4. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ ДВИГАТЕЛЕЙ

4.1. АНАЛИЗ ПРИЧИН НИЗКОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ

и ОБРАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ

Низкие стоимость и надежность двухтактных ДВС при обеспечении достаточно высокой мощности определяются простотой их конструкции. Однако конструктивная простота обусловила ряд недостатков, среди которых следует выделить низкую топливную экономичность и достаточно высокую токсичность ОГ.

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ

ОсновнБши причинами низкой экономичности двигателей являются следующие. Довольно значительная часть топливовоздушной смеси при продувке попадает в выпускной трубопровод. Вывод из цилиндра части свежего заряда вместе сОГ приводит к прямым потерям заряда. При проникновении «холодного» свежего заряда во время продувки в горячие ОГ возникает завихрение потока и свежий заряд перемешивается с ОГ, оставшимися в цилиндре. Это влияет на коэффициент избытка воздуха, ведет к переобогащению рабочей смеси, что обусловливает ее неполное сгорание, а следовательно, косвенные потери.

Вследствие использования симметричной диаграммы фаз газораспределения, при которой имеется фаза дополнительного выпуска, увеличиваются прямые потери заряда. При работе на малых и средних частотах вращения коленчатого вала происходит также обратный выброс смеси из кривошипной камеры в воздухоочиститель, что является причиной переобогащения смеси и повышения удельного расхода топлива и токсичности ОГ. Масло, обычно добавляемое к топливу, повышает содержание токсичных веществ в ОГ.

Попытки улучшения показателей двухтактных карбюраторных ДВС связаны главным образом с совершенствованием процесса газообмена и переходом к несимметричным фазам газораспределения. Факторы, определяющие потери топлива и повышение токсичности ОГ, видны из баланса рабочего тела, протекающего через цилиндр двигателя (рис. 4.1). Составляющими объемного баланса являются следующие объемы: Fm топливовоздушной смеси, поступившей через впускной канал; Уем. ог смеси, попавшей в выпускную систему с ОГ; Vi смеси, оставшейся в цилиндре после заверще-102

Рис. 4.1, Баланс рабочего тела, протекающего через двигатель

НИЯ газообмена; Ур остаточных газов в цилиндре после завершения газообмена; Vi смеси после завершения газооб- " мена; Уц. о продуктов сгорания; Ур ОГ и смеси, поступивших в выпускную систему.

Использование газодинамических явлений в газовоздушном тракте двигателя позволяет в широких пределах влиять на мощностные, экономические и токсические показатели двигателя.

Газовоздушный тракт быстроходного двухтактного ДВС мотоцикла имеет сложную форму (рис. 4.2), в него входят: воздухоочиститель /, глушитель 2 шума впуска, впускной патрубок 3, карбюратор 4, впускное окно 5, кривошипная камера 6, продувочные каналы 7, продувочные окна 8, цилиндр 9, выпускное окно 10, выпускная труба , диффузор глушителя 12, цилиндрическая часть 13 глушителя шума выпуска, диафрагма 14 и акустическая часть 15 глушителя шума выпуска. Элементы /-6 образуют впускную систему, 7-9 - систему продувки, а 10-15 - выпускную систему.

Для определения рациональных размеров газовоздушного тракта необходимо исследование происходящих в нем процессов и определение влияния их на показатели ДВС. Газообмен в двигателе можно разделить иа процессы наполнения, продувки и выпуска. Рассмотрим последовательно эти процессы.

Процесс наполнения необходимо рассматривать только во взаимосвязи с остальными процессами. Задачей данного анализа является определение основных факторов,влияющих на наполнение и соответственно на мощностные, экономические и токсические характеристики. Поскольку процесс наполнения двигателя протекает в две фазы -• наполнение кривошипной камеры и наполнение цилиндра, удобнее каждую фазу исследовать отдельно (рис. 4.3).

Процесс наполнения кривошипной камеры начинается, когда поршень при движении от НМТ к ВМТ нижней кромкой откроет

/3 /4 f5

Рис. 4,2. Схема газовоздушного тракта быстроходного двигателя мотоцикла

ВМТ f,,g„ П.п тт 9м %.еп ВМТ НМТ f

Рис. 4.3. Иидикаторная диаграмма кривошипной камеры я цилиндра двигателя:

/ - впуск; - сжатие; / продувка; /V - расширение; V - сгорание; VI - выпуск

впускное окно в точке А (Фо.вп)» и заканчивается в момент его закрытия в точке В (Фз.вп)- Процесс наполнения целесообразно разделить на два периода.

Период / основного впуска начинается с момента открытия впускного окна (точка А) и заканчивается в момент достижения поршнем ВМТ. Этому периоду предшествует период создания вакуума в кривошипной камере, продолжающийся от момента конца закрытия продувочных окон в точкеD (фз. „) до начала открытия впускного окна в точке А. Интенсивность поступления смеси в первом периоде зависит от степени вакуума в кривошипной камере.

Период 2 дополнительного впуска начинается в ВМТ и заканчивается закрытием впускного окна в точке В (фа. „п). При движении поршня от ВМТ к НМТ давление в кривошипной камере интенсивно возрастает, достигая максимального значения в точке В (Ршах вп)" При дальнейшем движении поршень осуществляет выталкивание смеси. В зависимости от кинетической энергии потока смеси, определяемой скоростным режимом работы двигателя, могут иметь место: обратный выброс смеси из кривошипной камеры на малых частотах вращения, когДа кинетическая энергия потока смеси на впуске мала; дозарядка и обратный выброс смеси 104

Рис. 4.4. Зависимости измеиеиня давлений Рвп + + Рд во впускной трубе и рк в кривошипной камере для пяти скоростных режимов работы двигателя «Восход»:

а - л = 6000 мин-!; б - п = 6000 мин"; в - п = = 4000 мин-; г - rt = 3000 мвн-J; д - 2000 мни-»; е л = 1000 мин-8

на режимах средних частот вращения; дозарядка на режимах больших частот вращения вала.

После точки В давление в кривошипной камере начинает понижаться вследствие интенсивного движения смеси из кривошипной камеры во впускной канал. Условия, определяющие дозарядку или обратный выброс смеси, можно получить по методу, разработанному в МАМИ. При движении от ВМТ к НМТ поршень начинает закрывать впускное окно и скорость потока топливовоздушной смеси уменьшается. Наполнение продолжается до тех пор, пока полное давление рвп во впускном канале, определяемое суммой статического давления рвп и давления, создаваемого инерцией потока смеси, Рд ==0,5 PcmIcm не уравновесит полное давление рк, действующее со стороны кривошипной камера

Рвп + Рд = Рк-

При дозарядка

Рип + Рд > Рк» а при обратном выбросе смеси

Рвп + Рд < Рк-

Исходя из условия максимального наполнения цилиндра, закрывать впускное окно нужно в точке В, когда дозарядка закончилась, а обратный выброс еще не начался, т. е. рв + Рд = pj.

Давление во впускном трубопроводе принимается

Рвп = 0,5 (ро + Рк)-Давление, обусловленное инерцией потока,

Рд = ЕвпвпРсм (cos ф ~ -i- cos 2ф) П%

где 1вп ~ коэффициент гидравлического сопротивления впускного канала; /вп - длина впускного канала; V - объем кривошипной камеры без объема впускной системы.

Согласно этому уравнению давление, определяемое инерцией потока смеси, пропорционально квадрату частоты вращения п,

fs.m

Следовательно, для получения максимального наполнения угловая продолжительность впуска должна увеличиваться с ростом частоты вращения вследствие запаздывания закрытия впускного окна. Зависимость изменения давления + Рд на впуске и р„ з кривошипной камере по углу поворота коленчатого вала за период фазы впуска для шести скоростных режимов работы двигателя «Восход» построены по результатам расчета В. И. Савельева (рис. 4.4). До частоты п = 4000 мин" возможен обратный выброс смеси из кривошипной камеры во впускной канал.

При управлении впуском поршнем фаза впуска получается симметричной относительно мертвых точек. При постоянных «узких» фазах впуска эффект дозарядки цилиндров, обусловленный инерцией потока смеси, при больших частотах не реализуется. В случае «широких» фаз впуска достигается максимальная мощность, но при этом ухудшаются показатели двигателя в области низких и средних частот вращения в результате возрастания обратного выброса смеси. Для двигателей мотоциклов, снегоходов, работающих значительную часть времени на таких режимах, это явление недопустимо.

Изменение давлений Рвп + Рд и р„ свидетельствует о том, что продолжительность фазы впуска по углу поворота коленчатого вала зависит от скоростного режима двигателя. В случае управления впуском с помощью вращающегося золотника можно выбрать любые несимметричные относительно ВМТ фазы впуска для любого скоростного режима. Но и в этом случае нельзя обеспечить оптимальность фаз впуска по всему скоростному режиму. Устройство, управляющее впуском, должно быть таким, чтобы впуск начинался с момента возникновения вакуума в кривошипной камере и заканчивался при полном давлении потока смеси, равном давлению в кривошипной камере.

Реализовать .эти условия можно только применением специального клапана впуска, например ОПК, обеспечивающего оптимальную продолжительность фазы впуска для каждого скоростного режима. Максимальное наполнение кривошипной камеры в зависимости от скоростного режимп можно улучшать, влияя не только на продолжительность периода iniycKa, но и на изменение давления. Достигнуть этого можно из.мсиением размеров (объема) кривошипной камеры, впускного патрубка, аккумулятора (резонатора) на впуске и другими мероприятиями, рассмотренными выше.

После закрытия впускного окна в точке В (см. рис. 4.3) происходит сжатие топливовоздушной смеси в кривошипной камере (линия ВС). Сжатие связано в основном с уменьшением объема камеры, а также нагревом смеси и испарением жидкой фазы топлива при контакте с горячими деталями цилиндропоршневой группы.

Процесс наполнения цилиндра целесообразно рассмотреть на примере совместных индикаторных диаграмм кривошипной камеры и цилиндра. Процессу наполнения цилиндра предшествовали 106

процессы свободного выпуска OF и наполнения кривошипной камеры. Все процессы нужно рассматривать в их неразрывной взаимосвязи.

Процесс начинается в точке С в момент открытия продувочных окон, когда кривошипная камера соединяется с цилиндром. Подобно процессу впуска процесс продувки можно разделить также на два периода: основного впуска (от точки С др НМТ), продувки (от НМТ до точки D). Истечение смеси из кривошипной камеры а цилиндр является неустановившимся. Характер течения зависит от размеров и конструкции кривошипной камеры и продувочных каналов, от параметров состояния (давления и температуры) смеси и ОГ.

В начальный момент открытия продувочных окон давление в цилиндре (точка N) может быть больше или меньше давления в кривошипной камере (точка С). Поэтому в зависимости от режима работы двигателя и давления в цилиндре возможен заброс ОГ в объем кривошипной камеры, если давление в кривошипной камере меньше давления в цилиндре, или эффект Каденаси. Заброс ОП в кривошипную камеру приводит к резкому повышению давления в ней до максимального значения (р„ „!„)• Возникающий при этом импульс давления формирует блуждающие волны давления в продувочных каналах. Объем забрасываемых ОГ зависит от значения давления Рк аах- Заброс ОГ в кривошипную камеру нежелателен, так как способствует ухудшению наполнения и экономичности двигателя, а также повышению токсичности ОГ на выпуске. Устранить это явление можно применением лепестковых клапанов или гидродиодов в продувочных каналах, как показано выше.

Уменьшить заброс ОГ на основных рабочих режимах двигателя можно также выбором оптимальных фаз впуска и продувки, совместного индицирования двигателя и кривошипной камеры. Чуть раньше начала продувки, в точке G, при открытии выпускного окна начинается процесс свободного выпуска ОГ из цилиндра. Поэтому в период совмещенного процесса продувки - выпуска давление в цилиндре и кривошипной камере после достижения Рк max начинает интенсивно снижаться, несмотря на уменьшение объема смеси в камере при движении поршня к НМТ.

Сжатая в кривошипной камере смесь, начиная с момента, когда давление в кривошипной камере станет больше давления в цилиндре, через продувочные каналы поступает в цилиндр, вытесняя ОГ. Перетекание смеси в цилиндр продолжается и после прохождения поршнем НМТ под действием разности давлений и инерции струй смеси в продувочных каналах. В конце выпуска OF при давлении в цилиндре меньше атмосферного вследствие инерции струй вытекающих ОГ наблюдается эффект Каденаси.

При движении поршня к НМТ объем цилиндра увеличивается, а следовательно, повышается степень вакуума в цилиндре. Этот эффект необходимо использовать для роста кинетической энергии продувочных струй с целью более эффективной очистки цилиндра.