Уравновешивание механизма кривошипного

Массы, которые необходимо уравновеши­вать, делятся на два вида (рис. 9.14): массы, участвующие во вращательном движении М₁, и массы, движущиеся возвратно-поступа­тельно, М₂. К вращающимся массам обычно относят массу кривошипа с подшипником шатуна и с частью массы шатуна (массой нижней головки шатуна), условно соединенной с кривошипом. В воз­вратно-поступательном движении участвуют следующие массы: масса поршня с поршневыми кольцами и поршневым пальцем, а также часть массы шатуна (масса верхней головки), условно соединенная с поршнем. Мы говорим «условно» потому, что в действительности масса стержня шатуна участвует как в посту­пательном, так и в колебательном движении, и это значительно усложняет рассуждения. Распределение массы шатуна между кривошипом и поршнем является допустимым упрощением.

Центробежная сила Fo, действующая на вращающиеся массы М₁, всегда направлена по радиусу (рис. 9.15). Эту силу легко уравновесить, если на коленчатый вал установить противовес с такой массой и на таком расстоянии от оси вращения, чтобы центробежная сила F_0w, действующая на эту массу, была равна центробежной силе F₀. Обе силы Fo и F_0w вращаются вместе с коленчатым валом, но всегда остаются в равновесии, незави­симо от ЧВ двигателя.

Рис. 9.15. Уравновешивание вращающихся масс:

а — неуравновешенная центробежная сила; б — полное уравновешивание

 

Инерционная сила F_b массы М₂ всегда действует вдоль оси цилиндра (рис. 9.16, а). Как уже говорилось, она нагружает коленчатый вал силой F_hk, действующей на кривошип. Силу F_bk можно разложить на две составляющие: силу F_s, перпендику­лярную радиусу кривошипа, и силу F_ab, перпендикулярную оси коленчатого вала, нагружающую его подшипники и вызывающую дисбаланс. Однако эту силу, внешне похожую на центробежную силу F_o, возникающую в результате вращения массы M₁, пол­ностью уравновесить противовесом не удается. Сила F_ob изме­няется от максимальной в мертвых точках до нуля в некоторых промежуточных положениях. Полное уравновешивание этой силы противовесом возможно только в том случае, если центро­бежная сила противовеса изменяется таким же образом, что и сила F_ob. На практике это невозможно, поэтому надо брать такой противовес, чтобы действующая на него постоянная центробежная сила Fo_P имела некоторое среднее значение. В этом случае в мертвых точках поршня (рис. 9.16, б) сила F_op будет меньше, чем F_ob, равная F_b, а в промежуточных положениях поршня (рис. 9.16, в) сила F_op будет больше F_ob. Во время каждого оборота коленчатого вала только в двух его положениях F_op = F_ob. В сумме на противовес будет действовать центробежная сила, равная F_ow+ F_0p.

Возникает вопрос, какая должна быть величина силы F_op? Иначе говоря, какую часть максимальной силы F_ob надо уравно­весить? Если F_o будет большой, она почти полностью уравновесит силу Fob в мертвых точках хода поршня, а в других положениях коленчатого вала будет избыточной. Двигатель будет неуравно­вешен в горизонтальной плоскости. Если Fo мала, то двигатель будет неуравновешен в направлении оси цилиндра.

Отношение силы Fo к максимальному значению силы F_0b называется коэффициентом уравновешенности. Значения этого коэффициента колеблются от 0,3 до 0,7. Заметим также, что он указывает, какую часть массы М₂ надо учитывать при вычисле­нии среднего значения F_ob = Fo.

 

Проектирование картов - Доработка двигателя

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