Система управления впуском в двухтактном двигателе

На большинстве подвесных лодочных моторов в качестве продувочного насоса используется кривошипная камера двигателя. Основные технические показатели такого двигателя — литровая мощность и экономичность — находятся в прямой зависимости от степени наполнения камеры сгорания горючей смесью.

Рассмотрим зависимость наполнения рабочей камеры от качества работы системы впуска, основное назначение которой — обеспечивать наиболее полное заполнение кривошипной камеры (картера), т. е. объема ниже поршня, свежей горючей смесью.

Не касаясь процессов, происходящих в рабочей камере, т. е. выше поршня (сжатие горючей смеси, воспламенение ее и расширение), посмотрим, что происходит в картере, в чем заключается принцип действия системы впуска, и каковы ее наивыгоднейшие, оптимальные характеристики.

При движении поршня в цилиндре двигателя вверх от НМТ (нижней мертвой точки) после закрытия продувочных окон в пространстве под поршнем возникает все увеличивающееся разрежение. Если в этот момент открыть канал, соединяющий кривошипную камеру с карбюратором, в нее будет засасываться горючая смесь. Когда, миновав верхнюю мертвую точку (НМТ), поршень начнет двигаться вниз, поступившая смесь будет сжиматься (чтобы при этом не произошло ее обратного выброса, впускной канал после прохождения поршнем НМТ должен быть перекрыт).

Иными словами, кривошипная камера и поршень служат насосом, всасывающим смесь из карбюратора и подающим ее под давлением в камеру сгорания.

На рис. 1 показана иллюстрирующая сказанное теоретическая круговая диаграмма газораспределения. На ней схематически показано протекание во времени процессов всасывания (собственно впуск), выхлопа (выпуск) и продувки за один полный оборот коленвала. Понятно, что продолжительность и моменты начала и конца этих процессов обусловлены расположением и размером (по высоте цилиндра) продувочных и выхлопных окон и выбором момента открытия впускных окон. В этой связи необходимо подчеркнуть, что картина газораспределения, показанная на рис. 1, условна, так как не учитывает инерции движущейся с большой скоростью (до 100 м/сек) горючей смеси. Если построить двигатель по такой теоретической диаграмме, работать он, конечно, будет, но его литровая мощность, т. е. мощность в л. с. на 1000 см3 рабочего объема, будет значительно ниже обычно достигаемого уровня.

Диаграмма газораспределения без учета кинетической энергии потока движущейся смеси

(рис. 1) Диаграмма газораспределения без учета кинетической энергии потока движущейся смеси

Для обеспечения эффективности работы кривошипной камеры как насоса на практике, с учетом инерции потока, впускные окна открывают несколько раньше (обычно на величину, не превышающую 20° угла поворота коленвала, называемую углом предварения впуска), чем поршень перекроет продувочные окна, и закрывают не в тот момент, когда поршень дошел до НМТ, а позже — на величину до 60-70° угла поворота коленвала за НМТ, называемую углом запаздывания закрытия. Первая из этих мер обеспечивает подса-сывание свежей смеси из карбюратора за счет кинетической энергии потока смеси, поступающей в цилиндр при еще продолжающейся продувке. Благодаря второй происходит дополнительная «дозарядка» кривошипной камеры за счет кинетической энергии установившегося потока смеси в канале от карбюратора к кривошипной камере. Диаграмма такого вида (рис. 2) оптимальна с точки зрения получения наивысшей литровой мощности и экономичности.

Оптимальная диаграмма газораспределения

(рис. 2) Оптимальная диаграмма газораспределения

Продолжительность продувки обычно равна 110- 130° поворота коленвала. Если принять, что в среднем продолжительность продувки равна 120°, а всасывающее окно открывается на 15° раньше окончания продувки, угол предварения впуска равен примерно 135°.

Угол запаздывания закрытия обычно на нефорсированных моторах принимается равным 40-50° (при большей его величине наблюдается обратный выброс смеси в карбюратор) и доходит до 65-70° на гоночных высокооборотных двигателях. Если принять его равным 45°, общий угол (р(т. е. оптимальная продолжительность всасывания) получается равным 180°.

Итак, мы установили оптимальные характеристики газораспределения. Посмотрим теперь, как они реализуются практически, как работает управляющий механизм системы впуска.

В двигателях подвесных моторов применяются механизмы управления всасыванием трех типов: поршневые, клапанные и золотниковые.

Поршневое управление впуском. Само название механизма показывает, что управление впуском, точно так же, как и продувкой и выхлопом, выполняется непосредственно самим поршнем. Поршень при движении нижней кромкой периодически перекрывает впускное окно, прорезанное в зеркале цилиндра. При поршневом управлении диаграмма (см. рис. 3) всегда симметрична относительно НМТ в силу того, что поршень открывает и закрывает впускное окно на одинаковых расстояниях до и после НМТ. Угол запаздывания закрытия, как мы уже отмечали, невыгодно делать больше 60-70°, поэтому и угол предварения открытия также будет равным 60-70°. Продолжительность всасывания получается 130°, т. е. меньше оптимальной на 50°.

Диаграмма двигателя с поршневым управлением впуском

(рис. 3) Диаграмма двигателя с поршневым управлением впуском

Из круговой диаграммы виден и основной недостаток поршневого управления впуском: значительная часть хода поршня — от момента закрытия продувочных окон и до открытия впускных — при впуске не используется. По этой причине такая система распространения не получила, хотя и применялась на наших одноцилиндровых подвесных моторах «ЛМ-1», «ЛМР-6», «ЗИФ-5», «Стреле» и некоторых других. В то же время шведская фирма «Монарх-Кресчент» уже много лет применяет поршневой впуск на моторах различного объема; высокие литровая мощность (до 90 л. с.) и экономичность моторов «Кресчент», несмотря на ограниченные возможности симметричной диаграммы, — результат длительной отработки конструкции и специальной настройки системы газораспределения.

Благодаря исключительной простоте и надежности поршневое управление впуском широко используется на транспортных двигателях — в первую очередь для мотоциклов и мотороллеров.

Клапанный механизм управления впуском. Известны две конструкции клапанного механизма — с автоматическим и принудительным открытием и закрытием. Будем рассматривать только первый вариант, так как второй применяется крайне редко — буквально в единичных конструкциях.

Для автоматизации системы достаточно установить на пути потока смеси от карбюратора к кривошипной камере клапан, который под напором потока открывается при ходе поршня к ВМТ и закрывается при обратном движении.

Обратимся к круговой диаграмме (рис. 4).

Диаграмма двигателя с клапанным управлением впуском

(рис. 4) Диаграмма двигателя с клапанным управлением впуском

Поршень, двигаясь вверх от НМТ, закрывает верхней кромкой продувочное окно; начинает расти разрежение; под действием разницы давлений клапан впуска открывается и горючая смесь поступает в кривошипную камеру. После прохода поршнем ВМТ объем кривошипной камеры начинает уменьшаться и происходит сжатие горючей смеси, но автоматический клапан еще некоторое время остается открытым под напором установившегося движения потока смеси и впуск продолжается. Таким образом, при использовании автоматического клапана, в отличие от поршневой схемы, получается несимметричная диаграмма впуска.

Чаще всего в подвесных моторах применяют пластинчатые лепестковые клапаны с ограничителями отгиба, расположенными на перегородке из алюминиевого сплава или пластмассы, крепящейся к передней части картера. Перегородка эта делается плоской (моторы «Ветерок», «Москва-12,5», «Прибой») или конической («Москва-25)»). Сами пластинки клапана изготовляются из стали или бериллиевой бронзы одинарными («Ветерок», см. рис. 5), двухлепестковыми («Прибой»), трехлепестковыми («Москва-12,5») или даже многолепестковыми (американские моторы фирмы «Эвинруд»). Получение больших литровых мощностей в двигателях с впускными пластинчатыми клапанами, особенно при малых рабочих объемах, затруднительно, поскольку сами клапаны создают большое аэродинамическое сопротивление, а увеличение размеров впускных окон ведет к увеличению объема кривошипной камеры. Применение же обладающих меньшим сопротивлением менее жестких клапанов ограничивается необходимостью обеспечить прочность и надежность клапана и перегородки.

Золотниковый механизм управления впуском

(рис. 5) Золотниковый механизм управления впуском

При таком механизме управление впуском смеси производится золотником, жестко связанным с коленвалом и вращающимся вместе с ним. Регулировкой положения на оси и угла сектора золотника можно обеспечить открытие и закрытие впускного окна в любой момент, независимо от положения поршня и степени разрежения в картере. Наиболее часто применяется дисковый золотник из пластмассы или стали, размещаемый непосредственно в картере (и скрепляемый со щечкой коленвала, как показано на рис. 6) либо в специальном приливе картера. В боковой стенке картера прорезано впускное окно. Золотник, вращаясь вместе с коленвалом, то открывает это окно, то снова закрывает его: пока вырез в диске золотника проходит перед окном, происходит впуск; как только сплошная часть золотника закрывает окно, начинается сжатие. Золотник смазывается маслом, растворенным в горючей смеси; благодаря этому трение о стенки картера незначительно. Управление впуском с дисковыми золотниками, расположенными в картере, применяется на моторах «Вихрь» (золотники из текстолита) и «Нептун» (из капрона). На моторе «Салют» дисковый золотник также выполнен из текстолита, но размещен в специальном приливе картера. Золотниковое управление всасыванием, по сравнению с поршневым и клапанным, обеспечивает наилучшее наполнение кривошипной камеры; это делает перспективным применение золотниковых механизмов в двухтактных двигателях лодочных моторов с высокой литровой мощностью и, особенно, в двигателях гоночных моделей.

Управление впуском смеси в моторе «Нептун»

(рис. 6) Управление впуском смеси в моторе «Нептун»