Сергей Королёв
Я люблю строить самолеты!
С давних-давних пор раздумываю над системой ГРМ, обеспечивающей максимальное наполнение цилиндров. В большинстве случаев конструкции таких систем - сложные и высокоточные, мне же хотелось простую, доступную вплоть до любительского изготовления. В итоге появилась простая конструкция, настолько простая, что давно известна. Но почему-то почти не применяется. Вот я и думаю - а может всё же стоит применить?
Конструкция разрабатывалась для четырёхтактного ДВС, продвигаясь, так сказать, в направлении от сложного к простому. В итоге она оказалась больше подходящей к двухтактному двигателю. И давно применяется на них.А потому "рассказ" начну с конца, если можно так выразиться.
1. Классическая система газораспределения поршнем для простых 2-х тактных двигателей с симметричными фазами газораспределения (см. рис.1). Недостатки: - небольшой эффективный (по крутящему моменту и удельному расходу топлива) диапазон работы двигателя. Он связан со значительной зависимостью наполнения цилиндра топливной смесью от оборотов двигателя: хорошее наполнение имеется в небольшой зоне оборотов (приблизительно в зоне максимального крутящего момента), вне этой зоны наполнение падает, и чем дальше от зоны, тем сильнее падает (см. рис.1.3). Связь наполнения цилиндров с фазами газораспределения такова: чем шире фазы газораспределения (сумма углов открытия и закрытия впускных окон), тем на больших оборотах достигается наилучшее наполнение и Мкр. В связи с этим существует разделение: 1 - тихоходные моторы с небольшими фазами: у них первоочередное требование к высокой "тяге" в зоне низких-средних оборотов; 2 - быстроходные с большими фазами: для получения максимально возможной мощности за счёт максимально возможных оборотов; 3 - так называемые универсальные "среднеходные" со "средними" фазами - как компромисс между первыми и вторыми: "достаточный момент" в сочетании с "достаточной мощностью".
2. Система газораспределения с симметричными фазами (см. рис.2). В качестве примера возьмём многоизвестный велодвигатель Д-4 (5;...8), он же "Дешка", он же "газулька", с оригинальной системой газораспределения - с помощью цилиндрического вращающегося золотника (рис.2). Конструктивно он оригинален тем, что золотник одновременно является элементом коленвала (цапфой). Данная схема позволяет получить так называемые несимметричные фазы газораспределения, что для данного двигателя (без КПП) является насущной необходимостью, т.к. позволяет получить хорошую тягу на "низах" и приемлемую мощность на "верхах". Однако, как любая система с фиксированными фазами газораспределения, данная также имеет удовлетворительные характеристики (Мкр., низкий удельный расход, ...) в "типовом" небольшом диапазоне оборотов, что связано с плохим наполнением цилиндра топливо-воздушной смесью вне "хорошего" диапазона. Однако несложная доработка устройства позволит улучшить наполнение. Нужно только для каждого режима найти фазы газораспределения с максимальным наполнением цилиндра и ввести устройство для изменения этих фаз в зависимости от оборотов (и нагрузки). Устройство может быть как с ручным, так и с автоматическим управлением (что, разумеется, предпочтительнее).
Теперь по конкретной (принципиально) конструкции. В конструкцию типа Д-4,... ввести автоматическое устройство практически не реально: и места нет, и - главное - требуемые мизерные зазоры не обеспечить. Остаётся вынести устройство отдельным узлом, в котором и автоматическое устройство не трудно разместить.
Что в итоге получаем.
На малых оборотах должны быть фазы, при которых впуск заканчивается близко к НМТ - как на тихоходных двигателях; при больших оборотах впуск заканчивается значительно позже НМТ (как на быстроходных), во всех случаях имеем высокий, а точнее - максимально возможный коэффициент наполнения (Кнап.). В "переводе" на Д-4,... получаем ещё большую тягу на "низах" - вплоть до оборотов холостого хода, и увеличенную мощность на "верхах"; такой двигатель однозначно подойдёт как идеальная "газулька" для мопедов/мотовелосипедов. Кстати, улучшение конструкции применительно к "Дешке" будет и вот ещё в чём: вход воздуха в отверстие золотника в Д-4 имеет плохую аэродинамику (рис.2.4), в предлагаемой конструкции - гораздо лучше (рис.2.5).
3. Второй вариант конструкции для двухтактника (рис.3): оставить распределение поршнем и добавить распределение цилиндрическим золотником. Это чем-то напоминает использование обратного клапана на впуске (обычно пластинчатого, или - как чаще его называют - лепесткового), без его недостатков вроде увеличенного сопротивления движению воздушного потока. Фазы распределения поршнем, как и при лепестковом клапане, необходимо увеличить, фазы распределения золотником подбираются по максимальному наполнению.
Данная конструкция наиболее подходящая как для доработки существующих моделей (минимум переделок в самом двигателе: добавить отдельно изготовленный блок с золотником и привод золотника от коленвала (зубчатым ремнём, скорее всего)), так и для нового проектирования.
4. Другой вариант конструкции для двухтактника (рис.4): исключить распределение поршнем и использовать только распределение цилиндрическим золотником. Золотник при этом должен иметь минимальные зазоры, исключающие прорыв воздуха обратно во впускной канал. Гидравлические (в смысле - аэродинамические) потери здесь будут меньше за счёт исключения окна, перекрываемого поршнем.
5. Для 4-тактных двс подходит вариант по рис.3, т.е. регулируемый по фазам г/распределения золотник дополняет нерегулируемый клапанный механизм, у которого, в отличии от "стандартного", также увеличены фазы г/распределения. Получаем гарантированное значительное повышение наполнения на "низах" и незначительное повышение наполнения на "верхах". Как конкретно будет получаться - сложно сказать, всё зависит от дополнительных потерь в каналах золотника.
Также данная схема позволяет, как кто-то уже упоминал, использовать цикл Аткинсона (точнее, цикл Миллера), при котором на небольших/средних нагрузках фазы г/распределения золотника будут такими, что часть смеси уйдёт из цилиндра обратно, т.е. двигатель будет работать в более экономичном режиме.
6. Настройка двигателя в плане подбора фаз и размеров впускного тракта, думается, будет полегче, т.к. имеется появляется регулируемый элемент.
7. Основной недостаток: чем больше цилиндров в двигателе, тем сложнее сделать золотник с приемлемым по сопротивлению трактом. Потому наиболее подходящие конструкции - 1-но - 2-х цилиндровые, наиболее удачная - оппозитный 2-х цилиндровый 2-х тактный, у которого один золотник работает на впуск в общую кривошипную камеру (по схеме на рис.3).
7. Применима ли такая конструкция для авиадвигателей? Думаю, для 4-х тактных - не очень. Регулируемый золотник прежде всего увеличивает эффективный диапазон оборотов в нижней, так сказать, части, а эти двигатели работают больше в "середине" и на "верхах". Для 2-х тактных возможности больше.
8. Вместо вращающегося золотника можно использовать качающийся. Привод для него сделать сложнее, но проще получается конструкция для многоцилиндровых рядных двигателей.
Для чего пишу: хотелось бы проверить данную конструкцию в деле.
Конструкция разрабатывалась для четырёхтактного ДВС, продвигаясь, так сказать, в направлении от сложного к простому. В итоге она оказалась больше подходящей к двухтактному двигателю. И давно применяется на них.А потому "рассказ" начну с конца, если можно так выразиться.
1. Классическая система газораспределения поршнем для простых 2-х тактных двигателей с симметричными фазами газораспределения (см. рис.1). Недостатки: - небольшой эффективный (по крутящему моменту и удельному расходу топлива) диапазон работы двигателя. Он связан со значительной зависимостью наполнения цилиндра топливной смесью от оборотов двигателя: хорошее наполнение имеется в небольшой зоне оборотов (приблизительно в зоне максимального крутящего момента), вне этой зоны наполнение падает, и чем дальше от зоны, тем сильнее падает (см. рис.1.3). Связь наполнения цилиндров с фазами газораспределения такова: чем шире фазы газораспределения (сумма углов открытия и закрытия впускных окон), тем на больших оборотах достигается наилучшее наполнение и Мкр. В связи с этим существует разделение: 1 - тихоходные моторы с небольшими фазами: у них первоочередное требование к высокой "тяге" в зоне низких-средних оборотов; 2 - быстроходные с большими фазами: для получения максимально возможной мощности за счёт максимально возможных оборотов; 3 - так называемые универсальные "среднеходные" со "средними" фазами - как компромисс между первыми и вторыми: "достаточный момент" в сочетании с "достаточной мощностью".
2. Система газораспределения с симметричными фазами (см. рис.2). В качестве примера возьмём многоизвестный велодвигатель Д-4 (5;...8), он же "Дешка", он же "газулька", с оригинальной системой газораспределения - с помощью цилиндрического вращающегося золотника (рис.2). Конструктивно он оригинален тем, что золотник одновременно является элементом коленвала (цапфой). Данная схема позволяет получить так называемые несимметричные фазы газораспределения, что для данного двигателя (без КПП) является насущной необходимостью, т.к. позволяет получить хорошую тягу на "низах" и приемлемую мощность на "верхах". Однако, как любая система с фиксированными фазами газораспределения, данная также имеет удовлетворительные характеристики (Мкр., низкий удельный расход, ...) в "типовом" небольшом диапазоне оборотов, что связано с плохим наполнением цилиндра топливо-воздушной смесью вне "хорошего" диапазона. Однако несложная доработка устройства позволит улучшить наполнение. Нужно только для каждого режима найти фазы газораспределения с максимальным наполнением цилиндра и ввести устройство для изменения этих фаз в зависимости от оборотов (и нагрузки). Устройство может быть как с ручным, так и с автоматическим управлением (что, разумеется, предпочтительнее).
Теперь по конкретной (принципиально) конструкции. В конструкцию типа Д-4,... ввести автоматическое устройство практически не реально: и места нет, и - главное - требуемые мизерные зазоры не обеспечить. Остаётся вынести устройство отдельным узлом, в котором и автоматическое устройство не трудно разместить.
Что в итоге получаем.
На малых оборотах должны быть фазы, при которых впуск заканчивается близко к НМТ - как на тихоходных двигателях; при больших оборотах впуск заканчивается значительно позже НМТ (как на быстроходных), во всех случаях имеем высокий, а точнее - максимально возможный коэффициент наполнения (Кнап.). В "переводе" на Д-4,... получаем ещё большую тягу на "низах" - вплоть до оборотов холостого хода, и увеличенную мощность на "верхах"; такой двигатель однозначно подойдёт как идеальная "газулька" для мопедов/мотовелосипедов. Кстати, улучшение конструкции применительно к "Дешке" будет и вот ещё в чём: вход воздуха в отверстие золотника в Д-4 имеет плохую аэродинамику (рис.2.4), в предлагаемой конструкции - гораздо лучше (рис.2.5).
3. Второй вариант конструкции для двухтактника (рис.3): оставить распределение поршнем и добавить распределение цилиндрическим золотником. Это чем-то напоминает использование обратного клапана на впуске (обычно пластинчатого, или - как чаще его называют - лепесткового), без его недостатков вроде увеличенного сопротивления движению воздушного потока. Фазы распределения поршнем, как и при лепестковом клапане, необходимо увеличить, фазы распределения золотником подбираются по максимальному наполнению.
Данная конструкция наиболее подходящая как для доработки существующих моделей (минимум переделок в самом двигателе: добавить отдельно изготовленный блок с золотником и привод золотника от коленвала (зубчатым ремнём, скорее всего)), так и для нового проектирования.
4. Другой вариант конструкции для двухтактника (рис.4): исключить распределение поршнем и использовать только распределение цилиндрическим золотником. Золотник при этом должен иметь минимальные зазоры, исключающие прорыв воздуха обратно во впускной канал. Гидравлические (в смысле - аэродинамические) потери здесь будут меньше за счёт исключения окна, перекрываемого поршнем.
5. Для 4-тактных двс подходит вариант по рис.3, т.е. регулируемый по фазам г/распределения золотник дополняет нерегулируемый клапанный механизм, у которого, в отличии от "стандартного", также увеличены фазы г/распределения. Получаем гарантированное значительное повышение наполнения на "низах" и незначительное повышение наполнения на "верхах". Как конкретно будет получаться - сложно сказать, всё зависит от дополнительных потерь в каналах золотника.
Также данная схема позволяет, как кто-то уже упоминал, использовать цикл Аткинсона (точнее, цикл Миллера), при котором на небольших/средних нагрузках фазы г/распределения золотника будут такими, что часть смеси уйдёт из цилиндра обратно, т.е. двигатель будет работать в более экономичном режиме.
6. Настройка двигателя в плане подбора фаз и размеров впускного тракта, думается, будет полегче, т.к. имеется появляется регулируемый элемент.
7. Основной недостаток: чем больше цилиндров в двигателе, тем сложнее сделать золотник с приемлемым по сопротивлению трактом. Потому наиболее подходящие конструкции - 1-но - 2-х цилиндровые, наиболее удачная - оппозитный 2-х цилиндровый 2-х тактный, у которого один золотник работает на впуск в общую кривошипную камеру (по схеме на рис.3).
7. Применима ли такая конструкция для авиадвигателей? Думаю, для 4-х тактных - не очень. Регулируемый золотник прежде всего увеличивает эффективный диапазон оборотов в нижней, так сказать, части, а эти двигатели работают больше в "середине" и на "верхах". Для 2-х тактных возможности больше.
8. Вместо вращающегося золотника можно использовать качающийся. Привод для него сделать сложнее, но проще получается конструкция для многоцилиндровых рядных двигателей.
Для чего пишу: хотелось бы проверить данную конструкцию в деле.
