Проблема прямого выброса бензинового двухтактного двигателя
На сегодняшний день, двухтактный двигатель не является столь распространён как четырёхтактный. Имеющиеся преимущества простоты конструкции и высокой мощности, как показало время, недостаточно для широкого применения. С повышением экологических норм высокий расхода топлива и масла не позволил бензиновым двухтактным двигателям остаться применяемым в автомобилестроении. Причина больших потерь рабочей смеси заключается в возникающем прямом выбросе во время продувки цилиндра.
Имея достаточно небольшие размеры, бензиновый двухтактный двигатель, всё же, нашёл себе применение в мототранспорте. Такой мотор вполне можно применять на мопедах, мотоциклах и мотороллерах. К тому же, двигатели таких габаритов нашли широкое применение в бензиновых пилах. Существующие сферы применения можно существенно расширить, если уменьшить потери во время продувки.
Различные типы продувок двигателя, такие как контурная и прямоточная, а так же изгибы каналов позволяют в малой степени повлиять на течение газов в цилиндре и во впускной системе. Но проблема оказывается более серьёзной.
Однако, на сегодняшний день существуют 3 действенных способа снижения прямого выброса двухтактного бензинового двигателя:
1. настроенная выпускная система двигателя.
2. «мощностные клапаны» на выпускной системе.
3. непосредственный впрыск топлива в камеру сгорания после закрытия окон газообмена.
Настроенная система выпуска двухтактного двигателя
Известно, что выпускная система двухтактного двигателя влияет на мощность двигателя, на расход горючего и на шумовые характеристики. Соответственно, для оптимального согласования этих параметров используются оптимально настроенные выпускные системы. Их суть состоит в том, чтобы обеспечить максимальную мощность двигателя при минимальном расходе топлива и низком уровне шума.
Понятие оптимально настроенной выпускной системы для производителей двухтактных двигателей и потребителей является разным. Это объясняется, прежде всего, требованиями к двигателю. Так, для выпускной системы обычного серийного двигателя руководство предприятия вынужденно искать компромисс между следующими параметрами: уровень шума, себестоимость, влияние системы на мощность двигателя. Основополагающим параметром является именно себестоимость.
Предприятие изготовитель при разработке выпускной системы делает упор на лёгкость в изготовлении и высокий коэффициент понижения шума, а повышению мощности уделяется не так много внимания, как хотелось бы. Поэтому подбор оптимальной выпускной системы является актуальным, при этом заметно может быть увеличена мощность двигателя, повышена его экономичность без серьёзных вмешательств в конструкцию двигателя.
Не вызывает сомнения тот факт, что для обеспечения идеального функционирования двигателя необходимо соотнести выхлоп газа с его количеством, скоростью истечения отработанного газа, а также временем открытия выпускного окна. Следует иметь в виду, что такого рода выхлоп может соответствовать только определенному диапазону скоростей вращения коленчатого вала.
Большое значение имеет величина и длина выхлопной трубы. Если она излишне велика, то давление будет слишком малым и довольно много свежей топливно-воздушной смеси будет истекать через выхлопную трубу. Если же выхлопная труба слишком мала, то очень высоким будет давление волны, и сгоревший газ не сможет выходить должным образом. Увеличение давления ведет к повышению температуры выхлопной трубы и двигателя, что создает опасность прогара поршня. Все это имеет большое значение, однако, поскольку двухтактные двигатели существуют уже давно, и их созданием занимаются многие ученые, известен целый ряд формул, учитывающих все названные параметры
-
Рисунок 1
Нередко можно встретить мотоциклы с одной лишь выхлопной трубой, без каких-либо изменений сечения внутри. Чаще всего так делают либо самые невежественные владельцы, либо желающие повысить проходимость любой ценой. Но наиболее совершенной на сегодняшний день является выпускная система, состоящая из мощностной заслонки, регулирующей высоту выпускных окон в зависимости от оборотов или нагрузки двигателя, и идущих за ней резонатора и глушителя.
Многочисленные исследования работы двухтактных двигателей внутреннего сгорания показывают, что с ненастроенной выпускной системой или совсем без нее у двигателя происходит потеря значительной части топливовоздушной смеси через выпускные окна, с которых, собственно, выпускная система и начинается. От их формы и размеров во многом зависит мощность и быстроходность мотора.
Угловая ширина выпускного окна ограничивается опасностью повреждения поршневых колец, и по данным исследований фирмы "Ямаха" не должна превышать 65 для серийных двигателей и 70 для спортивных. Если же нужно их увеличить, делают два или три окна, разделенные перемычками. Высота выпускных окон оказывает существенное влияние на мощность двигателя. Увеличение высоты ведет к быстрой очистке цилиндра от отработавших газов, что способствует повышению оборотов, но в то же время возрастает доля потерянного хода, так как после открытия выпускных окон газы уже не оказывают давления на поршень. Это приводит к снижению крутящего момента в области низких и средних частот вращения. Избавиться от таких нежелательных явлений и помогают мощностные заслонки, которые ограничивают высоту выпускных окон на низких и средних оборотах и полностью открывают их на высоких. Кстати, мощностные заслонки в настоящее время стали почти обязательной принадлежностью приличного двухтактного двигателя. После выпускных окон, как правило, устанавливается резонатор, или мощностная часть. Основная его задача - препятствовать выбросу свежей смеси. Выбор оптимальных параметров резонатора достаточно сложен.
Для благоприятного протекания процесса газообмена необходимо, чтобы у выпускного окна в первой половине фазы продувки создавалось невысокое разрежение, способствующее очистке цилиндра от отработавших газов. К моменту подхода продувочной смеси к выпускному окну давление в выпускной системе (у окна) должно возрасти и поддерживаться в таком состоянии до его закрытия. Эта волна давления создает обратное движение в цилиндр части продувочной смеси, попавшей в систему выпуска при продувке.
При неблагоприятном изменении давления может произойти "закупоривание" выпускной системы, ухудшающее очистку и наполнение цилиндра. Значительное разрежение в системе выпуска в конце продувки способствует беспрепятственному выбросу горючей смеси через выпускное окно.
Настройка выпускной системы, как правило, осуществляется на один режим работы. Она сводится к подбору геометрических размеров резонатора, показанного на рисунке 2.
Рисунок 2 
Отработавшие газы, вырываясь из выпускных окон со сверхзвуковой скоростью, устремляются в резонатор, который сначала расширяется, образуя так называемый прямой конус, а затем сужается, образуя обратный конус. При этом давление газов сначала снижается, а после возрастает. Возникает отраженная волна, устремляющаяся назад к цилиндру. Для каждой конкретной выпускной системы эта волна имеет определенную скорость. В результате настройка выпускной системы заключается в подборе длин и диаметров резонатора таким образом, чтобы отраженная волна подходила к выпускным окнам в нужный момент. Естественно, что для разных частот вращения коленчатого вала требуется своя конкретная выпускная система, которая на других частотах, к сожалению, не может обеспечить оптимальных условий выпуска отработавших газов. Приходится идти на компромисс, выбирая наиболее предпочтительную частоту, на которой будет идти отсос отработавших газов и дозарядка цилиндра. В большинстве случаев эти оптимальные обороты находятся в диапазоне между средними и высокими. На мотоциклах с хорошо настроенной выпускной системой нередко замечается резкий подхват при достижении определенных оборотов. Зачастую он сопровождается таким ускорением, что незадачливому экспериментатору, не привыкшему к подобным сюрпризам, может представиться случай лицезреть удаляющийся от него на заднем колесе мотоцикл, догнать который уже невозможно.
Можно настроить систему выпуска, используя некоторые приведенные ниже зависимости и соотношения размеров по рисунку:
D1=sqrt((4*F1/pi));
где F1:=(1.3---1.75)*F0вып;
F0 вып:площадь сечения выпускных окон.
F1:площадь сечения выпускной трубы.
При увеличении L1 кривая изменение крутящего момента сдвигается в сторону
малых частот вращения, а при уменьшении L1 - в область высоких частот.
Оптимальная длина
L1:=(5---6)*D1.
Угол * alfa * раскрытия первого конуса принимается из условия обеспечения
безотрывного прохождения потока газа
alfa:=6...10гр.
Длина конической части L2 определяется углом * alfa * и диаметром D2,
который принимается из соотношения
D2:=sqrt((4*F2/pi));
где F2:=(3.5---4.5)*F1;
F1:площадь сечения выпускной трубы.
Изменяя длину L3 цилиндрической части и положение обратного конуса, можно смещать характеристику двигателя в необходимом направлении. Выбирая длину L3 можно повысить максимальную эффективную мощность в определенном диапазоне частот вращения благодаря дозарядке цилиндра. Однако на других частотах происходит ухудшение показателей. С увеличением длины L3 уменьшается максимальная мощность но значительно возрастают ее значения в диапазоне средних оборотов. Длина L4 обратного конуса влияет на показатели двигателя следующим образом. Если конус участка L4 невелик (большая длина L4), то мощность двигателя при оборотах выше номинальных снижается медленно. При малой длине L4 мощность падает быстро. Рекомендуемая длина L4:=(1---2.5)D1 Концевой участок трубы длиной L5 также оказывает некоторое влияние на показатели двигателя, При росте L5 и уменьшении диаметра максимальная мощность двигателя смещается в область высоких частот вращения. Уменьшение длины L5 способствует повышению мощности на малых оборотах. Уменьшение диаметра D3 вызывает перегрев днища поршня. Глушащая часть выпускной системы положительного влияния на мощность не оказывает, зато благоприятно сказывается на состоянии органов слуха. Огромные, сигаровидные глушители отечественных мотоциклов включают в себя сразу мощностную и глушащую части, а выхлопная труба является отдельным элементом. Нередко она входит в прямой конус настолько глубоко, что нарушается безотрывный характер истечения газов. В таком случае идеальным был бы вариант отказа от соединения трубы и конуса с помощью накидной гайки или хомута в пользу сварки. По крайней мере, следует укоротить выступающую внутрь конуса часть. Здесь же кроется самый простой способ частичной настройки выпускной системы. Можно пододвинуть глушитель вперед, укоротив выхлопную трубу. При этом следует ожидать улучшения работы мотора на высоких оборотах, либо наоборот, для получения большей тяговитости на низких оборотах отодвинуть глушитель подальше и удлинить первую трубу. Удлинение или сокращение цилиндрического участка также не вызовет сложностей. Глушитель распиливается, и из него удаляется либо вваривается кусок необходимой длины.
Кроме формирования характеристик двигателя и снижения шума выхлопа, выпускная система рассеивает в пространство значительную часть тепла.