Что такое мощностной клапан
Мощностной клапан в системе выпуска 2-тактных двигателей.
Максим СУХАНОВ, Ростовская обл., г. Новочеркасск
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 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.
Мощностной клапан в системе выпуска 2-тактных двигателей.
Максим СУХАНОВ, Ростовская обл., г. Новочеркасск
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 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.
Принцип работы мощностного клапана 2т
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.
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.
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.
Мощностной клапан в системе выпуска 2-тактных двигателей.
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.
Двухтактная система силовых клапанов — Two-stroke power valve system
Содержание
Работа двухтактного двигателя
Затем поршень движется вниз, где остается топливовоздушная смесь от предыдущего такта впуска-сжатия. Вскоре после того, как выпускное отверстие открывается движением поршня вниз, переходные отверстия начинают открываться. Передаточные каналы действуют как канал, по которому топливовоздушная смесь перемещается из картера в цилиндр над поршнем. Когда поршень достигает нижней части хода, второй ход завершается, и процесс повторяется.
Доработки инженерного дизайна
Единственные движущиеся части в простых двухтактных двигателях — это коленчатый вал, шатун и поршень. Однако такая же простота конструкции приводит к тому, что двухтактный двигатель становится менее экономичным и производит высокие удельные уровни нежелательных выбросов выхлопных газов. В нижней части рабочего такта передаточные каналы, через которые подается свежая топливно-воздушная смесь, открыты одновременно с выпускным отверстием. Это может позволить значительному количеству свежего топлива проходить прямо через двигатель, не сгорая в процессе выработки энергии. Правильно спроектированные выхлопные системы помогают минимизировать потери сырого топлива в процессе выхлопа, но карбюраторный двухтактный двигатель всегда будет расходовать немного топлива (современные двигатели с прямым впрыском этого избегают).
Многие производители двухтактных мотоциклов оснащают их системами выпускных клапанов. Эти клапаны изменяют высоту (и ширину) выпускного отверстия, тем самым расширяя подачу мощности в более широком диапазоне оборотов. Выхлопные отверстия фиксированных размеров производят полезную мощность только в узком диапазоне оборотов, что также влияет на расход топлива и выбросы.
В гоночном мотоцикле это не проблема, поскольку двигатель почти все время работает на высоких оборотах. Однако на шоссейном / пригородном велосипеде ограниченный диапазон мощности является проблемой. Чтобы обеспечить более низкую мощность оборотов в минуту, а также позволить двигателю производить большую мощность на высоких оборотах, используется система силовых клапанов.
Все системы силовых клапанов изменяют продолжительность времени открытия выпускного отверстия, что дает двигателю полезную мощность на низком уровне в сочетании с превосходной мощностью на верхнем уровне. Производители также включили вспомогательные вытяжные камеры, которые увеличивают «настроенную длину» камеры расширения.
Приведение в действие силового клапана может быть механическим (зависит от числа оборотов) или электрическим (серводвигатель), все чаще с электронным управлением. Электронное управление обеспечивает более высокую степень точности, а также возможность изменять открытие клапана и настраиваться на условия.
Suzuki AETC и Super AETC
В системе AETC системы силовых клапанов обычно частично закрываются на низких оборотах; в закрытом состоянии он позволяет двигателю развивать большую мощность. Однако до определенного момента мощность падает, так как двигатель не может удалить достаточно газов из выхлопных газов. Когда силовой клапан открыт, это позволяет большему количеству газов выходить из выпускного отверстия. Эту систему можно узнать по небольшой коробке над выпускным отверстием; силовые клапаны расположены в этой коробке. В зависимости от клапана они могут состоять из двух (более старая версия) или трех (более новая версия) отдельных лопастей.
Система силовых клапанов YPVS-Yamaha
Yamaha была фактически первой компанией, которая показала стабильные результаты с их YPVS в своих гоночных мотоциклах. OW35K 1977 года был первым гоночным мотоциклом, оснащенным системой гидрораспределителей, и он выиграл Гран-при Финляндии в 1977 году. Эффект Каденаси использовался и контролировался до такой степени, что давал Yamaha большое преимущество перед всеми другими производителями в конце 70-х и в последующие годы. середина 80-х. Первыми уличными велосипедами с YPVS были RZ / RD350 YPVS (начиная с LC2) и RZ / RD500 GP Replica в 1983-84 годах.
Honda ATAC
Система ATAC: Система камеры Honda с автоматическим усилением крутящего момента работает, эффективно увеличивая или уменьшая объем выхлопной системы с помощью небольшой дроссельной заслонки, расположенной непосредственно перед выхлопным патрубком. На низких оборотах ведомая шестерня центробежного коленчатого вала открывает клапан в небольшую камеру и увеличивает объем выхлопных газов, позволяя выхлопным газам проходить через камеру. На высоких оборотах клапан ATAC закрывается, и выхлоп просто выходит в расширительную камеру. Камера расширения большего размера позволяет увеличить мощность при более низких оборотах из-за дополнительного времени, необходимого для «отскока» импульса для эффекта нагнетателя. Он использовался на их мотоциклах CR, велосипедах GP и шоссейных велосипедах MTX, MVX, NS и NSR.
Клапан Honda Power Port
Клапан HPP. Центробежный регулятор открывает и закрывает двухлопастный выпускной клапан (более 50 деталей).
Honda V-TACS
«V-TACS» — система камеры с регулируемым усилением крутящего момента — работает иначе, чем «система ATAC», и будет работать только тогда, когда она используется вместе с настроенным глушителем. Настроенные глушители / расширительные камеры увеличивают мощность, но только при тех оборотах, на которые они рассчитаны, и могут фактически вызвать потерю мощности за пределами настроенных оборотов. «Система V-TACS» использует преимущество использования камеры расширения без потери мощности за пределами настроенной частоты вращения камеры расширения. Внутри головки и цилиндра двигателя есть камера, закрываемая клапаном. Эта герметичная камера выходит в выпускное отверстие, когда клапан открыт. При низких оборотах этот клапан открыт, это увеличивает объем выпускного коллектора и сводит на нет потери мощности, которые обычно наблюдаются при низких оборотах с расширительной камерой. На средних оборотах клапан закрыт, это позволяет расширительной камере работать. Он идентифицируется по головке и цилиндру, поскольку он намного больше обычного для своего рабочего объема, стенка цилиндра также отлита с надписью VTACS на ней.
Honda RC-клапан
Honda Регулирующий клапан Revolution разработан и работает в принципе как «система AETC.» Небольшой компьютер контролирует обороты двигателя и регулирует двухлопастной выпускной клапан с помощью электрического сервопривода. Honda оборудовала многие двухтактные мотоциклы, такие как модели NSR125 и NSR250, силовыми установками RC-Valve.
Kawasaki KIPS
Kawasaki использует систему гидрораспределителей под названием KIPS (Kawasaki Integrated Power Valve System) на своих двухтактных байках. KIPS использует как изменение высоты порта, закрытие канала вторичного порта, так и резонансную камеру. KIPS управляется механическим регулятором на одноцилиндровых машинах. Двухцилиндровые и более новые одноцилиндровые модели велосипедов имеют электродвигатель, передающий движение через кабель и соединения, называемые HI-KIPS.
Что такое мощностной клапан
Максим СУХАНОВ, Ростовская обл., г. Новочеркасск
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 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.
Двухтактный двигатель
Двухтактный двигатель наиболее прост с технической точки зрения: в нем поршень выполняет работу распределительного органа. На поверхности цилиндра двигателя выполнено несколько отверстий. Их называет окнами, и они принципиальны для двухтактного цикла. Предназначение впускных и выпускных каналов достаточно очевидно — впускное окно позволяет топливовоздушной смеси попасть в двигатель для последующего сгорания, а выпускное окно обеспечивает отвод полученных в результате сгорания газов из двигателя. Продувочный канал служит для обеспечения перетекания из кривошипной камеры, в которую она поступила ранее, в камеру сгорания, где происходит сгорание. Здесь возникает вопрос, почему смесь поступает в пространство картера под поршнем, а не непосредственно в камеру сгорания над поршнем. Чтобы понять это, следует отметить, что в двухтактном двигателе кривошипная камера выполняет важную второстепенную роль, являясь своего рода насосом для смеси.
Она образует собой герметичную камеру, закрытую сверху поршнем, из чего следует, что объем этой камеры, а, следовательно, и давление внутри нее, изменяется, поскольку поршень перемешается возвратно-поступательно в цилиндре (по мере того как поршень двигается вверх, объем увеличивается, и давление падает ниже атмосферного, создается разрежение; наоборот, при движении поршня вниз объем уменьшается, и давление становится выше атмосферного).
Впускное окно на стенке цилиндра большую часть времени закрыто юбкой поршня, оно открывается, когда поршень приближается к верхней точке своего хода. Созданное разрежение всасывает свежий заряд смеси в кривошипную камеру, затем, по мере того как поршень движется вниз и создает давление в кривошипной камере, эта смесь вытесняется в камеру сгорания через продувочный канал.
Данная конструкция, в которой поршень играет роль распределительного органа по очевидным причинам, является самой простой разно¬видностью двухтактного двигателя, число перемеoающихся частей в ней не значительно. Во многих отношениях это является значительным преимуществом, однако оставляет желать лучшего с точки зрения эффективности (КПД). В свое время почти во всех двухтактных двигателях поршень выполнял роль органа распределения, но в современных конструкциях эта функция отводится более сложным и эффективным устройствам
Улучшенные конструкции двухтактного двигателя
Влияние на течение газа Одна из причин неэффективности выше-описанного двухтактного двигателя-неполная очистка от отработавших газов. Оставаясь в цилиндре, они мешают проникновению всего объема свежей смеси, и, следовательно, снижают мощность. Также существует связанная с этим проблема: свежая смесь из окна продувочного канала поступает прямо в выпускной канал, и, как было упомянуто ранее, чтобы это минимизировать, окно продувочного канала направляет смесь вверх.
Поршни с дефлектором
Эффективность очистки и топливная экономичность могут быть улучшены за счет создания более эффективного течения газа внутри цилиндра. На ранней стадии усовершенствование двухтактных двигателей было достигнуто за счет придания днищу поршня особой формы для отклонения смеси от впускного канала к головке цилиндра — данная конструкция получила название поршня с дефлектором». Однако использование поршней с дефлектором на двухтактных двигателях было непродолжительным в связи с проблемами расширения поршня. Тепловыделение в камере сгорания двухтактного двигателя обычно выше, чем у четырехтактного, потому что сгорание происходит вдвое чаше, кроме того, головка, верхняя часть цилиндра и поршня являются наиболее нагретыми частями двигателя. Это приводит к проблемам, связанным с тепловым расширением поршня. Фактически, поршню при изготовлении придается такая форма, чтобы он слегка отличался от окружности и был конусным кверху (овало-бочкообразный профиль), таким образом, когда он расширяется при изменении температуры, он становится круглыми и цилиндрическим. Добавление несимметричного металлического выступа в виде дефлектора на днище поршня, изменяет характеристики его рас¬ширения (если поршень будет чрезмерно расширяться в неправильном направлении, его может заклинить в цилиндре), а также приводит к его утяжелению со смещением массы от оси симметрии. Этот недостаток стал намного более очевидным по мере того, как двигатели усовершенствовались для работы при более высоких скоростях вращения.
Поскольку у поршня с дефлектором слишком много недостатков, а плоское или слегка скругленное днище поршня не сильно влияет не движение поступающей смеси или вытекающих отработавших газов, был необходим другой вариант. Он был разработан в ЗО-х годах XX века доктором Е. Шнурле, который его изобрел и запатентовал (хотя, по общему признанию, он первоначально спроектировал его для двухтактного дизельного двигателя). Продувочные окна расположены напротив друг друга на стенке цилиндра и направлены под углом вверх и назад. Таким образом, поступающая смесь наталкивается на заднюю стенку цилиндра и отклоняется вверх, затем, образуя наверху петлю, падает на отработавшие газы и способствует их вытеснению через выпускное окно. Следовательно, хорошая продувка цилиндра может быть получена подбором расположения продувочных окон. Необходимо тщательно прорабатывать форму и размер каналов. Если сделать канал слишком широким,поршневое кольцо, минуя его,может попасть в окно и заклинить, тем самым вызывая поломку. Поэтому размер и форма окон выполняется так, чтобы гарантировать безударный проход колеи мимо окон, а некоторые широкие окна соединены в середине перемычкой, служащей опорой для колец. В качестве еще одного варианта можно предложить использование большего числа окон меньших размеров.
На данный момент существует множество вариантов расположения, численности и размеров окон, сыгравших большую роль в увеличении мощности двухтактных двигателей. Некоторые двигатели снабжены продувочным и окнами, служащими для единственной цели — улучшения продувки, они открываются незадолго до открытия главных продувочных окон, которые подают большую часть свежей смеси. Но пока это всё. что можно сделать для улучшения газообмена без использования дорогих в производстве деталей. Чтобы продолжать улучшать характеристики, необходимо более точно управлять фазой наполнения.
В любой конструкции двухтактного двигателя улучшение КПД и топливной экономичности означает, что двигатель должен работать более эффективно, это требует сгорания максимального количества топлива (следовательно, получения максимальной мощности) на каждом рабочем такте двигателя. Остается проблема сложного удаления всего объема отработавшего газа и заполнения цилиндра максимальным объемом свежей смеси. До тех пор, пока процессы газообмена совершенствуются в рамках двигателя с поршнем в роли органа распределения, нельзя гарантировать полную очистку от отработавших газов, остающихся в цилиндре, при этом нельзя увеличить объем поступающей свежей смеси, чтобы способствовать вытеснению отработавших газов. Решением может служить заполнение кривошипной камеры большим количеством смеси за счет увеличения ее объема, но на практике это приводит к менее эффективной продувке. Увеличение эффективности продувки требует уменьшения объема кривошипной камеры и, таким образом, ограничения пространства, предназнеченного для заполнения смесью. Так что компромисс уже найден, и следует искать другие способы улучшения характеристик. В двухтактном двигателе, в котором роль органа газораспределения отведена поршню, часть топливовоздушной смеси, поданной в кривошипную камеру, неизбежно будет потеряна по мере того, как поршень начинает двигаться вниз в процессе сгорания. Эта смесь вытесняется обратно во впускное окно и, таким образом, теряется. Необходим более эффективный способ управления поступающей смесью. Предотвратить потери смеси можно путем использования лепесткового или дискового (золотникового) клапана или их комбинации.
Лепестковый клапан состоит из металлического корпуса клапанов и закрепленного на его поверхности седла с уплотнением из синтетического каучука. Два или более лепестковых клапана закреплены на корпусе клапанов, при нормальных атмосферных условиях эти лепестки закрыты. Кроме того, для ограничения перемещения лепестка установлены ограничительные пластины по одной на каждый лепесток клапана, служащие для предотвращения его поломки. Тонкие лепестки клапана обычно изготавливаются из гибкой (пружинной) стали, хотя все более популярными становятся экзотические материалы на основе фенольной смолы или стеклотекстолита.
Клапан открывается за счет изгиба лепестков до ограничительных пластин, которые спроектированы таким образом, что открываются, как только появляется положительный перепад давления между атмосферой и кривошипной камерой; это происходит, когда движущийся вверх поршень создает разрежение в картере, Когда смесь подана в кривошипную камеру, и поршень начинает двигаться вниз, давление внутри картера возрастает до уровня атмосферного, и лепестки прижимаются, закрывая клапан. Таким образом, подается максимальное количество смеси, и предотвращаются любые обратные выбросы. Дополнительная масса смеси более полно заполняет цилиндр, и продувка происходит более эффективно. Сначала лепестковые клапана были приспособлены для использования на существующих двигателях с поршнем в роли органа газораспределения, это привело к существенному улучшению эффективности двигателей. В отдельных случаях производители выбирали комбинацию двух конструкций: одной — когда двигатель с поршнем в роли органа газораспределения. дополненный лепестковым клапаном для продолжения процесса наполнения через дополнительные каналы в кривошипной камере после того, как поршень перекроет основной канал, если уровень давления в картере двигателя позволяет это. В другой конструкции на поверхности юбки поршня выполнялись окна, чтобы окончательно избавиться от контроля, который поршень имеет над каналами; в таком случае они открываются и закрываются исключительно под воздействием лепесткового клапана. Развитие этой идеи означало, что клапан и впускной канал могут быть перенесены из цилиндра в кривошипную камеру. Устрашающие предостережения, что на лепестках клапана образуются трещины и лепестки могут попасть внутрь двигателя, оказались в значительной степени необоснованными. Перемещение впускного канала предоставляет ряд преимуществ, главное из которых связано с тем. что течение газа в полость картера становится более свободным.и,следовательно, большее количество смеси может поступить в кривошипную камеру. Этому до некоторой степени способствует импульс (скорость и вес) поступающей смеси. При переносе впускного канала из цилиндра можно продолжать повышать эффективность путем смешения продувочного окна (окон) в оптимальное для продувки положение. Безусловно, за последние годы основное расположение лепестковых клапанов было подвергнуто тщательному исследованию, и появились сложные конструкции. содержащие двухступенчатые лепестки и многолепестковые корпуса клапанов. Последние разработки в области лепестковых клапанов связаны с материалами, используемыми для лепестков, и с расположением и размером лепестков.
Дисковые клапана (золотниковое распределение)
Дисковый клапан состоит из тонкого стального диска, закрепленного на коленчатому валу шпонкой
или шлицами таким образом, что они вращаются вместе, Он располагается снаружи впускного окна между карбюратором и крыш¬кой картера так. чтобы в нормальном состоянии канал перекрывался диском, Чтобы произошло наполнение в нужной области цикла двигателя, из диска вырезается сектор. При вращении коленчатого вала и дискового клапана впускное окно открывается в момент, когда вырезанный сектор проходит мимо канала, позволяя смеси проникнуть непосредственно в кривошипную камеру. Затем канал перекрывается диском, предотвращая обратный выброс смеси в карбюратор по мере того, как поршень начинает двигаться вниз.
К очевидным преимуществам использования дискового клапана можно причислить более точное управление началом и концом процесса участок, или сектор, диска минует канал), и продолжительностью процесса наполнения (то есть величиной вырезанного участка диска, пропорциональной времени открытия канала). Также дисковый клапан допускает применение впускного канала большого диаметра и гарантирует беспрепятственный проход смеси, попадающей в кривошипную камеру. В отличие от лепесткового клапана с достаточно большим корпусом клапанов, дисковый клапан не создает никаких преград во впускном канале, и поэтому газообмен в двигателе улучшается. Другое преимущество дискового клапана проявляется на спортивных мотоциклах — это время, за которое его можно заменить для подбора рабочих характеристик двигателя под различные трассы. Главным недостатком дискового клапана являются технические трудности, требующие маленьких производственных допусков и отсутствие приспособляемости, то есть неспособность клапана реагировать на изменение потребностей двигателя подобно лепестковому клапану. Кроме того, все дисковые клапана уязвимы в отношении попадания мусора, поступающего в двигатель с воздухом (мелкие частицы и пыль оседают на уплотняющих канавках и царапают диск). Несмотря на это. на практике дисковые клапана работают очень хорошо и обычно способствуют значительному приросту мощности на низких частотах вращения двигателя по сравнению с обычным двигателем с поршнем в роли органа газораспределения.
Совместное использование лепестковых и дисковых клапанов
Неспособность дискового клапана реагировать на изменение потребностей двигателя навела некоторых производителей на мысль — использовать комбинацию дискового и лепесткового клапана для получения высокой эластичности двигателя. Поэтому.когда этого требуют условия, давление в картере двигателя закрывает лепестковый клапан, таким образом, закрывая впускной канал со стороны кривошипной камеры, даже несмотря на то, что вырезанный участок (сектор) диска все еще может открывать впускной канал со стороны карбюратора.
Использование щеки коленвала в качестве дискового клапана
Расположение выпускного окна
Системе с мощностным клепаном Yamaha — YPVS
В основе этой системы лежит непосредственно мощностной клапан, который по существу является роторным клапаном, установленным в гильзе цилиндра так, чтобы его нижняя кромка соответствовала верхней кромке выпускного окна. На низких частотах вращения двигателя клапан находится в закрытом положении, ограничивая эффективную высоту окна: это улучшает характеристики на низких и средних режимах Когда частота вращения двигателя достигает заданного уровня, клапан открывается, увеличивая эффективную высоту окна, что способствует улучшению характеристик на высоких скоростях. Положение мощностного клапана контролирует серводвигатель при помощи троса и шкива. Блок управления YPVSi-получает данные об угле открытия клапана от потенциометра на серводвигателе и данные о частоте вращения двигателя от блока управления зажиганием; эти данные используются для выработки правильного сигнала к механизму привода серводвигателя (см. рис. 1.86). Замечание: На внедорожных мотоциклах компании Yamaha используется несколько отличная версия системы из-за малой мощности аккумулятора: мощностной клапан приводится в действие от центробежного механизма, установленного на коленчатом валу.
Комплексная система мощностных клапанов Kawasaki — KIPS
Система Kawasaki имеет механический привод от установленного на коленчатом валу центробежного (шарикового) регулятора, Вертикальная тяга соединяет механизм привода с тягой управления мощностным клапаном, установленным в гильзе цилиндра. Два таких мощностных клапана расположены во вспомогательных каналах с обеих сторон от главного впускного окна и связаны с тягой привода посредством шестерни и зубчатой рейки. По мере того, как тяга привода перемещается «из стороны в сторону», клапана вращаются, открывая и закрывая вспомогательные каналы в цилиндре и камере резонатора, расположенной с левой стороны двигателя. Система рассчитана так, чтобы при низкой частоте вращения вспомогательные каналы были закрыты клапанами для обеспечения кратковременного открытия канала. Левый клапан открывает камеру резонатора покидающим отработавшим газам, таким образом увеличивая объем расширительной камеры. При высокой частоте вращения клапана поворачиваются, чтобы открыть оба вспомогательных канала и увеличить продолжительность открытия канала, следовательно, обеспечить большую пиковую мощность. Камера резонатора закрывается клапаном с левой стороны, снижая общий объем выпускной системы. Система KIPS обеспечивает улучшение характеристик на низких и средних частотах вращения за счет уменьшения высоты канала и большего объема выпускной системы а при высоких частотах вращения — за счет увеличения высоты выпускного окна и меньшего объема системы выпуска. В дальнейшем система была усовершенствована за счет введения промежуточной шестерни между тягой привода и одним из клапанов, обеспечивающей вращение клапанов во встречных направлениях, а также добавления плоского мощностного клапана на передней кромке выпускного окна. На моделях большего объема запуск и работа на низких частотах вращения была улучшены за счет добавления соплового профиля в верхней части клапанов.
Камера усиления крутящего момента с автоматическим управлением Honda — АТАС
Система впрыска топлива
Судя по всему, очевидным методом решения всех проблем, связанных с наполнением камеры сгорания двухтактного двигателя топливом и воздухом, не говоря уже о проблемах высокого расхода горючего и вредных выбросов, является использование системы впрыска топлива. Однако, если топливо не подводится непосредственно в камеру сгорания, все еще остаются характерные проблемы с фазой наполнения и эффективностью двигателя. Проблема, связанная с непосредственным впрыском топлива в камеру сгорания, заключается в том. что топливо может быть подано только после того, как впускные окна будут закрыты, следовательно, остается мало времени для распыливания и полного перемешивания топлива с воздухом, находящимся в цилиндре (который поступает из кривошипной камеры, как в традиционных двухтактных двигателях). Это порождает другую проблему, так как давление внутри камеры сгорания после закрытия выпускного окна велико, и она быстро нарастает, следовательно, топливо должно подаваться при еще более высоком давлении, иначе оно просто не будет истекать из форсунки. Это требует довольно крупногабаритного топливного насоса, что влечет за собой проблемы связанные с увеличением веса, габаритов и стоимости. Aprilia решила эти проблемы, применив систему, называемую DITECH, основанную на конструкции австралийской компании, Peugeot и Kymmco разработали подобную систему. Форсунка в начале цикла двигателя подает струю топлива в отдельную закрытую вспомогательную камеру, содержащую сжатый воздух (подаваемый либо от отдельного компрессора, либо по каналу с обратным клапаном от цилиндра]. После того, как выпускное окно закрывается, вспомогательная камера сообщается с камерой сгорания через клапан или сопло, и смесь подается непосредственно к свече зажигания. Aprilia претендует на снижение вредных выбросов на 80 %, достигаемое за счет снижения не 60 % расхода масла и на 50 % расхода горючего, кроме того, скорость скутера с такой системой на 15 % выше скорости такого же скутера со стандартным карбюратором.
Главное преимущество применения непосредственного впрыска в том. что по сравнению с обыкновенным двухтактным двигателем исчезает необходимость предварительного перемешивания топлива с маслом для смазки двигателя. Смазка улучшается, поскольку масло не смывается топливом с подшипников и, следовательно, требуется меньшее количество масла, в результате чего снижается токсичность. Сгорание топлива также улучшается, а нагарообразование на поршнях, поршневых кольцах и в выпускной системе снижается. Воздух по-прежнему подается через кривошипную камеру (его расход определяется дроссельной заслонкой, связанной с ручкой газа мотоцикла) Это означает, что масло все еще сгорает в цилиндре, и смазка и смазка не столь эффективна, как хотелось бы. Однако результаты независимых испытаний говорят сами за себя. Все, что теперь необходимо-обеспечить подвод воздуха, минуя кривошипную камеру.