1. ВВЕДЕНИЕ
Век 2-тактных двигателей не закончился, проигрывая 4-тактным по выбросам СО, они существенно выигрывают по выбросам СН и NOх. И это без учета выбросов при прогревах двигателей. Понятно, что наличие сложного газораспределительного механизма требует у 4-тактных ДВС больше времени для выхода на температуру рабочих режимов. Происшедшее за последние 2-3 десятилетия почти полное снижение дымности выпуска, простота и дешевизна капитального ремонта существенно сказываются при оценке экономической целесообразности применения 2-тактных ДВС. Подробнее это можно прочитать в серии моих статей по мотопроизводству в оборонной промышленности СССР.
В отличие от дизельных 2-тактных ДВС карбюраторные (т.е. бензиновые) двигатели не имеют какой-либо теоретической базы. Книги В.В.Рогожина и др., Н.И.Слесаренко и др. сделали лишь попытку приблизиться к этой проблеме, но не сделали попытки аналитической оценке процессов. В связи с этим совершенствование двигателей шло пошагово от достигнутого экспериментальным путем в зависимости от понимания или заблуждения исследователей.
Одним из важнейших факторов, определяющих эффективность всех процессов в 2-тактном ДВС, является степень сжатия в подпоршневом пространстве. Следует иметь в виду, что приводимые в литературе данные учитывают только подпоршневое пространство, игнорируя наличие впускных, перепускных и выпускных каналов, Таким образом, эти данные более дезориентируют, нежели способствуют грамотному анализу процессов.
Я сейчас попробую проанализировать особенности каждого из процессов в 2-тактном двигателе.
2. ПРОЦЕСС ВПУСКА
Исходя из изложенного, напрашивается однозначный вывод о необходимости максимального приближения карбюратора к зеркалу цилиндра. С точки зрения законов гидравлики и аэродинамики впускной канал вроде бы должен был повторять внутреннее сечение канала в карбюраторе, т.к. любое расширение привело бы к замедлению потока и ухудшению наполнения кривошипной камеры. Однако, не следует повторять распространенную ошибку ориентации на полностью открытый впускной канал. Необходимо эффективно его использовать на всем протяжении его перекрытия юбкой поршня, т.е. щель впускного канала должна иметь достаточную площадь для пропуска свежего заряда смеси. Фазы впускного канала я здесь не затрагиваю, они выбираются в зависимости степени форсировки и оборотности двигателя.
Несмотря на сказанное, известно немало случаев применения удлиненных впускных патрубков, например: ИЖ-Планета, ИЖ-Юпитер, МЦет ЕТС-250 и др. На них пытались использовать инерцию потока для улучшения наполнения. Считаю, по отечественной технике это было ошибочным решением. Пример Явы альтернативен Юпитеру и эффективен и повторение в ИЖе схемы немецкого ИЛО было неоправданным. Планета же является достаточно малооборотным двигателем и применение удлиненного расширяющегося патрубка думаю было неоправданным. К гдровскому предприятию МЦет я отношусь с большим уважением, но будучи в 84-м году там, я не смог в дискуссии понять их подход. Предполагаю, что они пытались использовать инерцию потока для уменьшения обратного выброса смеси во впускной канал при ходе поршня вниз. Должен еще сказать, что были попытки у ряда фирм, производивших кроссовые мотоциклы в 70-е годы, соединить впускной канал канальчиком с перепускным для использования инерции потока при закрытии впускного окна напрямую в перепуск.
Обратный выброс всегда был проблемой двигателистов. Методы решения были разные. Первое, с чем пришлось мне столкнуться – это обратный пластинчатый клапан (ОПК) на впуске на французском лодочном двигателе призводства 40-х годов. Потом нашумели победы ГДР-овца Эрнста Дегнера на Чемпионатах Мира по шоссейно-кольцевым гонкам на МЦете с дисковым золотником на впуске. Кстати, Дегнер сбежал в Японию и захватил с сой многие секреты МЦета. Ижмаш в 63-м году, создавая ИЖ-550, сделал образец и с золотником, но пришел к выводу о его неэффективности для низкофорсированного двигателя. В конце 60-х на кроссовых мотоциклах стали широко использоваться ОПК. В результате сначала в Коврове на «уникальных» многодневных мотоциклах, а потом в Коврове и Туле на серийной дорожной продукции стали применяться ОПК. Улучшился запуск, снизился расход, улучшились тяговые характеристики двигателей. Подробнее можно прочитать в моей специальной статье.
3. ПРОЦЕСС ПЕРЕПУСКА
Процесс перепуска определяет уровень наполнения рабочей камеры двигателя, степень равномерности ее заполнения и качество заряда смеси возле запальной свечи для его собственного быстрого воспламенения и последующего распространения фронта пламени во всем объеме рабочей камеры. При этом, если газодинамические процессы впуска и выпуска можно представить, как их экспериментально смоделировать, то с перепуском все сложнее.
Если заглянуть в техническую литературу, то мы увидим что-то недостаточно конкретное по фазам газораспределения и эскизы потоков смеси в сторону стенки цилиндра над впускным каналом при полностью открытом перепускном окне. Т.е. процесс, изменяющийся в объеме и времени, представлен одномоментно и тогда, когда он наиболее нагляден. Это психологическая ошибка, концентрирующая внимание именно на этом, якобы важнейшем этапе процесса, сдерживавшая аналитику решений.
В середине 50-х в Ижевске родилась идея отдаленной продувки, а именно: вместо перепускного канала вдоль гильзы цилиндра с резким перегибом непосредственно у окна применить закругленные, сужающиеся к окну каналы, позволяющие вроде бы избежать гидравлических потерь. Такое решение впервые было применено на двигателях серийных спортивных мотоциклов для массового спорта ИЖ-57К/М и было «модно» до середины 70-х даже в Коврове, где, тем не менее, его не внедрили. Этот подход ухудшал реальную степень сжатия в кривошипной камере. Кроме того разогнанная в коническом канале смесь, ударяясь в частично закрытое поршнем окно, не только шла в цилиндр, но, формируясь вдоль стенок канала в два потока, сталкивала их и тормозила поток. Фактически, уходя от резкого перегиба при классической форме каналов, был создан еще более перпендикулярный подвод смеси к перекрывающемуся поршнем перепускному окну.
Из этого примера видно, что для перепускных каналов основным является минимальный объем при максимальной пропускной способности. При этом площадь и конфигурация перепускного окна должны корреспондироваться с сечением канала, не превышать площадь канала, т.к. появление расширительной зоны ведет к торможению потока. Я специально заостряюсь на этом, т.к. все гонщики, пытавшиеся улучшить характеристики двигателей за счет увеличения фаз, вызывают превышение площади окна над сечением канала.
Конфигурация канала и его кромок должна не допускать застойных зон у зеркала цилиндра непосредственно за окном. Кроме того во избежание торможения потока смеси при встрече с зеркалом цилиндра обычно его направляют под углом 15-20 градусов к горизонтали, одновременно стараясь использовать его и для охлаждения днища поршня. На одной из моделей Явы для этого была выполнена небольшая лыска в днище поршня, продлившая формирование потока свежей смеси уже после окна, одновременно улучшившая условия отвода тепла от днища поршня. Вроде бы доходчиво и понятно. Однако в последующих моделях это решение не было использовано.
Существует еще идея 3-ьего канала, формируемого над впускным каналом. Обычно он имеет небольшое сечение, из кривошипной камеры проходит через окошко в юбке поршня, имея главное назначение охладить днище поршня и улучшить смазку верхней головки шатуна.
4. ПРОЦЕСС ВЫПУСКА
Процесс выпуска может быть наиболее значимым в достижении высоких характеристик работы двигателя, при этом его эффективность определяется качеством резонансной настройки выпускной системы. Сама выпускная система состоит из выпускной трубы и устройства, привычно именуемого глушителем, в котором объединены два компонента: мощностной контур, участвующий в реализации мощностных характеристик ДВС, и шумовой контур, предназначенный гасить мощность звуковых волн от выпуска.
Особенностью 2-тактного ДВС является не только обратный выброс во впускной системе, но и заброс в выпускную. Задачей конструирования выпускной системы является найти рациональную длину выпускной трубы и таких размеров и геометрии мощностного контура, его входного конфузора и выходного диффузора, которые после удара выпускных газов в диффузор создавали бы обратную волну давления и возвратили бы просочившуюся свежую смесь назад в цилиндр.
В мотокоманде ЦСКА был знаменитый талантливый механик Заслуженный мастер спорта СССР Анатолий Васильевич Олейников, человек без высшего образования, но имевший пристрастие к этой работе, имевший полную свободу распоряжаться своим временем, имевший в своем распоряжении много трофейной техники, богатый набор оборудования, выполнивший мощнейшие объемы исследований, значительно превышавшие их в заводских КБ и ЦКБ МС (ВНИИМотопроме). Однако, сотрудничать с ним было невозможно, т.к. он был согласен только на неофициальную оплату, да еще и в заумных размерах. Так вот, я раз у него видел выкройку выпускной системы длиной, превышавшей 2,5 метра. Такой же оценке наиболее рационального размера выпускных труб придерживался и Святослав Юрьевич Иваницкий в Серпухове, а соответственно и заводчане, для которых он был наибольшим теоретическим авторитетом. Примерно такой длины была выпускная система у гдровского 1000-кубового 3-х цилиндрового 2-тактного двигателя автомобиля Вартбург, имевшего неплохую экономичность и динамические качества. Естественно, на практике у мотоцикла длина выпускной системы ограничена его габаритами. Можно предположить, что это сужает диапазон резонансной настройки системы.
Я уже писал в своих статьях, что японские фирмы Ямаха и Сузуки пытались использовать принудительное регулирование фаз выпуска, применив качающуюся заслонку у одной и вертикальный шибер у другой. Такие кроссовые мотоциклы этих фирм участвовали в этапах Чемпионата Мира, но ни чем особенно не отличились и забылись.
В конце 80-х в Ижевске инженером-исследователем Александром Кутузовым был сделан пробный эксперимент по впрыску воды в выпускную систему. Прояснилась возможность запирания выпуска испаряющимися водяными парами, что могло бы стать более эффективным, нежели регулирование фаз. Кроме того вода, являясь активным окислителем могла бы связывать экологически грязную часть выпускных газов. Но это было в уже безденежный конец 80-х, когда НИОКР перестали финансироваться, а специалистам пришлось искать средства к существованию.
Интереснейшим вариантом могло бы стать использование эффекта сопла Лаваля на выпуске. Его специальная конфигурация с местным сужением и последующим расширением под специальным углом вызывает появление разряжения на выходе и, как следствие, высасывание с возрастающей мощью газов из высвобождаемого объема. Можно было предположить резкие улучшения в резонансной настройке двигателя и рационализации конструкции выпускной системы. Уже на рубеже 21-го века мне пришлось познакомиться с 50-кубовым детским кроссовым мотоциклом какой-то итальянской фирмы, где использовался этот эффект. Результат был поразителен: при резком открытии газа на ходу мотоцикл вставал на дыбы подо мной 75-килограммовым мужиком.
Повторяю, более подробно все описанные и некоторые другие изложены в специальных моих статьях.
5. ПРОЦЕСС ВОСПЛАМЕНЕНИЯ
Эту тему я выделил из главы о процессе перепуска, т.к. она заслуживает особого внимания.
Главным предметом рассмотрения здесь является форма камеры сгорания. Двигателисты 4-тактники до сих пор продолжают ее совершенствовать. В конце 70-х, когда разрабатывалась модернизация уфимского 412-го двигателя для Москвича-2141 и ИЖа-2126, все зарубежные потенциальные консультанты однозначно высказывались о невозможности получить высокую экономичность двигателя при конструктивных ограничениях, имевшейся головки блока цилиндров.
Серьезных исследований применительно к 2-тактным двигателям похоже никто не проводил. Применяются три формы камер сгорания: концентричная во всю площадь днища поршня, панамообразная с полями над периферией днища поршня куполом в центре под свечу и так называемый жокейский картуз, у которой концентричная часть 1-го варианта за свечой закругляется вниз, перегибаясь потом в козырек над остальной частью днища поршня. Если первые два варианта не могли ни как влиять на формирование качественного состава смеси возле запальной свечи, то третий вариант, задерживая в этой зоне поток, потенциально имел какие-то возможности. Однако, и с третьим вариантом в реальных конструкциях заметных результатов не было достигнуто.
Тем не менее, и здесь не все так безнадежно. Начальник лаборатории двигателей МАМИ П.А.Иващенко в конце 80-х (между делом, в порядке эмоциональной разгрузки) при некотором моем участии и поддержке провел ряд экспериментов с камерой сгорания жокейский картуз. Подбирая ее конфигурацию, ему удалось заметно обеднить состав смеси без ухудшения характеристик и запуска двигателя. Ясно, что ему удалось увеличить плотность смеси возле свечи. Однако, он столкнулся с перегревом кромки, где камера переходит в козырек с созданием калильного зажигания. Начатый им экспериментальный подбор решений давал возможность предположить, что несмотря на обеднение смеси, возможно избежать этой неприятности. Но обстановка в стране заставила бросить все подобные работы.
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Я далеко не самый грамотный из инженеров-мотоциклистов и, хотя я имел возможность наблюдать, немного участвовать и вмешиваться в деятельность конструкторских служб, тем не менее мое основное рабочее место – это стол в одном из достаточно заселенных кабинетов Миноборонпрома. Таким образом по фронту моей деятельности, мне наиболее близка системная оценка результатов деятельности заводских КБ. А теперь представьте разрыв между тем, что в голове у инженера-конструктора или исследователя и тем, что у него в техотчете для оформления списания произведенных затрат. И вот только сейчас я дозрел до последовательного комплексного анализа процессов 2-тактного ДВС. Эх! Если бы эта мысль родилась раньше, в 70-е годы! Я бы к ней подключил В.А.Умняшкина – начальника ГКБ авто- и мотостроения Ижмаша или С.Ю.Иваницкого из ВНИИМотопрома. Они, безусловно, более стройно ее оформили и подкрепили бы результатами специально проведенных экспериментов.
Прошу простить читателей за качество литературного изложения, наличие некоторых отступлений от основных тем и даже иногда «воды». Но мне много лет и заставить себя написать эту статью потребовало немалых усилий.
Александр Николаевич Юдин – куратор мотопроизводств оборонной промышленности СССР