы продувки цилиндра.

Таких систем несколько: контурная, в которой поток продувочной смеси движется по контуру цилиндра, прямоточная с движением смеси от одного конца цилиндра к другому и др.

В настоящее время в двухтактных двигателях подвесных лодочных моторов повсеместно применяется возвратно-петлевая схема продувки. Здесь рабочая смесь направляется из нижней части цилиндра в верхнюю, описывает петлю и выталкивает отработавшие газы. Петлевая схема продувки конструктивно проста — это и определило ее выбор для лодочных и мотоциклетных двигателей, хотя она и характеризуется наличием непродутых зон в цилиндре в большей степени, чем прямоточная и контурная.

Как же протекает процесс продувки? Свежая смесь из кривошипной камеры через продувочные каналы устремляется в цилиндр. Сначала потоки поступающей смеси поднимаются вверх, направляясь по стенке цилиндра к головке. По мере движения поршня вниз струи продувочной смеси отклоняются от стенки и направляются к противоположной стороне цилиндра. Далее продувочные струи сталкиваются и ударяются в стенку, противоположную выпускному окну, поток обтекает камеру сгорания и спускается вдоль стенки к выпускному окну.

Для хорошей очистки необходимо, чтобы восходящая часть потока заняла одну половину вертикального сечения цилиндра, а нисходящая — другую. Практически осуществить это очень трудно. Неустановившийся продувочный поток имеет различную скорость по своему сечению: максимальное ее значение — у стенки, противоположной выпускному окну, снижается в слоях, лежащих ближе к центру. В центральной части цилиндра могут остаться непродутыми застойные и вихревые зоны.

Вид продувочного потока в цилиндре зависит от ширины и высоты окон и от продолжительности их открытия (так называемое «время-сечение» окна), от формы продувочных каналов, определяющих углы входа продувочных струй в цилиндр, от формы днища поршня и камеры сгорания. Чтобы вытеснить отработавшие газы, не перемешиваясь с ними, продувочные струи должны быть компактными и обладать достаточной энергией. Эта энергия тем выше, чем больше разность давлений в кривошипной камере и цилиндре во время открытия продувочных окон (т. е. степень сжатия в картере), и чем меньше потери в продувочных каналах. Если энергия лодочных моторов наиболее распространенным видом петлевой продувки является двухканальная.

Продувочный канал образован наружной, внутренней и боковыми и стенками. По результатам многочисленных экспериментальных работ выбраны оптимальные углы наклона этих стенок. В большинстве случаев боковая стенка расположена под углом 55-60° к оси симметрии горизонтального сечения, а боковая стенка под несколько меньшим углом или параллельно ей. Наклон стенки 3 составляет 10-15° и близок к направлению касательной к сфере днища поршня у его кромки. В том случае, если углы входа продувочных каналов выполнены неправильно, количество остаточных газов увеличивается, а струи свежей смеси, прижимаясь к стенкам цилиндра, попадают в выпускное окно — так называемый прямой выброс свежей смеси. Это приводит к увеличению расхода топлива и уменьшению мощности. Не меньшее значение имеет симметричность продувочных окон и углов входа продувочных каналов относительно выпускного окна. Несимметричность входящих в цилиндр потоков приводит к появлению завихрений и нежелательному перемешиванию свежей смеси с отработавшими газами.

О качестве продувки в двигателе и, в частности, о симметричности выполнения продувочных каналов, можно судить по следам от продувочных струй и нагару в местах, не омываемых продувочной смесью на днище поршня и камеры сгорания.

Гидравлические потери в продувочных каналах стремятся свести к минимуму, поэтому поперечное сечение продувочных каналов и окон должно быть как можно большим. Так как увеличение высоты продувочных, а следовательно, и выхлопных окон связано с уменьшением полезного объема цилиндра, сечение продувочного окна увеличивают за счет его ширины. Увеличение же ширины ограничено величиной, равной 0,45 диаметра цилиндра (при дальнейшем ее увеличении возникает опасность выдавливания поршневого кольца в окна). При большей ширине в окне делается перемычка.

При выборе фаз продувки, т. е., в конечном счете, высоты выхлопных и продувочных окон, принимается в расчет величина перемещения поршня от открытия выхлопных окон до начала открытия продувочных — так называемое предварение выпуска.

Более раннее открытие продувочных окон (увеличение их высоты) сдвигает максимальное значение крутящего момента в сторону меньших скоростей вращения коленчатого вала. При слишком малом предварении выпуска давление в цилиндре может оказаться выше, чем давление в картере, и при открытии продувочных каналов выхлопные газы попадут по ним в картер, вызвав его дополнительный нагрев и ухудшив наполнение.

Величина оптимальной фазы продувки в двухтактных двигателях различных лодочных моторов неодинакова и находится в пределах 110-120° («Салют» — 112°, «Ветерок-8» — 110°, «Ветерок-12» — 114°, «Нептун» — 121°, «Москва-25» — 119°).

Для гоночных лодочных моторов, работающих на высоких оборотах, величина фазы продувки возрастает до 125-135°.

Говоря о видах продувки, применяемых в конструкциях лодочных моторов, следует отметить отличие петлевой дефлекторной продувки (рис. 1, а), где направление потока смеси задается козырьком на поршне (дефлектором), от продувки, в которой направление струй определяется формой и наклоном продувочных каналов. Первый вид продувки использован на лодочных моторах «Ветерок», «Москва-М», «Москва-25», «Прибой» и на большинстве американских моделей. Второй — на моторах «Нептун», «Салют», «Вихрь-М», «Ветерок-14», на шведских и японских моделях.

Дефлекторная (а) и возвратно-петлевая трехканальная (б) продувка моторов «Вихрь»

(рис. 1) Дефлекторная (а) и возвратно-петлевая трехканальная (б) продувка моторов «Вихрь»

К преимуществам дефлекторной продувки можно отнести простоту конструкции и технологичность, так как продувочные и выхлопные окна выполняются простым сверлением. К недостаткам — менее благоприятную в отношении смесеобразования форму камеры сгорания, которая хуже продувается из-за сложной конфигурации, большой вес и повышенную температуру днища поршня из-за наличия дефлектора.

При направлении смеси продувочными каналами очистка камеры сгорания получается более эффективной. Этому способствует простая плоская или несколько выпуклая форма днища поршня и сферическая форма камеры сгорания, позволяющая производить ее механическую обработку, в результате чего более точно взддерживается необходимая степень сжатия. Технологические трудности выполнения совпадения продувочных каналов и окон в гильзе окупаются получением более высоких показателей мощности и экономичности. На рис. 1, б показана трехканальная петлевая продувка мотора «Вихрь-30».

При двух- и трехканальной петлевой продувке очень важно точно направить продувочные струи при выходе из окон в камеру сгорания. На направление струи влияют в основном длина участка 3 (рис. 3) и величины радиусов канала, особенно у внутренней стенки. Длина прямого участка стенки 3 должна быть не меньшей, чем ширина продувочного окна. Внутренней стенкой продувочного канала 5 в большинстве случаев служит сама гильза. Стремясь увеличить внутренний радиус канала и создать направляющую часть у входа в цилиндр прибегают к так называемой «отдаленной» продувке. Так выполнены продувочные каналы «Ветерков» и ряда гоночных моделей мотоциклетных двигателей. В таких каналах, благодаря большим радиусам внутренней и наружной стенок, создается большая длина направляющей части и становится возможной настройка продувочных каналов на высокое число оборотов коленвала .

Из двух каналов с одинаковыми поперечными сечениями входа и выхода канал с большим радиусом поворота будет оказывать значительно меньшее аэродинамическое сопротивление потоку продувочной смеси. Как показали испытания, более плавные повороты каналов мало влияют на максимальную мощность, но значительно повышают ее в диапазоне средних и низких скоростей вращения двигателя. При отработке продувочного канала необходимо также бороться с любым отрывом потока от стенок (чаще всего от внутренней стенки канала).

В последнее время получает все большее распространение петлевая продувка с одним или несколькими дополнительными каналами, располагаемыми напротив выпускного окна (рис. 3). Добавочные каналы располагаются обычно под углом 45-60° к вертикали. Продувочные струи этих каналов отжимают поток газов в верхней части к центру цилиндра и способствуют очистке центральных непродутых зон. По результатам исследований, проведенных на мотоциклетных двигателях, применение третьего продувочного канала позволяет увеличить мощность двигателя на 7-12 %. Увеличение мощности с 20 до 23 л.с. на отечественном подвесном моторе «Нептун-23» было также достигнуто в основном за счет замены двухканальной продувки на трехканальную. Прохождение смеси в добавочный канал через поршень улучшает к тому же смазку верхней головки шатуна и охлаждение поршня.

Размещение дополнительных продувочных каналов на зеркале цилиндра связано с определенными конструктивными трудностями, особенно при поршневом управлении впуском. При золотниковом управлении подвод топливной смеси производится сбоку картера и это намного упрощает размещение добавочных продувочных каналов.

На процесс продувки определенное влияние оказывает и форма камеры сгорания. Полусферическая камера сгорания, применяющаяся на большинстве двухтактных двигателей, не является лучшим решением. Она обеспечивает ровное протекание свежей смеси и тем самым не препятствует ее «вылетанию» в выпускное окно. Усложненная же форма камеры сгорания, обусловленная применением дефлекторной продувки, способствует образованию застойных, непродуваемых зон. Наилучшие результаты были получены при смещении полусферы в головке цилиндров. Такая конструкция была использована при разработке мотора «Ветерок-14».

Возможна ли некоторая доводка системы продувки двигателя своими силами? Безусловно.

Размещение дополнительного продувочного канала

(рис. 2) Размещение дополнительного продувочного канала

1 — основной продувочный канал, 2 —дополнительный продувочный канал

Дело в том, что при изготовлении картеров, блоков цилиндров, вставок продувочных каналов применяются несколько комплектов кокилей или пресс-форм и возможны некоторые несовпадения по контурам деталей, отлитых на разной литейной оснастке. К этому же могут привести и технологические отклонения при механической обработке деталей.

Довести детали, образующие продувочный канал, до полного совпадения контуров можно собственными силами. Следует стремиться к тому, чтобы в продувочном канале не было уступов и неровностей более 0,5 мм, чтобы контур продувочного окна в гильзе совпадал с контуром окна в отливке блока цилиндров. Можно улучшить вход смеси в продувочный канал, сняв фаску с гильзы цилиндра в этом районе. Очень тщательно следует подогнать вставку в продувочном канале моторов «Ветерок», «Москва», «Прибой» для обеспечения правильного направления продувочной струи при выходе из канала.

Не следует, однако, увлекаться излишней полировкой продувочных каналов. Спортсменам-водномоторникам известны, например, случаи уменьшения мощности гоночных двигателей «Кениг» после полировки продувочных каналов, имевших довольно-таки грубую поверхность после литья (возможно, при этом была нарушена форма канала).