Система выпуска отработавших газов в двухтактных двигателях

Известно, что выпускная система отработавших газов в двухтактном двигателе является не вспомогательной принадлежностью, а одной из важнейших его частей, так как оказывает значительное влияние на процессы продувки, наполнения и тепловой режим. Правильно выполненная выпускная система позволяет увеличить мощность, уменьшить удельный расход топлива и снизить тепловую напряженность деталей цилиндро-поршневой группы в определенном интервале скоростных режимов двигателя. Один раз оценив преимущества работы мотора с «настроенной» выпускной системой, вы уже не сможете отказаться от нее, это будет равносильно эксплуатации неисправного двигателя.

Мощность двигателя зависит от коэффициента наполнения, показывающего в долях единицы, какая часть рабочего объема цилиндра заполнена топливной смесью. Коэффициент наполнения зависит как от подачи топливной смеси из картера в цилиндр, так и от потерь смеси в выхлопную трубу при открытии продувочных и выпускных окон. Выпускная система влияет и на подачу смеси за счет изменения давления в картере.

Для увеличения коэффициента наполнения необходим определенный характер изменения давления у выпускного окна (рис. 1). Перед началом выпуска в точке А давление должно быть небольшим. При открытии выпускных окон отработавший газ устремляется в выпускную трубу, образуя волну давления. В период продувки (на унастке ВС) необходимо разрежение, способствующее поступлению свежего заряда топливной смеси через продувочные каналы и снижению давления в картере. После окончания продувки (в точке С) давление у выпускного окна вновь должно стать высоким.

Требуемый характер изменения давления может быть получен применением выпускной трубы определенной конфигурации и длины. От конфигурации зависит величина давления а период продувки. Лучшие результаты дает труба с плавным увеличением диаметра — конусным раструбом с углом при вершине 5÷6°. От длины трубы — расстояния от выпускного окна цилиндра до первой перегородки — зависит своевременное повышение давления после окончания продувки, которое создается за счет возвращения отраженной от перегородки волны давления, возникающей в первоначальный период выпуска газов. Если труба окажется короче, чем необходимо, отраженная волна подойдет раньше срока, и характер изменения давления у выпускного окна (на рис. 1 изображен пунктиром) не будет способствовать улучшению работы двигателя.

Необходимая длина трубы до первой перегородки может быть определена по формуле:

где α_пр — период открытия продувочных окон в градусах угла поворота коленчатого вала; n — число оборотов в мин; с — скорость распространения волны давления, равная скорости звука в среде отработанных газов.

Для различных двигателей и условий работы указанная скорость будет различна, так как она зависит от средней температуры газов в трубе. Чем выше температура, тем больше скорость распространения волны. Для предварительного расчета величина скорости может быть выбрана по графику (рис. 2). Для двигателей с водяным охлаждением, снабженных охлаждаемым выхлопным коллектором, величина скорости должна выбираться на 15÷20% ниже. Чтобы полностью исключить последствия возможной ошибки при определении длины трубы, автор разработал выпускную систему с регулируемой длиной для форсированного мотора «СМ-557Л», установленного на «Казанке» с водометным движителем (рис. 3) (см. №16).

Внутри трубы помещен изготовленный из 6-миллиметрового прутка шток 1 с приваренной но конце шайбой 2, имеющей отверстия для выхода газа. Перемещая шток за рукоятку 3, можно найти и зафиксировать при помощи накидной гайки (4) его наивыгоднейшее положение. Регулировку лучше производить при работе мотора на максимальной мощности, момент «настройки» чувствуется по увеличению скорости лодки. Труба выполнена разъемной для монтажа на лодке.

Так как двигатель и корпус лодки вибрируют, то крепление заднего конца выпускной трубы, во избежание поломки дюралевого транца, следует производить через эластичное звено.

Я проверил три способа отвода отработавших газов наружу: в воду и в атмосферу — через ряд мелких отверстий общей площадью 2 см 2 и через глушитель мотороллера «Тула-200», который крепился к транцу лодки. Последний способ предпочтительнее. Подобная система выпуска может быть применена для любого одно- или двухцилиндрового двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой. Для четырехцилиндрового двигателя с раздельными кривошипными камерами необходимы две трубы. Эффект от применения «настроенной» системы выпуска на четырехтактных двигателях меньше, да и длина трубы для них должна быть вдвое больше. Прирост мощности двухтактных двигателей в среднем составляет 15÷20%, снижение удельного расхода топлива — 7÷10%. Еще раз хочется подчеркнуть, что «настроенная» система не только улучшает параметры двигателя, но и снижает тепловую напряженность деталей цилиндро-поршневой группы.

Выпускные системы двухтактных двигателей

ВЫПУСКНЫЕ СИСТЕМЫ ДВУХТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Статья опубликована в журнал МОТО март 1996 г.

Нередко доводится слышать разговоры в среде мотоциклистов о роли глушителя: одни говорят, что если его убрать, мотор попрет «как зверь», другие утверждают обратное. Но чаще всего спорщики не уточняют, о каком типе двигателя они говорят — о двухтактном или о четырехтактном. А разница принципиальная. Ведь если он четырехтактный, то наличие или отсутствие глушителя сильно на мощность не повлияет, на двухтактнике же наоборот — работа двигателя может настолько сильно меняться от наличия или отсутствия глушителя, что диву даешься.

Мы попросили известного самодеятельного конструктора Алексея Гарагашьяна поделиться опытом проектирования и настройки выпускных систем на многочисленных мотоциклах собственной конструкции.

Системы выпуска двухтактных двигателей очень разнообразны, и прежде чем начать давать какие-либо практические рекомендации, попытаемся провести их классификацию, Можно насчитать, по крайней мере, шесть общеизвестных вариантов. Начнем с самого простого.

Двигатель без выпускной системы сегодня можно встретить лишь в авиамоделировании, да у тех незадачливых мотолюбителей, у которых она просто потерялась.

Наиболее распространенной на сегодняшний день является система, состоящая из резонатора (мощностной части) и глушителя (глушащей части), О том, что для чего нужно, мы поговорим позже, а сейчас продолжим классификацию. На спортивных мотоциклах двадцати — тридцатилетней давности применялись выпускные системы, состоящие из одного резонатора.

Мужественные гонщики и их поклонники были согласны терпеть рев моторов, ведь глушащая часть отбирает часть мощности, Но не так давно были введены нормы по ограничению шума для гоночных мотоциклов, Соответственно, такие решения теперь не применяются.

На мотоциклах можно видеть и выпускные системы с одной лишь глушащей частью, идущей после выхлопной трубы. Именно так были подготовлены ковровским заводом четыре «Совы» для «Алтайской кругосветки», Забегая вперед, можно сказать, что у них был достаточно большой расход топлива, плохая динамика, но зато прекрасная тяга на низких и средних оборотах.

Нередко можно встретить мотоциклы с одной лишь выхлопной трубой, без каких-либо изменений сечения внутри. Чаще всего так делают либо самые невежественные владельцы, либо желающие повысить проходимость любой ценой.

Но наиболее совершенной на сегодняшний день является выпускная система, состоящая из мощностной заслонки, регулирующей высоту выпускных окон в зависимости от оборотов или нагрузки двигателя, и идущих за ней резонатора и глушителя.

Теперь обо всем по порядку.

Многочисленные исследования работы двухтактных двигателей внутреннего сгорания показывают, что с ненастроенной выпускной системой или совсем без нее у двигателя происходит потеря значительной части топливо-воздушной смеси через выпускные окна, с которых, собственно, выпускная система и начинается. От их формы и размеров во многом зависит мощность и быстроходность мотора.

Угловая ширина выпускного окна ограничивается опасностью повреждения поршневых колец, и по данным исследований фирмы «Ямаха» не должна превышать 65°для серийных двигателей и 70° для спортивных. Если же нужно их увеличить, делают два или три окна, разделенные перемычками. Высота выпускных окон оказывает существенное влияние на мощность двигателя. Увеличение высоты ведет к быстрой очистке цилиндра от отработавших газов что способствует повышению оборотов, но в то же время возрастает доля потерянного хода, так как после открытия выпускных окон газы уже не оказывают давления на поршень. Это приводит к снижению крутящего момента в области низких и средних частот вращения. Избавиться от таких нежелательных явлений и помогают мощностные заслонки, которые ограничивают высоту выпускных окон на низких и средних оборотах и полностью открывают их на высоких. Кстати, мощностные заслонки в настоящее время стали почти обязательной принадлежностью приличного двухтактного двигателя.

К сожалению, изготовить в наши;- условиях такое эффективное устройство крайне сложно, поэтому мы не будем на нем долго останавливаться, а продолжим далее знакомство с выпускной системой. После выпускных окон, как правило, устанавливается резонатор, или мощностная часть, говоря по-научному. Основная его задача — препятствовать выбросу свежей смеси. Выбор оптимальных параметров резонатора достаточно сложен, но я попытаюсь внести ясность в этот вопрос.

Для благоприятного протекания процесса газообмена необходимо, чтобы у выпускного окна в первой половине фазы продувки создавалось невысокое разрежение, способствующее очистке цилиндра от отработавших газов. К моменту подхода продувочной смеси к выпускному окну давление в выпускной системе (у окна) должно возрасти и поддерживаться в таком состоянии до его закрытия. Эта волна давления создает обратное движение в цилиндр части продувочной смеси, попавшей в систему выпуска при продувке.

При неблагоприятном изменении давления может произойти «закупоривание» выпускной системы, ухудшающее очистку и наполнение цилиндра. Значительное разрежение в системе выпуска в конце продувки способствует беспрепятственному выбросу горючей смеси через выпускное окно.

Настройка выпускной системы, как правило, осуществляется на один режим работы. Она сводится к подбору геометрических размеров резонатора, показанного на рисунке 2.

Отработавшие газы, вырываясь из выпускных окон со сверхзвуковой скоростью, устремляются в резонатор, который сначала расширяется, образуя так называемый прямой конус, а затем сужается, образуя обратный конус. При этом давление газов сначала снижается, а после возрастает. Возникает отраженная волна, устремляющаяся назад к цилиндру. Для каждой конкретной выпускной системы эта волна имеет определенную скорость, В результате настройка выпускной системы заключается в подборе длин и диаметров резонатора таким образом, чтобы отраженная волна подходила к выпускным окнам в нужный момент, Естественно, что для разных частот вращения коленчатого вала требуется своя конкретная выпускная система, которая на других частотах, к сожалению, не может обеспечить оптимальных условий выпуска отработавших газов. Приходится идти на компромисс, выбирая наиболее предпочтительную частоту, на которой будет идти отсос отработавших газов и дозарядка цилиндра.

В большинстве случаев эти оптимальные обороты находятся в диапазоне между средними и высокими. На мотоциклах с хорошо настроенной выпускной системой нередко замечается резкий подхват при достижении определенных оборотов. Зачастую он сопровождается таким ускорением, что незадачливому экспериментатору, не привыкшему к подобным сюрпризам, может представиться случай лицезреть удаляющийся от него на заднем колесе мотоцикл, догнать который уже невозможно.

Тем же, кому подобный характер мотора по душе можно посоветовать попробовать настроить выпускную систему своего мотоцикла используя некоторые приведенные н|иже зависимости и соотношения размеров по рисунку.

Где: F1=(1,3…1,75) F0.вып;

F0.вып — площадь сечения выпускных окон;

F1 — площадь сечения выпускной трубы.

При увеличении L1 кривая изменения крутящего момента сдвигается в сторону малых частот вращения, а при уменьшении L1 — в область высоких частот. Оптимальная длина L1=(5…6) D1

Угол α раскрытия первого конуса принимается из условия обеспечения безотрывного прохождения потока газа α =6. 10°.

Длина конической части L2 определяется углом α и диаметром D2, который принимается из соотношения D2=√ 4F2/ π,

Изменяя длину L3 цилиндрической части и положение обратного конуса, можно смещать характеристику двигателя в необходимом направлении Выбирая длину L3 можно повысить максимальную эффективную мощность в определенном диапазоне частот вращения благодаря дозарядке цилиндра. Однако на других частотах происходит ухудшение показателей,

С увеличением длины L3 уменьшается максимальная мощность, но значительно возрастают ее значения в диапазоне средних оборотов.

Длина L4 обратного конуса влияет на показатели двигателя следующим образом, Если конус участка L4 невелик (большая длина L4), то мощность двигателя при оборотах выше номинальных снижается медленно, При малой длине L4 мощность падает быстро. Рекомендуемая длина L4 =(1. 2,5)D1

Концевой участок трубы длиной L5 также оказывает некоторое влияние на показатели двигателя. При росте L5 и уменьшении диаметра максимальная мощность двигателя смещается в область высоких частот вращения, Уменьшение длины L5 способствует повышению мощности на малых оборотах. Уменьшение диаметра D3 вызывает перегрев днища поршня.

Глушащая часть выпускной системы положительного влияния на мощность не оказывает, зато благоприятно сказывается на состоянии органов слуха.

Огромные сигаровидные глушители отечественных мотоциклов включают в себя сразу мощностную и глушащую части, а выхлопная труба является отдельным элементом. Нередко она входит в прямой конус настолько глубоко, что нарушается безотрывный характер истечения газов. В таком случае идеальным был бы вариант отказа от соединения трубы и конуса с помощью накидной гайки или хомута в пользу сварки. По крайней мере, следует укоротить выступающую внутрь конуса часть.

Здесь же кроется самый простой способ частичной настройки выпускной системы. Можно пододвинуть глушитель вперед, укоротив выхлопную трубу. При этом следует ожидать улучшения работы мотора на высоких оборотах, либо наоборот, для получения большей тяговитости на низких оборотах отодвинуть глушитель подальше и удлинить первую трубу.

Удлинение или сокращение цилиндри­ческого участка также не вызовет сложностей. Глушитель распиливается, и из него удаляется либо вваривается кусок необходимой длины.

Кроме формирования характеристик двигателя и снижения шума выхлопа, выпускная система рассеивает в пространство значительную часть тепла. Так, однажды во время дальней поездки на «ИЖе» автор проголодался и остановился на обед. Запах, исходящий от мотоцикла, наводил на мысль, что еда уже готова. После поисков источника запаха из сумки, стоящей на нижней полке багажника и касающейся глушители, был извлечен изрядно поплавившийся пакет с почти готовой яичницей. Подвеска тщательно перемешала все составляющие блюда, а глушитель его поджарил. Жаль, только, что мотоцикл не отделил скорлупу от яиц и обертку от масла!

В большинстве же случаев нежелательный контакт с выпускной системой заканчивается не так удачно, Возможны ожоги и даже пожар. Про это не следует забывать при модернизации или самостоятельном изготовлении выпускной системы.