Фазы газораспределения

Расположение каналов и фазы газораспределения двигателя

Автор статьи: Dave Gierke.
Автор перевода: Владислав Ярополов.

Возвратно-поступательное движение (вверх и вниз) поршня двигателя позволяет ему действовать в качестве воздушного компрессора. Изначально, воздушно-топливная смесь движется в картер под поршнем, и затем перемещается в цилиндр (выше поршня), где она сжимается и воспламеняется. Как только газы сгорают, температура и давление стремительно поднимаются. Это давление движет поршень в нижнюю сторону его хода, где выхлопные газы, в конечном счете, вычищаются. Звучит просто, но очень важными являются очень точная конструкция каналов - форма, размер, положение и временные фазы - если вы хотите добиться значительной производительности двигателя.

Перепускные каналы проводят свежую воздушно-топливную смесь в цилиндр перед сгоранием, пока выхлопные газы вычищаются через выхлопное отверстие.

ОСНОВЫ

Если вы достаточно любопытны для того, чтобы разобрать ваш двигатель, вы вероятно видели отверстия в гильзе и коленчатом вале. Эти отверстия известны, как каналы или отверстия, и в двухтактном двигателе они имеют 3 функции:

1. Впуск - позволяет свежей воздушно-топливной смеси поступать в картер ниже поршня.

2. Перепуск - перемещение воздушно-топливной смеси из картера в цилиндр выше поршня.

3. Выхлоп - здесь отработанные газы выходят из двигателя после сгорания.

Отверстия открываются и закрываются движением поршня и коленчатого вала, и в противоположность двигателям с механическими клапанами, для своего функционирования они не требуют дополнительной энергии от двигателя.

Отверстия, которые вы видите, являются необходимыми для правильной работы двухтактного двигателя.

ТИПЫ КАНАЛОВ

ВПУСКНОЕ ОТВЕРСТИЕ. Автомодельные двигатели используют систему впуска на базе поворотного золотника коленчатого вала. Как он работает: канал, изготовленный в шейке вала, выравнивается с отверстием для впуска воздуха в корпусе двигателя (под карбюратором) при каждом обороте вала. Воздушно-топливная смесь проходит через открытое отверстие в поверхности шейки коленчатого вала и затем через канал в центре коленчатого вала и, наконец, в картер двигателя.

Впускное отверстие в коленчатом вале "отмеряет" сколько воздуха и топлива поступает в двигатель. Воздушно-топливная смесь затем поступает в картер через канал в центре коленчатого вала.

ПЕРЕПУСКНЫЕ ОТВЕРСТИЯ. Эти отверстия изготовлены в стенке цилиндра и поочередно закрываются и открываются поршнем. Воздушно-топливная смесь из картера (ниже поршня) движется через обходные каналы снаружи цилиндра к перепускным отверстиям.

Двухтактные автомодельные двигатели используют множество комбинаций перепускных отверстий. Может существовать от двух до 10-11 перепускных отверстий различной формы и размеров - плюс выхлопное отверстие или отверстия (да, может быть даже несколько выхлопных отверстий).

РАСПОЛОЖЕНИЕ КАНАЛОВ ШНУРЛЕ: В двухтактных двигателях используется множество конфигураций перепускных и выхлопных каналов, но автомодельные двигатели используют основную конфигурацию, известную как расположение каналов Шнурле, так что мы будем обсуждать только этот вариант.

В системе Шнурле, два перепускных отверстия направлены вверх и в сторону от единственного выхлопного отверстия, которое находится между ними. Свежая топливная смесь намеренно направляется в самую удаленную от выхлопного отверстия точку. В этой точке, свежая смесь делает петлю в сторону головки цилиндра и выталкивает выхлопные газы через выхлопное отверстие.

Отверстия Шнурле направляют воздушно-топливную смесь в сторону от выхлопного отверстия.

БУСТ ОТВЕРСТИЕ: Буст отверстие является важным улучшением в основном расположении каналов Шнурле. Оно расположено напротив выхлопного отверстия и легко отличимо от остальных отверстий цилиндра по его острому углу вверх. Буст отверстие не только создает другой путь, по которому воздушно-топливная смесь может поступать в цилиндр, но также делает это под углом, который направляет смесь в сторону свечи накаливания, находящейся вверху цилиндра. Это способствует лучшему наполнению цилиндра и улучшает продувку выхлопных газов.

Буст отверстие противоположно выхлопному отверстию. Его острый угол вверх помогает направить свежую воздушно-топливную смесь в сторону свечи накаливания вверху цилиндра.

МНОГО - НЕ ВСЕГДА ХОРОШО: Большее значение, чем количество каналов, имеют фазы газораспределения (т.е., когда отверстия открываются и закрываются), длительность  (как долго они остаются открытыми) и площадь (размер отверстий), так что не впечатляйтесь количеством каналов, объявленных для данного двигателя. Правильно сконструированный двигатель с 3-мя каналами может быть более мощным, чем хуже спроектированный 7-ми канальный двигатель.

Правильно разработанные каналы помогают направить течение воздушно-топливной смеси и выхлопных газов. Большее количество каналов иногда равняется большей мощности, но не всегда.

ФАЗЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Фазы газораспределения указывают на точки в цикле двигателя, в которых отверстия открываются и закрываются. Эти точки обычно отмеряются от ВМТ (TDC) (верхняя мертвая точка) или НМТ (BDC) (нижняя мертвая точка), от той, к которой поршень находится ближе.

В дополнение к открытию и закрытию отверстий, фазы газораспределения показывают нам, как долго отверстие остается открытым (длительность). Это важно при определении рабочей скорости двигателя, высокоскоростные двигатели дольше перемещают газы, чем низкоскоростные двигатели.

Большинство экспертов измеряют открытие и закрытие отверстий в градусах вращения коленчатого вала. Некоторые разработчики и инженеры используют систему, которая измеряет открытие и закрытие отверстий в процентах от хода поршня от ВМТ (TDC). Хотя есть технические преимущества в использовании последней системы, первая является наиболее используемой.

Для измерения событий фаз газораспределения к коленчатому валу присоединяется угломерное колесо. Неподвижный указатель выравнивается с угломерным колесом и точно согласуется с положением поршня в ВМТ (TDC), обеспечивая измерение фаз впуска, перепуска и выхлопа.

Все, что вам нужно для начала измерения фаз газораспределения вашего двигателя - это угломерное колесо, указатель и прочное крепление двигателя. Этот метод используется всеми конструкторами двигателей для составления карты фаз газораспределения и определения мест возможных улучшений.

КАНАЛЫ И ПРОДУВКА

В терминологии двигателя, "продувка" означает очистку объема - другими словами очистка цилиндра от выхлопных газов и движение свежей воздушно-топливной смеси из картера в цилиндр. Для разработчика двигателей, очистка цилиндра от выхлопных газов является только половиной проблемы, одновременная замена этих газов на свежую воздушно-топливную смесь, является другой проблемой.

Во время работы двигателя часть свежей смеси, переданной в цилиндр, смешивается с продуваемыми выхлопными газами и снижает эффективность и мощность двигателя. В течение многих лет было испробовано много канальных систем для минимизации этого смешивания и загрязнения, конструкция была улучшена, но это явление продолжает влиять на производительность двухтактных двигателей. Размер, положение и направление этих отверстий определяет, насколько успешной будет продувка, и насколько хорошо будет работать двигатель.

Воздушно-топливная смесь вытекает из перепускного отверстия слева, заполняет цилиндр для следующего цикла сгорания и помогает "продувать" выхлопные газы через выхлопное отверстие справа.

ФАЗЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

В двухтактном двигателе одновременно происходит несколько событий. Они перекрываются и влияют друг на друга, и их эффект трудно отследить просто просматривая числа фаз газораспределения. Диаграмма фаз газораспределения делает эти числа более понятными.

На примере диаграммы, выхлопное отверстие открывается при 80 градусах Перед НМТ (BBDC). Это также 100 градусов После ВМТ (ATDC). Поскольку выхлопное отверстие открывается ближе к НМТ, фаза отмеряется от этого положения. Общее время открытия (длительность) любого канала определяется прибавлением индивидуальных вращений.

Будут легче "читать" последовательность, если вы преобразуете числа в диаграмму, такую, как показано здесь. Диаграмма облегчает визуализацию перекрытий и одновременных событий.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Двигатель Mungen MT12, использованный для привода Yokomo GT-4R, показал ровную мощность, несмотря на то, что он имел очень значительный прирост в пиковой мощности. Это было достигнуто путем оптимизации эффективности фаз газораспределения для гонок.

Я недавно разговаривал с известным экспертом по модификации двигателей Деннисом Ричи из Техаса. Деннис модифицировал каждый год сотни двигателей для катеров и автомобилей своих покупателей, фактически, он модифицировал двигатель Mugen MT12 Стива Понда для Yokomo GT-4R, и он работал очень хорошо. Он любезно выделил свое время для дискуссии о каналах, фазах газораспределения и модификации каналов.

Деннис Ричи видит значительную разницу в философии фаз газораспределения между дорогими двигателями объема .12 и .15 и двигателями объема .21. Согласно Денису, маленькие двигатели имеют гораздо более консервативные фазы газораспределения.

Здесь приведен типичный пример:

• ВПУСК - открывается при 40 градусах После НМТ, закрывается при 48 градусах После ВМТ, длительность 188 градусов.
• ВЫХЛОП - открывается при 78 градусах Перед НМТ, закрывается при 78 градусах После НМТ, длительность 156 градусов.
• ПЕРЕПУСК - открывается при 60 градусах Перед НМТ, закрывается при 60 градусах После НМТ, длительность 120 градусов.

Он сказал, "Хотя длительность выхлопа и перепуска является до некоторой степени низкой, наибольшее увеличение в производительности высоких оборотов получается за счет увеличения длительности впуска." Согласно моим вычислениям, если открытие впускного отверстия остается неизменным и закрытие продвигается к примерно 65 градусам После ВМТ (ATDC), то длительность впуска расширяется до 205 градусов - 9% увеличения. Наилучшие двигатели объема .21 (3,44 куб. см) всегда имеют продвинутые фазы газораспределения.

Здесь приведены некоторые типовые длительности для продвинутых двигателей объема .21 куб. дюйм (3,44 куб. см):
- впуск 210 градусов;
- выхлоп 180 градусов;
- перепуск 126 градусов.

Деннис сказал, что эти двигатели "благополучно" используют топливо с 30% нитрометана и после модификаций их пиковая мощность находится между 33 000 и 34 000 оборотов.

Когда я спросил о инструментах для модификации, Деннис рассмеялся и сказал: "Вы будете удивлены тем, что мой главный инструмент это Dremel (бормашинка), снабженный специальными бурами". Он советует обучаться, модифицируя детали и делая ошибки. Хотя это и дорого, он сказал: "Нет замены практическому опыту и самостоятельной работе".

Этот поршень, гильза и коленчатый вал из модифицированного двигателя M12. Шлифовка и полировка были сделаны с целью максимизации эффективности и мощности.

Перепускное и выхлопное отверстия позволяют сжатому газу выходить сверху и снизу поршня во время циклов двигателя. Наличие достаточного времени (длительности фазы) для этого, это только половина истории. Наличие достаточно большого отверстия (площадь отверстия), это вторая половина. Скажем по-другому: время, требуемое для перемещения некоторого количества газа через отверстие, зависит от площади отверстия.

Аналогия может быть полезной: 50 человек имеют 30 секунд, чтобы покинуть помещение после сигнала пожарной тревоги. Если дверь открыта полностью, они легко выйдут из помещения в пределах отведенного времени. Если дверь неисправна и открыта только частично, люди по-прежнему могут выйти, но в дверях происходит давка, которая позволит максимум 35 человекам покинуть помещение в назначенное время. Арифметика показывает, что частично открытая дверь позволит выйти в назначенное время только 70% людей. Сходная ситуация существует для газов, пытающихся пройти через перепускное и выхлопное отверстия. Если течение слишком ограничено, отверстие может быть расширено для увеличения его площади, или оно может быть сделано выше для увеличения и его площади, и длительности фазы. Каждое из решение имеет различный эффект. Принятие решения, что из этого будет лучше, является предметом длительного изучения и опыта.

Целью большинства модификаторов двигателей является увеличение мощности. Самый простой способ сделать это, это добиться более быстрой работы двигателя. Когда максимальные обороты увеличиваются, каналы остаются открытыми на более короткое время. Основываясь на опыте с конкретным двигателем, модификатор расширяет отверстие или увеличивает его высоту - или комбинирует оба изменения. Эта практика известна как "портирование"  (модификация каналов или отверстий).

Формы, размеры и положения отверстий весьма критичны для производительности двигателя, и вы не можете сделать одно изменение без влияния на производительность двигателя где-то в другом месте. Это всегда компромисс.

Вернуться к списку   Обсудить на форуме