Что может двухтактный двигатель
Мой хороший знакомый, очень уважаемый мною моторист и бывший мотогонщик когда то сказал фразу о двухтактном моторе, которая мне очень запомнилась: «Жизнь двухтактного мотора как у бабочки, очень яркая, но недолгая».
Эта фраза мне вспомнилась после того как, я наткнулся на статью о гоночном двухтактном двигателе Honda-NSR500.
Ведь действительно автомобилисты редко сталкиваются с двухтактными двигателями и поэтому мало о них знают. А ведь двухтактники обладают двумя огромными преимуществами — огромная литровая мощность и очень малый вес. Эти характиристики идеально подходят для гоночных мотоциклов.
Технические характеристики HONDA NSR500.
Год выпуска: 1992
Мощность двигателя: до 200 лс при 14000 оборотов в минуту на 2000 год.
Крутящий момент: 106 н/м при 11450 оборотов в минуту
Рабочий объем: 498 куб. см.
Двухтактный, 60-градусный, 4 цилиндровый, V образный
Ширина двигателя 300 мм
Масса двигателя 45 кг
Масса мотоцикла без топлива 135 кг
Запас топлива 32 литра
Максимальная скорость более 320 км/час
Разгон до 100 около 2 сек. Сильно зависит от массы пилота и топлива.
HONDA NSR500 был самым успешным из полулитровых двухтактных Гран при мотоциклов, и зачастую наиболее опасным из всех. Это было связано главным образом из-за его двигателя V4, который был вообще самый мощным на гоночной сетке. Норов и мощность его была настолько жесткой, что лучшие гонщики мира в том числе и Валентино Росси, не всегда могли его полностью контролировать.
NSR дебютировал в 1984 году и с тех пор на этом мотоцикле за 18 лет, было выиграно 10 Гран-При в классе 500 и 130 отдельных гонок. Такой успех прежде всего связан с устройством двигателя и малым весом самого болида. Двухтактный двигатель HONDA NSR500 с одним коленвалом, без дополнительных балансиров, получился очень легким и обладал малым гироскопическим эффектом, что позволяло улучшить маневренность мотоцикла в поворотах. Огромная мощность позволяла быстро разгоняться.
Мощность двигателя постоянно росла и в 1989 году она составляла уже 190 лс а в 2000г 200 лс. Около 18 лет мотоциклы HONDA, оснащенные этим безумным двигателем состязались и выигрывали на гоночных трассах по всему миру. По сей день двигатель NSR500 является одним из самых безумных двигателей из когда либо созданных.
Но за все надо платить. В данном случае охренительный расход топлива (это вообще особенность двухтактных моторов обусловленная гениально простой системой газораспределения), а у гоночных моторов так тем более, и очень малый моторесурс.
Получается фраза бывалого мотогонщика очень точно отображает жизнь двухтактного двигателя — как у бабочки, очень яркая, но недолгая.
Двухтактный двигатель
Простейший двухтактный двигатель
Цикл работы двухтактного двигателя
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 разновидностью 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
Содержание
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
Петлевая продувка [ ]
Поскольку у поршня с дефлектором слишком много недостатков, а плоское или слегка скругленное днище
Типы продувок двухтактного двигателся
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.
Лепестковые клапана [ ]
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
Лепестковый клапан Suzuki Lets TW
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.
Схема работы лепесткового клапана
Дисковые клапана (золотниковое распределение) [ ]
Дисковый клапан состоит из тонкого стального диска, закрепленного на коленчатому валу шпонкой
Принцип действия дискового клапана
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.
Совместное использование лепестковых и дисковых клапанов [ ]
Использование щеки коленвала в качестве дискового клапана [ ]
Расположение выпускного окна [ ]
во многих отношениях системы впуска и выпуска на двухтактном двигателе очень тесно связаны. В предшествующих параграфах мы обсудили способы подвода смеси и отвода отработавших газов из цилиндра. За эти годы проектировщики и испытатели обнаружили, что фазы выпуска могут иметь столь же существенное влияние на характеристики двигателя, как и фазы впуска. Фазы выпуска определяются высотой выпускного окна в стенке цилиндра, то есть когда оно закрывается и открывается поршнем по мере того, как он перемешается в цилиндре вверх и вниз. Конечно, как и во всех других случаях, нет одного единственного положения, которое охватывало бы все режимы двигателя. Во- первых, это зависит от того, для чего двигатель должен использоваться, во-вторых, как этот двигатель используется. Например, для одного и того же двигателя оптимальная высота выпускного окна различна при низких и при высоких частотах вращения двигателя, а при углубленном рассмотрении можно сказать, что то же относится и к размерам канала, и непосредственно к размерам выпускной трубы. В результате на производстве разработаны различные системы с изменяющимися при работе двигателя характеристиками выпускных систем для соответствия изменяющимся частотам врашения. Такие системы появились у Yamaha (YPVS), Honda (АТАС). Kawasaki (KIPS), Suzuki (SAPC), Cagiva (CTS) и Aprilia (RAVE). Ниже описываются системы Yamaha, Kawasaki и Honda.
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.
Система, применяемая на моделях фирмы Honda, имеет привод от автоматического центробежного регулятора, установленного на коленчатом валу. Механизм, состоящий из рейки и валика, передает усилие от регулятора к клапану АТАС, установленному в гильзе цилиндра. Камера HERP (Резонансная Энергетическая Труба Honda) открывается клапаном АТАС при низких частотах вращения двигателя и закрывается при высоких.
Система впрыска топлива [ ]
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.
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.
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.
