Проектирование картов - Форсирование двигателей

Проектирование картов - Форсирование двигателей

Здесь не будет гото­вых рецептов по форсированию конкретных типов двигателей. Все двигатели разные, на разных шасси будут изменяться разме­ры отдельных элементов (например, выпускной системы), будут изменяться и характеристики. Поэтому, какие-то конкретные ре­цепты, в которых, тем не менее, останется немало белых пятен, могут привести лишь к бесполезной работе.

Будут рассмотрены, в частности, основы теории процессов, происходящих в двигателе, с особым упором на те вопросы, кото­рые являются основными при форсировании двигателя. Конечно, в предлагаемой главе рассматриваются только те разделы тео­рии, знание которых необходимо, чтобы начинающий поклонник картинга не испортил двигатель в стремлении выжать из него максимальную мощность. Приведены также общие рекомендации о том, в каких направлениях следует проводить доработки дви­гателя, чтобы добиться положительных результатов. Общие ука­зания иллюстрируются примерами из практических работ по фор­сированию картинговых двигателей. Кроме того, приводится ряд замечаний и практических рекомендаций относительно, казалось бы, мелких изменений, внесение которых улучшит работу двига­теля, повысит его надежность, избавит нас от порой дорогостоя­щей учебы на собственных ошибках.

Фазы газораспределения

Фазы газораспределения выражаются углами поворота ко­ленчатого вала, при которых открываются и закрываются со­ответствующие окна цилиндра. В двухтактном двигателе рас­смотрим три фазы: открытия впускного окна, открытия выпускно­го окна и открытия перепускных окон (рис. 9.3).

Фазой открытия окна, например, выпускного, назовем угол поворота коленчатого вала, измеряемый с момента, когда верх­ний край поршня откроет выпускное окно, до момента, когда поршень, двигаясь обратно, закроет окно. Аналогично можно оп­ределить фазы открытия остальных окон.

Рис. 9.3. Диаграммы фаз газораспределения:

a -симметричная; б- несимметричная; OD и ZD — открытие и закрытие впуска. ОР и ZP- открытие и закрытие перепуска; OW и ZW -открытие и закрытие выпуска; a,у- углы открытия соответственно впускного и выпускного окон; B — угол открытия перепускных окон

 

Рис. 9.4. Сравнение время-сечений (площадь под кривыми) для окон разной формы

 

В обычном поршневом двигателе все окна открываются и за­крываются поршнем, поэтому диаграмма фаз газораспределения симметрична (или почти симметрична) относительно вертикаль­ной оси (рис. 9.3, а). В картинговых двигателях, в которых на­полнение кривошипной камеры горючей смесью осуществляется с помощью вращающегося золотника, фаза впуска может не зави­сеть от движения поршня, поэтому диаграмма фаз газораспреде­ления имеет обычно несимметричный вид (рис. 9.3, б).

Фазы газораспределения являются сравнимыми величинами для двигателей с разным ходом поршня, т. е. они служат уни­версальными характеристиками. При сравнении двигателей, име­ющих одинаковый ход поршня, фазы газораспределения можно заменить расстояниями от окон, например, до верхней плоскос­ти цилиндра.

Кроме фаз газораспределения важным параметром является так называемое время-сечение. При постепенно открываемом поршнем окне от формы канала зависит, как увеличивается отк­рытая поверхность окна в зависимости от угла поворота колен­чатого вала (или времени). Чем шире окно, тем большая поверх­ность будет открываться при смещении поршня вниз. За одно и то же время через окно будет проходить большее количество горю­чей смеси. Целесообразно, чтобы при открытии окна поршнем его площадь была бы сразу как можно большей. Во многих дви­гателях для этого окно делается расширенным кверху. Благода­ря этому достигается эффект быстрого открытия окна без увели­чения его поверхности.

Диаграмма роста открытой поверхности окон разной формы в зависимости от времени при постоянной ЧВ двигателя пока­зана на рис. 9.4. Общая площадь окон в обоих случаях одинако­вая. Площадь под кривыми диаграммы характеризует значение время-сечения. Для окна неправильной формы время-сечение больше.

Системы продувки цилиндра

Рис. 9.10. Схема систем продувки цилиндра и соответствующие им развертки зеркала цилиндра:

а — двухканальная система; б — трехканальная система; в — четырехканаль-ная система; г — пятиканальная система

 

Применяемые в картинговых двигателях системы продувки цилиндра схематически представлены на рис. 9.10. Рядом по­казано расположение перепускных окон на развертке зеркала ци­линдра для каждой из систем: двух-, трех-, четырех- и пятиканальной. В тех двигателях, где наполнение картера регулируется поршнем, крывает и не закрывает впускное окно. В этом случае впускной патрубок сделан не в цилиндре, и появляется возможность раз­местить дополнительный перепускной канал.

Роль выпускной системы

В двухтактном двигателе огромную роль играет выпускная система, состоящая из выпускного патрубка (в цилиндре и за цилиндром), расширительной камеры и глушителя. В момент от­крытия выпускного окна в цилиндре имеется некоторое давление, которое снижается в выпускной системе. Газ расширяется, воз­никают ударные волны, которые отражаются от стенок расшири­тельной камеры. Отраженные ударные волны вызывают новый рост давления около выпускного окна, в результате чего некото­рая часть отработавших газов снова попадает в цилиндр (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Схематическое представ­ление последовательных фаз выхода отработавших газов:

а — открытие выпускного окна; б — полное открытие окна; в — закрытие окна

 

Кажется, что выгоднее было бы получить разрежение у вы­пускного окна, когда оно полностью открыто. Это вызовет отка­чивание газов из цилиндра и, тем самым, наполнение цилиндра свежей смесью. Однако в таком случае часть этой смеси вместе с отработавшими газами попадет в выпускной патрубок. Поэтому надо добиваться повышенного давления у выпускного окна, когда оно закрывается. В этом случае горючая смесь, попавшая вместе с отработавшими газами в выпускной патрубок, будет возвращена в цилиндр, заметно улучшая его наполнение. Проис­ходит это уже после закрытия поршнем перепускных окон. Как и во впускной системе, волновые явления в выпускной системе дают положительный эффект только вблизи резонансной ЧВ. Изменяя размеры, а особенно длину выпускной системы, также можно формировать скоростные характеристики двигате­ля. Влияние изменений размеров выпускной системы на харак­теристики двигателя более значительно, чем изменение размеров впускной системы.

Основы процесса сгорания

Для лучшего понимания работы двигателя необходимо ска­зать несколько слов о процессах, происходящих в камере сгора­ния двигателя. От протекания процесса сгорания зависит на­растание давления в цилиндре, что определяет мощность двига­теля.

Результаты сгорания топлива, воспринимаемые в виде работы кривошипно-шатунного механизма, в первую очередь зависят от состава горючей смеси. Теоретически идеальным составом горю­чей смеси является так называемый стехиометрический состав, т. е. такой, при котором в смеси содержится столько топлива и кислорода, что после сгорания в отработавших газах нет ни топ­лива, ни кислорода. Другими словами, сгорит все находящееся в камере сгорания топливо, а для его сгорания будет израсходо­ван весь кислород, содержащийся в горючей смеси.

Если бы в камере сгорания был избыток воздуха (недоста­ток топлива), то избыток этот не смог бы помочь процессу горения. Однако он стал бы дополнительной массой газа, которую надо «прокачать» через двигатель и нагреть, используя для этого теплоту, которая без этой дополнительной массы повысила бы температуру и, следовательно, давление в цилиндре. Горючая смесь с избытком воздуха называется бедной.

Столь же неблагоприятен недостаток воздуха (или избыток топлива). Это привело бы к неполному сгоранию топлива и, как следствие, к получению меньшей энергии. Избыток топлива при этом будет пропущен через двигатель и испарится. Горючая смесь с недостатком воздуха называется богатой.

На практике для получения наибольшей мощности целесо­образно использовать слегка обогащенную смесь. Это объясня­ется тем, что в камере сгорания всегда образуются локальные неоднородности состава горючей смеси, возникающие из-за то­го, что невозможно добиться идеального перемешивания топлива с воздухом. Оптимальный состав смеси может быть определен только опытным путем.

Объем горючей смеси, засасываемой каждый раз в цилиндр, определяется рабочим объемом этого цилиндра. А вот масса воздуха, находящегося в этом объеме, зависит от температуры воздуха: чем выше температура, тем меньше плотность воздуха. Таким образом, состав горючей смеси зависит от температуры воздуха. Из-за этого необходимо «настраивать» двигатель в за­висимости от погоды. В жаркий день в двигатель поступает теп­лый воздух, поэтому для сохранения соответствующего состава горючей смеси необходимо уменьшить подачу топлива. В холод­ный день масса поступающего воздуха возрастает, поэтому надо подавать больше топлива. Надо заметить, что на состав горючей смеси влияет также влажность воздуха.

Вследствие всего этого температура даже идеального в дан­ных условиях состава смеси значительно влияет на степень на­полнения кривошипной камеры. В постоянном объеме картера при более высокой температуре масса горючей смеси будет мень­ше и, тем самым, после ее сгорания в цилиндре будет более низ­кое давление. Из-за этого явления элементам двигателя стара­ются придать такую форму, особенно картеру (оребрение), что­бы добиться их максимального охлаждения.

Горение смеси в камере сгорания происходит с определен­ной скоростью, за время горения коленчатый вал поворачивает­ся на определенный угол. Давление в цилиндре нарастает по мере горения смеси. Целесообразно получение наибольшего дав­ления в тот момент, когда уже начался рабочий ход поршня. Чтобы этого добиться, смесь надо зажигать несколько раньше, с определенным опережением. Это опережение, измеряемое углом поворота коленчатого вала, называется углом опережения зажигания. Часто опережение зажигания удобнее измерять расстоянием, которое осталось пройти поршню до верхней мертвой точки.

Диапазон доработок

Прежде, чем приступить к работе над двигателем, надо ре­шить, какой показатель мы хотим достичь. В пяти-, шестиступен-чатых двигателях гоночной категории мы можем стремиться к увеличению ЧВ, хотя известно, что в результате этого ЧВ максимального момента приближается к ЧВ максимальной мощ­ности; мы уменьшаем диапазон рабочих оборотов, добиваясь взамен большей мощности.

В двигателях популярной категории, а это двигатели «Дэмба» объемом 125 см³ с трехступенчатой коробкой передач, не следует стремиться к достижению слишком большой ЧВ, надо добиваться наибольшего диапазона рабочих ЧВ. В таких двигателях (ис­пользуя его собственные узлы и агрегаты) можно добиться мощности более 10 кВт при частоте вращения порядка 7000—8000 об/мин.

Необходимо также определить диапазон доработок, которые мы собираемся выполнить. Надо заранее знать, будет это внесе­ние усовершенствований в дорабатываемый двигатель или же диапазон доработок будет столь широк, что в итоге получим практически новый двигатель с сохранением нескольких ори­гинальных (но доработанных) узлов, как того требуют пра­вила.

Предполагая доработку двигателя, предпочтение следует от­давать тем операциям, которые значительно повысят показатели двигателя. Однако не стоит (по крайней мере на этом этапе работ) предусматривать выполнение таких операций, которые требуют значительного труда и о которых заранее известно, что они дадут незначительные результаты. К таким операциям относится полирование всех каналов цилиндра двигателя, несмотря на то, что существует всеобщее убеждение в эффек­тивности этой операции. Стендовые испытания многих двига­телей показали, что полирование каналов цилиндра повышает мощность двигателя на 0,15—0,5 кВт. Как видите, усилия, затра­ченные на выполнение этой работы, совершенно несоизмеримы с результатами.

Вот операции, которые несомненно повлияют на увеличение показателей двигателя: увеличение степени сжатия; изменение фаз газораспределения; изменение формы и размеров каналов и окон цилиндра; правильный подбор параметров впускной и вы­пускной систем; оптимизация опережения зажигания.

Изменение степени сжатия

Увеличение степени сжатия, получаемое путем уменьшения объема камеры сгорания, ведет к увеличению мощности двига­теля. Увеличение степени сжатия ведет к росту давления сго­рания в цилиндре за счет увеличения давления сжатия, улучше­ния циркуляции смеси в камере сгорания и увеличения скорости сгорания.

Степень сжатия нельзя увеличивать до любой произвольной величины. Она ограничена качеством используемого топлива, а также тепловой и механической прочностью узлов двигателя. Достаточно сказать, что при увеличении эффективной степени сжатия с 6 до 10 силы, действующие на поршень, возрастают почти вдвое; т. е. вдвое возрастает нагрузка, например, на кривошипный механизм.

С учетом прочности деталей двигателя и детонационных свойств доступных топлив не рекомендуется применять геомет­рическую степень сжатия больше 14. Увеличение степени сжатия до этого значения требует не только удаления прокладки (если она была), но и придания соответствующей формы головке цилиндра, а иногда и цилиндру. Для облегчения расчета объема камеры сгорания для разных степеней можно пользоваться диаграммой, показанной на рис. 9.17. Каждая из кривых от­носится к определенному рабочему объему цилиндра.

Рис. 9.17. Диаграмма зависимости степени сжатия а от объемов камеры сгорания V₁= 125 см³ и V₂ —50 см³

В некоторых двигателях с относительно небольшой степенью сжатия ее значительное увеличение возможно только путем механической обработки. В этом случае заплавляют камеру сгорания и снова обрабатывают ее. Это позволяет также изменить форму камеры. Большинство современных двигателей, применяемых в картинге, имеют камеру сгорания в виде шляпы. Эту форму не следует изменять при доработках двигателя.

Единственный метод точного определения объема камеры сгорания — это заполнение ее моторным маслом через отверстие для запальной свечи (рис. 9.18) при положении поршня в верхней мертвой точке. При таком методе измерения от объема налитого масла надо отнять объем свечного отверстия. Объем свечного отверстия для свечи с короткой резьбой равен 1 —1,1 см’¹, для свечи с длинной резьбой — 1,7—1,8 см³.

Прокладки под головку цилиндра в гоночных двигателях либо вообще не применяются, либо их заменяют тонкие медные кольца. В обоих случаях поверхности стыка цилиндра и головки должны быть притерты. Применение прокладок из материала с низким коэффициентом теплопроводности противопоказано, потому что это затруднит отток теплоты от верхней части гильзы цилиндра, несущей значительную тепловую нагрузку, к головке и ее охлаждающим ребрам. Прокладка головки цилиндра ни в коем случае не должна выступать в камеру сгорания. Выступающая кромка прокладки будет накаляться и станет источником калильного зажигания.

Рис. 9.18. Определение объема камеры сгорания

 

Октановое число применяемого бензина должно соответ­ствовать степени сжатия. Однако надо учитывать, что степень сжатия является не единственным фактором, определяющим возможную детонацию топлива.

Детонация зависит от протекания процесса сгорания, от движения смеси в камере сгорания, от способа зажигания и т. п. Вид топлива для конкретного двигателя подбирается опытным путем. Однако использовать высокооктанное топливо для двига­теля с низкой степенью сжатия не имеет смысла, потому что работа двигателя не улучшается.

Продувка цилиндра

Подбор соответствующих фаз газораспределения в двух­тактном двигателе играет огромное значение для удаления отработавших газов из цилиндра и наполнения его свежей смесью. Кроме того, надо так направить струи смеси, идущие из перепускных окон, чтобы они проходили через все закутки цилиндра и камеры сгорания, выдувая из них остатки отработав­ших газов и направляя их к выпускному окну.

Для увеличения ЧВ двигателя и, как следствие, его мощности, необходимо значительно расширить фазу выпуска, а точнее, увеличить разность между фазами выпуска и продувки. В резуль­тате этого увеличивается время, в течение которого отработав­шие газы, расширяясь, выходят из цилиндра. В этом случае в момент открытия перепускных окон цилиндр уже пуст, посту­пающий в него свежий заряд лишь незначительно смешивается с остатками отработавших газов.

Фаза выпуска увеличивается за счет смещения (спиливания) верхней кромки окна. Фаза выпуска в гоночных двигателях до­стигает 190° по сравнению со 130—140° в серийных двигателях. Это значит, что верхнюю кромку можно спилить на несколько миллиметров. Надо, однако, учитывать, что в результате увели­чения высоты выпускного окна уменьшается ход поршня, на котором выполняется работа. Поэтому увеличение высоты вы­пускного окна окупается только в том случае, если потери в работе поршня компенсируются улучшением продувки цилиндра.

В связи с целесообразностью достижения максимальной раз­ности между фазами выпуска и продувки угол открытия проду­вочных окон обычно остается неизменным.

Существенное влияние на качество продувки имеют размер и форма перепускных каналов и окон. Направление впуска смеси в цилиндр из перепускного канала должно соответствовать принятой системе продувки (см. п. 9.2.4, рис. 9.10). В двух-и четырехканальной системах продувки струи поступающей в цилиндр горючей смеси направляются над поршнем к стенке цилиндра, противоположной выпускному окну, причем в четырех­канальной системе струи, исходящие из окон, расположенных ближе к выпускному окну, обычно направлены к оси цилиндра. В системах с тремя или пятью перепускными окнами одно окно должно быть расположено напротив выпускного окна, канал этого окна должен направлять струю горючей смеси вверх под минимальным углом к стенке цилиндра (рис. 9.19). Это необ­ходимое условие эффективного действия этой дополнительной струи, получаемое обычно уменьшением ее сечения, а также более позднего открытия этого окна.

Изготовление дополнительного (третьего или пятого) канала является правилом, для двигателей с вращающимся золотником или мембранным клапаном. В двигателях, в которых наполнением кривошипной камеры управляет поршень, на месте классического третьего (или пятого) перепускного канала находится впускное окно. В таких двигателях могут быть дополнительные пере­пускные каналы, причем впускное окно должно иметь соответст­вующую форму; подобное решение показано на рис. 9.20. В этом двигателе сделаны три дополнительных перепускных окна небольшого размера, соединенных общим перепускным каналом, вход в который находится над впускным окном. Необходимая фаза впуска обеспечивается здесь соответствующей формой впускного окна.

Рис. 9.19. Влияние формы третьего перепускного канала на движение заряда в цилиндре:

a — неправильная форма; б— правильная форма

 

При установке на обычный двигатель вращающегося золот­ника в цилиндре появляется возможность сделать перепускной канал напротив выпускного окна. Здесь удобно сделать сильно изогнутый короткий канал (рис. 9.21, а), поступление смеси в ко­торый на некоторое время закрывается юбкой поршня.

Недоста­ток этого решения заключается в том, что движение поршня нарушает нормальный ток горючей смеси, но оно имеет два важных достоинства: маленький объем канала лишь незначи­тельно увеличивает объем кривошипной камеры, а горючая смесь, проходя через поршень, прекрасно его охлаждает. Прак­тически такой канал легко сделать следующим образом. В цилиндре делаются два отверстия (перепускное окно и вход в канал), в этом месте вырезаются ребра и прикручивается накладка с проточенным в ней каналом (рис. 9.21,6). Можно также попробовать вырезать вертикальную канавку в зеркале цилиндра между входом в канал и окном, ширина канавки равна ширине канала. Однако в этом случае движение поршня вниз будет вызывать некоторую турбулизацию горючей смеси в канале (рис. 9.21, в).

Перепускные каналы должны сужаться к окнам в цилиндре.

Рис. 9.21. Дополнительный перепускной канал с протеканием смеси через поршень:

а — принцип действия; б — часть канала проходит во внешней накладке; в — канал, вырезанный в зеркале цилиндра

 

Вход в перепускной канал должен иметь площадь на 50 % боль­ше, чем площадь перепускного окна. Очевидно, что изменение сечения канала должно быть выполнено по всей его длине. Углы окон и сечений каналов должны быть скруглены радиусом 5 мм для повышения ламинарности потока.

Недопустимы какие-либо погрешности при стыковке частей каналов, находящихся в разных деталях двигателя. Это заме­чание прежде всего касается места соединения цилиндра с карте­ром двигателя, где источником дополнительных завихрений смеси может стать прокладка, и стыков впускного и выпускного патрубков с цилиндром. Вихри в потоке смеси могут возникать также в месте стыка литой рубашки цилиндра с залитой или запрессованной гильзой (рис. 9.22). Несовпадения размеров в этих местах должны быть безусловно исправлены.

В некоторых двигателях окна цилиндра разделены ребром. Это прежде всего касается впускных и выпускных окон. Не реко­мендуется уменьшать толщину этих ребер и, уж тем более, удалять их при увеличении площади окна. Такие ребра предох­раняют поршневые кольца от попадания в широкие окна и, следо­вательно, от поломки. Допустимо лишь придать обтекаемую форму ребру впускного окна, но только с внешней стороны цилиндра.

Рис. 9.22. Нарушения движения заряда, вызванные неправильным

взаимным расположением гильзы цилиндра и литой рубашки цилиндра

 

Невозможно дать однозначный рецепт для получения опре­деленных эффектов доработок. Вообще можно сказать, что увеличение открытия выпускного окна увеличивает мощность двигателя, увеличивая одновременно ЧВ максимальной мощ­ности и максимального момента, но сужая диапазон рабочих ЧВ. Аналогичное действие оказывает увеличение размеров окон и сечений каналов в цилиндре.

Хорошо иллюстрируют эти тенденции изменения в скоростных характеристиках двигателя (рис. 9.23) объемом 100 см (диаметр цилиндра 51 мм, ход поршня 48,5 мм), полученные в результате изменения размеров и фаз газораспределения (рис. 9.24). На рис. 9.24, а приведены размеры окон, при которых двигатель развивает наибольшую мощность (кривые N_А и М_д на рис. 9.23). Фаза выпуска составляет 160°, продувки — 122°, впуска — 200°. Впускное окно открывалось при 48° от НМТ, а закрывалось при 68° от ВМТ. Диаметр диффузора карбюратора 24 см.

На рис. 9.24, б показаны размеры окон, при которых дос­тигается наибольший рабочий диапазон ЧВ (см. рис. 9.23, кривые N_B и М_в). Фаза выпуска составляет 155°, продувки — 118° и впуска — 188°, открытие впуска на угол 48° после НМТ и закрытие на угол 56° после ВМТ. Диаметр диффузора кар­бюратора равен 22 мм.

Следует обратить внимание, что сравнительно небольшие изменения размеров и фаз газораспределения значительно изме­нили характеристики двигателя. У двигателя А мощность больше, но он практически бесполезен при частоте вращения ниже 6000 об/мин. Вариант В применим в значительно большем диапа­зоне ЧВ, а это основное достоинство двигателя без коробки передач.

Хотя рассмотренный пример касается двигателя не приме­няемого в Польше класса, он хорошо иллюстрирует зависимость между формой окон и каналов цилиндра и параметрами его работы. Однако надо помнить о том, что привели ли наши доработки к желаемым результатам, мы будем знать только после их выполнения и проверки двигателя на стенде (или субъективно во время обкатки). Подготовка гоночного двигателя является бесконечным циклом доработок и проверок результатов этой работы, новых доработок и проверок, а ведь на характеристики двигателя огромное влияние оказывают и другие агрегаты дви­гателя (карбюратор, выпускная система и т. п.), оптимальные параметры которых можно определить только опытным путем.

 

Надо также подчеркнуть огромное значение геометрической симметрии всех окон и каналов в цилиндре. Даже небольшое отклонение от симметричности окажет отрицательное влияние на движение газов в цилиндре. Незначительная разница в высоте перепускных окон с обеих сторон цилиндра (рис. 9.25) вызовет несимметричное движение смеси и нару­шит действие всей системы продувки. Отличным показателем, позволя­ющим непосредственно оценить правиль­ность направления потоков смеси, по­ступающих из перепускных окон, явля­ются следы на днище поршня. Спустя некоторое время работы двигателя часть днища поршня покрывается слоем сажи. Та же часть днища, которую омывают струи свежей горючей смеси, поступа­ющей в цилиндр, остается блестящей, словно ее вымыли.

Рис. 9.25. Влияние различия в высоте пере­пускных окон

с обеих сторон цилиндра на симметрию движения заряда

 

Поршень и поршневые кольца

Рис. 9.28. Зависимость пропускной способности входного канала карбю­ратора от форумы его сечения

 

В современных двигателях применяются поршни, сделанные из материала с маленьким коэффициентом линейного расшире­ния, поэтому зазор между поршнем и гильзой цилиндра может быть небольшим. Если предположить, что зазор по окружности и длине юбки поршня в нагретом двигателе будет везде одина­ковым, то после охлаждения поршень деформируется. Поэтому поршень должен получать соответствующую форму еще во время механической обработки, что и делается на практике. К сожале­нию, форма эта слишком сложная, и ее можно получить только на специальных станках. Из этого следует, что форму поршня нельзя изменять слесарными операциями, а всевозможные об­тачивания юбки поршня напильником или точилом, приме­няемые повсеместно после заклинивания поршня, приведут к тому, что поршень потеряет правильную форму. В случае острой необходимости такой поршень может быть использован, однако можно не сомневаться, что его взаимодействие с зеркалом ци­линдра будет значительно хуже.

Надо предостеречь от использования наждачной бумаги для аварийной зачистки юбки поршня. Крупинки абразивного ма­териала впиваются в мягкий материал поршня, после чего исполосуют все зеркало цилиндра. Это приведет к необходимости растачивания цилиндра до следующего ремонтного размера.

Примерное распределение температур на поршне приведено на рис. 9.29. Наибольшая тепловая нагрузка приходится на днище и верхнюю часть, особенно со стороны выпускного окна. Температура нижней части юбки меньше и зависит, прежде всего, от формы поршня. Форма внутренней поверхности поршня должна быть такой, чтобы в сечении поршня не было сужений, затрудняющих теплообмен (рис. 9.30). Теплота от поршня цилиндру передается через поршневые кольца и места контакта юбки поршня с цилиндром.

Для уменьшения массы поршня и, тем самым, уменьшения сил, заметно возрастающих при высокой частоте вращения дви­гателя, можно удалить часть материала внутри поршня, но толь­ко в его нижней части. Обычно нижняя кромка поршня внутри заканчивается буртиком, являющимся технологической базой для обработки поршня. Этот буртик можно удалить, оставив толщину юбки в этом месте около 1 мм. Толщина стенки поршня должна плавно возрастать по направлению к днищу. Можно немного увеличить вырезы в юбке поршня под бобышками. Форма и размеры этих вырезов должны соответствовать вырезам в нижней части гильзы цилиндра (рис. 9.31). Для изменения время-сечения легче всего подрезать нижнюю кромку поршня со стороны впускного окна, хотя большую труд­ность представляет подбор величины подреза.

Для снижения тепловой нагрузки на верхнее поршневое кольцо рекомендуется сделать над ним обводную канавку ши­риной 0,8—1 мм и глубиной 1—2 мм. Иногда подобная канавка (или даже две) делаются между кольцами. Такие надрезы направляют тепловой поток в нижнюю часть поршня, уменьшая температуру поршневых колец.

Вообще мы не имеем возможности изменить вид и располо­жение колец. Можем только контролировать зазор в замке (раз­резе) кольца, который не должен превышать 0,5 % диаметра цилиндра. Надо также тщательно определить угловое положение замков так, чтобы они никогда не попадали на окна при движении поршня (рис. 9.32). Проводя работы над цилиндром, также надо учитывать положение замков поршневых колец.

Иногда применяется несложный способ уменьшения упру­гости поршневого кольца путем снятия фасок с его внутренних кромок. Это обеспечивает лучшее прилегание колец к зеркалу цилиндра. Такой способ особенно целесообразен при смене колец без шлифования цилиндра.

Кривошипный механизм

Как уже говорилось, в двигателе 501 -Z3A целесообразно переставить щеки коленчатого вала. После разборки с помощью пресса над валом надо выполнить следующие операции.

1. Углубить в щеках вала гнезда для нижней головки шатуна на толщину дополнительных дисков, прикрепляемых к внешней поверхности щек (рис. 9.35, размер е).

2. Выдавить полуоси из щек на толщину дополнительных
дисков.

3. Уменьшить толщину шатуна (рис. 9.36) на шлифовальном станке. Ручная обработка применяется только для доводки.
Толщину можно уменьшить даже до 3,5 мм, но при условии, что шатун будет полироваться. Каждая царапина на шатуне является концентратором напряжений, с которого может на­ чаться развитие трещины. Кроме того, все скругления должны быть сделаны очень аккуратно. Дорабатывая шатун, целесооб­разно сделать прорези в верхней и нижней головках для улучше­ния доступа-смеси к подшипникам.

4. Укоротить палец кривошипа до размера с (рис. 9.36), равного ширине вала после перестановки щек, но до крепления дополнительных дисков. Палец надо укорачивать с обеих сторон, это позволит оставить дорожки качения роликов подшипника на старом месте.

5. Взвесить верхнюю и нижнюю головки шатуна, как это показано на рис. 9.37.

6. Собрать коленчатый вал. Запрессовка пальца кривошипа может быть выполнена с помощью пресса или больших тисков.

 

 

Конечно, после такой сборки трудно добиться соосности полуосей вала. Погрешность можно обнаружить, приложив к одной из щек стальную пластину (рис. 9.38), которая будет отставать от другой щеки. Это можно исправить, ударяя по одной из щек киянкой (рис. 9.39). Точнее биение вала проверим при его вра­щении в подшипниках. На покрытой мелом полуоси штихель обозначит места, в которых надо уменьшить биение (рис. 9.40). При сборке вала надо помнить о необходимости сохранения зазора между нижней головкой шатуна и щеками вала. Этот зазор должен быть не меньше 0,3 мм. Слишком маленький зазор во многих случаях явля­ется причиной заклинивания подшипника шатуна.

7. Уравновесить коленчатый вал. Это делается статическим методом. Обопрем вал на приз­мы и, повесив грузик в верхнюю головку шатуна, будем так под­бирать уравновешенную массу (не путать с массой грузика), чтобы вал оставался в состоянии покоя при любом положении. Масса грузика пред­ставляет собой часть масс, участвующих в возвратно-посту­пательном движении, которую надо уравновесить. Предположим, что масса верхней головки шатуна составляет 170 г, а масса поршня с кольцами и поршневым пальцем — 425 г. Масса, совершающая возвратно-поступательное движение, составляет 595 г. Предполагая, что коэффициент уравновешен­ности равен 0,66, получим, что масса, которую необходимо уравновесить, равна 595X0,66 = 392,7 г. Отнимая от этой величины массу верхней головки шатуна, получим массу гру­зика G, подвешенного на головке.

Состояние статического равновесия коленчатого вала дости­гается путем высверливания отверстий в щеках вала с той сто­роны, которая перетягивает.

8. Сделать дополнительные диски из стали и прикрепить их к валу тремя винтами Мб с потайными коническими головками. Перед креплением дисков целесообразно плоскость стыка с валом смазать герметиком. Винты законтрить кернением.

Добавим, что дополнительные диски можно крепить не к валу, а неподвижно к внутренним стенкам картера. Однако из-за неплотного прилегания диска к стенке может ухудшиться теплообмен. Надо отметить, что смещение щек коленчатого вала не исключает применения тонкой «подковы».

Практические рекомендации

Перед началом доработок цилиндра надо сделать инструмент для измерения фаз газораспределения, используя для этой цели круглый угломер со шкалой 360° (рис. 9.42). Угломер установим на коленчатый вал двигателя, а на двигатель прикрепим прово­лочную стрелку.

Для однозначного определе­ния времени открытия и закры­тия окон можно использовать тоненькую проволоку, вставленную через окно в цилиндр и прижимаемую поршнем в верхней кромке окна. Толщина про­волоки на точности измерений практически не скажется, но такой способ облегчит работу. Особенно он полезен при опре­делении угла открытия впускного окна.

Значительно облегчить работу по изменению фаз газораспре­деления и размеров каналов и окон поможет снятие оттисков с зеркала цилиндра. Такой оттиск можно получить следующим образом:

внутрь цилиндра вкладываем кусок картона и подгоняем его так, чтобы он точно лежал вдоль зеркала цилиндра; его верхний край должен совпадать с верхней плоскостью цилиндра;

тупым концом карандаша выдавливаем контуры всех окон;

на вынутом из цилиндра картоне получаем отпечаток зеркала цилиндра; вдоль линий оттисков вырезаем в картоне отображен­ные окна.

На полученной развертке зеркала цилиндра можно измерить расстояние от краев окон до верхней плоскости цилиндра и рассчитать соответствующие им фазы газораспределения (используя формулы, имеющиеся в каждой книге о двигателях).

Теперь рассмотрим, как зафиксировать новые фазы газорас­пределения в дорабатываемом двигателе. Для этого на угломере поочередно устанавливаем необходимые углы, измеряя каждый раз расстояние от верхней кромки поршня до верхней плоскости цилиндра. Измеренные расстояния наносим на предварительно сделанную выкройку.

Теперь мы можем наметить новую форму окон, а потом выре­зать их на выкройке. Остается вложить выкройку в цилиндр и увеличить окна так, чтобы их форма совпадала со спроектиро­ванными. Использование выкройки избавит нас от необходимости многократной проверки углов при увеличении окон.

Рис. 9.42. Несложный угломер для измерения фаз газораспре­деления

 

После получения нужной формы окон цилиндра сделаем изменения в каналах, соответствующие принятой концепции. Картонная выкройка может пригодиться при подгонке стыка перепускных каналов, находящихся в цилиндре и корпусе дви­гателя. Применение выкройки тем более желательно,