Представленный ниже текст представляет собой частичный перевод одной из глав книги

Представленный ниже текст представляет собой частичный перевод одной из глав книги

«A. Graham Bell - Two Stroke Performance Tuning» с добавлениями и корректировками автора перевода на основе его собственных умозаключений.

Расположение каналов, продувка и очистка цилиндра.

Сегодня, если мы посмотрим на цилиндр 2т двигателя, мы увидим, что его стенки буквально усеяны различными отверстиями (портами), которые служат для того, чтобы управлять впуском, перепуском и выпуском газов, проходящих через двигатель. Те из нас, кто рос в эру японской 2т техники, принимают как очевидное факт того, что любой 2т цилиндр имеет большое выпускное окно, и от 4 до 6 перепускных окон. Однако так было не всегда. Еще в 1904 году Alfred Scott запатентовал свой оригинальный 2т двигатель, имеющий 2 вертикально расположенных цилиндра. Тогда в 1906 году French Garard представил мотор с дисковым золотником впуска. В 1912 году Scott так же разработал мотор с дисковым золотником впуска, который выиграл «Senior TT» (название соревнования) в том же году и в последующем. Несмотря на применение инновационных разработок в этих двухтактных двигателях они все равно оставались не достаточно надежными и этот единственный фактор тормозил развитие 2т моторов вплоть до времён Второй Мировой войны.

В середине 1930-х годов компании DKW удалось внушить уважение к 2т моторам. Это компания производила экономичные 2т мотоциклы и тратила часть прибыли от продаж на развитие 2т моторов. Они наняли инженера по имени Zoller для постройки 250 кубового гоночного мотоцикла, который одержал абсолютную победу на соревновании «Isle of man TT» в 1938 году. Это привело к развитию 125 кубовых 2т моторов и к использованию на них схемы организации продувки, которая была разработана для 2т дизелей немецким инженером Dr. E. Schneurle. Это были те двигатели, которые, в конечном счете, принесли успех 2т моторам, сделав их экономичным, легким и мощным источником энергии. Петлевая продувка, созданная вышеупомянутым инженером, была запатентована в 1925 году, и включала в себя одно выпускное окно и два небольших продувочных окна, которые направляли потоки воздуха, сходящиеся на стенке цилиндра, расположенной напротив выпускного окна. (рисунок 3.1). Эти перепускные каналы направляли потоки воздуха от выпускного окна к задней стенке цилиндра, что препятствовало прямому попаданию воздуха из перепускных окон в выпускное окно. Более ранние конструкции использовали специальную форму днища поршня для того чтобы не давать свежему заряду попадать в выпускной канал. Это увеличивало площадь нагрева поршня и приводило к ограничению мощности под риском заклинивания мотора.

После войны фирма DKW переехала в Ингольштадт в западной Германии, в то время как их старый завод в Zschopau в восточной Германии превратился в Motorradwerke Zschopau, или MZ. В 1952 году Walter Kaaden прибыл на завод MZ, чтобы начать его развитие. Его ранние работы были связаны в основном с развитием выпуска и альтернативными методами продувки. После множества экспериментов он доказал что петлевая схема продувки обеспечивает максимальную мощность и надежность. Тогда в 1957 году он добавил в схему продувки третье продувочное окно, прямо напротив выпускного. Поток смеси/воздуха, выходивший из этого третьего продувочного окна, присоединялся к двум основным потокам и направлял их в сторону головки цилиндров. (рисунок 3.2)

Современные 2т технологии были введены первоначально фирмой Suzuki, и немного позже фирмой Yamaha, в Японии, когда Ernst Degner дезертировал из восточной Германии на работу в фирму Suzuki. Комбинируя конструкции, взятые от MZ, с японскими технологиями металлургии Degner смог значительно улучшить показатели выходных мощностей и надежности 2т моторов. В течение 60-х годов Suzuki и Yamaha выигрывали мировые чемпионаты, используя экзотические схемы продувки и дисковые золотники впуска, изначально разработанные фирмами DKW и MZ. Однако инженеры Ямахи продвинулись немного дальше. Они добавили пару вспомогательных продувочных окон рядом с основными продувочными окнами, что способствовало направлению струи свежего заряда в сторону задней стенки цилиндра и вверх. (рисунок 3.3)

Тогда японские инженеры поняли, что на задней стенке цилиндра тоже можно расположить 1 или 2 перепускных окна. Продувочный поток увеличился и, с понижением скорости, с которой свежий заряд залетал в цилиндр, потери смеси в выпускное окно тоже уменьшились. (рисунок 3.4)

Европейские инженеры, занимавшимся 2т двигателями, вели борьбу с чрезмерным износом поршневых колец и стенок цилиндра, которые возникали из-за слишком широкого выпускного окна. Узкое выпускное окно уменьшало мощность, но увеличивало надежность. Более высокое выпускное окно возвращало потерянную мощность, но увеличение высоты выпускного окна делало мощностной диапазон неприемлемо узким. Для решения данной проблемы инженер фирмы Rotax Dr. Hans Lippitsch добавил пару небольших дополнительных выпускных окон по обе стороны от основного большого овального выпускного окна. Эти окна располагались выше основных перепускных окон. (рисунок 3.5)

Инженеры Ямахи, занимавшиеся данной проблемой, решили её с помощью системы, называемой «мощностной клапан» (рисунок 3.6), которая представляла собой механизм для регулирования высоты выпускного окна без сужения мощностного диапазона. Как вы можете увидеть на иллюстрации, мощностной клапан представляет собой цилиндр с вырезом, расположенный рядом со стенкой цилиндра над выпускным окном.

На высоких оборотах выпускное окно имеет максимальную высоту, что увеличивает мощность, в то время как выпускное окно имеет относительно небольшую ширину, что способствует менее напряженному режиму работы поршневых колец. На малых оборотах высота выпускного окна уменьшается, что увеличивает мощность в среднем и нижнем диапазонах оборотов и расширяет мощностной диапазон. На гоночном моторе YZR500 была установлена система мощностных клапанов, контролируемых электродвигателями, питаемыми от аккумулятора. На гражданской версии мотора (TZ500) система была гораздо проще. Специальные тросы связывали приводной трос-вал тахометра и центробежный регулятор, который, поворачивая мощностной клапан, поднимал и опускал высоту выпускного окна в зависимости от оборотов двигателя. Продолжительность выпуска на высоких оборотах, приблизительно 10500 об/мин, 202 градуса, что соответствует среднему раллийному дорожному мотору. На низких оборотах продолжительность выпуска порядка 180 градусов, что примерно соответствует 400 кубовому кроссовому мотору.

Когда речь заходит о модификации цилиндра, самым логичным будет начать с выпускного окна. Небольшая расточка по бокам и в верхней части окна приведет к увеличению мощности, при условии, что все будет выполнено корректно. Выпускные окна бывают разной формы, каждая из которых имеет свои недостатки и преимущества. Окно на рисунке 3.7 достаточно прямоугольное, такие окна относятся к типу квадратных выпускных окон. Такой тип окон можно встретить на слабофорсированных двигателях. Размеры таких окон достаточно малы в результате чего поршневые кольца не цепляются за верхнюю кромку окна и не ломаются.

Есть 2 пути модернизации такого окна: либо расточить окно в верхней части, либо придать ему овальную форму. При изменении формы выпускного окна нужно быть аккуратным: необходимо следить, чтобы оно не подошло слишком близко к перепускным окнам, иначе будет происходить чрезмерная потеря свежего заряда в выпускное окно. Наиболее приемлемым расстоянием между краями выпускного окна и краями перепускного окна является 8мм, но порой есть возможность уменьшить это расстояние до 5мм без эффекта чрезмерных потерь. Если возникает проблема выдерживания корректных расстояний между краями выпускного окна и перепускных окон, то ваш единственный выход – растачивать окно в верхней части. Такая модернизация даст прирост мощности в диапазоне от средних оборотов до оборотов максимальной мощности. Когда вы растачивайте выпускное окно такого типа, центр окна должен быть несколько выше, чем его края (4 – 5 градусов по углу поворота коленчатого вала). Причина такой особенности заключается в том, что на такте сжатия во время закрытия выпускного окна при прохождении поршневым кольцом широчайшей части окна оно несколько выпирает внутрь выпускного окна. Однако если несколько приподнять центр выпускного окна относительно его краев, поршневое кольцо будет иметь меньшую вероятность зацепиться за верхний край выпускного окна и сломаться, поскольку края выпускного окна будут вдавливать поршневое кольцо в его канавку на поршне, перед тем как кольцо пройдет по верхней границе окна и закроет его.

Эллиптическая или овальная форма выпускного окна является одной из предпочтительных для меня, при условии, что есть возможность выдержать расстояния между краями перепускных окон и выпускного окна. Такой тип выпускного окна можно встретить на большинстве 2т двигателей, используемых в различных соревнованиях. Такая форма окна довольно благоприятна для поршневых колец, если окно не сделано чрезмерно широким. Какова чрезмерная ширина окна? Я не совсем уверен, но мне кажется, что значение ширины выпускного окна равное является хорошим компромиссом для большинства дорожных гоночных мотоциклов и кроссовых мотоциклов, в двигателях которых используются поршневые кольца из высокопрочного чугуна (максимальный безопасный размер для колец из обычного чугуна). Некоторые умельцы увеличивают размер окна до , но при этом повреждения, получаемые кольцами, поршнем и окном, являются неприемлемыми. Я расширял выпускное окно до , но это скорее исключение, чем правило.

Выпускное окно с перемычкой получило больше распространен на кроссовых и эндуро двигателях большого объема. (рис 3.8) Такое выпускное окно имеет большую площадь, но, из-за перемычки его реальная пропускная способность составляет порядка 85% от пропускной способности окна без перемычки такой же площади. В прошлом такой тип выпускных окон принес много неприятностей из-за перегрева перемычки, в результате чего она изгибалась внутрь цилиндра, оказывая давление на поршень и провоцируя заклинивание двигателя. Сейчас перемычка не создает больших проблем, если только она не сделана слишком узкой. Если происходит жесткий контакт перемычки с поршнем, поршень будет стачиваться в том месте, где он трется о перемычку. Поскольку выпускные окна с перемычкой обычно расположены слишком близко к перепускным окнам, существует единственная возможность увеличить площадь окна, которая заключается в расточке верхней части окна. Модифицируйте окно как это показано на иллюстрации, не нужно точно копировать с иллюстрации и делать окнам «брови» (верхняя часть окон) поскольку ниже будет показан еще один тип выпускного окна.

Т-образное выпускное окно или «окно с бровями» сейчас редко используется, хотя в прошлом его использовали Suzuki, Kawasaki и Honda. (рис 3.9) Возможности расширения такого окна весьма ограничены, поскольку даже незначительное изменение его формы выше перепускных окон может очень сильно отразиться на работе поршня и колец в худшую сторону. Обычно в таком окне практически нечего доработать.

Выпускное окно с перемычкой можно сделать очень широким, но все же предел существует. На двигателях Suzuki RM125 (все модели от А до Т), максимальная ширина окна 23мм для левого окна (если смотреть на мотор спереди) и 25,5мм для правого окна. Если вы расширите эти окна больше этих размеров, поршень будет не в состоянии герметизировать кривошипную камеру от выпускного окна, поскольку юбка поршня не будет в состоянии полностью закрыть выпускное окно. И выпускное и впускное окно юбка поршня должна перекрывать по ширине хотя бы на 2мм для достаточной герметизации (добавление от себя: при использовании лепесткового клапана впуска или дискового золотника впуска во впускном канале, проходящем через стенку цилиндра, нет необходимости в герметизации кривошипной камеры от впускного канала, поскольку эту функцию выполняет лепестковый клапан/дисковый золотник, следовательно, ширина впускного окна может быть увеличена, но при этом перекрытие впускного окна юбкой поршня по ширине все равно должно присутствовать, но оно может быть несколько меньше 2мм, конкретное значение определяется жесткостью и прочностью юбки поршня)

Чтобы быть уверенным в том, что вы не расширите выпускное окно слишком сильно необходимо сделать следующую процедуру: на собранном двигателе (кшм, поршневая без головки цилиндра) с положением поршня приблизительно в середине цилиндра, необходимо вставить маркер/карандаш через выпускное окно так, чтобы его наконечник был максимально прижат к правой (если смотреть со стороны выпускного патрубка) кромке выпускного окна в широчайшем его сечении и чертил линию на юбке поршня, максимально приближенную к реальной линии, соответствующей правой границе выпускного окна, затем проверните коленвал так, чтобы маркер/карандаш оставил четкую линию на юбке поршня. Затем повторите эту операцию для левой кромки окна. Для окна с перемычкой - отмечать кромки перемычки не нужно. Затем снимите цилиндр и измерьте по хорде расстояние между линиями на юбке поршня. Затем измерьте расстояние между краями юбки поршня под поршневыми бобышками или ниже (измерение по хорде) (для поршня, юбка которого имеет переменное сечение ниже бобышек поршневого пальца в плоскости перпендикулярной направлению перемещения поршня в цилиндре, измерение проводите по наименьшему сечению). От измерений между краями юбки поршня отнимите 2мм. Полученный результат есть максимальная ширина выпускного окна. Соотнесите возможности модернизации окна, возможно, его уже некуда расширять. Так же есть другой вариант переноса размеров выпускного окна на поршень. Для этого в измеряемом цилиндре приведите поршень в нмт. Затем подведите днище поршня к широчайшему сечению выпускного окна и поставьте маркером/карандашом метки на днище поршня, соответствующие крайним кромкам выпускного окна. Измерьте расстояние по хорде. Если у поршня есть обширные холодильники, необходимо убедиться, что эти холодильники не будут совмещать продувочные окна и окна выпуска. Для чего проведите подобные описанным выше операции по перенесению размеров выпускных и перепускных окон на поршень. Для измерения предельного размера впускного окна, проведите процедуру подобную первой из описанных выше (маркер/карандаш через впускное окно). Абзац был доработан автором перевода с добавлением собственных умозаключений и не является прямым переводом оригинального текста.

К настоящему времени были рассмотрены изменение формы и ширины выпускного окна, но не его высоты. Увеличение ширины выпускного окна всегда приведет к увеличению мощности в диапазоне от средних оборотов до оборотов максимальной мощности. Обычно будет небольшая или не будет вовсе потеря мощности на среднем диапазоне оборотов. Увеличение высоты выпускного окна на любую величину уменьшит мощность на низких оборотах. Увеличение продолжительности, периода открытия окна, даже на несколько градусов, может сделать мотор, в некоторых случаях, не ездовым. Насколько можно поднять выпуск – это вопрос на миллион долларов, ответ на который хочет знать каждый, кто задался таким вопросом. Некоторые энтузиасты работают с разнообразными формулами, созданными ранее. Если говорить откровенно, я нахожу эти методы просчета фаз газораспределения полностью бесполезными. Геометрические и математические расчеты очень утомительны и, когда вы закончите всю эту рутину, вы обнаружите, что полученные вами ответы имеют мало отношения к современным 2т технологиям.

У меня есть определенные идеи насчет фазы выпуска на 2т двигателе, но слепое следование моим предложениям может доставить вам массу проблем. Моя теория состоит в том, что двигатель требует, чтобы определенная продолжительность выпуска достигла определенной частоты вращения двигателя. Поэтому, если необходимо чтобы двигатель выдавал максимальную мощность, скажем, на 12000 об/мин, необходимая продолжительность выпуска будет одинакова независимо от того какой это двигатель, будь то 80-ти кубовый кроссовый мотор или двухцилиндровый 250 кубовый мотор для дорожных гонок. На основе опыта я получил справедливую идею о том какая фаза выпуска нужна определенному двигателю (см. таблицу 3.1). Однако, если цилиндр имел более короткую фазу перепуска чем мне бы хотелось, фазу выпуска тоже придется уменьшить, иначе мотоцикл с таким мотором будет слишком «pipey» для езды. С другой стороны, можно поднять перепускные окна и использовать предложенные фазы выпуска.

Вы можете легко испортить все начальные данные мотора, когда займетесь фазами газораспределения. Я знал людей, которые расширили выпускное окно и вверх и вниз и в стороны, в поисках большей мощности или большего мощностного диапазона. После месяцев усердной работы они ничего не достигли, в основном, потому что продолжительность перепуска была слишком короткой и/или резонатор был абсолютно неправильным. Хотя этот принцип может показаться бессмысленным - выбрать продолжительность фазы выпуска и придерживаться её, но мне кажется, что на сегодняшний день это лучший путь в 2т тюнинге. Тогда, если двигатель показывает какую-либо нежелательную черту в своем поведении, например узкий мощностной диапазон, я изменяю резонатор чтобы обеспечить приемлемые мощностные характеристики. Правда конструкция резонатора еще более критична чем фаза выпуска.

Фаза выпуска в некоторой степени определяет, какова будет максимальная мощность и на каких оборотах двигатель будет её выдавать. Резонатор «определяет» мощностные характеристики двигателя на оборотах выше и ниже оборотов максимальной мощности.

Формула, которую я использую для расчета фазы выпуска (и фазы перепуска), довольно простая, но, если вы много работайте над 2т двигателем, будет неплохо купить калькулятор с широким набором математических функций. Это ускорит ваши вычисления.

Формула такая:

Где:

D – Фаза выпуска в градусах

T=R+L+C-E

R= (мм)

L= Расстояние между центрами отверстий шатуна в миллиметрах (обычно это значение = Ход поршня умножить на два)

E= Расстояние от верхней точки выпускного окна до верхней кромки цилиндра.

Например, фаза выпуска для мотора Morbidelli 125 (двухцилиндровый) (Рисунок 3.10) будет такой:

R=20,5 мм

L=87 мм

С= 0 мм

E=18,2 мм

Т=R+L+C-E=20,5+87,0+0-18,2=89.3 мм

Теперь загляните в таблицу 3.1. Вы увидите, что фаза выпуска соответствует пику мощности на 13500-13700 об/мин. Однако, если мы хотим значительно улучшить этот двигатель, увеличив диффузор карбюратора Микуни на 1мм (до 29мм) и сделав новые резонаторы, мы хотели бы получить пик мощности на оборотах чуть более 14000 об/мин, это означает что фаза выпуска должна быть увеличена до 208 градусов, чтобы получить преимущества от улучшения газообмена. Поэтому мы поднимем верхнюю кромку выпускного окна на 0,35мм. Теперь параметр «E» будет равен 17,85мм и «Т» будет равно 20,5+87+0-17,85=89,65мм.

В некоторых двигателях установлены поршневые кольца типа «Dykes rings» (в дальнейшем L-образные кольца) (Дополнительный Рисунок 2.)

В таких двигателях фазами газораспределения занимается верхнее L-образное кольцо, в отличие от двигателей с простыми плоскими кольцами, в которых фазами управляет верхняя кромка поршня. В таких двигателях для расчета фазы выпуска используют подобную формулу, но размером «C» уже будет не расстояние между верхней кромкой поршня и верхней кромкой цилиндра (Дополнительный рисунок 1), а расстояние между верхней кромкой цилиндра и верхней кромкой L-образного кольца, которое стоит на поршне первым при отсчете от головки цилиндра. Если произвести замер обычным способом, то полученное значение будет отличаться от истинного на несколько градусов. Замер можно произвести с помощью глубиномера для поршней, у которых верхняя кромка кольца выше верхней кромки поршня или совпадает с ней. Для поршней, у которых верхняя кромка поршня выше верхней кромки кольца можно замерить расстояние от верхней кромки кольца до верхней кромки поршня (х), а затем произвести замер между верхней кромкой поршня и верхней кромкой цилиндра (y) (замер как на Дополнительном рисунке 1). Если верхняя кромка поршня находится ниже верхней кромки цилиндра, то C=x+y. Если верхняя кромка поршня находится ровно на уровне верхней кромки цилиндра, то С=х. Если верхняя кромка поршня находится выше верхней кромки цилиндра, то С=x-y.

Вернемся к Рисунку 3.5. Вам может показаться, что этот картинговый двигатель Rotax имеет «мягкие» фазы для дорожного гоночного двигателя. В действительности на поршне этого двигателя установлено одно L-образное кольцо, которое расположено очень близко к верхней кромке поршня. Параметр «С» для этого двигателя равен 1,8мм, так что фазы, казавшиеся кроссовыми, на самом деле есть дорожно-гоночные фазы. Благодаря такому кольцу фаза выпуска этого двигателя 201 градус.

Если у вас нет опыта в тюнинге 2т двигателей, для вас будет весьма сложно дорабатывать выпускное окно для увеличения фазы выпуска в отличие от стачивания металла с поршня. Однажды сточив металл, вы уже не сможете вернуть его обратно, но к счастью с поршнями в этом плане работать выгодней, чем с цилиндрами, поскольку они дешевле. Все что нужно делать – придерживаться расчетов и, если вы зайдете слишком далеко, то можно все начать сначала с новым поршнем. (Рисунок 3.11).

Идея заключается в следующем: стачивать 0,5мм с днища поршня со стороны выпуска и проводить пробные заезды до тех пор, пока вы не найдете оптимальную фазу выпуска. Если вы зайдете слишком далеко, то будет достаточно просто все вернуть назад. Все что нужно – купить новый поршень и затем, когда вы будете модернизировать уже выпускное окно, следует поднять его на 0,5мм меньше, чем вы сточили на предыдущем поршне. Обычно я предпочитаю действовать по другой методике тюнинга, но, если вы не хотите связываться с дорогими и долгими методами создания резонаторов, то этот метод будет самым лучшим. Вы никогда не сможете снять с двигателя максимум мощности, если будите работать только с выпускным окном и при этом оставите стандартный резонатор/глушитель, который будет душить двигатель. Тем не менее, описанный выше метод является одним из самых дешевых и безопасных методов, с которых можно начать тюнинг 2т мотора, и, даже оставив стандартный резонатор/глушитель, на выходе вы получите мотор, работающий лучше, чем стандартный.

Когда вы работайте с выпускным окном, есть 2 вещи, в которых нужно убедиться. Во-первых, при нахождении поршня в нижней мертвой точке, нижняя кромка окна должна быть на одном уровне, или ниже, относительно верхней кромкой поршня, иначе высокоскоростной поток газа будет разрушен. (Рисунок 3.12).

Во-вторых, в выпускных окнах с перемычкой, необходимо убедится, что обе половины окна открываются одновременно. Если одна из половинок будет открываться несколько раньше относительно другой, это приведет к разрушению правильного потока, но самое плохое заключается в том, что волны давления, проходящие через резонатор, будут иметь меньшую амплитуду. Это приведет к ухудшению эффективности резонатора. (Рисунок 3.13)

Если вы обладатель мотора Yamaha с системой Power Valve, то вам необходимо выполнить еще одну проверку. Неважно модифицировали вы выпускное окно или нет, необходимо убедиться, что при полном открытии мощностного клапана его профиль совпадает с верхней кромкой выпускного окна. Поверните мощностной клапан до упора, сделав при этом сечения выпуска максимальным, и проведите эту проверку. Обычно требуется произвести регулировку. Отверните гайку тяги. Выставьте золотник в правильное положение и затяните гайку.

-

-

-

С точки зрения конструкции двигателя, мне кажется, что перепускные окна – это самое важное. К сожалению, с точки зрения среднестатистического 2т тюнера, перепускные окна являются самыми сложными местами при тюнинге и самыми мало понятными. По определению, перепускные окна выполняют работу по перемещению бензовоздушной смеси из кривошипной камеры в цилиндр двс. Это звучит довольно просто, но, после того как мы учтем все вовлеченные в этот процесс факторы, вы сможете оценить какую грандиозную задачу это из себя представляет.

В среднестатистическом гоночном 2т двигателе фаза впуска составляет примерно 190 градусов угла поворота коленвала. Фаза выпуска около 200 градусов. А фаза перепуска должна быть совершена в течение 130 градусов. Перепуск нового заряда из кривошипной камеры в цилиндр должен быть не только осуществлен за гораздо более короткое время, но так же необходимо правильно направить перепускные потоки так, чтобы свежи заряд не вылетал в выпускное окно, но при этом вытеснил в него отработанные газы.

В 60-е годы, когда Ямаха и Сузуки доминировали в гонках класса «Гранд При», их инженеры оживили миф, который появился после послевоенного развития гоночных двигателей BSA Bantam и Villiers. Эти двигатели имели довольно много ничем не заполненного объема в кривошипной камере и тюнеры пологали, вполне справедливо, что заполнение этого объема чем-либо уменьшит объем кривошипной камеры, что в свою очередь поднимет давление в кривошипной камере при перемещении поршня от вмт к нмт. Увеличения картерного сжатия поднимает давление в кривошипной камере, что, при прочих равных условиях, увеличивает перепускной поток и увеличивает мощность.

Дата добавления: 2015-09-28