Общие сведения о работе моторов семейства Вихрь

Топливом для двигателей «Вихрей» служит автомобильный бензин. В цилиндры двигателя вводится горючая смесь, состоящая из паров мелкораспыленного топлива и воздуха. Она приготавливается в специальном приборе — карбюраторе. Из карбюратора горючая смесь подается в картер, а уже отсюда — в цилиндры двигателя. Здесь она сжимается под действием поршня, совершающего поступательное движение, в определенный момент воспламеняется при помощи запальной свечи, сгорает, расширяясь и перемещая поршень в обратную сторону. После сгорания смеси цилиндр должен быть очищен от остаточных продуктов.

Совокупность процессов, периодически повторяющихся в цилиндре, называется рабочим циклом двигателя. В двухтактных двигателях рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала, т. е. за два хода поршня от одного крайнего положения до другого, называемых мертвыми точками. Положение поршня, при котором он максимально удален от оси коленчатого вала, называется верхней мертвой точкой (ВМТ). Когда поршень находится на минимальном расстоянии от оси коленчатого вала, это положение называется нижней мертвой точкой (НМТ).

Расстояние между верхней и нижней мертвыми точками называется ходом поршня или тактом двигателя. Такт соответствует повороту коленчатого вала на 180°.

Объем, описываемый поперечным сечением поршня при его движении от ВМТ до НМТ, называется рабочим объемом цилиндра. Сумма рабочих объемов обоих цилиндров составляет рабочий объем двигателя. Наименьший объем, заключенный между поршнем, находящимся в ВМТ, и головкой цилиндра, называется объемом камеры сгорания. Таким образом, полный объем цилиндра состоит из объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра.

Важной характеристикой двигателей внутреннего сгорания является геометрическая (или номинальная) степень сжатия1, которая представляет собой отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Она показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси в цилиндре при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. Для моторов «Вихрь» она составляет 7,0, для его 25- и 30-сильных моделей — 8,5; а на современных зарубежных моторах, работающих на высокооктановых бензинах, степень сжатия может достигать 10—12.

Величина степени сжатия ограничивается явлением детонации — чрезвычайно быстрого, в виде взрыва, сгорания рабочей смеси. Детонация сопровождается резким, в виде удара, повышением давления, передающимся на все детали кривошипно-шатунного механизма, перегревом поршня и потерей мощности. Чем выше степень сжатия и чем ниже октановое число применяемого бензина, тем больше вероятность возникновения детонации.

Рабочий объем двигателя или его литраж часто применяется для оценки удельной мощности подвесных моторов: число киловатт или лошадиных сил, приходящихся на 1 литр (1000 см3) рабочего объема.

В двухтактных двигателях подвесных моторов в тепловых процессах участвует не только рабочий объем цилиндра над поршнем, но и подпоршневой объем картера. Картер выполняется герметичным и его полость соединяется с рабочей частью цилиндра специальными каналами; поршень является герметичной подвижной перегородкой. Движения поршня изменяют давление в картере, что используется для наполнения цилиндра горючей смесью и его продувки— освобождения от продуктов сгорания. Такой способ продувки, в котором используется пульсация давления в картере — кривошипной камере — называется кривошипно-камерным.

Управление впуском горючей смеси в картер осуществляется при помощи плоской золотниковой шайбы, вращающейся вместе с коленчатым валом и открывающей в необходимые моменты впускное окно в стенке картера.

Проследим, как совершается рабочий цикл двигателя (рис. 4).

При движении поршня вверх от НМТ в полости картера увеличивается разрежение. При этом золотниковая шайба открывает окно в стенке картера, через которое в картер всасывается приготовленная в карбюраторе бензовоздушная горючая смесь (рис. 4, I). Достигнув ВМТ, поршень направляется вниз. Смесь в картере начинает сжиматься, так как к этому моменту золотник герметично перекрывает всасывающее окно картера (рис. 4, II). Когда верхняя кромка поршня дойдет до выпускного окна в стенке цилиндра, рабочий объем над поршнем соединится с атмосферой. Поскольку горючая смесь еще не поступила в цилиндр и не воспламенилась, то выпуска не произойдет. При дальнейшем движении вниз верхняя кромка поршня достигнет продувочного окна. Сжатая в картере смесь по продувочным каналам, соединяющим картер с продувочными окнами, устремляется в рабочую часть цилиндра (рис. 4, V).

После прохождения НМТ поршень вновь движется вверх. В квартире под поршнем начинается формирование нового заряда для продувки, а в цилиндре над поршнем смесь будет сжиматься. Вначале поршень перекрывает продувочные окна, в результате чего рабочий объем цилиндра разобщается с картером, затем закрываются выпускные окна — цилиндр разобщается с атмосферой (рис. 4,II).

При дальнейшем движении поршня вверх смесь сжимается уже в замкнутом объеме цилиндра, близ ВМТ она воспламеняется от запальной свечи, сгорает и над поршнем резко повышается давление. Под действием его поршень после прохождения ВМТ движется вниз, совершая рабочий ход (рис. 4,IV).

При дальнейшем движении поршня вниз открываются выпускные окна, через которые выходят отработавшие газы. Их давление в цилиндре резко падает и становится меньше, чем давление свежей смеси в полости картера. Вследствие этого при последующем открытии продувочных окон выпуск сопровождается продувкой цилиндра свежей смесью. Продувка продолжается до полного закрытия продувочных окон движущимся к НМТ поршнем.

При каждом обороте коленчатого вала все эти процессы повторяются. Процессы в надпоршневом и подпоршневом пространствах совершаются одновременно: если в рабочей камере происходит рабочий ход, то в картере — сжатие, если в картере — впуск, то в рабочей камере — продувка и сжатие.

Схема работы двигателя Вихрь

Рис. 4 Схема работы двухтактного двигателя

I — всасывание горючей смеси в картер; II —сжатие в цилиндре: III — сжатие в картере; IV — рабочий ход; V — выпуск и продувка в цилиндре; VI — окончание сжатия в картере

Впуск смеси в картер, продувка камеры сгорания и выпуск отработавших газов происходят не мгновенно. Для нормального протекания процессов необходимо, чтобы соответствующие окна оставались открытыми на протяжении определенного времени. Продолжительность открытого состояния окон называется фазой газораспределения. Начало и конец процессов выпуска, продувки и зарядка кривошипной камеры горючей смесью и их продолжительность принято изображать графически в виде фазовых диаграмм газораспределения. Отмеченные выше моменты ориентируют на углы поворота коленчатого вала. Круговая диаграмма газораспределения двухтактного карбюраторного двигателя содержит 360°, так как полный цикл работы его завершается за один оборот коленчатого вала (рис. 5).

На большой окружности наносят продолжительность процессов, происходящих в цилиндре над поршнем, на малой окружности — процессов, происходящих под поршнем в картере. На диаграммах газораспределения моторов семейства «Вихрь» фазы выпуска и продувки симметричны относительно вертикальной оси, проходящей через положения поршня в ВМТ и НМТ. Это объясняется тем, что поршень, управляющий началом и окончанием этих процессов связан шатуном с коленчатым валом и закрывает и открывает своей верхней кромкой соответствующие окна при одинаковых углах поворота коленчатого вала до и после НМТ или ВМТ.

На диаграммах газораспределения видно, что процесс или фаза продувки короче, чем фаза выпуска, то есть продувочные окна открываются позже выпускных на некоторый угол, называемый углом предварения выпуска, и закрываются ранее на угол запаздывания выпуска. Поясним необходимость такого смещения фазы продувки относительно выпуска подробнее.

 

Диаграммы газораспределения двигателей семейства Вихрь

Рис. 5. Диаграммы газораспределения двигателей семейства  Вихрь.

Фазы газораспределения у 20-сильной  модели «Вихря: впуск в картер — 147,5°; продувка — 110°; выпуск — 144' •

После открытия выпускных окон начинается свободный выпуск отработавших газов из цилиндра, который продолжается, пока коленчатый вал не повернется на угол предварения выпуска. При этом давление в цилиндре резко падает. К моменту открытия продувочных окон оно должно оказаться ниже давления в картере, иначе произойдет заброс отработавших газов в полость картера. Явление это - нежелательно, так как оно приводит к загрязнению свежей горючей смеси отработавшими газами и повышению температуры картера. Таким образом, угол предварения выпуска необходим, чтобы предотвратить это явление.

С момента закрытия поршнем продувочного окна начинается процесс сжатия рабочей смеси в цилиндре. Но прежде чем будут перекрыты выпускные окна, через них теряется некоторая часть свежей рабочей смеси. С этой точки зрения угол запаздывания выпуска является нежелательным, но уменьшить его невозможно: фазы получаются симметричными, как уже отмечалось выше.

Процессы в картере, отраженные на малой окружности диаграммы, проходят несимметрично. Впускное окно открывается после прохождения поршнем НМТ, когда разрежение в картере достигает достаточной величины для всасывания смеси через открывшееся золотником отверстие. После прохождения поршнем ВТМ объем кривошипной камеры начинает уменьшаться и происходит сжатие горючей смеси, но золотник еще некоторое время остается открытым, и впуск смеси в полость картера продолжается.

Несимметричность фаз всасывания позволяет с наибольшей эффективностью использовать картер в качестве продувочного насоса, повысить мощность и экономичность двигателя. Эта несимметричность обеспечивается золотниковым механизмом управления впуском смеси в полость картера. В моторах «Вихрь» применяются плоские текстолитовые золотники, вращающиеся вместе с коленчатым валом и перекрывающие впускное окно картера. В золотнике имеется вырез в виде сектора, который в соответствующие моменты совпадает с впускным окном и открывает доступ в полость картера свежей рабочей смеси. Так как величина выреза (угол сектора) в золотнике и расположение впускного окна на картере могут варьироваться в широких пределах, конструктор двигателя имеет возможность выбирать оптимальные фазы впуска.

Для работы двигателя с высоким КПД не менее важным, чем фазы газораспределения, является качество продувки цилиндра. Чем лучше цилиндр очистится от продуктов сгорания и чем меньше будут потери заряда свежей горючей смеси через выпускное окно, тем выше будет удельная мощность двигателя и меньше удельный расход топлива.

В двигателях моторов «Вихрь» применяются два вида продувки: поперечная петлевая дефлекторная — на «Вихре» (рис. 6, а) и возвратно-петлевая трехканальная — на «Вихре-25» и «Вихре-30» (рис. 6,6). При петлевой дефлекторной продувке продувочные и выпускные окна расположены на стенках цилиндра диаметрально противоположно. С момента открытия поршнем продувочных окон, горючая смесь из кривошипной камеры через эти окна поступает в цилиндр и вытесняет из

него продукты сгорания. Чтобы не происходило сквозного прохода смеси из продувочных окон в выпускные, на головке поршня делается козырек— дефлектор. Поток рабочей смеси, выходящий из продувочных окон, встречает на своем пути дефлектор и отклоняется им вверх к головке цилиндра, омывает ее и, спускаясь по противоположной стенке, вытесняет продукты сгорания в выпускные окна.

Дефлекторная продувка обеспечивается при сравнительно простой и технологичной конструкции блока цилиндров, но имеет ряд недостатков. Качество продувки цилиндра недостаточно высокое, поршень получается тяжелым и сложным в изготовлении, поверхность его головки увеличена, что ухудшает отвод теплоты. При дефлекторной продувке трудно придать камере сгорания наиболее выгодную форму. Поэтому на более поздних 25- и 30-сильных моделях применяется более перспективный тип продувки — возвратно-петлевая трехканальная.

Виды продувки цилиндров на моторах Вихрь

Рис. 6. Виды продувки цилиндров на моторах «Вихрь»:
поперечная петлевая дефлекторная (а) и возвратно-петлевая трехканальная (б).

У этих моделей поршень имеет гладкую, слегка сферическую головку, а направление движения продувочной смеси задается расположением и формой продувочных каналов и окон. Основную роль в этом виде продувки играют два продувочных капала, расположенные с двух сторон выпускных окон и направленные в сторону глухой, не имеющей окон поверхности цилиндра. Потоки смеси из этих каналов сталкиваются у поверхности цилиндра, устремляются вверх к головке, а затем вниз к выпускным окнам, в результате чего образуется петля. Третий продувочный канал имеет небольшое поперечное сечение. Прорезанный в глухой стенке и направленный вверх, он способствует более полной продувке средней части цилиндра и улучшает охлаждение головки поршня. Сферическая поверхность головки способствует отклонению потока смеси вниз к выпускным окнам.

Возвратно-петлевая продувка обеспечивает не только удовлетворительную очистку цилиндра от продуктов сгорания, но и сокращает потери смеси через выпускные окна во время продувки. Форма камеры сгорания при этом виде продувки более совершенна, чем при дефлекторной. Применение возвратно-петлевой трехканальной продувки позволяет, не увеличивая октанового числа применяемого топлива, повысить степень сжатия и мощность двигателя, а также его экономичность.

Воспламенение горючей смеси в цилиндрах двигателя осуществляется искровым высоковольтным разрядом на электродах запальной свечи зажигания. Сгорание смеси при этом происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени, которое зависит от целого ряда факторов: качества смеси, степени сжатия, тепловыделения при искровом разряде на электродах свечи, сорта топлива, формы камеры сгорания. Максимальной температуры и давления газы в цилиндре достигают в конце сгорания и именно в этот момент поршень должен быть в ВМТ. С расчетом на этот период сгорания заряда смеси и определяется момент искрового разряда на электродах свечи, который должен происходить раньше, чем поршень достигнет ВМТ. Угол, на который должен повернуться кривошип от момента искрового разряда до ВМТ, называют углом опережения зажигания. Измеряют его в градусах поворота коленчатого вала или в миллиметрах расстояния головки поршня до ВМТ.

Правильный выбор угла опережения зажигания имеет большое значение в получении максимальной мощности и экономичности двигателя. Слишком раннее воспламенение смеси (большой угол опережения зажигания) обусловливает потерю мощности на преодоление давления газов при движении поршня к ВМТ. При этом может происходить детонация смеси. При слишком позднем зажигании (малом угле опережения) снижается наибольшее давление цикла и увеличиваются потери теплоты с выпускными газами, мощность также падает. Оптимальный угол опережения зажигания определяется экспериментальным путем в процессе проектирования и доводки головного мотора и указывается в инструкции по обслуживанию.

Характеристики двигателей Вихрь

Рис. 7. Внешние характеристики двигателей «Вихрь-25> и «Вихрь-30».

Ne — эффективная мощность
С —  расход горючего, г/с.

Очевидно, чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя, тем раньше должно происходить воспламенение смеси, так как время совершения одного полного оборота вала сокращается, а время сгорания заряда топливной смеси остается практически постоянным. Поэтому у двигателей моторов «Вихрь» опережение зажигания переменное — имеет небольшую величину на малых оборотах коленчатого вала и увеличивается при повышении частоты вращения.

На рис. 7 приведены внешние характеристики подвесных моторов «Вихрь-25» и «Вихрь - 30» — зависимости эффективной мощности Ne, крутящего момента на коленчатом валу АКР и удельного расхода топлива де от частоты вращения коленчатого вала при полностью открытой дроссельной заслонке карбюратора. Изменение мощности двигателя по внешней характеристике происходит в результате изменения нагрузки, т. е. крутящего момента.

Внешняя характеристика является собственной характеристикой двигателя, не зависящей от типа лодки, на которой установлен подвесной мотор, и параметров гребного винта. В практике судостроения часто оперируют с винтовой характеристикой, которая представляет собой графическую зависимость мощности, развиваемой двигателем, от частоты вращения при различном открытии дроссельной заслонки карбюратора и работе двигателя на гребной винт фиксированного шага. Винтовая характеристика учитывает особенности работы гребного винта во взаимодействии с корпусом судна, изменение сопротивления воды движению лодки и упора гребного винта, и как следствие этого — изменение вращающего момента винта и момента, развиваемого двигателем. Подробнее этот вопрос рассматривается в главе об установке мотора на лодку.

Заметим, что применение дефлекторной продувки на 20-сильной модели «Вихря» обусловило весьма высокий удельный расход топлива — при максимальной частоте вращения он на 120 г/кВт-ч [90 г/(л. с-ч)] больше, чем у «Вихря-М».