Итак, что же это такое и для чего нужно. Расписывать основы работы 2Т двигателей не буду, так как их все знают, но не все понимают, что такое фазы газораспределения и почему они именно такие, а не другие.
Фазы газораспределения - это промежуток времени, за который открываются и закрываются окна в цилиндре при движении поршня вверх-вниз. Считаются они в градусах поворота колен вала двигателя. К примеру, фаза выпуска в 180 градусов означает, что выпускное окно начнет открываться, будет открыто, а затем закроется при половине оборота (180 из 360) колен вала двигателя. Также надо сказать, что окна открываются при движении поршня вниз. И открываются на максимум в нижней мертвой точке (НМТ). Затем при движении поршня вверх закрываются. Из-за такой особенности конструкции 2Т двигателей фазы газораспределения получаются симметричными относительно мертвых точек.

Для полноты картины процесса газораспределения надо также сказать и о площади окон. Фаза, как я уже писал это время, в течение которого открываются и закрываются окна, но не менее важную роль играет и площадь окна. Ведь при одном и том же времени открытия окна, смеси (продувка) пройдет больше через то окно, которое больше по площади и наоборот. Тоже самое и для выпуска, отработавших газов больше уйдет из цилиндра, если площадь окна больше.
Общий термин, характеризующий весь процесс протекания газов через окна, называется время-сечение.
И чем он больше, тем выше мощность двигателя и наоборот. Именно поэтому мы видим такие огромные по сечению каналы продувки, впуска и выпуска, а также высокие фазы газораспределения на современных высокофорсированных 2Т двигателях.

Итак, мы видим, что функции газораспределения выполняют окна цилиндра и поршень, который их открывает и закрывает. Однако из-за этого теряется время, в течение которого поршень совершал бы полезную работу. По сути, мощность двигателя формируется только до открытия выпускного окна и при дальнейшем движении поршня вниз создание крутящего момента не происходит либо очень незначительно. В общем, объем двигателя 2Т в отличие от 4Т используется не полностью. Поэтому первостепенной задачей конструкторов является увеличение времени - сечения при минимальных фазах. Это дает лучшие показатели кривых момента и экономичности, чем притом же времени – сечении, но более высоких фазах.
Но поскольку диаметр цилиндра ограничен, а также ограничены и ширина окон, то для достижения высокого уровня форсирования двигателя приходится повышать фазы газораспределения.
Многие люди, желая достичь большей мощности начинают увеличивать окна в цилиндре либо наугад, либо по чьему то совету или где то вычитав совет, но не очень то понимают, что получат в итоге, и правильно ли делают. А может им совсем другое надо?
Допустим у нас имеется какой либо двигатель и мы хотим получить от него большей отдачи. Что нам делать с фазами? Первое что многим приходит на ум – пропилить выпускные окна вверх, либо поднять цилиндр за счет прокладки, а также пропилить впуск вниз или подрезать поршень со стороны впуска. Да, таким образом мы добьемся увеличения фаз и как следствие времени - сечение, но какой ценой. Мы уменьшили время, в течение которого поршень будет делать полезную работу. Почему же вообще увеличивается мощность при увеличении фаз, а не уменьшается? Увеличивается время – сечение скажите вы, да это так. Но не забываем что это 2Т двигатель и в нем весь принцип работы построен на резонансных волнах давления и разряжения. И по большей части ключевую роль здесь играет выпускная система. Именно она создает разряжение в цилиндре при начале выпуска, вытягивая отработавшие газы, а также вслед вытягивает и смесь из продувочных каналов, увеличивая время-сечение продувки. А также дозаправляет обратно вылетевшую смесь из цилиндра назад в цилиндр. В результате мы имеем увеличение мощности при увеличении фаз. Но нельзя забывать также что выпускная система настроена на определенные обороты, за пределами которых смесь, вылетевшая из цилиндра не возвращается обратно, а полезный ход поршня уменьшен из-за высоких фаз. Вот и выходит провал мощности и перерасход топлива на нерезонансных частотах двигателя.
Так можно ли получить ту же мощность и уменьшить провал и расход топлива? Да, если добиться того же время - сечения без увеличения фаз газораспределения!
Но что это означает на практике? Увеличение ширины окон и сечение каналов ограничено толщиной стенок каналов и предельными величинами ширины окон из-за работы колец. Но пока есть резерв, его надо использовать, а только затем повышать фазы.
Итак, если вы сами толком не знаете, чего хотите и как многие говорят - хочу мощности, но и чтобы низы не пропали, тогда увеличиваете пропускную способность каналов и окон без увеличения фаз. Если вам этого окажется мало, повышаете фазы постепенно. К примеру, оптимально будет на 10 градусов выпуск, на 5 градусов продувку.
Хотелось бы немного отступить и отдельно сказать о фазе впуска. Тут нам очень повезло, когда люди придумали обратный пластинчатый клапан, в простонароде лепестковый клапан (ЛК). Плюс его в том, что он автоматически изменяет фазу впуска и площадь впуска. Таким образом, он изменяет время-сечение впуска по потребностям двигателя в данный конкретный момент. Главное изначально правильно его подобрать и установить. Площадь клапана должна быть больше площади сечения карбюратора в 1,3 раза, чтобы не создать лишнего сопротивления потоку смеси.

Сами впускные окна должны быть еще больше, а фаза впуска должна быть максимально большой, чтобы ЛК начинал работать как можно раньше. В идеале с самого начала движения поршня вверх.
Примером того, как можно добиться максимальной фазы впуска, могут служить следующие фото доработок впуска(не Ява, но суть от этого не меняется):

Это один из лучших вариантов доработки впуска. По сути, впуск здесь представляет комбинированный вариант впуска в цилиндр и впуска в картер(впускной канал постоянно соединён с кривошипно-шатунной камерой, КШК). Это также увеличивает ресурс НГШ за счет лучшего обдува свежей смесью.

Для формирования этого канала, соединяющего впускной канал с КШКв картере выбирается максимально возможное количество металла, который расположен со стороны впуска возле гильзы.

В самой гильзе делаются дополнительные окна ниже основных.

В рубашке цилиндра также выбирается металл возле гильзы.
Правильно установленный ЛК позволяет один раз и навсегда решить проблему с подбором фазы впуска.
Кто же все-таки решился добиться большей мощности и знает на что нацелен, готов пожертвовать низами ради взрывного подхвата на верхах, тот может смело увеличивать фазы газораспределения. Лучшим решением будет использование чужого опыта в этом деле.
К примеру, в зарубежной литературе даются такие рекомендации:

Вариант Road race я бы исключил, так фазы очень экстремальные, рассчитанные на шоссейно-кольцевые гонки и при езде на обычных дорогах не практичны. Да и скорей всего рассчитаны под мощностной клапан, уменьшающий фазу выпуска на низких и средних оборотах до приемливого уровня. В любом случае делать фазу выпуска больше 190 градусов не стоит. Оптимальный же вариант как по мне 175-185градусов.

По поводу продувки… тут все более - менее указано оптимально. Однако как понять сколько будет крутить ваш двигатель? Можно поискать уже доработки людей и выяснить у них, а можно просто взять усредненные числа. Это в районе 120-130 градусов. Оптимально 125 градуса. Более высокие числа относятся к меньшим кубатурам двигателей.
И ещё, с повышением фаз продувки также надо поднять и её давление, т.е. картерное сжатие. Для этого нужно максимально уменьшать объём кривошипно-шатунной камеры убирая лишние пустоты. Например, для начала заглушив балансировочные отверстия в коленчатом валу. Заглушки нужно делать из максимально лёгкого материала, чтобы те не повлияли на балансировку КВ. Обычно их вырезают из винных пробок(пробковое дерево) и загоняют в балансировочные отверстия, после чего с обоих сторон промазывают эпоксидкой.

По поводу впуска я писал выше, что лучше поставить ЛК и не ломать себе голову с подбором фазы.

Итак, допустим, вы определились, как будете дорабатывать свой двигатель, какие фазы газораспределения у него будут. Теперь, как же проще всего посчитать, сколько это в мм.? Очень просто. Есть математические формулы определения хода поршня, которые можно приспособить к нашим целям, что я и сделал. Один раз занес формулы в программу Exсel и получил программу по высчитыванию фаз газораспределения продувки и выпуска (ссылка для скачивания программы в конце статьи ).
Нужно только знать длину шатуна (Ява 140мм, ИЖ юпитер, восход, минск 125мм, ИЖ пс 150мм. При желании в интернете можно найти длину практически любого шатуна) и ход поршня.
Программа сделана таким образом что определяет расстояние от верхней кромки окна до края гильзы. Почему так, а не скажем просто высоту окна? Потому что это наиболее точное определение фаз. В верхней мертвой точке днище поршня ОБЯЗАНО находиться на одном уровне с краем гильзы из-за сквиша (особенности формы камеры сгорания для бездетонационной работы), и если оно вдруг не на одном уровне, то прийдеться подогнать цилиндр по высоте(например, подбором толщины прокладки под цилиндром). А вот в нижней мертвой точке днище поршня как правило находится не на одном уровне с кромками окон, а чуть выше, т.е. поршень не полностью открывает окна! Такие конструктивные особенности, ничего не поделаешь. Но это означает, что окна работают не на всю свою высоту, а поэтому фазы по ним определятся, не могут!

Типы продувки горючей смеси двигателя внутреннего сгорания.

Существует два основных типа продувки: дефлекторная (поперечная) и бездефлекторная (возвратная или петлевая).

Дефлектором называется специальный выступ - козырек - на днище поршня, который служит для того, чтобы обеспечить правильное направление потока горючей смеси, поступающей в цилиндр через продувочное окно. На рис. 44 показана схема дефлекторной продувки.

Сжатая в картере смесь через продувочные канал и окно поступает в цилиндр, встречая на своем пути дефлектор. Поток смеси отклоняется вверх, в камеру сгорания, а оттуда идет вниз, к выхлопному окну, вытесняя через него из цилиндра отработавшие газы. При такой системе продувки выхлопное окно располагается против продувочного, что до некоторой степени способствует увеличению потерь рабочей смеси через выхлопное окно во время продувки цилиндра. Двигатели с дефлекторной продувкой имеют повышенный расход топлива. Наличие на днище поршня дефлектора увеличивает его вес и ухудшает форму камеры сгорания. Тем не менее, по ряду конструктивных соображений дефлекторная продувка широко применяется для подвесных моторов: так, например, устроен мотор "Москва" мощностью 10 л. с.

Несколько большая экономичность достигается применением бездефлекторной продувки. Схема возвратной, двухканальной продувки показана на рис. 45.

В этом случае поршень делается с плоским или слегка выпуклым днищем. Продувочные потоки сталкиваются и поднимаются вверх вдоль стенки цилиндра, вытесняя в выпускное окно отработавшие газы. По числу продувочных каналов и характеру движения смеси этот тип продувки называется двухканальной, петлевой.

Возвратная петлевая продувка может быть трех- и четырех-канальной; в последнем случае продувочные каналы располагаются рядом, попарно или крестообразно.

Рис. 45. Схема возвратной (петлевой) бездефлекторной продувки

Возвратная, двухканальная продувка распространена больше. Такую продувку имеют подвесные лодочные моторы ЗИФ-5М и "Стрела".

Применение бездефлекторной продувки позволяет получить высокие степени сжатия при наивыгоднейшей форме камеры сгорания, что дает возможность снять с двигателя большую литровую мощность. Гоночные двухтактные моторы с кривошипно-камерной продувкой, как правило, имеют двух- или трехканальную возвратную петлевую продувку.

Протекание процесса продувки и заполнения картера двухтактного двигателя свежей рабочей смесью зависит в большой степени от размеров окон и продолжительности их открытия поршнем. Начало открытия и закрытия впускного, продувочного и выпускного окон цилиндра, а также продолжительность впуска, продувки и выпуска, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала, можно видеть на диаграмме газораспределения двигателя (рис. 46).

Период, соответствующий углу поворота коленчатого вала, когда через открытое впускное окно происходит заполнение картера свежей рабочей смесью, называется фазой впуска. Периоды, соответствующие углам поворота коленчатого вала при открытии продувочного и выхлопного окон, называются фазами продувки и выпуска.

На рис. 46 приведена диаграмма газораспределения двигателя "Стрела". У этого двигателя фазы газораспределения, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала, составляют: фаза впуска в картер - 120°, продувка- 110° и выпуск - 140°.

Из диаграммы видно, что относительно оси, проходящей через мертвые точки, правая и левая части диаграммы симметричны. Это значит, что если впускное окно начинает открываться поршнем за 60° до ВМТ, то закроется оно через 60° после ВМТ. Открытие и закрытие вхлопного и продувочного окон происходит аналогичным образом. Продолжительность фазы выпуска обычно на 30-35° больше продолжительности фазы продувки. Описанный двигатель носит название трехоконного.

Симметричные фазы газораспределения двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой отрицательно сказываются на его литровой мощности и экономичности.

Рис. 46. Диаграмма газораспределения двигателей подвесных лодочных моторов ЗИФ-5М и "Стрела"

Малая продолжительность фазы впуска снижает наполнение картера и, следовательно, мощность двигателя. Увеличение высоты впускного окна имеет свой предел: оно повышает количество смеси, засасываемой в картер во время восходящего хода поршня, но зато приводит к потерям его за счет выбрасывания смеси обратно в карбюратор через открытое окно при движении, поршня вниз. Продолжительность фазы впуска зависит от числа оборотов двигателя. Если двигатель делает не более 3000-4000 об/мин, фаза впуска не превышает обычно 110- 120° угла поворота кривошипа. У гоночных двигателей, развивающих 6000 об/мин и более, она доходит до 130-140°, но при работе на малых оборотах у такого двигателя наблюдается выбрасывание смеси обратно в карбюратор.

Фаза выпуска у высокооборотных двигателей также увеличена и составляет 150-160°. При этом выхлопное окно по высоте больше продувочного на 7-"8 мм. Необходимость расширения фаз для гоночных многооборотных двигателей объясняется тем, то на больших оборотах время (продолжительность) открытия окон уменьшается, вследствие чего наполнение цилиндров рабочей смесью и мощность двигателя падают.

Рис. 47. Схема двухтактных двигателей с золотниковым газораспределением:а- с дисковым золотником на коленчатому; б- с приводным цилиндрическим золотником,(краном)

Повысить наполнение картера двухтактного двигателя можно путем применения системы впуска через вращающийся золотник или пластинчатые клапаны.

В первом случае на шейке коленчатого вала, внутри картера, устанавливается диск с отверстием для пропуска всасываемой в картер рабочей смеси. Второе отверстие имеется в верхней стенке картера, к которой золотник прижимается пружиной. Во время вращения коленчатого вала золотник вращаетсявместе с ним; при совпадении отверстия в золотнике с впускным окном в стенке картера смесь заполняет внутренний объем картера. Схемы двигателя со всасыванием через вращающийся золотник показаны на рис. 47.

Преимуществом такого устройства является возможность полностью использовать восходящий ход поршня и довести величину фазы впуска до 180-200° угла поворота коленчатого вала. Впуск смеси в картер начинается, как только верхняя кромка поршня закроет продувочное окно. Заканчивается впуск через 40-50°, пройдя ВМТ (рис. 48).

Диаграмма фазы впуска такого двигателя несимметрична.

Рис. 48. Диаграмма газораспределения двухтактного двигателя с золотниковым управлением выпуском горючей смеси в картер

Качество работы двигателя внутреннего сгорания автомобиля зависит от многих факторов, таких как мощность, коэффициент полезного действия, объем цилиндров.

Большое значение в моторе имеют фазы газораспределения, и от того, как происходит перекрытие клапанов, зависит экономичность ДВС, его приемистость, стабильность работы на холостых оборотах.
В стандартных простых двигателях изменение фаз ГРМ не предусматривается, и такие моторы не отличаются высокой эффективностью. Но в последнее время все чаще на автомашинах передовых компаний, таких как Хонда, Мерседес, Тойота, Ауди все чаще стали применяться силовые агрегаты с возможностью изменения смещения распределительных валов по мере изменения количества оборотов в ДВС.

Диаграмма фаз газораспределения двухтактного двигателя

Двухтактный двигатель отличается от четырехтактного тем, что рабочий цикл у него проходит за один оборот коленвала, в то же время на 4-тактных ДВС он происходит за два оборота. Фазы газораспределения в ДВС определяются продолжительностью открытия клапанов – выпускных и впускных, угол перекрытия клапанов обозначается в градусах положения к/в.

В 4-тактных моторах цикл наполнения рабочей смеси происходит за 10-20 градусов до того, как поршень придет в верхнюю мертвую точку, и заканчивается через 45-65º, а в некоторых ДВС и позднее (до ста градусов), после того как поршень пройдет нижнюю точку. Общая продолжительность впуска в 4-тактных моторах может длиться 240-300 градусов, что обеспечивает хорошую наполняемость цилиндров рабочей смесью.

В 2-тактных движках продолжительность впуска топливовоздушной смеси длится на повороте коленвала приблизительно 120-150º, также меньше длится и продувка, поэтому наполнение рабочей смесью и очистка выхлопных газов у двухтактных ДВС всегда хуже, чем у 4-тактных силовых агрегатов. На рисунке ниже показана диаграмма фаз газораспределения двухтактного мотоциклетного двигателя движка К-175.

Двухтактные движки применяются на автомобилях нечасто, так как они обладают более низким КПД, худшей экономичностью и плохой очисткой выхлопных газов от вредных примесей. Особенно актуален последний фактор – в связи с ужесточением норм экологии важно, чтобы в выхлопе двигателя содержалось минимальное количество CO.

Но все же у 2-хтактных ДВС есть и свои преимущества, особенно у дизельных моделей:

• силовые агрегаты компактнее и легче;
• они дешевле стоят;
• двухтактный мотор быстрее разгоняется.

На многих автомобилях в 70-х и 80-х годах прошлого столетия в основном устанавливались карбюраторные двигатели с «траблерной» системой зажигания, но многие передовые компании по производству автомашин уже тогда начали оснащать моторы электронной системой управления двигателем, в которой всеми основными процессами управлял единый блок (ЭБУ). Сейчас практически все современные авто имеют ЭСУД – электронная система применяется не только в бензиновых, но и в дизельных ДВС.

В современной электронике присутствуют различные датчики, контролирующие работу двигателя, посылающие сигналы блоку о состоянии силового агрегата. На основании всех данных от датчиков ЭБУ принимает решение – сколько необходимо подавать топлива в цилиндры на тех или иных нагрузках (оборотах), какой установить угол опережения зажигания.

Датчик фаз газораспределения имеет еще одно название – датчик положения распредвала (ДПРВ), он определяет положение ГРМ относительно коленвала. От его показаний зависит, в какой пропорции будет подаваться топливо в цилиндры в зависимости от количества оборотов и угла опережения зажигания. Если ДПРВ не работает, значит, фазами ГРМ не контролируются, и ЭБУ не «знает», в какой последовательности необходимо подавать топливо в цилиндры. В результате возрастает расход топлива, так как бензин (солярка) одновременно подается во все цилиндры, двигатель работает вразнобой, на некоторых моделях авто ДВС вовсе не запускается.

Регулятор фаз газораспределения

В начале 90-х годов 20-го века стали выпускаться первые двигатели с автоматическим изменением фаз ГРМ, но здесь уже не датчик контролировал положение коленвала, а непосредственно сдвигались сами фазы. Принцип работы такой системы следующий:

• распределительный вал соединяется с гидравлической муфтой;
• также с этой муфтой имеет соединение и распредшестерня;
• на холостых и малых оборотах распредшестерня с распредвалом зафиксированы в стандартном положении, как была установлены по меткам;
• при увеличении оборотов под воздействием гидравлики муфта поворачивает распредвал относительно звездочки (распредшестерни), и фазы ГРМ смещаются – кулачки распредвала раньше открывают клапана.

Одна из первых подобных разработок (VANOS) была применена на моторах M50 компании BMW, первые двигатели с регулятором фаз газораспределения появились в 1992 году. Следует отметить, что сначала VANOS устанавливался только на впускном распредвалу (у моторов M50 двухвальная система ГРМ), a c 1996-го стала использоваться система Double VANOS, с помощью которой уже регулировалось положение выпускного и впускного р/валов.

Какое преимущество дает регулятор фаз ГРМ? На холостом ходу перекрытие фаз газораспределения практически не требуется, и оно в данном случае даже вредит двигателю, так как при сдвиге распредвалов выхлопные газы могут попасть во впускной коллектор, а часть топлива будет попадать в выхлопную систему, полностью не сгорая. Но когда движок работает на максимальной мощности, фазы должны быть максимально широкими, и чем выше обороты, тем больше необходимо перекрытие клапанов. Муфта изменения фаз ГРМ дает возможность эффективно наполнять цилиндры рабочей смесью, а значит, повысить КПД мотора, увеличить его мощность. В тоже время на холостом ходу р/валы с муфтой находятся в исходном состоянии, и сгорание смеси идет в полном объеме. Получается, что регулятор фаз повышает динамику и мощность ДВС, при этом достаточно экономично расходуется топливо.

Система изменения фаз газораспределения (СИФГ) обеспечивает более низкий расход топлива, снижает уровень CO в выхлопных газах, позволяет более эффективно использовать мощность ДВС. У разных мировых автопроизводителей разработана своя СИФГ, применяется не только изменение положения распредвалов, но и уровень поднятия клапанов в ГБЦ. Например, компания Nissan применяет систему CVTCS, которой управляет клапан регулировки фаз газораспределения (электромагнитный клапан). На холостых оборотах этот клапан открыт, и не создает давление, поэтому распредвалы находятся в исходном состоянии. Открывающийся клапан увеличивает давление в системе, и чем оно выше, тем на больший угол сдвигаются распредвалы.

Следует отметить, что СИФГ в основном используются на двигателях с двумя распределительными валами, где в цилиндрах устанавливается по 4 клапана – по 2 впускных и 2 выпускных.

Приспособления для установки фаз газораспределения

Чтобы двигатель работал без перебоев, важно правильно выставить фазы ГРМ, установить в нужном положении распределительные валы относительно коленвала. На всех движках валы выставляются по меткам, и от точности установки зависит очень многое. Если валы выставляются неправильно, возникают различные проблемы:

• мотор неустойчиво работает на холостых оборотах;
• ДВС не развивает мощности;
• происходят выстрелы в глушитель и хлопки во впускном коллекторе.

Если в метках ошибиться на несколько зубьев, не исключено, что могут согнуться клапана, и движок при этом не запустится.

На некоторых моделях силовых агрегатов разработаны специальные приспособления для установки фаз газораспределения. В частности, для двигателей семейства ЗМЗ-406/ 406/ 409 есть специальный шаблон, с помощью которого измеряются углы положения распредвалов. Шаблоном можно проверить существующие углы, и если они выставлены неправильно, валы следует переустановить. Приспособление для 406-х моторов представляет собой набор, состоящий из трех элементов:

• двух угломеров (для правого и левого вала, они разные);
• транспортира.

Когда коленчатый вал выставлен в ВМТ 1-го цилиндра, кулачки распредвалов должны выступать над верхней плоскостью ГБЦ под углом 19-20º с погрешностью ± 2,4°, причем, кулачок впускного валика должен быть чуть выше кулачка выпускного распредвала.

Также есть специальные приспособления для установления распредвалов на моторах BMW моделей M56/ M54/ M52. В комплект установки фаз газораспределения ДВС БВМ входит:

Неисправности системы изменения фаз газораспределения

Изменять фазы газораспределения можно различными способами, и последнее время наиболее распространен поворот р/валов, хотя нередко применяется метод изменения величины подъема клапанов, использование распределительных валов с кулачками измененного профиля. Периодически в газораспределительном механизме возникают различные неисправности, из-за которых мотор начинает работать с перебоями, «тупит», в некоторых случаях и вовсе не запускается. Причины возникновения неполадок могут быть разными:

• неисправен электромагнитный клапан;
• засорилась грязью муфта изменения фаз;
• вытянулась цепь газораспределительного механизма;
• неисправен натяжитель цепи.

Часто при возникающих неисправностях в этой системе:

• снижаются холостые обороты, в некоторых случаях ДВС глохнет;
• значительно увеличивается расход топлива;
• двигатель не развивает обороты, машина порой не разгоняется даже до 100 км/ч;
• мотор плохо запускается, его приходится гонять стартером несколько раз;
• слышен стрекот, идущий из муфты СИФГ.

По всем признакам основная причина проблем с двигателем – выход из строя клапана СИФГ, обычно при этом компьютерная диагностика выявляет ошибку этого устройства. Следует отметить, что лампа диагностики Check Engine загорается при этом не всегда, поэтому трудно понять, что сбои происходят именно в электронике.

Часто проблемы ГРМ возникают из-за засорения гидравлики – плохое масло с частицами абразива забивает каналы в муфте, и механизм заклинивает в одном из положений. Если муфту «клинит» в исходном положении, ДВС спокойно работает на ХХ, но совсем не развивает оборотов. В случае, когда механизм остается в положении максимального перекрытия клапанов, движок может плохо запускаться.

К сожалению, на двигатели российского производства СИФГ не устанавливается, но многие автомобилисты занимаются тюнингом ДВС, стараясь улучшить характеристики силового агрегата. Классический вариант модернизации мотора – это установка «спортивного» распредвала, у которого смещены кулачки, изменен их профиль.

У такого р/вала есть свои преимущества:

• мотор становится приемистым, четко реагирует на нажатие педали газа;
• улучшаются динамические характеристики автомобиля, машина буквально рвет из-под себя.

Но в таком тюнинге есть и свои минусы:

• холостые обороты становится неустойчивыми, приходится их выставлять в пределах 1100-1200 об/мин;
• увеличивается расход топлива;
• достаточно сложно отрегулировать клапана, ДВС требует тщательной настройки.

Достаточно часто тюнингу подвергаются вазовские двигатели моделей 21213, 21214, 2106. Проблема движков ВАЗ с цепным приводом – появление «дизельного» шума, и часто он возникает из-за вышедшего из строя натяжителя. Модернизация ДВС ВАЗ заключается в установке автоматического натяжителя вместо штатного заводского.

Нередко на модели двигателей ВАЗ-2101-07 и 21213-21214 устанавливают однорядную цепь: мотор с ней работает тише, к тому же цепочка меньше изнашивается – ее ресурс составляет в среднем 150 тыс. км.

Простейший двухтактный двигатель

Двухтактный двигатель наиболее прост с технической точки зрения: в нем поршень выполняет работу распределительного органа. На поверхности цилиндра двигателя выполнено несколько отверстий. Их называет окнами, и они принципиальны для двухтактного цикла. Предназначение впускных и выпускных каналов достаточно очевидно — впускное окно позволяет топливовоздушной смеси попасть в двигатель для последующего сгорания, а выпускное окно обеспечивает отвод полученных в результате сгорания газов из двигателя. Продувочный канал служит для обеспечения перетекания из кривошипной камеры, в которую она поступила ранее, в камеру сгорания, где происходит сгорание. Здесь возникает вопрос, почему смесь поступает в пространство картера под поршнем, а не непосредственно в камеру сгорания над поршнем. Чтобы понять это, следует отметить, что в двухтактном двигателе кривошипная камера выполняет важную второстепенную роль, являясь своего рода насосом для смеси.

Она образует собой герметичную камеру, закрытую сверху поршнем, из чего следует, что объем этой камеры, а, следовательно, и давление внутри нее, изменяется, поскольку поршень перемешается возвратно-поступательно в цилиндре (по мере того как поршень двигается вверх, объем увеличивается, и давление падает ниже атмосферного, создается разрежение; наоборот, при движении поршня вниз объем уменьшается, и давление становится выше атмосферного).

Впускное окно на стенке цилиндра большую часть времени закрыто юбкой поршня, оно открывается, когда поршень приближается к верхней точке своего хода. Созданное разрежение всасывает свежий заряд смеси в кривошипную камеру, затем, по мере того как поршень движется вниз и создает давление в кривошипной камере, эта смесь вытесняется в камеру сгорания через продувочный канал.

Данная конструкция, в которой поршень играет роль распределительного органа по очевидным причинам, является самой простой разно¬видностью двухтактного двигателя, число перемеoающихся частей в ней не значительно. Во многих отношениях это является значительным преимуществом, однако оставляет желать лучшего с точки зрения эффективности (КПД). В свое время почти во всех двухтактных двигателях поршень выполнял роль органа распределения, но в современных конструкциях эта функция отводится более сложным и эффективным устройствам

Улучшенные конструкции двухтактного двигателя

Влияние на течение газа Одна из причин неэффективности выше-описанного двухтактного двигателя-неполная очистка от отработавших газов. Оставаясь в цилиндре, они мешают проникновению всего объема свежей смеси, и, следовательно, снижают мощность. Также существует связанная с этим проблема: свежая смесь из окна продувочного канала поступает прямо в выпускной канал, и, как было упомянуто ранее, чтобы это минимизировать, окно продувочного канала направляет смесь вверх.

Поршни с дефлектором

Эффективность очистки и топливная экономичность могут быть улучшены за счет создания более эффективного течения газа внутри цилиндра. На ранней стадии усовершенствование двухтактных двигателей было достигнуто за счет придания днищу поршня особой формы для отклонения смеси от впускного канала к головке цилиндра — данная конструкция получила название поршня с дефлектором». Однако использование поршней с дефлектором на двухтактных двигателях было непродолжительным в связи с проблемами расширения поршня. Тепловыделение в камере сгорания двухтактного двигателя обычно выше, чем у четырехтактного, потому что сгорание происходит вдвое чаше, кроме того, головка, верхняя часть цилиндра и поршня являются наиболее нагретыми частями двигателя. Это приводит к проблемам, связанным с тепловым расширением поршня. Фактически, поршню при изготовлении придается такая форма, чтобы он слегка отличался от окружности и был конусным кверху (овало-бочкообразный профиль), таким образом, когда он расширяется при изменении температуры, он становится круглыми и цилиндрическим. Добавление несимметричного металлического выступа в виде дефлектора на днище поршня, изменяет характеристики его рас¬ширения (если поршень будет чрезмерно расширяться в неправильном направлении, его может заклинить в цилиндре), а также приводит к его утяжелению со смещением массы от оси симметрии. Этот недостаток стал намного более очевидным по мере того, как двигатели усовершенствовались для работы при более высоких скоростях вращения.

Типы продувок двухтактного двигателя

Петлевая продувка

Поскольку у поршня с дефлектором слишком много недостатков, а плоское или слегка скругленное днище поршня не сильно влияет не движение поступающей смеси или вытекающих отработавших газов, был необходим другой вариант. Он был разработан в ЗО-х годах XX века доктором Е. Шнурле, который его изобрел и запатентовал (хотя, по общему признанию, он первоначально спроектировал его для двухтактного дизельного двигателя). Продувочные окна расположены напротив друг друга на стенке цилиндра и направлены под углом вверх и назад. Таким образом, поступающая смесь наталкивается на заднюю стенку цилиндра и отклоняется вверх, затем, образуя наверху петлю, падает на отработавшие газы и способствует их вытеснению через выпускное окно. Следовательно, хорошая продувка цилиндра может быть получена подбором расположения продувочных окон. Необходимо тщательно прорабатывать форму и размер каналов. Если сделать канал слишком широким,поршневое кольцо, минуя его,может попасть в окно и заклинить, тем самым вызывая поломку. Поэтому размер и форма окон выполняется так, чтобы гарантировать безударный проход колеи мимо окон, а некоторые широкие окна соединены в середине перемычкой, служащей опорой для колец. В качестве еще одного варианта можно предложить использование большего числа окон меньших размеров.

На данный момент существует множество вариантов расположения, численности и размеров окон, сыгравших большую роль в увеличении мощности двухтактных двигателей. Некоторые двигатели снабжены продувочным и окнами, служащими для единственной цели — улучшения продувки, они открываются незадолго до открытия главных продувочных окон, которые подают большую часть свежей смеси. Но пока это всё. что можно сделать для улучшения газообмена без использования дорогих в производстве деталей. Чтобы продолжать улучшать характеристики, необходимо более точно управлять фазой наполнения.

Лепестковый клапан Suzuki Lets TW

Лепестковые клапана

В любой конструкции двухтактного двигателя улучшение КПД и топливной экономичности означает, что двигатель должен работать более эффективно, это требует сгорания максимального количества топлива (следовательно, получения максимальной мощности) на каждом рабочем такте двигателя. Остается проблема сложного удаления всего объема отработавшего газа и заполнения цилиндра максимальным объемом свежей смеси. До тех пор, пока процессы газообмена совершенствуются в рамках двигателя с поршнем в роли органа распределения, нельзя гарантировать полную очистку от отработавших газов, остающихся в цилиндре, при этом нельзя увеличить объем поступающей свежей смеси, чтобы способствовать вытеснению отработавших газов. Решением может служить заполнение кривошипной камеры большим количеством смеси за счет увеличения ее объема, но на практике это приводит к менее эффективной продувке. Увеличение эффективности продувки требует уменьшения объема кривошипной камеры и, таким образом, ограничения пространства, предназнеченного для заполнения смесью. Так что компромисс уже найден, и следует искать другие способы улучшения характеристик. В двухтактном двигателе, в котором роль органа газораспределения отведена поршню, часть топливовоздушной смеси, поданной в кривошипную камеру, неизбежно будет потеряна по мере того, как поршень начинает двигаться вниз в процессе сгорания. Эта смесь вытесняется обратно во впускное окно и, таким образом, теряется. Необходим более эффективный способ управления поступающей смесью. Предотвратить потери смеси можно путем использования лепесткового или дискового (золотникового) клапана или их комбинации.

Лепестковый клапан состоит из металлического корпуса клапанов и закрепленного на его поверхности седла с уплотнением из синтетического каучука. Два или более лепестковых клапана закреплены на корпусе клапанов, при нормальных атмосферных условиях эти лепестки закрыты. Кроме того, для ограничения перемещения лепестка установлены ограничительные пластины по одной на каждый лепесток клапана, служащие для предотвращения его поломки. Тонкие лепестки клапана обычно изготавливаются из гибкой (пружинной) стали, хотя все более популярными становятся экзотические материалы на основе фенольной смолы или стеклотекстолита.

Клапан открывается за счет изгиба лепестков до ограничительных пластин, которые спроектированы таким образом, что открываются, как только появляется положительный перепад давления между атмосферой и кривошипной камерой; это происходит, когда движущийся вверх поршень создает разрежение в картере, Когда смесь подана в кривошипную камеру, и поршень начинает двигаться вниз, давление внутри картера возрастает до уровня атмосферного, и лепестки прижимаются, закрывая клапан. Таким образом, подается максимальное количество смеси, и предотвращаются любые обратные выбросы. Дополнительная масса смеси более полно заполняет цилиндр, и продувка происходит более эффективно. Сначала лепестковые клапана были приспособлены для использования на существующих двигателях с поршнем в роли органа газораспределения, это привело к существенному улучшению эффективности двигателей. В отдельных случаях производители выбирали комбинацию двух конструкций: одной — когда двигатель с поршнем в роли органа газораспределения. дополненный лепестковым клапаном для продолжения процесса наполнения через дополнительные каналы в кривошипной камере после того, как поршень перекроет основной канал, если уровень давления в картере двигателя позволяет это. В другой конструкции на поверхности юбки поршня выполнялись окна, чтобы окончательно избавиться от контроля, который поршень имеет над каналами; в таком случае они открываются и закрываются исключительно под воздействием лепесткового клапана. Развитие этой идеи означало, что клапан и впускной канал могут быть перенесены из цилиндра в кривошипную камеру. Устрашающие предостережения, что на лепестках клапана образуются трещины и лепестки могут попасть внутрь двигателя, оказались в значительной степени необоснованными. Перемещение впускного канала предоставляет ряд преимуществ, главное из которых связано с тем. что течение газа в полость картера становится более свободным.и,следовательно, большее количество смеси может поступить в кривошипную камеру. Этому до некоторой степени способствует импульс (скорость и вес) поступающей смеси. При переносе впускного канала из цилиндра можно продолжать повышать эффективность путем смешения продувочного окна (окон) в оптимальное для продувки положение. Безусловно, за последние годы основное расположение лепестковых клапанов было подвергнуто тщательному исследованию, и появились сложные конструкции. содержащие двухступенчатые лепестки и многолепестковые корпуса клапанов. Последние разработки в области лепестковых клапанов связаны с материалами, используемыми для лепестков, и с расположением и размером лепестков.

Дисковые клапана (золотниковое распределение)

Дисковый клапан состоит из тонкого стального диска, закрепленного на коленчатому валу шпонкой

Или шлицами таким образом, что они вращаются вместе, Он располагается снаружи впускного окна между карбюратором и крыш¬кой картера так. чтобы в нормальном состоянии канал перекрывался диском, Чтобы произошло наполнение в нужной области цикла двигателя, из диска вырезается сектор. При вращении коленчатого вала и дискового клапана впускное окно открывается в момент, когда вырезанный сектор проходит мимо канала, позволяя смеси проникнуть непосредственно в кривошипную камеру. Затем канал перекрывается диском, предотвращая обратный выброс смеси в карбюратор по мере того, как поршень начинает двигаться вниз.

К очевидным преимуществам использования дискового клапана можно причислить более точное управление началом и концом процесса участок, или сектор, диска минует канал), и продолжительностью процесса наполнения (то есть величиной вырезанного участка диска, пропорциональной времени открытия канала). Также дисковый клапан допускает применение впускного канала большого диаметра и гарантирует беспрепятственный проход смеси, попадающей в кривошипную камеру. В отличие от лепесткового клапана с достаточно большим корпусом клапанов, дисковый клапан не создает никаких преград во впускном канале, и поэтому газообмен в двигателе улучшается. Другое преимущество дискового клапана проявляется на спортивных мотоциклах — это время, за которое его можно заменить для подбора рабочих характеристик двигателя под различные трассы. Главным недостатком дискового клапана являются технические трудности, требующие маленьких производственных допусков и отсутствие приспособляемости, то есть неспособность клапана реагировать на изменение потребностей двигателя подобно лепестковому клапану. Кроме того, все дисковые клапана уязвимы в отношении попадания мусора, поступающего в двигатель с воздухом (мелкие частицы и пыль оседают на уплотняющих канавках и царапают диск). Несмотря на это. на практике дисковые клапана работают очень хорошо и обычно способствуют значительному приросту мощности на низких частотах вращения двигателя по сравнению с обычным двигателем с поршнем в роли органа газораспределения.

Совместное использование лепестковых и дисковых клапанов

Неспособность дискового клапана реагировать на изменение потребностей двигателя навела некоторых производителей на мысль — использовать комбинацию дискового и лепесткового клапана для получения высокой эластичности двигателя. Поэтому.когда этого требуют условия, давление в картере двигателя закрывает лепестковый клапан, таким образом, закрывая впускной канал со стороны кривошипной камеры, даже несмотря на то, что вырезанный участок (сектор) диска все еще может открывать впускной канал со стороны карбюратора.

Использование щеки коленвала в качестве дискового клапана

Интересный вариант дискового клапана использовался в течение нескольких лет на ряде двигателей мотороллеровVespa . Вместо применения отдельного клапанного устройства для выполнения его роли производители использовали стандартный коленчатый вал. Плоскость правой щеки маховика обработана с очень высокой точностью так, что при вращении коленвала зазор между ней и картером составляет несколько тысячных долей дюйма. Впускной канал находится прямо над маховиком (на этих двигателях цилиндр располагается горизонтально) и, таким образом,прикрывается краем маховика, Путем механической обработки выемки в части маховика можно в заданной точке цикла двигателя открыть канал аналогично тому, как это происходит при использовании традиционного дискового клапана. Хотя получаемый впускной канал оказывается менее прямым, чем мог бы быть, на практике эта система работает очень хорошо. В результате двигатель вырабатывает полезную мощность в широком диапазоне частот вращения двигателя, и по прежнему остается технически простым.

Расположение выпускного окна

во многих отношениях системы впуска и выпуска на двухтактном двигателе очень тесно связаны. В предшествующих параграфах мы обсудили способы подвода смеси и отвода отработавших газов из цилиндра. За эти годы проектировщики и испытатели обнаружили, что фазы выпуска могут иметь столь же существенное влияние на характеристики двигателя, как и фазы впуска. Фазы выпуска определяются высотой выпускного окна в стенке цилиндра, то есть когда оно закрывается и открывается поршнем по мере того, как он перемешается в цилиндре вверх и вниз. Конечно, как и во всех других случаях, нет одного единственного положения, которое охватывало бы все режимы двигателя. Во- первых, это зависит оттого, для чего двигатель должен использоваться, во-вторых, как этот двигатель используется. Например, для одного и того же двигателя оптимальная высота выпускного окна различна при низких и при высоких частотах вращения двигателя, а при углубленном рассмотрении можно сказать, что то же относится и к размерам канала, и непосредственно к размерам выпускной трубы. В результате на производстве разработаны различные системы с изменяющимися при работе двигателя характеристиками выпускных систем для соответствия изменяющимся частотам врашения. Такие системы появились у (YPVS), (АТАС). (KIPS), (SAPC), Cagiva (CTS) и Aprilia (RAVE). Ниже описываются системы , и .

Системе с мощностным клепаном Yamaha — YPVS

В основе этой системы лежит непосредственно мощностной клапан, который по существу является роторным клапаном, установленным в гильзе цилиндра так, чтобы его нижняя кромка соответствовала верхней кромке выпускного окна. На низких частотах вращения двигателя клапан находится в закрытом положении, ограничивая эффективную высоту окна: это улучшает характеристики на низких и средних режимах Когда частота вращения двигателя достигает заданного уровня, клапан открывается, увеличивая эффективную высоту окна, что способствует улучшению характеристик на высоких скоростях. Положение мощностного клапана контролирует серводвигатель при помощи троса и шкива. Блок управления YPVSi-получает данные об угле открытия клапана от потенциометра на серводвигателе и данные о частоте вращения двигателя от блока управления зажиганием; эти данные используются для выработки правильного сигнала к механизму привода серводвигателя (см. рис. 1.86). Замечание: На внедорожных мотоциклах компании используется несколько отличная версия системы из-за малой мощности аккумулятора: мощностной клапан приводится в действие от центробежного механизма, установленного на коленчатом валу.

Комплексная система мощностных клапанов Kawasaki — KIPS

Система имеет механический привод от установленного на коленчатом валу центробежного (шарикового) регулятора, Вертикальная тяга соединяет механизм привода с тягой управления мощностным клапаном, установленным в гильзе цилиндра. Два таких мощностных клапана расположены во вспомогательных каналах с обеих сторон от главного впускного окна и связаны с тягой привода посредством шестерни и зубчатой рейки. По мере того, как тяга привода перемещается «из стороны в сторону», клапана вращаются, открывая и закрывая вспомогательные каналы в цилиндре и камере резонатора, расположенной с левой стороны двигателя. Система рассчитана так, чтобы при низкой частоте вращения вспомогательные каналы были закрыты клапанами для обеспечения кратковременного открытия канала. Левый клапан открывает камеру резонатора покидающим отработавшим газам, таким образом увеличивая объем расширительной камеры. При высокой частоте вращения клапана поворачиваются, чтобы открыть оба вспомогательных канала и увеличить продолжительность открытия канала, следовательно, обеспечить большую пиковую мощность. Камера резонатора закрывается клапаном с левой стороны, снижая общий объем выпускной системы. Система KIPS обеспечивает улучшение характеристик на низких и средних частотах вращения за счет уменьшения высоты канала и большего объема выпускной системы а при высоких частотах вращения — за счет увеличения высоты выпускного окна и меньшего объема системы выпуска. В дальнейшем система была усовершенствована за счет введения промежуточной шестерни между тягой привода и одним из клапанов, обеспечивающей вращение клапанов во встречных направлениях, а также добавления плоского мощностного клапана на передней кромке выпускного окна. На моделях большего объема запуск и работа на низких частотах вращения была улучшены за счет добавления соплового профиля в верхней части клапанов.

Камера усиления крутящего момента с автоматическим управлением Honda — АТАС

Система, применяемая на моделях фирмы , имеет привод от автоматического центробежного регуляторе, установленного на коленчатом валу. Механизм, состоящий из рейки и валика, передает усилие от регулятора к клапану АТАС, установленному в гильзе цилиндра. Камера HERP (Резонансная Энергетическая Труба ) открывается клапаном АТАС при низких частотах вращения двигателя и закрывается при высоких.

Система впрыска топлива

Судя по всему, очевидным методом решения всех проблем, связанных с наполнением камеры сгорания двухтактного двигателя топливом и воздухом, не говоря уже о проблемах высокого расхода горючего и вредных выбросов, является использование системы впрыска топлива. Однако, если топливо не подводится непосредственно в камеру сгорания, все еще остаются характерные проблемы с фазой наполнения и эффективностью двигателя. Проблема, связанная с непосредственным впрыском топлива в камеру сгорания, заключается в том. что топливо может быть подано только после того, как впускные окна будут закрыты, следовательно, остается мало времени для распыливания и полного перемешивания топлива с воздухом, находящимся в цилиндре (который поступает из кривошипной камеры, как в традиционных двухтактных двигателях). Это порождает другую проблему, так как давление внутри камеры сгорания после закрытия выпускного окна велико, и она быстро нарастает, следовательно, топливо должно подаваться при еще более высоком давлении, иначе оно просто не будет истекать из форсунки. Это требует довольно крупногабаритного топливного насоса, что влечет за собой проблемы связанные с увеличением веса, габаритов и стоимости.Aprilia решила эти проблемы, применив систему, называемуюDITECH, основанную на конструкции австралийской компании,PeugeotиKymmcoразработали подобную систему. Форсунка в начале цикла двигателя подает струю топлива в отдельную закрытую вспомогательную камеру, содержащую сжатый воздух (подаваемый либо от отдельного компрессора, либо по каналу с обратным клапаном от цилиндра]. После того, как выпускное окно закрывается, вспомогательная камера сообщается с камерой сгорания через клапан или сопло, и смесь подается непосредственно к свече зажигания. Aprilia претендует на снижение вредных выбросов на 80 %, достигаемое за счет снижения не 60 % расхода масла и на 50 % расхода горючего, кроме того, скорость скутера с такой системой на 15 % выше скорости такого же скутера со стандартным карбюратором.

Главное преимущество применения непосредственного впрыска в том. что по сравнению с обыкновенным двухтактным двигателем исчезает необходимость предварительного перемешивания топлива с маслом для смазки двигателя. Смазка улучшается, поскольку масло не смывается топливом с подшипников и, следовательно, требуется меньшее количество масла, в результате чего снижается токсичность. Сгорание топлива также улучшается, а нагарообразование на поршнях, поршневых кольцах и в выпускной системе снижается. Воздух по-прежнему подается через кривошипную камеру (его расход определяется дроссельной заслонкой, связанной с ручкой газа мотоцикла) Это означает, что масло все еще сгорает в цилиндре, и смазка и смазка не столь эффективна, как хотелось бы. Однако результаты независимых испытаний говорят сами за себя. Все, что теперь необходимо-обеспечить подвод воздуха, минуя кривошипную камеру.

Статью прочитали: 880

Фазы газораспределения четырехтактных двигателей.
Дайджест от Михаила Сорокина (aka Sharoka)

Выпускной клапан начинает открываться в конце процесса расширения с опережением относительно НМТ на угол Фо.в ~30 –75 град. И закрывается после ВМТ с запаздыванием на угол Фз.в, когда поршень движется в такте наполнения к НМТ. Начало открытия и закрытие впускного клапана также сдвинуты относительно мертвых точек: открытие начинается до ВМТ с опережением на угол Фо.вп, а закрытие происходит после НМТ с запаздыванием на угол Фз.вп в начале такта сжатия. Большая часть процессов выпуска и наполнения протекает раздельно, но около ВМТ впускной и выпускной клапаны открыты одновременно. Продолжительность перекрытия клапанов невелика у поршневых двигателей. Общая продолжительность газообмена составляет 400 –520 град. , у высокооборотных двигателей она больше.

Периоды газообмена.

Периоды газообмена различают, руководствуясь величиной направления и скорости во впускных или выпускных клапанах и направлением движения поршня.

Свободный выпуск. От начала открытия выпускного клапана до НМТ продолжается свободный выпуск. Истечение газов из цилиндра при увеличении его объема происходит следствии того, что давление в начале выпуска и вплоть до НМТ выше, чем в выпускном патрубке. Температура газов в цилиндре в начале такта выпуска 1300 –700 град. Скорость истечения газов 720 –550 м/сек. В НМТ температура и скорость понижаются до значений, характерных для принудительного выпуска.

Принудительный выпуск. Продолжается от НМТ до ВМТ.
Средняя скорость в клапанной щели 80 –250 м/с. Давление в цилиндре в начале открытия впускного клапана выше давления во впускном трубопроводе, продукты сгорания вытекают одновременно через выпускной клапан и открывающийся впускной клапан, происходит так называемый заброс продуктов сгорания во впускной трубопровод. Заброс продолжается и после ВМТ. Поэтому наполнение начинается с запаздыванием.

Наполнение. От ВМТ до НМТ происходит наполнение. Скорость в клапанной щели 80 –200 м/с.

Дозарядка. Поле НМТ – при перемещении поршня в направлении ВМТ в такте сжатия – давление в цилиндре остается некоторое время меньше давления перед впускным клапаном, несмотря на уменьшение объема цилиндра

Процессы воспламенения и горения

Окислительные процессы являются процессами перемещения электронов с орбит атомов или ионов окисляющегося вещества на орбиты атомов или ионов окислителя. Для такого перемещения электронов необходима энергия, которая подводится к молекулам в начале реакции в виде кинетической энергии при соударениях. Число соударений и их энергия зависят от концентрации реагентов в смеси и температуры и могут быть определены для гомогенных и гетерогенных смесей из законов молекулярной физики.

Развитию теории окисления углеводородов положила начало перекисная теория окисления, предложенная А. Н. Бахом в 1897 г. по которой окисление происходит через промежуточные образования перекисей, обладающих большей окислительной способностью, чем молекулярный кислород.

Предложенная в 1903 г. гидроскиляционная теория была заметным началом в познании последовательности промежуточных реакций. Согласно этой теории, на некоторой стадии происходит распад молекул кислорода на атомы и внедрение последних между атомами углерода и водорода углеводородов с образованием молекул, содержащих группу ОН и ускоряющих окислительные процессы.

Н. Н. Семеновым в 1927 г. была высказана идея о возможности цепных реакций (существование которых было обнаружено В. Нернстом в 1919 г.) при окислении углеводородов. Эта идея была развита впоследствии в стройную теорию цепных окислительных процессов, объясняющую процессы воспламенения и сгорания топлив и объединившую в себе перекисную и гндроксиляцнонную теории.

Согласно этой теории, окисление идет через последовательность промежуточных реакций образования промежуточных продуктов, осуществляющих переход реагирующей системы от исходного состояния к конечным продуктам. Такими промежуточными продуктами могут быть перекиси, молекулы и их «осколки» с группой ОН, атомы водорода и кислорода, свободные радикалы ОН, СН, СН2 . Наиболее химически активные из них (атомы, радикалы) играют очень важную роль активных центров реакций: появление одного из них может повлечь за собой лавинообразную массу превращений в реагирующей системе, в которых участвуют конечные продукты окисления и менее активные насыщенные молекулы углеводородокислородных соединений (альдегиды, спирты, аминокислоты), способствующие образованию все новых активных центров.

В зависимости от условий в зоне реакции может развиваться неразветвленная или разветвленная цепная реакция . В первом случае вместо одного активного центра образуется один новый, и реакция идет до тех пор, пока не израсходуются реагенты или реакция не оборвется в результате местных неблагоприятных условии (мало число соударений активных частиц промежуточных продуктов из-за малой концентрации реагентов или пониженной температуры, замедляющее каталитическое действие некоторых реагентов, стенок камеры сгорания).

Во втором случае в результате реакции в одном активном центре могут образоваться два или больше новых активных центров; как следствие, реакция окисления саморазгоняется, несмотря на то, что концентрации реагентов уже начали убывать. Процесс ускоряется, так как возрастают энергия соударений и в результате дробления молекул – число центров реакций. При разветвленной цепной реакции скорость сгорания могла бы быстро увеличиться до бесконечности. Однако этого не происходит, так как часть ответвлений в реакции обрывается (главным образом около стенок камеры сгорания), а число частиц, вступающих в реакцию, уменьшается по мере расходования смеси. Достигнув максимальной величины, скорость реакции начнет уменьшаться.

После того как в реакцию вступит достаточно много молекул, отвод теплоты от заряда в стенки и на испарение топлива будет компенсироваться выделяющейся теплотой окисления (момент теплового равновесия) и в камере установится так называемая критическая температура Гкр, или температура воспламенения смеси, по достижении которой начинается быстрое общее повышение температуры и давления. Момент теплового равновесия можно заметить, если индикатором давления записать сначала изменение давления в камере без впрыска топлива, а затем при впрыске.

При записи давлений достаточно чувствительным датчиком можно заметить, что после точки, в которой начался впрыск топлива, линия давлений сначала пойдет ниже линии сжатия без впрыска топлива, а затем в точке 2 пересечет линию сжатия и быстро начнет подниматься. Отставание линии давления в начале впрыска объясняется затратой теплоты на прогрев и испарение капель впрыснутого топлива; если датчик давлений не очень чувствителен, то разность давлений в камере при впрыске топлива и без него можно не заметить, так как они сольются в одну линию. Однако в некоторый момент времени соответствующий точке 2 . линии разойдутся. Можно, следовательно, отметить существование скрытого периода окислительных процессов между точками 1 и 2 , когда сгорание как бы отсутствует или запаздывает по сравнению с подачей топлива. Этот период называют периодом индукции или периодом задержки воспламенения топлива и обозначают Тi (в секундах) или Фi (в градусах).

Измеренный по индикаторной диаграмме угол Фi будет зависеть от чувствительности датчика давлений: чем он чувствительнее и чем точнее записывающая часть индикатора зафиксирует сигнал датчика, тем меньше окажется угол Фi и тем точнее он будет определен. Ясно, что угол Фi зависит от физико-химических свойств топлива и условий paзвития окислительных процессов в камере. Более глубокое изучение процессов в период самовоспламенения топлива с использованием химических, оптических и ионных методов позволило установить, что в цепочно-тепловой теории воспламенения при различных условиях могут преобладать цепочные или тепловые процессы, вследствие чего А. С. Соколиком были выдвинуты гипотезы низкотемпературного многостадийного к высокотемпературного одностадийного воспламенения.

Согласно теории низкотемпературного воспламенения сначала в камере развиваются предпламенные окислительные процессы с образованием промежуточных продуктов в достаточно большом объеме смеси. Теплоты при этом выделяется недостаточно для резкого ускорения реакций окисления; кроме того, превращения идут в многостадийном процессе с накоплением в результате местного недостатка кислорода сначала спиртов, альдегидов (формальдегид НСНО, акролеин СН2 СНСНО, ацеталь-альдегид или уксусный альдегид СНзСНО), окиси углерода, а затем перекисей и радикалов. В результате таких процессов в камере сгорания возникает так называемое холодное пламя ‑голубое свечение, являющееся результатом оптического возбуждения молекул формальдегида и радикала НСО. В этот период времени TI (рис. 54 , кривая 1 ) давление в камере не увеличивается или даже снижается; температура, при которой начинается и заканчивается свечение, составляет 440 –670 К, практически не изменяясь.

Во втором периоде т3 идет процесс окисления альдегидов н образование перекисей нового типа, химически более активных; становится заметным увеличение давления на дельта Р холл плам в результате повышения температуры холодного пламени (от нескольких десятков до сотен градусов) .

В дальнейшем появляется вторичное, более интенсивное свечение; накопление активных перекисей, радикалов и атомов приводит к тепловому местному взрыву в конце периода тiи образованию очага сгорания. Такие процессы в период задержки самовоспламенения топлива с характерным преобладанием в них цепных многостадийных химических превращений имеют место при относительно низких температурах и мало зависят от температуры; при этом период TI с повышением температуры сокращается и мало зависит от давления, а период Т2 , наоборот, увеличивается с повышением температуры и уменьшается с возрастанием давления.

Низкотемпературное многостадийное воспламенение свойственно для парафинов и нафтенов и имеет место в дизелях, при этом, чем выше цетановое число топлива, тем короче период т,. Таких очагов может образоваться в камере и даже в одном факеле несколько в точках где создаются наиболее благоприятные для этого условия сочетание температуры, давления и меняющегося в процессе образования очага сгорания состава смеси (от а«0 ,1 в начале до а=1 в конце), обычно под поверхностью факела, на некотором удалении от сопла форсунки в зоне повышенных температур (со стороны выпускных каналов, над нагретыми поверхностями).

Длительность та и число образующихся очагов сгорания, как показывают эксперименты, мало зависят от тонкости распыливания топлива, так как даже при очень грубом распыливании оказывается достаточное для воспламенения количество мелких капель. Увеличение угла опережения впрыска топлива удлиняет период задержки воспламенения для всех сортов топлива, так как процессы прогрева, испарения топлива и разгона химических реакций начинаются при более низких температурах; интенсификация турбулентности увеличивает период Тi вследствие снижения температуры и концентрации паров топлива в вероятной точке образования очага сгорания.

Высокотемпературное воспламенение (кривая 2 ) имеет место при высоких начальных температурах (800 - 1200 К) и представляет собой непрерывный процесс цепных химических самоускоряющихся в результате выделения теплоты превращений. Мощный тепловой толчок, вызывающий ускорение процессов, приводящих к образованию очага сгорания, можно осуществить электрическим разрядом между электродами свечи зажигания при напряжении (8 –15 )103 В. При высоких температурах в канале или шнуре разряда (Т более 10000 ) образуется очаг сгорания небольшого объема. Это означает, что в данном объеме процессы прогрева, распада, ионизации молекул топлива и кислорода и воспламенение происходят столь быстро (через состояние плазмы), что укладываются в период разряда, длительность которого не превышает (1 –2 ) 10 ~5 с. Естественно предположить, что это возможно в гомогенной, достаточно однородной смеси.

Если объем образовавшегося очага сгорания достаточно велик, а времени его существования достаточно для прогрева и воспламенения окружающих слоев смеси, то процесс сгорания начинает распространяться, и через некоторое время т; (период задержки воспламенения) на индикаторной диаграмме давлений можно будет заметить отрыв линии давления в процессе начавшегося его рания от линии давления сжатия, которую можно эд-писать при выключенном зажигании. Если же объем очага сгорания и длительность его поддержки разрядом оказались недостаточными, то очаг затухает к сгорание не развивается.

Опытами установлено, что период задержки воспламенения зависит от сорта топлива, состава смеси, темпера туры и давления смеси в конце сжатия, я также от мощности электрического разряда. Чем ниже температура воспламенения топлива и его термическая стабильность тем короче период задержки воспламенения; период задержки сокращается с обогащением смеси (до а=0 ,4 –0 ,6 и ниже), повышение температуры и давления смеси снижает Тi, повышение мощности разряда снижает Тi тем сильнее, чем неблагоприятнее другие условия самовоспламенения.

Высокотемпературное воспламенение характерно для всех двигателей с электрическим зажиганием, а также для дизелей при использовании топлива с большим содержанием ароматиков.

В двигателях с электрическим зажиганием образование очага сгорания в результате действия искры сопровождается насыщением его объема продуктами сгорания и образованием слоя – раздела между негорящей смесью и образовавшимися продуктами сгорания. В этот слой со стороны смеси в результате диффузии поступают молекулы топлива и окислителя, а со стороны очага сгорания – продукты сгорания и теплота. Образуется так называемый ламинарный фронт пламени (рис. 55 , а ) толщиной 6 в несколько десятых миллиметра и площадью в несколько квадратных миллиметров. Температура в этом слое резко изменяется от Тсм до Гвс. что способствует ускорению диффузионных процессов н образованию зоны прогрева толщиной бп и,зоны химических реакций толщиной б», в которой концентрации молекул топлива Ст и кислорода Со, постепенно уменьшаются. Пламя начинает перемещаться в сторону горючей смеси перпендикулярно к поверхности фронта с так называемой нормальной скоростью Uи.

Опытами в бомбах установлено, что распространение сгорания по объему возможно только при определенных составах горючих смесей, ограниченных как минимальными, так и максимальными значениями а, различными для разных условий сгорания (температура, давление, количество инертных газов), В табл. 7 даны концентрационные пределы распространения пламени в воздушных смесях топлив при атмосферных условиях во время испытаний в бомбе.

Нормальные скорости Uи находятся в большой зависимости от состава смесей (рис.56 ) и имеют максимальные значения в смесях с воздухом при а от0 ,5 (для оки си углерода) до 1 ,1 (для метана). Для бензино и спиртовоздушных смесей Uи имеет место при а=0 ,85 –0 ,95 При повышенных температурах и давлениях концентрационные пределы горючести расширяются, а скорости Uи повышаются, с увеличением остаточных газов в смеси концентрационные пределы сужаются, а скорости Uи уменьшаются.

Ускорению распространения сгорания по объему камеры способствуют возникающие мелкомасштабные пульсации, масштаб которых не превышает толщины 6 , (мелкомасштабная или микротурбулентность), и крупномасштабные пульсации – макротурбулентность, возникновение которой связано с вихреобразованием во время наполнения и сжатия.

Микротурбулентность способствует увеличению Uи в результате интенсификации диффузии и замены кондуктивной теплопроводности в зоне прогрева турбулентной; макротурбулентность искривляет фронт пламени по мере его развития, а затем и разрывает его (см. рис. 55 , б ). Поверхность и толщина фронта увеличиваются (последняя до 25 мм); объемы реагирующих компонентов внедряются в зоны прогрева и в негорящую смесь, которая вследствие нагрева поджимается. В результате скорость перемещения фронта пламени в сторону смеси повышается до 15 –80 м/с; ее называют турбулентной скоростью Uт. Количество смеси, сгорающей в единицу времени, возрастает. В результате увеличения скорости тепловыделения возрастают скорости повышения температуры и давления в цилиндре двигателя (см. рис. 53 ).

После того как пламя распространится по всему объему камеры сгорания, количество смеси, вступающей в реакцию, уменьшается. Снижается и скорость реакций, так как концентрации топлива и окислителя в зонах сгорания уменьшаются, а концентрация продуктов сгорания увеличивается. Вместе с возрастающим отводом теплоты в стенки камеры сгорания и объемом цилиндра с началом перемещения поршня от в. м. т. это приводит к тому, что давление, достигнув максимального значения при положении поршня, соответствующем углу Фi начинает снижаться.

Надежно записанных диаграмм изменения температур в процессе сгорания еще недостаточно для количественной характеристики процессов сгорания и обобщений. Однако установлено, что температуры, полученные из уравнении состояния газов в различные моменты сгорания и расширения при использовании давлений из индикаторных диаграмм н известных конструктивных объемов камеры сгорании н цилиндра, также возрастают в процессе сгорании и достигают максимальных значений в момент Фi (см. рис. 53 ), позднее момента достижения максимальных давлений. Последнее обстоятельство объясняется совместным влиянием увеличения объема газа вследствие перемещения поршня от ВМТ и продолжающимся подводом теплоты к газу.

При некоторых условиях описанный нормальный процесс сгорания может нарушаться, что отражается на мощности и экономичности работы двигателя, шумности, токсичности отработавших газов, надежности и сроке работы двигателя. К таким нарушениям сгорания относят следующие.

1 . Пропуски вспышек в цилиндрах, появляющихся в результате переобеднения смеси, пропусков в искрообразовании или в результате малой мощности искры; двигатель при этом не запускается или не развивает мощности.

2 . Вспышки во впускной системе; могут иметь место в результате малой скорости сгорания в цилиндрах, главным образом из-за переобеднения смеси или позднего зажигания; смесь в этих случаях продолжает гореть даже в такте выпуска и при значительном перекрытии фаз действия выпускных и впускных клапанов может зажечь смесь во впускной системе, что воспринимается как хлопок в карбюраторе.

3 . Преждевременное, до появления искр, самовоспламенение смеси в цилиндрах, которое возможно при местном перегреве поверхностей камеры сгорания (выпускные клапаны, свечи зажигания, отдельные участки головки цилиндра или поршня) или перегрева нагара на этих поверхностях (калильное зажигание); снижение мощности двигателя из-за чрезмерного противодавления в конце хода поршня к ВМТ, его перегрев, неясно выраженные на общем шумовом фоне глухие стуки, возникающие вследствие больших скоростей повышения давления и увеличения их максимальных значений, – признаки калильного зажигания.

4 . Детонация – сложный химико-тепловой процесс, развивающийся в горючей смеси при особых условиях; внешними признаками детонации являются появление звонких металлических звуков в цилиндрах двигателя, снижение мощности и перегрев двигателя, выброс из выпускной системы черного дыма; в темноте замечается зеленоватая окраска пламени, выбрасываемого из коротких выпускных патрубков двигателей, имеющих поршни из легких сплавов; на индикаторной диаграмме, записанной при детонации, в зоне максимальных давлений отмечается их резкое колебание в виде острых пиков.

Возникновению детонации и ее интенсификации способствуют нестойкие в отношении детонации топлива с малыми октановыми числами; обогащенные (а = 0 .9 ) составы смеси; высокая степень сжатия; большие нагрузки на двигатель; снижение частоты вращения вала двигателя; чрезмерно большой угол опережения зажигания; высокие температуры и давление на впуске в двигатель; перегрев камеры сгорания; увеличение размеров цилиндров.

Детонационное сгорание возникает в наиболее удаленном от свечи зажигания месте, расположенном около горячих стенок. Смесь до прихода фронта пламени нормального сгорания успевает в таких местах сильно перегреться и подвергается интенсивному сжатию при распространении фронта пламени, что способствует быстрому развитию в ней предпламенных реакций с образованием и накоплением химически активных промежуточных продуктов (радикалы, перекиси, атомы водорода и кислорода). В результате таких процессов возникает, самовоспламенение смеси с самоускоряющимися процессами. Сгорание приобретает взрывной характер с резким местным повышением температуры и образованием ударной волны давления; скорость ее перемещения в камере может дойти до 1000 –2300 м/с. Отражаясь от стенок камеры сгорания, ударная волна образует новые волны и новые очаги воспламенения, приводящие к развитию диссоциации с образованием окиси углерода, атомарных углерода, водорода, кислорода и поглощением большого количества теплоты. Продукты диссоциации и несгоревшая часть топлива догорают в процессе расширения неполностью и с меньшей эффективностью, мощность и экономичность снижаются, а перегрев двигателя и дымление на выпуске увеличиваются тем сильнее, чем в большем объеме смеси развивается детонация. Ударные волны, действуя локально и кратковременно, не повышают работу газов, но резко увеличивают теплоотдачу в стенки, механические и тепловые ударные нагрузки на детали, газовую коррозию поверхностей, особенно днищ поршней. Длительная работа двигателей с детонацией недопустима.

5 . Вспышки в выпускной системе, сопровождаемые звуками, похожими на выстрелы; такие вспышки являются следствием воспламенения накопившейся там горючей смеси при пропусках вспышек в цилиндрах или сажи, срываемой с нагретых стенок при внезапном нагружении двигателя. В дизелях после образования в камере сгорания очагов сгорания вокруг них формируется фронт пламени; выделение теплоты и расширение продуктов сгорания приводит к образованию тепловой волны и поджатию смеси. Это ускоряет предпламенные реакции и образование новых очагов сгорания. Поддержание сгорания в очагах и образование новых очагов в неоднородной смеси начинает лимитироваться не скоростью химических реакций окисления, а скоростью образования смеси горючих составов. Поэтому при температурах выше 1000 К факторами, определяющими скорость выгорания топлива, становится диффузионные процессы и вихревые движении заряда.

Если за время задержки воспламенения впрыснуто много топлива, то возникает и большее число очагов. В результате этого резко ускоряются химические реакции и образование новой смеси; скорости тепловыделения и нарастания давлений могут оказаться слишком большими, а сгорание будет характеризоваться как «жесткое».

Снижение температуры и давления заряда в конце сжатия может быть следствием засорения воздушного фильтра, закоксовывания клапанов и щелей газораспределительных органов, потери плотности клапанов и поршневых колец, изменения фаз газораспределения, попадания масла в воздух.