Двухтактный двигатель с выпускными клапанами (7 видео)

Содержание

Мощностной клапан в системе выпуска 2-тактных двигателей.
Проект длиной в 8 лет — знал бы, ни за что не ввязался: свой 2-тактный мотор
Введение
Разработка моделей
📸 Видео

Видео:Двухтактные двигатели в сравнении с четырёхтактными | Science Garage На РусскомСкачать

Мощностной клапан в системе выпуска 2-тактных двигателей.

Максим СУХАНОВ, Ростовская обл., г. Новочеркасск

Сейчас у мотоциклистов на руках полно кроссачей и эндуро прошлых лет с 2-тактными моторами. И у многих от старости не работает мощностной клапан. Часто владельцы не только не понимают, как он устроен, но и зачем он нужен вообще — и эти просто выбрасывают этот механизм. И очень зря — очень полезный узел.

Чтобы увеличить мощность 2-тактного двигателя, сохранив при этом большой крутящий момент в широком диапазоне оборотов, конструкторы с помощью различных ухищрений избавляются от симметричности фаз его газораспределения.

В системе выпуска резонатор настраивают так, чтобы волна высокого давления, отраженная от его стен, возвращалась к выпускному окну в момент, когда все отработавшие газы вышли из цилиндра в окно, и преграждала путь свежей бензовоздушной смеси. Так настраивают мотор на режим максимальной мощности или максимальный крутящий момент двигателя. Но в остальных режимах двигатель работает хуже, чем до настройки. Чтобы он стал «гибким», на рубеже 70-80-х годов в конструкциях спортивных моторов стали применять мощностные клапаны. Существует несколько конструкций, но у всех одна задача — подстраивать выпускную систему под различные режимы работы двигателя.

Конструкторы фирмы Konig не стали мудрствовать. На спортивные лодочные моторы установили резонаторы, длину средней части которых можно изменять в пределах от 28 до 35 см. При минимальной длине мощность мотора составляет 82 л.с. при 9000 об/мин, при максимальной — 67 л.с. при 7500 об/мин. Но при 7000 об/мин «удлинение» трубы поднимает мощность с 52 до 65 л.с! Именно в этом режиме механизм и раздвигает резонатор. Все вроде бы просто. На деле же это устройство очень громоздкое и тяжелое, а изготовить его так, чтобы детали не клинили и не пропускали наружу отработавшие газы, очень сложно.

Мощностной клапан YPVS от компании Yamaha — вращающийся цилиндрический золотник. Он расположен горизонтально, сразу за выпускным окном. При уменьшении оборотов коленвала он частично перекрывает выпускной канал и создает эффект, будто бы окно становится ниже. В результате двигатель работает так, будто угол открытия выпускного окна сокращается с 200° до 160°. По мере закрытия золотника максимум крутящего момента смещается в сторону низких оборотов.

Спросите, каков эффект? Вот показатели одного из спортивных моторов Yamaha выпуска 1980 года. Со свободным выпускным каналом он развил 120 л.с. при 11000 об/мин, достигая максимального крутящего момента при 9000 об/мин. Когда золотник закрыт, пик мощности перемещается к 10000 об/мин, а максимальный крутящий момент — к 8000 об/мин. Но при этом на малых и средних оборотах величина крутящего момента возрастает более чем на 30%! У менее форсированых «гражданских» двигателей золотник обычно начинает плавно открываться после 4000 об/мин и полностью освобождает выпуск при 7000 об/мин. 500-кубовые мотоциклы этой фирмы, оборудованные мощностными клапанами, много раз побеждали в гонках Гран-при — именно благодаря отличной динамике разгона. «Гражданские» версии этого устройства устанавливали на Yamaha 250 LC YPVS, 350 LC YPVS и 500 LC YPVS.

Конструкция YPVS предполагает два варианта управления золотником: механический TZ — когда на изменение частоты вращения коленвала реагирует центробежный механизм с грузиками и поворачивает золотник тягой, а также RD, у которого электроника определяет частоту импульсов системы зажигания и отдает команды шаговому электродвигателю, который передвигает золотник тросом.

Мощностной клапан Honda (АТАС): 1 — окно резонансной камеры; 2 — клапан АТАС; 3 — рычаг; 4 — пружина; 5 — управляющий вал; 6 — ролик; 7 — вал системы АТАС; 8 — коленчатый вал; 9 — центробежный автомат, одновременно управляющий АТАС и углом опережения зажигания.

В отличие от «плавного» YPVS, система АТАС фирмы Honda действует ступенчато. Ее клапан открывает проход из выпускного канала в резонансную камеру, и величина, на которую он открыт, влияет на работу двигателя гораздо меньше, чем YPVS. С увеличением частоты вращения коленва-ла шарики управляющего механизма на ко-ленвале поддействием центробежной силы перемещаются в канавках и давят на диск, который через систему рычагов закрывает клапан. При этом изменяется настройка выхлопной системы и, как следствие, максимумы мощности и крутящего момента сдвигаются в сторону высоких оборотов.

У системы Suzuki Automatic-Exhaust-Control-System (SAEC) спортивного мотоцикла RG500 (атакже ТХ250Х и т.п.) проход в резонансную камеру перекрывает поворотный золотник. Он, как и клапан системы АТАС, влияет на работу мотора ступенчато. В ранних конструкциях золотник поворачивал центробежный регулятор. Позже его заменил шаговый электродвигатель, которым управляет датчик на коленчатом валу. Вместо громоздкой системы тяг конструкторы установили трос. Тот и другой варианты срабатывали при 7000 об/мин.

В системе Kawasaki-Integrated-Power-Valve-System (KIPS) отработавшими газами управляют два маленьких цилиндрических золотника, расположенные вертикально в двух дополнительных выпускных каналах. Их вращает центробежный автомат, который заодно регулирует момент опережения зажигания. На высоких оборотах золотники не мешают отработавшим газам поступать из цилиндра в глушитель. При снижении оборотов они перекрывают боковые каналы и направляют часть отработавших газов из центрального канала в общую резонансную камеру — и настройка выпускной системы изменяется.

Читайте также: Технологический процесс производства клапана

Мощностной клапан Kawasaki (KIPS): 1 — основной выпускной канал; 2 — дополнительные выпускные каналы; 3 — резонансная камера; 4 — золотники. Слева — работа клапана на высоких оборотах, справа — на низких.

Все эти системы — механические и электрические — хоть и немного, но отбирают мощность у двигателя. Инженеры фирмы Rotax, придумавшие устройство под названием Rave, поступили хитрее — воспользовались дармовой энергией отработавших газов: давление в глушителе пропорционально нагрузке на двигатель, значит, его можно привлечь для управления мощностным клапаном! Отработавшие газы под давлением поступают в камеру клапана (см. рисунок) и, преодолевая силу пружины, поднимают заслонку. Канал, соединяющий камеру и выпускную систему тонкий — поэтому колебания давления у выпускного окна сглаживаются. Эта система хороша еще и тем, что клапан реагирует не только на обороты двигателя, но и на величину нагрузки на двигатель. Чем больше открыта дроссельная заслонка и чем выше обороты двигателя, тем большую мощность развивает мотор . А значит, тем больше давление в выпускном канале и тем шире откроется мощностной клапан. Разница давлений возле выпускного окна велика. Сравните: 6,2 атм. при максимальном крутящем моменте и 4,4 атм. при 4000 об/мин! Причем наиболее резкое увеличение начинается после 7000 об/мин. При меньших оборотах заслонка перекрывает выпускное окно на 20%.

Система оказалась очень эффективной, вот почему ее много лет применяли в мотокроссе. 125-кубовые моторы развивали 32 л.с. при 11700 об/мин — казалось бы, не много. Но этой мощности сопутствовал невероятный для такого рабочего объема крутящий момент: 17,2 Н.м при 9000 об/мин!

Все вышеописанные системы существенно улучшили показатели двухтактных двигателей. Но им были присущи и недостатки, с которыми конструкторы до конца так и не справились: затраты мощности на управление клапанами (кроме Rotax Rave), оказались слишком велики, чтобы на них не обращать внимание. Основная причина того, что золотники и заслонки двигались туго, а иногда и клинили — нагар. Избавиться от него не помогли даже самые современные масла. Разработчики системы YPVS с электронным управлением запрограммировали «мозги» так, чтобы каждый раз при включении зажигания золотник несколько раз поворачивался туда-сюда, дабы соскоблить отложившийся на его теле нагар. Мощностные клапаны клинили еще и из-за сильной деформации деталей клапана при нагреве. Особенно сильно перекашивало механизм двухцилиндровых моторов. Чтобы валы разных цилиндров не застыли намертво после хорошего прохвата, их соединяли через муфту.

Но вот что самое существенное: мощностной клапан эффективен только на форсированных моторах, чем выше уровень форсировки — тем больший эффект. Из отечественных двигателей только у «Иж-ПС» и, может быть, у«Иж-Ю4» после установки такого устройства могут стать лучше характеристики, да и то, если их оборудовать хорошо настроенной выпускной системой. И вот теперь резюмирующий ответ на вопрос читателя: пристраивать мощностной клапан к «Иж-П5» — бессмысленная затея.

Мощностной клапан Rotax (Rave): 1 — камера клапана; 2 — гибкая мембрана; 3 — пружина; 4 — заслонка; 5 — канал, через который давление поступает в камеру клапана.

Видео:🔴 Все ДвухТактные ДвухЦилиндровые Двигатели (5 Вариантов) 😲!Скачать

Проект длиной в 8 лет — знал бы, ни за что не ввязался: свой 2-тактный мотор

Когда-то давно я понял, что мне мотора Иж Планета не хватает и я решил радикально модифицировать его — сделать собственный цилиндр. По ходу сменился даже мотор. За его время я успел закончить школу, поступить в один вуз, вылететь и каким-то чудом перевестись в другой и отучиться там еще 5 лет и все равно я закончил и его уже два года назад. Знал бы я, что так оно растянется, наверное, не ввязался бы. Поскольку мы воспринимаем время относительно прожитого в сознательном возрасте, то для меня оно растянулось на половину прожитого времени.

Прошло уже 6 лет с момента выхода первой и последней заметки по этому проекту(Свой 2-тактный мотор. CR620 рекомендуется к ознакомлению). Тогда я остановился из-за проблем с аутсорсом в металлообработке. Кто не может, кто не хочет, кто делает бесконечно долго, кто и детали назад возвращать не хочет. А город в котором я живу имеет славную промышленную историю и был центром Петровской индустрии 18-века, но от славного прошлого ныне остался один корень в названии города и несколько действующих предприятий, на которых занято порядка единиц процентов населения. А сейчас не 90-е и даже не 00-е, когда можно было договорится с человеком с завода чтобы он что-то такое эдакое для тебя сделал. Теперь у них есть работа и КПП на входе, как я потом узнал — номинальное. Вся эта история с передачей деталей где они лежат, а не делаются, поиск новых мест и тому подобное блуждание длилась несколько лет. Оказалось, что отлить сложную алюминиевую отливку у сарая на родительской даче я смог, а обработать, что не выглядело проблемой изначально — нет.

В это же время я познакомился с мастером из университетской мастерской, который сначала под присмотром, а потом и самостоятельно позволял мне работать на станках. Жаль только то, что станки были чуть больше настольного и моя отливка не имела шанса влезть в них. Однако, я делал на них маленькие детали на продажу и заработал на токарный станок уже промышленного уровня, пусть и выпущенный на заводе сомнительной репутации в АрССР.

Читайте также: В скороварке не держит клапан

Из помещений, где я мог что-то делать, был кусок в 3х3м сарая на родительской даче и гараж-ракушка. В одном нет места в другом света. Я решил, что с электричеством проблема проще и перевез станок в гараж. Там я его отмыл, перебрал и изучил. Казалось бы, электричество есть в кооперативе напротив через кусты и грунтовку, в 10м. Связался с председателем и предложил ему платить все взносы за право покупать у его кооператива электричество. Он категорически был против. Фейл. Соседей пенсионеров мне тоже убедить не удалось. Фейл. Появилась идея снять с товарищами гараж для хранения и ремонта мототехники. Звонили по объявлениям, ездили смотреть и каждый раз общение с собственником помещения заканчивалось после вопроса о установке станка. Фейл. Проект как обычно отложен на следующий год.

К концу лета следующего года я, видимо, настолько утомил родителей терриконами отходов литейного производства на даче (на мой взгляд хорошо разбавляли сельский пейзаж и избавляли от стрижки травы в пределах пары метров от них), что они решили купить мне гараж у дома и с электричеством, аж с тремя фазами по стенке. Там наконец токарный станок ожил, а я смог начать обрабатывать отливку цилиндра после 2,5 лет выдержки.

Когда я наконец обработал отливку, то столкнулся с очередной проблемой: я договорился с человеком, который делает сверхтвердые гальванические покрытия на цилиндрах ДВС и проектировал цилиндр именно под покрытие, а пока время шло, человек уже перестал этим заниматься или просто не стал браться, а другие либо делали дорого, либо как-то очень подозрительно путались в ответах. К тому же, колодцы золотников были выполнены вертикальными, при проектировании я не мог думать как технолог, ибо не имел своей производственной базы. Такие я не мог обработать сам и отдал на сторону, где цилиндр повис на полгода. Так проект встал, хотел закончить к лету, никогда такого не было и вот опять. Нужно было делать чугунную гильзу, да только к тому времени накопилось столько новых идей, что проект 4-годичной давности устарел и тащить его не было никакого желания. Так эта ветвь и остановилась навечно.

Зимой был подготовлена новая версия цилиндра. Именно с этого момента можно отсчитывать хронологию проекта. Отличительной особенностью ее является обилие «механизации» — два клапана в каналах выпуска и золотники в каналах продувки.
Начнем, пожалуй, с небольшой теории о мощностных клапанах в двухтактных двигателях внутреннего сгорания.

Введение

К настоящему времени в двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продувкой применяются системы управления сечением и/или фазой выпускного порта. Данные системы обеспечивают сглаживание кривой мощности. Изменение фазы или сечения выпускного порта выполняется с помощью заслонки, расположенной в выпускном канале. Ее положение зависит от оборотов коленчатого вала. Привод заслонки бывает пневматическим, механическим или электрическим. Например, на моторе мотоцикла Yamaha TZ500 при высоких оборотах, около 10500 мин-1, значение фазы выпуска составляет 202deg, а на низких около 180deg. На рисунке представлена конструкция мощностного клапана фирмы Yamaha.

Как и для выпуска, для продувки тоже существует зависимость оптимальной фазы продувки от оборотов, обусловленная компромиссом между скоростью газа в потоке продувки, потерями свежей смеси через выпуск и объемом ее же, поступающей за время продувки. Данная зависимость линейна, что можно увидеть из графика, представленного ниже.

В отличие от выпускного порта, каналы продувки характеризуются еще и углами выхода: горизонтальными и вертикальными. В случае пятиканальной продувки обычно получается четыре ненулевых и различных горизонтальных угла и пять (по два на 1-4 каналы и один на 5-й) вертикальных.

Горизонтальные углы продувочных каналов: A, B, C, D

Вертикальные углы основных каналов продувки

Данные углы необходимы для получения характерной петли продувки. Такой способ продувки называется петлевая продувка и обеспечивает наиболее эффективное удаление отработанных газов без увеличения числа подвижных элементов двигателя и усложнения его конструкции. Поэтому в настоящее время только он применяется на всех двухтактных двигателях, кроме двухтактных дизелей. Из-за важности углов выхода продувочных каналов применять методы, используемые для управления выпуском, нельзя. Поскольку они будут создавать либо нежелательные завихрения в канале продувки, либо изменять его углы выхода.

Авторы [A. Graham Bell. Two-Stroke Performance Tuning. Haynes Publishing, 1999.] утверждают, что во время продувки возникают колебания с собственной частотой :

где:
— скорость звука в продувочном канале;
— объем кривошипной камеры без учета объема продувочных каналов;
— средняя длина продувочного канала;
— средняя площадь поперечного сечения продувочного канала;
— ширина среднего поперечного сечения канала;
— высота среднего поперечного сечения канала.
Выражение представляет собой поправку, учитывающую влияние входной части продувочного канала.
Эта собственная частота, , должна быть равна:

где:
— чистота оборотов коленчатого вала двигателя;
— фаза продувки.

Таким образом, из выражения (2) следует, что собственная частота колебаний, возникающих во время продувки, прямо пропорциональна частоте оборотов двигателя, но правая часть выражения (1) не зависит от частоты вращения коленчатого вала. Поэтому продувка оптимально работает лишь в узком диапазоне оборотов, а для расширения рабочего диапазона необходимо внести зависимость от оборотов в правую часть выражения (1). Проще всего это сделать, введя зависимость средней площади поперечного сечения продувочного канала от оборотов. Чтобы не вносить нежелательных завихрений в поток газа в продувочном канале, желательно изменять сечение каналов продувки, меняя их количество. Например, с помощью золотников, перекрывающих некоторые каналы продувки. В рамках данного проекта предлагается перекрывать золотниками дополнительные каналы продувки.

Читайте также: Soler palau silent 100 cz design обратный клапан

Золотники в каналах продувки: левый полностью открыт, правый закрыт

Влияние данного решения было исследовано с помощью компьютерного моделирования продувки в пакете программ SolidWorks Flow Simulation. Продувка выполнена при постоянной разнице давлений между входом в каналы продувки и выходом из выпускного канала. Поршень считался неподвижным и находящимся в нижней мертвой точке. Процессы впуска и выпуска не учитывались. Разница давлений была выбрана из разницы объемов под поршнем в нижней и верхней мертвой точке и составляла 0,6 кг/см2. Из-за указанных выше допущений, результаты расчета в этом стационарном приближения можно рассматривать как качественные без количественной оценки. Поскольку, например, разделить во времени или пространстве процессы выпуска и продувки нельзя. В этом и заключается главная трудность для компьютерного моделирования двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой.

На рисунках видно, что закрытие золотников существенно влияет на распределение скоростей потока и вид петли продувки: при закрытых дополнительных каналах (трехканальный режим) увеличивается скорость газа в процессе продувки и петля продувки становится более выраженной и отдаленной от выпускного окна, что должно снизить потери свежей смеси через выпускной порт и снизить коэффициент остаточных газов, в тоже время, высокая скорость на выходе потока из каналов продувки при трехканальной продувке указывает на наличие узкого места, которое будет ограничивать расход газа через двигатель, а значит и мощность при высоких оборотах. В случае пятиканального режима смешивание газов должно быть больше, а, значит, возрастет коэффициент остаточных газов, но при этом наблюдается меньшая скорость, и «узким» местом становится канал выпуска, что снижает потери свежей смеси через него.

Траектории 2000 частиц при открытых золотниках в дополнительных продувочных каналах (пятиканальный режим)

Траектории 2000 частиц при закрытых золотниках в дополнительных продувочных каналах (трехканальный режим)

Кроме золотников в каналах продувки, планируется установить в выпускном канале мощностной клапан (МК) для проверки совместной работы обоих систем. Наилучшим образом для исполнительного механизма МК подходит заслонка в виде секторного золотника. Это объясняется тем, что кромка заслонки такого мощностного клапана во всем диапазоне рабочего хода находится максимально близко к рабочей поверхности цилиндра (то есть, при малом угле поворота траектория движения точке на кромке золотника приближена к прямой), а не только в нижнем положение, как в случае цилиндрического золотника или наклонного шибера. Кроме того, такая конструкция заслонки не создает сильных завихрений за собой как шиберная заслонка, движущаяся параллельно оси цилиндра.

Заслонка мощностного клапана(МК) в опущенном состоянии

Продувки при закрытых золотниках в дополнительных каналах продувки и опущенной заслонке МК

Разработка моделей

Ход поршня, мм	Длина шатуна, мм	Высота выпускного окна, мм	Высота продувочного окна, мм	Фаза выпуска, град.	Фаза продувки, град.
Honda CR500	79	144	34	15.5	180.1	119.5
Yamaha YZ490	82	137	37.8	16.8	188.5	123.7
Cezet type 514	72	130	32	17	183.4	131.5
Kawasaki KX500	86	145	36.5/40	17	180.1/189.3	121.3
Проект CR724	79	144	26/36	17	156/185.8	125.3

Примечание: Если в ячейке указаны два параметра высоты выпускного окна или фазы выпуска, то первая относится к состоянию с полностью закрытым МК, а вторая с открытым.

После замеров сопрягаемых с цилиндром элементов базового двигателя было выполнено создание трехмерной твердотельной модели газораспределительных каналов и сопряженных с ними полостей. Все чертежи были выполнены с использованием пакета программ SolidWorks.

Твердотельная модель газораспределительных каналов

Начало именно с твердотельной модели каналов позволяет минимизировать число толстых мест отливки и уменьшить ее массу. На следующем шаге вокруг модели каналов была построена оболочка с толщиной стенок 4-6 мм и нижним крепежным фланцем.

Оболочка каналов без выреза модели каналов

Рубашка охлаждения была получена построением вокруг оболочки каналов второй оболочки, такой чтобы между обоими оболочками в горячих местах (верхняя часть цилиндра и каналы выпуска) оставалось расстояние в 6-10 мм. Толщина стенки оболочки каналов охлаждения около 4 мм. Вход в рубашку охлаждения находится внизу цилиндра под каналом выпуска и выше верхней кромки продувочных каналов рубашка охватывает весь периметр цилиндра. Также на этом этапе были построены плоскости крышек системы газораспределения и фланцы впуска и выпуска.

Твердотельная модель цилиндра без выреза модели каналов

Модель цилиндра получена при вычитании из полученной на предыдущем этапе модели каналов, таким образом модель каналов формирует полости. Далее была выполнена разметка крепежных отверстий, посадок подшипников и гильзы. На этом построение модели цилиндра закончено.

Построение гильзы и золотников было выполнено так же с помощью вычитания модели каналов из соответствующих твердотельных «заготовок».

Получилось и так много текста, поэтому за сим завершаю эту часть. Следующая будет повествовать о изготовлении литейной оснастки и выполнении отливки цилиндра.