Выпускные системы двухтактных двигателей
ВЫПУСКНЫЕ СИСТЕМЫ ДВУХТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Статья опубликована в журнал МОТО март 1996 г.
Нередко доводится слышать разговоры в среде мотоциклистов о роли глушителя: одни говорят, что если его убрать, мотор попрет «как зверь», другие утверждают обратное. Но чаще всего спорщики не уточняют, о каком типе двигателя они говорят — о двухтактном или о четырехтактном. А разница принципиальная. Ведь если он четырехтактный, то наличие или отсутствие глушителя сильно на мощность не повлияет, на двухтактнике же наоборот — работа двигателя может настолько сильно меняться от наличия или отсутствия глушителя, что диву даешься.
Мы попросили известного самодеятельного конструктора Алексея Гарагашьяна поделиться опытом проектирования и настройки выпускных систем на многочисленных мотоциклах собственной конструкции.
Системы выпуска двухтактных двигателей очень разнообразны, и прежде чем начать давать какие-либо практические рекомендации, попытаемся провести их классификацию, Можно насчитать, по крайней мере, шесть общеизвестных вариантов. Начнем с самого простого.
Двигатель без выпускной системы сегодня можно встретить лишь в авиамоделировании, да у тех незадачливых мотолюбителей, у которых она просто потерялась.
Наиболее распространенной на сегодняшний день является система, состоящая из резонатора (мощностной части) и глушителя (глушащей части), О том, что для чего нужно, мы поговорим позже, а сейчас продолжим классификацию. На спортивных мотоциклах двадцати — тридцатилетней давности применялись выпускные системы, состоящие из одного резонатора.
Мужественные гонщики и их поклонники были согласны терпеть рев моторов, ведь глушащая часть отбирает часть мощности, Но не так давно были введены нормы по ограничению шума для гоночных мотоциклов, Соответственно, такие решения теперь не применяются.
На мотоциклах можно видеть и выпускные системы с одной лишь глушащей частью, идущей после выхлопной трубы. Именно так были подготовлены ковровским заводом четыре «Совы» для «Алтайской кругосветки», Забегая вперед, можно сказать, что у них был достаточно большой расход топлива, плохая динамика, но зато прекрасная тяга на низких и средних оборотах.
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.
Теперь обо всем по порядку.
Многочисленные исследования работы двухтактных двигателей внутреннего сгорания показывают, что с ненастроенной выпускной системой или совсем без нее у двигателя происходит потеря значительной части топливо-воздушной 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.
К сожалению, изготовить в наши;- условиях такое эффективное устройство крайне сложно, поэтому мы не будем на нем долго останавливаться, а продолжим далее знакомство с выпускной системой. После выпускных окон, как правило, устанавливается резонатор, или мощностная часть, говоря по-научному. Основная его задача — препятствовать выбросу свежей смеси. Выбор оптимальных параметров резонатора достаточно сложен, но я попытаюсь внести ясность в этот вопрос.
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.
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.
Тем же, кому подобный характер мотора по душе можно посоветовать попробовать настроить выпускную систему своего мотоцикла используя некоторые приведенные н|иже зависимости и соотношения размеров по рисунку.
Где: F1=(1,3…1,75) F0.вып;
F0.вып — площадь сечения выпускных окон;
F1 — площадь сечения выпускной трубы.
При увеличении L1 кривая изменения крутящего момента сдвигается в сторону малых частот вращения, а при уменьшении L1 — в область высоких частот. Оптимальная длина L1=(5…6) D1
Угол α раскрытия первого конуса принимается из условия обеспечения безотрывного прохождения потока газа α =6. 10°.
Длина конической части L2 определяется углом α и диаметром D2, который принимается из соотношения D2=√ 4F2/ π,
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 диа
пазоне 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. Так, однажды во время дальней поездки на «ИЖе» автор проголодался и остановился на обед. Запах, исходящий от мотоцикла, наводил на мысль, что еда уже готова. После поисков источника запаха из сумки, стоящей на нижней полке багажника и касающейся глушители, был извлечен изрядно поплавившийся пакет с почти готовой яичницей. Подвеска тщательно перемешала все составляющие блюда, а глушитель его поджарил. Жаль, только, что мотоцикл не отделил скорлупу от яиц и обертку от масла!
В большинстве же случаев нежелательный контакт с выпускной системой заканчивается не так удачно, Возможны ожоги и даже пожар. Про это не следует забывать при модернизации или самостоятельном изготовлении выпускной системы.
Источник
Как рассчитать глушитель на двухтактный двигатель
Почему шумит бензопила и зачем нужен глушитель
Человек спокойно переносит шум в 40 дБ. Работа бензопилы создает шумовое загрязнение иногда в 120 дБ. Ее двухтактный одноцилиндровый двигатель генерирует более раздражающие звуковые колебания, чем четырехцилиндровый мотор автомобиля.
Глушитель бензопилы понижает уровень шума благодаря:
- перенаправлению выхлопов от сгорания топливной смеси;
- их дроблению;
- изменению газовых объемов;
- выравниванию газовой пульсации.
Кроме этого, он гасит искры, снижает температуру и скорость отработанной газовой смеси, отводит ее в сторону. При этом препятствий для выхода газов и поступления воздуха должно быть минимум.
УСТРОЙСТВО СИСТЕМЫ ВЫПУСКА
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 величин 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.
| Рис. 3. Идеализированная диаграмма изменения давления p(кгс/кв.см.) в зоне выпускных окон. |
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.
| Рис. 4. Некоторые типы выпускных систем двухтактных двигателей: а — открытая система; б — закрытая система. |
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 двигателях 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.
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 в ней явлений.
| Рис. 5. Схема выпускной системы подвесного мотора. |
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.
1 — 510 мм; 2 — 450 мм; 3 — 400 мм; 4 — 350 мм.
1 — серийный дейдвуд; 2 — дейдвуд с настроенной системой выпуска.
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.
| Рис. 8. Система настроенного выпуска подвесного мотора с рабочим объёмом 250-350 куб.см. Проходное сечение в сеч. А-А — 447 кв.мм, Б-Б — 346 кв.мм и В-В — 660 кв.мм. 1 — основной канал; 2 — вставка. | 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. |
Конструктивные решения системы настроенного выпуска могут быть различными. Один из вариантов для двухцилиндровых двигателей с рабочим объемом 250 и 350 куб.см. 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 цилиндров и началом открытия выпускного окна другого давление в трубе повышается, благодаря чему производится доэарядка 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, из стоянке и малом ходу лодки оказывается чрезмерно заглубленным, а большая часть системы выпуска — заполненной водой,создающей большое сопротивление выходу газов.
| Рис. 10. Конструкция редуктора с выводом отработавших газов через ступицу гребного винта. |
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. Вследствние 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 , 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).
© ЗАО КПНП
Журнал «Катера и Яхты» 1963-2003
Какой выбрать
Прямоточная система глушения может надеваться прямо на заводской глушащий элемент пилы. Шум уменьшается ощутимо: гашение звука обеспечивает сужение в воронку внутреннего сечения. Однако, будучи крупной, конструкция может препятствовать свободной работе.
Источник