.

Вы здесь

Как устроена система выпуска

Как устроена система выпуска

05.04.2013 Автор: 0 9901

Е. И. Фишбейн «Катера и яхты» №5 (69) сентябрь-октябрь 1977г

 

Как устроена система выпуска

 

Выпускная система двух­тактного двигателя подвесного лодоч­ного мотора отличается от систем вы­пуска мотоциклетных и стационар­ных двухтактных двигателей. Это вы­звано своеобразием компоновки лодочных моторов, в которых (за иск­лючением гоночных моделей) вывод отработавших газов осуществляется не в воздух, а под воду; глушитель как отдельный агрегат, обязательный для мотоциклетных и стационарных двигателей, отсутствует.

В двухтактном карбюраторном двигателе система выпуска (рис. 1) имеет особенно важное значение, поскольку подбор размеров и конфигу­рации ее отдельных элементов и вре­мени открытия выпускного окна ока­зывает существенное влияние на тех­нико-экономические показатели.

Газораспределение в таком двига­теле, как известно, осуществляется самим поршнем, открывающим выпускное, а затем продувочное окно при ходе вниз и закрывающим их при ходе вверх. Естественно, что на диаграмме газораспределения (рис.2), фазы открытия и закрытия этих окон будут строго симметричны относи­тельно мертвых точек. При подборе величины фаз именно их симметрич­ность создает определенные трудно­сти.

Продувочное окно всегда откры­вается позднее выпускного: эта раз­ница во времени на диаграмме изображается как угол φ 1, называемый углом предварения выпуска. За этот период происходит свободный выпуск газов из цилиндра, давление в нем резко падает. К моменту открытия продувочных окон давление в ци­линдре должно оказаться ниже дав­ления в картере — иначе произойдет заброс отработавших газов в картер. Явление это нежелательно, так как оно приводит к загрязнению свежей смеси отработавшими газами и повышению температуры в картере. Для улучшения очистки цилиндра пе­ред началом продувки целесообраз­но увеличить угол φ1, однако пол­ностью устранить опасность заброса оказывается трудно, так как соответ­ствующее увеличение периода пред­варения выпуска приводит или к уменьшению периода продувки при неизменной фазе выпуска, или к уве­личению фазы выпуска при неизмен­ной фазе продувки, т. е. уже к зна­чительной потере полезного объема цилиндра.

С момента закрытия поршнем про­дувочного окна начинается процесс сжатия, но до того, как будет пере­крыто выпускное окно, успевает про­изойти потеря некоторой части све­жей рабочей смеси — унос ее в вы­пускное окно. Для уменьшения уноса смеси после окончания продувки бы­ло бы желательно уменьшить разни­цу во времени закрытия окон (на диаграмме это угол запаздывания выпуска φ2), однако, как мы уже знаем, фазы симметричны: угол за­паздывания выпуска, который мы хо­тели бы уменьшить, равен углу пред­варения выпуска, который мы хотели бы увеличить.

При поршневом управлении газо­распределением невозможно изменить один из этих углов, оставив другой без изменения. Попытки же создания двигателей с несимметричными фаза­ми наталкиваются на значительные конструктивные трудности. Конструк­торам приходится применять какие-то компромиссные решения вопросов улучшения очистки цилиндра и умень­шения потерь свежей смеси.

Теория и практика показывают, что для улучшения процессов очист­ки и наполнения могут быть использованы газодинамические явления, происходящие в самих газовых систе­мах двигателя. На ход процессов в цилиндре оказывает влияние настройка всех элементов газового тракта двигателя: системы впуска, проду­вочных каналов, цилиндра, выпуск­ной системы. (Поясним, что в прин­ципе под настройкой понимается на­хождение таких геометрических ве­личии той или иной системы, которые обеспечивают получение максималь­ного значения какого-либо из показа­телей двигателя, например крутящего момента на заданном скоростном ре­жиме.)

Многочисленные исследования на­правлены, в частности, на отработку так называемой настроенной системы выпуска, позволяющей добиться по­вышения технико-экономических па­раметров двигателя без чрезмерного усложнения конструкции.

Понятно, что любая выпускная труба, особенно, если она имеет не­большое проходное сечение и большую длину, замедляет скорость вы­хода отработавших газов, создавая сопротивление. (С этой точки зрения наиболее эффективен простейший ва­риант — сделать проходное сечение выпускного окна как можно больше и вообще отказаться от выпускной трубы, однако такой путь практиче­ски неосуществим.) Исследованиями последних лет установлено, что при­менение в двухтактном двигателе специально подобранной — настроен­ной выпускной трубы дает заметные преимущества, перекрывающие все аэродинамические потери.

Настройка с использованием ре­зонансных явлений позволяет умень­шить давление в районе выпускного окна до величины ниже атмосферно­го. Рассмотрим сущность этого эф­фекта.

vypusk1

Рис. 1. Выпускная система подвесного мотора.

1 — выпускные окна; 2— полость блока цилиндров; 3— свободный выпуск; 4—полость в дейдвуде; 5—канал вывода газов в воду.

vypusk2

Рис. 2. Диаграмма газораспределения двухтактного двигателя.

1 — фаза впуска; 2— фаза продувки; 3—фаза выпуска, φ,—угол предварения выпуска; φ 2 — угол запаздывания выпуска.

 vypusk3

Рис. 3. Идеализированная диаграмма изменения давления р (кгс/см) в зоне выпускных окон.

 vypusk4

Рис. 4. Некоторые типы выпускных систем двухтактных двигателей: а — открытая система; б — закрытая система.

 vypusk5

Рис. 5. Схема выпускной системы подвесного мотора.

Истечение отработавших газов из цилиндра начинается при сравнитель­но высоком давлении, что вызывает возникновение в выпускной системе (и в цилиндре) интенсивных волн давления. В первый же момент выпуска газов в цилиндре образуется разрежение, а в выпускной систе­ме — волна избыточного давления (сжатия). Если к выпускному па­трубку цилиндра присоединена пря­мая труба, заканчивающаяся отвер­стием меньшего диаметра, то волна давления, дойдя до конца трубы, от­ражается от него и начинает двигать­ся в обратном направлении. Настрой­ка и заключается в том, чтобы при наложении отраженной волны на вол­ну, идущую из цилиндра, пики дав­лений и разрежений совпадали.

В результате разрежение у вы­пускного окна цилиндра увеличи­вается, что улучшает и очистку ци­линдра от отработавших газов, и за­рядку его свежей смесью из криво­шипной камеры. Мы уже говорили об уносе — выходе части заряда свежей смеси через выпускное окно в трубу. Отраженная волна давления из на­строенной выпускной трубы может втолкнуть эту часть заряда обратно в цилиндр, если, конечно, выпускное окно в этот момент еще остается от­крытым.

Все эти процессы можно просле­дить на идеализированной диаграм­ме изменения давления Р у выпускных окон, построенной на основании многочисленных экспериментов (рис. 3). На участке 1-2, т.е. начиная от момента открытия выпускного окна до момента открытия продувочного окна, возникает пик давления. На участке 2-3-4 наблюдается зона раз­режения. Разрежение в зоне выпуск­ных окон способствует отсасыванию отработавших газов из цилиндра и его наполнению смесью за счет увеличения перепада давления в кри­вошипной камере и цилиндре. Им­пульс давления в конце продувки (участок 4-5) образует волну, обес­печивающую дозарядку цилиндра за счет возврата свежей смеси, попав­шей в выпускную трубу.

К настоящему времени тщательно исследованы самые различные вы­пускные системы (рис. 4) с трубами постоянного и переменного сечения, открытыми или имеющими заднюю стенку. Такие настроенные выпускные системы широко применяются на дви- гателях мотоциклов и гоночных под­весных лодочных моторов. На серий­ном потребительском подвесном мо­торе выпускную трубу оптимальной длины и формы разместить трудно, поэтому применяются преимуществен­но короткие выпускные системы, не имеющие задней стенки.

vypusk6

Рис.6 Зависимость индикаторного давления Pi и удельного расхода топлива gi от длины выпускной системы.

1—510 мм; 2—450 мм; 5—400 мм; 4—350 мм. 

 vypusk7

Рис. 7. Результаты испытаний «Ветерка-14»: замеры мощ­ности, крутящего момента и расхода топлива. 1 — серийный дейдвуд; 2—дейдвуд с настроенной системой выпуска 

 vypusk8

Рис 8. Система настроенного выпуска подвесного мотора с рабочим объемом 250—350 см3. Проходное сечение в сеч.  А-А—447 мм2, Б-Б—346 мм2 и В-В — 660мм2. 1—основной канал; 2—вставка.

 vypusk9

Рис. 9. Схема свободного выпуска подвесного мотора.

1—движение отработавших газов в системе основного выпуска; 2—Движение газов в системе свободного выпуска; 3— слив охлаждающей воды. 

 vypusk10

Рис. 10. Конструкция редуктора с выводом отработавших газов через ступицу гребного винта.

Примером реальной конструкции может служить выпускная система, испытанная при доводке подвесного лодочного мотора «Ветерок-14» (рис. 5). Система, состоящая из ко­нусной выпускной трубы, окруженной замкнутым объемом дейдвуда, обес­печивает хорошее качество очистки цилиндра, но настройка ее для эф­фективного использования явления резонанса в выпускном тракте прак­тически оказывается очень сложной из-за большой сложности происходя­щих с ней явлений.

Поскольку необходимо учитывать значительное количество эмпириче­ских коэффициентов, устанавливае­мых опытным путем, расчет настрой­ки при разработке новых двигателей обычно не производят, а оптимальные размеры элементов системы опреде­ляют экспериментально на тормозном стенде. Правильно поставленная се­рия экспериментов позволяет значи­тельно быстрее и точнее, чем расчет­ным путем, определить все необходи­мые характеристики конкретной кон­струкции подвесного мотора.

Примером такого рода экспери­ментов могут служить исследования по уточнению длины конусного глушителя без задней стенки, имеющего диаметр входного отверстия 40 мм и выходного 100 мм. Было установлено (рис. 6), что на средних угловых ско­ростях выгоднее более длинная тру­ба, чем на больших; что максималь­ная величина среднего индикаторного давления уменьшается с укорочением

глушителя; что укорочение глушите­ля обеспечивает более плавный ход кривых среднего индикаторного дав­ления и удельного индикаторного рас­хода топлива, способствует лучшему наполнению кривошипной камеры.

Эффективность настройки выпуск­ной системы наглядно подтверждают (рис.7), результаты испытаний мото­ра «Ветерок-14». Применение настро­енного выпуска улучшило технико-экономические показатели в диапазо­не 3500—6000 об/мин.

Конструктивные решения системы настроенного выпуска могут быть различными. Один из вариантов для двухцилиндровых двигателей с рабо­чим объемом 250 и 350 см3 показан на рис. 8. Выпускные газы отводятся через один изолированный канал квадратного сечения, причем на мо­торе с меньшей кубатурой проходное сечение канала уменьшено профили­рованной вставкой переменного сече­ния.

Настройка выпуска многоцилин­дровых двигателей значительно слож­нее, но зато и более эффективна. Приходится применять отдельные выпускные патрубки для каждого ци­линдра, а такие системы получаются очень громоздкими и тяжелыми. В от­дельных случаях удается настроить систему более простым способом. На­пример, на трехцилиндровом «Эвинруде» выпускной тракт выполнен в виде короткой расширяющейся трубы. Параметры этой трубы выбраны та­кими, что перед моментом закрытия выпускного окна одного из цилнидров и началом открытия выпускного окна другого давление в трубе по­вышается, благодаря чему произво­дится дозарядка первого цилиндра.

Особенностью рассматриваемой системы подвесных лодочных моторов является устройство так называемого свободного выпуска. Для облегчения запуска и работы двигателя на холо­стом ходу выпуск отработавших га­зов производится не под воду, а в атмосферу. Выпуск под воду на та­ких режимах работы двигателя был бы затруднен, так как патрубок вы­пуска, расположенный под антикавитационной трубой, на стоянке и ма­лом ходу лодки оказывается чрез­мерно заглубленным, а большая часть системы выпуска — заполненной водой создающей большое сопротивление выходу газов.

Отработавшие газы, последова­тельно расширяясь в полостях и про­ходя через каналы системы свободного выпуска (рис. 9), теряют энер­гию, что приводит к снижению уровня шума от свободного выпуска. С этой же целью в системы основно­го и свободного выпуска выводится поток воды из системы охлаждения двигателя.

На всех отечественных лодочных моторах вывод газов в воду произ­водится через наклонный канал, патрубок которого расположен в пото­ке воды, отбрасываемой винтом. Вследствие этого в зоне патрубка получается разрежение, способствую­щее отсасыванию продуктов сгорания из выпускной системы. Можно соз­дать еще большее разрежение в вы­пускной системе, если выпуск газов выполнить через ступицу гребного винта (рис. 10). Выпуск через ступи­цу имеет и еще одно немаловажное достоинство: значительно снижается уровень шума. Впервые такое реше­ние применила фирма «Меркюри», а сейчас уже многие зарубежные фир­мы, изготовляющие подвесные мото­ры, последовали ее примеру, хотя выпуск через ступицу значительно усложняет конструкцию редуктора и приводит к увеличению диаметра ступицы (последнее обстоятельство существенно для моделей малой и средней мощности).

Boatportal.ru

logo