Текст книги "Мотоциклы"

Автор книги: Федор Жигарев

Соавторы: Сергей Карзинкин
сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 21 страниц)

При перемещении от нижней мертвой точки к верхней поршень вначале перекрывает своей боковой стенкой продувочное окно, а затем открывает впускное окно. Так как при перемещении поршня к верхней мертвой точке объем кривошипной камеры увеличивается, в камере создается разрежение. Атмосферный воздух, проходя через смесительную камеру карбюратора, под действием разрежения подхватывает капельки горючего, выходящего из распылителя карбюратора, обдувая их, тем самым способствует испарению.

Образующаяся горючая смесь поступает в кривошипную камеру. Испарение оставшихся в горючей смеси капелек горючего будет продолжаться в кривошипной камере за счет отбора тепла от горячих стенок цилиндра, поршня и кривошипной камеры. Когда поршень дойдет до верхней мертвой точки, давление горючей смеси в кривошипной камере достигнет 0,8 кг/см².

В дальнейшем, при перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней, объем кривошипной камеры начинает уменьшаться, но на некотором участке хода поршня горючая смесь продолжает поступать из карбюратора в кривошипную камеру, так как в этот период давление в камере ниже, чем внешнее. Впускное окно закрывается в момент выравнивания внешнего давления и давления в кривошипной камере. После закрытия впускного окна давление горючей смеси продолжает повышаться за счет ее сжатия и нагревания от стенок поршня и цилиндра.

При подходе к нижней мертвой точке поршень сначала откроет выпускное, а затем и продувочное окно. К моменту открытия продувочного окна давление в кривошипной камере достигнет 1,3 кг/см². После открытия продувочного окна горючая смесь из кривошипной камеры поступает на продувку цилиндра и при положении поршня в нижней мертвой точке давление в кривошипной камере упадет до 1,02—1,05 кг/см². Температура рабочей смеси равна при этом 100–150 °C.

Окончание впуска и сжатие рабочей смеси

При положении поршня в нижней мертвой точке продолжается поступление горючей смеси из кривошипной камеры в цилиндр двигателя (рис. 12, в).

Поскольку давление рабочей смеси в картере двигателя несколько больше, чем в цилиндре, то в начале перемещения поршня от нижней мертвой точки к верхней продолжается продувка цилиндра горючей смесью. При этом горючая смесь перемешивается с остаточными газами. Продувка закончится в момент перекрытия поршнем продувочного окна.

При дальнейшем перемещении поршня вверх некоторая часть рабочей смеси выталкивается поршнем в выпускное окно и только после перекрытия поршнем выпускного окна начинается сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя. Поэтому перемещение поршня от нижней мертвой точки до момента перекрытия поршнем выпускного окна называется потерянным ходом.

Остальная часть хода до верхней мертвой точки называется полезным ходом.

В процессе сжатия рабочая смесь в цилиндре двигателя нагревается, и к концу сжатия давление в цилиндре достигает 5–7 кг/см², а температура 350–400 °C.

На рис. 13 показано изменение давления в цилиндре двигателя в такте сжатия.

Рис. 13. Процесс сжатия в двухтактном двигателе: V_c —объем камеры сгорания; рабочий объем цилиндра; а' – начало сжатия; с'' – конец сжатия; Z – конец видимого горения; е – начало выпуска.

На линии ОР отложено в масштабе давление (Р, кг/см²) в цилиндре двигателя, на линии OV – объем цилиндра. Расстояние V_c соответствует объему камеры сгорания, V_h– рабочему объему цилиндра.

Отложим на линии ОР расстояние ОР₀, соответствующее давлению в 1 кг/см², и проведем через точку Р₀ линию, параллельную линии OV. Линия Р₀а, называемая атмосферной линией, соответствует давлению внешнего воздуха. Линия a'с'' показывает изменение давления в цилиндре в такте сжатия.

Давление и температура рабочей смеси в конце сжатия в цилиндре двухтактного двигателя будут меньше, чем у подобного четырехтактного двигателя. Это в основном вызывается утечкой рабочей смеси из цилиндра за счет запаздывания закрытия выпускного окна и повышенным содержанием в рабочей смеси отработавших газов.

При перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней до момента перекрытия поршнем продувочного окна горючая смесь из кривошипной камеры продолжает поступать в цилиндр двигателя После перекрытия поршнем продувочного окна в кривошипной камере снова создается разрежение и снова горючая смесь поступает из карбюратора в кривошипную камеру.

Расширение, выпуск и начало продувки

В конце хода сжатия осуществляется зажигание рабочей смеси искрой, проскакивающей между электродами запальной свечи.

Воспламенение рабочей смеси начинается несколько ранее верхней мертвой точки (в точке с' на рис. 14) и продолжается после того, как поршень после верхней мертвой точки начнет перемещаться к нижней мертвой точке.

Рис. 14. Процесс сгорания – расширения в двухтактном двигателе: а' – начало сжатия; а – конец выпуска; с' – момент зажигания; с'' – конец сжатия; Z – конец видимого горения; е – начало выпуска.

При правильно подобранном моменте зажигания и наивыгоднейшем соотношении горючего и воздуха в рабочей смеси максимальное давление в цилиндре двигателя наступит, когда коленчатый вал повернется на 15–20° после верхней мертвой точки. При полном открытии дроссельного золотника максимальное давление достигнет 30–35 кг/см², температура газов в этот момент повысится до 2000–2200 °C.

При дальнейшем перемещении поршня вниз происходит догорание рабочей смеси и расширение газов.

К моменту открытия выпускного окна давление в цилиндре уменьшается До 3–5 кг/см² и температура газов – до 700-1000 °C.

После открытия выпускного окна давление в цилиндре резко падает. Через 5—15° поворота коленчатого вала после открытия продувочного окна оно равно примерно 1,2–1,25 кг/см², т. е. из цилиндра к этому моменту выйдет почти 70 % всего объема отработавших газов. При перемещении от верхней мертвой точки к нижней поршень снова сжимает в кривошипной камере поступившую туда из карбюратора горючую смесь. С момента открытия продувочного окна начинается выталкивание поступающей из кривошипной камеры горючей смеси и находящихся еще в цилиндре отработавших газов. При этом происходит частичное перемешивание горючей смеси с остаточными газами, а также выбрасывание части рабочей смеси вместе с отработавшими газами в выпускную трубу. Это вызывает уменьшение наполнения цилиндров горючей смесью и увеличение расхода горючего.

При положении поршня в нижней мертвой точке давление в цилиндре двигателя падает до 1 кг/см².

На рис. 15 показано изменение давления в цилиндре двигателя во время тактов сжатия и расширения.

Рис. 15. Среднее индикаторное давление двухтактного двигателя: а – начало сжатия; с" – конец сжатия; Z – конец видимого горения; е – начало выпуска.

Как и в четырехтактном двигателе, полезная работа, развиваемая за один рабочий цикл, в двухтактном двигателе равна разности работ – работы, получаемой при расширении, и работы, затрачиваемой на сжатие. Полезная работа двигателя на рис. 15 показана в виде площади, ограничиваемой кривой ac"Zea.

Для удобства определения индикаторной мощности построим прямоугольник, площадь которого равна площади, ограничиваемой кривой ac"Zca, а длина соответствует расстоянию, проходимому поршнем от одной мертвой точки до другой. В этом случае высота прямоугольника будет равна средней высоте индикаторной диаграммы, которая в масштабе, отложенном на вертикали, соответствует среднему индикаторному давлению.

Индикаторная мощность для двухтактного двигателя определяется так же, как и для четырехтактного, с той лишь разницей, что число циклов для двухтактного двигателя будет равно числу оборотов коленчатого вала двигателя.

В отличие от четырехтактных двигателей, степень сжатия двухтактного двигателя имеет два значения: номинальная степень сжатия и действительная степень сжатия.

Номинальной степенью сжатия называется отношение суммы объема камеры сжатия и рабочего объема цилиндра к объему камеры сжатия. Под рабочим объемом цилиндра подразумевается объем, описываемый поршнем при его перемещении от одной мертвой точки до другой.

Действительной степенью сжатия называется отношение объема камеры сжатия и полезного объема цилиндра в момент закрытия органов газораспределения к объему камеры сжатия.

Полезным объемом цилиндра называется объем, описываемый поршнем при его перемещении от верхнего края выпускного окна до верхней мертвой точки.

6. Требования, предъявляемые к мотоциклетным двигателям

Мотоциклетные двигатели работают в различных атмосферных дорожных условиях при переменной нагрузке и переменном числе оборотов и должны обеспечивать достаточную скорость движения и экономичную работу мотоцикла.

К современным мотоциклетным двигателям предъявляется ряд требований по следующим основным показателям, оказывающим существенное влияние на ходовые качества мотоцикла: надежность работы и долговечность, экономичность работы на стандартном для данного двигателя горючем, приемистость, уравновешенность, равномерность хода, достаточная литровая мощность, небольшой удельный вес, малые габариты, простота ухода за двигателем и его ремонта.

Надежность работы и долговечность двигателя зависят от качества применяемого для его изготовления материала, точности обработки и подгонки деталей, а также от качества применяемых горючего и масла. Большое влияние на надежность работы и долговечность двигателя оказывает поддержание нормального теплового режима работы двигателя в процессе эксплуатации.

Экономичность работы двигателя обеспечивается небольшими потерями (на трение внутри двигателя, на заполнение цилиндров горючей смесью и на выпуск отработавших газов из цилиндра), наиболее выгодным соотношением горючего и воздуха в горючей смеси для каждого режима работы двигателя, а также наиболее полным сгоранием горючего внутри цилиндра двигателя.

Приемистость двигателя – способность двигателя быстро увеличивать обороты и мощность при резком открытии дроссельного золотника карбюратора. Приемистость двигателя зависит от качества работы карбюратора и системы распределения, обеспечивающих быстрое изменение нагрузки двигателя. Чем больше приемистость двигателя, тем при прочих равных условиях выше способность мотоцикла набирать скорость, а следовательно, обеспечивать высокую среднюю скорость движения.

Уравновешенным является такой двигатель, у которого силы, действующие на раму мотоцикла, при установившемся режиме его работы постоянны по величине и направлению. Это значит, что двигатель, а с ним и рама мотоцикла, не колеблются в вертикальном и горизонтальном направлениях вследствие изменения величины и направления действия сил, возникающих в работающем двигателе. Чем уравновешеннее двигатель, тем меньше колебаний в раме, руле и других агрегатах и механизмах мотоцикла, влияющих непосредственно на плавность движения и утомляемость водителя.

Равномерность хода двигателя – способность двигателя незначительно изменять скорость вращения коленчатого вала в период между следующими один за другим рабочими ходами. Равномерность хода зависит от числа цилиндров, массы маховика, числа оборотов коленчатого вала и равномерности чередования вспышек в цилиндрах двигателя. Маховик, накапливающий живую силу в момент рабочего хода, отдает ее затем на поддержание скорости вращения коленчатого вала. Живая сила маховика затрачивается на преодоление трения в двигателе, на выпуск отработавших газов, впуск горючей смеси и на сжатие ее. Вследствие этого скорость вращения коленчатого вала двигателя уменьшается к началу следующего рабочего хода. Если маховик обладает достаточной массой и чередование вспышек происходит через равномерные и небольшие отрезки времени, то скорость вращения коленчатого вала двигателя между следующими один за другим рабочими ходами будет уменьшаться незначительно. Чем выше равномерность вращения коленчатого вала двигателя, тем плавнее ход мотоцикла.

Литровой мощностью двигателя называется мощность, приходящаяся на один литр рабочего объема двигателя. Большая литровая мощность может быть получена при условии, если двигатель обладает хорошим наполнением цилиндров горючей смесью при высоких оборотах коленчатого вала и наиболее полным сгоранием ее внутри цилиндров. Повышению литровой мощности способствует также наличие высокой степени сжатия.

Мотоциклетные двигатели должны обладать большой литровой мощностью, так как в этом случае для получения необходимой мощности на мотоциклах могут быть установлены двигатели с малым рабочим объемом, а следовательно, и с малым весом.

Удельным весом двигателя называется вес, приходящийся на одну единицу номинальной мощности двигателя (на 1 л. с.). Снижение удельного веса двигателя обеспечивается изготовлением его из легких и прочных материалов, а также увеличением его литровой мощности. Чем ниже удельный вес двигателя, тем при прочих равных условиях он в большей степени способен обеспечить высокую среднюю скорость движения мотоцикла.

Малые габариты двигателя обеспечивают удобное его расположение на раме, уменьшение лобового сопротивления мотоцикла и понижение его центра тяжести. Малые габариты достигаются благодаря большой литровой мощности двигателя и компактному размещению его деталей.

Простота ухода за двигателем него ремонта уменьшают потребное для этого время и облегчают эксплуатацию мотоцикла.

Глава IV
КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ

1. Цилиндры

Цилиндр мотоциклетного двигателя служит для направления движения поршня.

Цилиндр представляет собой отливку. Его внутренняя шлифованная поверхность называется зеркалом. Цилиндр обычно имеет фланец, с помощью которого он прикрепляется к картеру двигателя. Под фланцем выполнен направляющий поясок, которым цилиндр устанавливается в отверстие картера. У двигателей воздушного охлаждения на внешней поверхности цилиндра расположены ребра, увеличивающие поверхность охлаждения. У двигателей жидкостного охлаждения цилиндр окружен рубашкой, служащей для протекания жидкости, охлаждающей горячие стенки цилиндров. Сверху цилиндр закрыт головкой, в которой расположена камера сгорания. Головка также снабжена или ребрами, увеличивающими поверхность охлаждения головки, или рубашкой для охлаждающей жидкости.

В процессе работы двигателя цилиндр подвергается большим силовым нагрузкам в результате резко изменяющегося давления газов. При сгорании рабочей смеси газы давят на головку цилиндра, стремясь таким образом оторвать его от картера. Кроме того, поршень при своем перемещении в цилиндре опирается на его зеркало, что вызывает боковую нагрузку на цилиндр и износ его внутренней поверхности.

Цилиндр двигателя подвергается также значительным температурным нагрузкам, так как внутренние стенки его соприкасаются с горячими газами. Больше всего температурным нагрузкам подвергается головка цилиндра, в которой происходит сгорание рабочей смеси и которая больший период времени омывается горячими газами. Стенки цилиндра подвержены температурным нагрузкам в меньшей степени, так как горячие газы могут соприкасаться с ними лишь по мере перемещения поршня к нижней мертвой точке в процессе рабочего хода. Кроме того, при перемещении поршня на такте выпуска от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке поверхность соприкосновения горячих газов с зеркалом цилиндра постепенно уменьшается. Таким образом, на цилиндр двигателя действуют механическая и тепловая нагрузки. Поэтому цилиндры должны обладать достаточной прочностью. Они выполняются из чугуна, или чугунная гильза цилиндра имеет алюминиевое оребрение (рис. 16).

Рис. 16. Цилиндр с алюминиевым оребрением.

Цилиндры могут быть выполнены или отдельно, тогда каждый цилиндр крепится к картеру двигателя индивидуально, независимо один от другого, или в одном блоке.

Отдельное выполнение каждого цилиндра имеет то преимущество, что при повреждении одного из цилиндров он может быть легко заменен. Кроме того, отливка отдельных цилиндров более проста в производстве.

Блочное расположение применяется в том случае, когда необходимо при линейном расположении цилиндров установить их возможно ближе один к другому. Достоинство блочного расположения цилиндров по сравнению с отдельно выполненными заключается в большой их жесткости при меньшем весе. Недостатком такого расположения является большая сложность изготовления цилиндров и необходимость замены всего блока при повреждении одного из цилиндров.

Наиболее просты в изготовлении цилиндры, у которых клапаны расположены в головке (рис. 17).

Рис. 17. Цилиндр четырехтактного двигателя с верхним расположением клапанов.

В этом случае цилиндр имеет ребра, поверхность которых увеличивается к головке, фланец для крепления цилиндра к картеру и направляющий поясок. Ребра цилиндра размещены симметрично и только для размещения штоков системы распределения в ребрах сделаны вырезы. В верхней плоскости цилиндра иногда имеется выступающий поясок для посадки уплотняющей прокладки головки цилиндра и отверстия для ввертывания болтов, крепящих головку.

На рис. 18 изображен цилиндр четырехтактного двигателя мотоцикла М-72.

Рис. 18. Цилиндр двигателя мотоцикла М-72: 1 – фланец цилиндра; 2 – впускной патрубок цилиндра; 3 – гнездо клапана; 4 – выпускной патрубок цилиндра.

Гнезда клапанов 3 и патрубки 2 и 4 отлиты вместе с цилиндрами. Вместе с фланцем 1 цилиндра выполнена верхняя часть клапанной коробки, в которой расположены пружины клапанов. Во фланцах цилиндров сделано шесть отверстий для шпилек, соединяющих цилиндры с картером двигателя. На фланце левого цилиндра у направляющего пояска имеется кольцевая выточка, по которой масло из масленой магистрали поступает для смазки верхней части зеркала цилиндра. Кольцевая выточка сообщается с зеркалом цилиндра через три косых сверления в верхней части выточки.

На рис. 19 показан цилиндр двухтактного двигателя мотоцикла К1Б.

Рис. 19. Цилиндр двухтактного двигателя (разрез).

Его выполнение усложнено наличием впускных и выпускных окон и продувочных каналов. В нижней части зеркала цилиндра имеется фаска, облегчающая ввод поршня с кольцами, и выемка для шатуна.

Крепление цилиндров к картеру двигателя осуществляется, как правило, двумя способами:

1) фланец цилиндра крепится шпильками, ввернутыми в картер Двигателя;

2) цилиндры двигателя крепятся силовыми шпильками, проходящими через головку цилиндра.

Крепление цилиндров двигателя мотоцикла М-72 осуществляется шпильками. На боковых стенках картера двигателя расположены плоскости крепления цилиндров. На каждой плоскости в тело картера ввернуты шесть шпилек. Перед установкой цилиндра на плоскость устанавливается уплотнительная прокладка. Затем на шпильки надевается фланец цилиндра и закрепляется гайками. Достоинством этого способа крепления является простота изготовления крепежных деталей и легкость монтажа цилиндра. Головка цилиндра привертывается непосредственно к цилиндру восемью болтами. Недостаток такого крепления цилиндра заключается в том, что в процессе сжатия и особенно сгорания рабочей смеси газы, действуя на головку цилиндра, а через нее и на цилиндр, стремятся оторвать его от картера. Таким образом, во время работы двигателя цилиндры подвергаются большим переменным нагрузкам.

В плоскость алюминиевого картера двигателя мотоцикла M1А ввернуты четыре силовые шпильки, верхняя часть которых имеет резьбу. В эти шпильки свободно входят отверстия ребер цилиндра двигателя, уплотнительной прокладки и головки цилиндра. После этого на силовые шпильки навертываются гайки. В этом случае цилиндр оказывается зажатым между головкой цилиндра и картером двигателя и сам непосредственно к картеру не присоединяется. Достоинство этого способа крепления заключается в том, что головка цилиндров связана непосредственно с картером и поэтому цилиндры двигателя разгружены от осевых усилий, возникающих от действия давления газов на головку цилиндра. Недостатком этого способа крепления является некоторое усложнение в производстве деталей крепления.

Головки цилиндров мотоциклетных двигателей изготовляются обычно из алюминия и только в редких случаях из чугуна. Алюминиевые головки имеют то преимущество перед чугунными, что, обладая меньшим весом, они лучше отводят тепло, не коробятся и не растрескиваются при неравномерном нагреве их во время работы двигателя.

Головки цилиндров воздушного охлаждения имеют развитое оребрение, так как в процессе работы двигателя через стенки головок отводится максимальное количество тепла. Головки выполняются для каждого цилиндра отдельно или для двух цилиндров вместе.

В головке цилиндров имеется камера сжатия. Она должна обеспечивать хорошее наполнение цилиндра двигателя рабочей смесью, хорошее распространение пламени, без детонационного сгорания, и минимальные потери тепла.

В основном все камеры сжатия мотоциклетных двигателей можно разделить на три группы: полусферические, шатровые и вихревые.

На рис. 20 показана полусферическая камера сжатия двухтактного двигателя мотоцикла М1А.

Рис. 20. Головка цилиндра двигателя мотоцикла М1А с полусферической камерой сжатия: 1 – головка цилиндра; 2 – камера сжатия.

Полусферическая камера является наилучшей по своей форме, так как она обладает меньшей поверхностью отвода тепла к ребрам. Кроме того, в полусферической камере путь распространения пламени наиболее короткий.

У четырехтактных двигателей полусферические камеры обеспечивают хорошее наполнение цилиндров двигателя горючей смесью, так как горючая смесь поступает из карбюратора в цилиндр по наиболее прямому пути. Но полусферическая камера четырехтактных двигателей имеет более сложное устройство вследствие того, что в ней, кроме свечи, должны быть расположены клапаны.

Это в свою очередь усложняет привод к клапанам, тем более, что при полусферической камере клапаны расположены относительно друг друга под некоторым углом.

Шатровые камеры сжатия (рис. 21) по своей форме очень близки к полусферическим.

Рис. 21. Цилиндр с шатровой камерой сжатия.

Достоинство шатровых камер заключается в том, что в них обеспечивается удобное расположение клапанов максимального диаметра.

Полусферические и шатровые камеры имеют наибольшее распространение на современных мотоциклах, незначительная сложность их производства окупается высокой мощностью двигателей в результате хорошего наполнения цилиндров и хорошего использования тепла в камере сжатия.

Для четырехтактных двигателей дорожных и тяжелых мотоциклов применяется вихревая камера сжатия (рис. 22).

Рис. 22. Цилиндр с вихревой камерой сжатия.

Она расположена в стороне от цилиндра, над клапанами. Гнезда и направляющие втулки клапанов выполнены в теле цилиндра сбоку. При таком расположении клапанов горючая смесь, поступающая из карбюратора через клапан в камеру сжатия снизу вверх, после входа туда резко меняет свое направление и идет из камеры сжатия в цилиндр уже сверху вниз. При такой форме камеры увеличивается сопротивление горючей смеси на входе в цилиндр двигателя и, следовательно, уменьшается наполнение цилиндра. Достоинство этой камеры заключается в том, что пути распространения пламени удлиняются, сгорание рабочей смеси несколько замедляется и двигатель работает более мягко. Кроме того, при небольшом зазоре (2–3 мм) между днищем поршня и стенкой камеры сжатия обеспечивается охлаждение тонкого слоя рабочей смеси, находящейся в этом зазоре и наиболее удаленной от свечи. Это уменьшает способность рабочей смеси к детонационному сгоранию, так как охлажденная в зазоре рабочая смесь к моменту сгорания не успевает образовать с кислородом воздуха нестойкие соединения, сгорающие со взрывной скоростью.

Для уплотнения между головкой и плоскостью цилиндра устанавливаются прокладки, которые препятствуют сообщению с атмосферой в стыке плоскостей головки и цилиндра. Форма этих прокладок зависит от формы плоскости соприкосновения головки и цилиндра. Для изготовления прокладок применяются различные материалы. В частности, на двигателе мотоцикла М-72 прокладка выполнена из мелкой латунной сетки, в которую вплетены волокна асбеста. Перед установкой прокладка покрывается порошком графита, чтобы волокна асбеста не прилипали к плоскости головки и цилиндра. В настоящее время на двигателе мотоцикла М-72 применяется прокладка из алюминия. На некоторых мотоциклетных двигателях применяется прокладка из красной меди. Для увеличения упругости и лучшего уплотнения зазора на прокладке выштампованы канавки.