1. Процесс газораспределения

Газораспределением мотоциклетного двигателя называется периодическое действие впускных и выпускных органов, обеспечивающих наполнение цилиндров горючей смесью и удаление из них отработавших газов.

При рассмотрении рабочего процесса, происходящего в цилиндре двигателя, было выяснено, что для обеспечения максимального наполнения цилиндров горючей смесью и наилучшего освобождения цилиндров от отработавших газов, а следовательно, получения максимальной мощности впуск в цилиндры горючей смеси и выпуск отработавших газов должны быть строго согласованы (для каждого данного момента) с положением поршня в цилиндре двигателя.

Наполнение цилиндра горючей смесью и освобождение его от отработавших газов зависят не только от сопротивления каналов, по которым выходят из цилиндра газы и поступает в него свежая горючая смесь, но и от времени, отведенного на впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов, и от момента начала и конца впуска и выпуска.

Период действия системы впуска и выпуска за один рабочий цикл, выраженный в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек, носит название фазы газораспределения.

В качестве примера можно привести фазы газораспределения двигателя мотоцикла М-72.

Начало впуска — 76° до ВМТ.

Конец впуска — 92° после НМТ.

Период впуска — 348°.

Начало выпуска — 116° до НМТ.

Конец выпуска — 52° после ВМТ.

Период выпуска — 348°.

Перекрытие клапанов — 128°.

 

2. Классификация газораспределения

Газораспределение мотоциклетных двигателей можно разбить в основном на две группы: клапанное и щелевое.

Клапанным называется такое газораспределение, при котором открытие и закрытие впускных и выпускных отверстий цилиндра двигателя осуществляется клапанами. Клапанное распределение наиболее распространено для четырехтактных мотоциклетных двигателей, так как оно отличается простотой изготовления и надежностью работы.

Щелевым называется такое газораспределение, при котором открытие и закрытие впускных и выпускных отверстий производится поршнями, движущимися в цилиндре двигателя. Впускные и выпускные отверстия носят название щелей или окон. Щелевое распределение также отличается простотой устройства. Щели (окна) и каналы служат для прохода горючей смеси из карбюратора, подачи ее в цилиндр двигателя и выпуска из цилиндра отработавших газов.

Основными недостатками щелевого газораспределения является неудобство смазки кривошипного механизма и недостаточное наполнение цилиндров горючей смесью.

Неудобство смазки заключается в том, что картер, в котором размещен кривошипный механизм, служит для предварительного сжатия в нем горючей смеси, поступающей затем в цилиндр двигателя. Поэтому наличие в картере запаса масла невозможно.

Недостаточное наполнение цилиндров горючей смесью происходит потому, что выталкивание отработавших газов из цилиндра осуществляется предварительно сжатой горючей смесью. При этом происходит смешение горючей смеси с отработавшими газами. Кроме того, часть хода поршня у нижней мертвой точки тратится на закрытие окон и поэтому некоторая часть объема цилиндра не используется.

 

3. Клапанное газораспределение четырехтактного двигателя

Во время работы четырехтактного двигателя впуск горючей смеси в цилиндр двигателя обеспечивается открытием впускного клапана, сообщающего рабочую полость цилиндра с карбюратором. По окончании впуска, который заканчивается обычно после нижней мертвой точки, начинается сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя. При этом оба клапана — как впускной, так и выпускной — должны быть полностью закрыты. Клапаны должны быть закрыты и после того, как поршень достигнет верхней мертвой точки, начнется такт расширения и поршень пойдет к нижней мертвой точке.

При подходе поршня к нижней мертвой точке открывается выпускной клапан и начинается выпуск отработавших газов из цилиндра. Поршень при своем дальнейшем перемещении от нижней мертвой точки к верхней будет выталкивать отработавшие газы во внешнюю среду. Когда поршень подойдет к верхней мертвой точке, выпускной клапан закроется и вновь начнет открываться впускной клапан.

Таким образом, впускной и выпускной клапаны должны быть открыты во время соответствующего такта. Поскольку такты четырехтактного двигателя повторяются через два оборота коленчатого вала, то и клапаны открываются один раз за два оборота коленчатого вала. Открытие и закрытие клапанов должны соответствовать определенным положениям поршня в цилиндре согласно фазам, принятым для данного двигателя.

Клапаны открываются при помощи толкателей, и закрываются пружинами, которые, действуя на стержень клапана, прижимают клапан к гнезду.

Клапанное газораспределение мотоциклетных двигателей разделяется по расположению кулачков на нижнее и верхнее. Кроме того, по расположению клапанов различается газораспределение с боковым, или нижним, расположением клапанов и газораспределение с подвесными клапанами, или верхним расположением клапанов.

Нижним называется такое газораспределение, при котором кулачки расположены в коробке газораспределения, находящейся сбоку картера двигателя и часто выполненной за одно целое с картером. Обычно привод к кулачкам осуществляется шестернями непосредственно от коленчатого вала. Нижнее газораспределение может быть выполнено как с боковым (нижним) расположением клапанов, так и с подвесными клапанами (верхним расположением клапанов).

Боковыми (или нижними) называются клапаны, расположенные сбоку цилиндра и направленные своими тарелками в сторону головки цилиндра.

На рис. 39 показано нижнее газораспределение с боковыми (или нижними) клапанами.

Рис. 39. Нижнее газораспределение с боковым расположением клапанов.

На конце коленчатого вала двигателя расположена ведущая шестерня газораспределения, которая входит в зацепление с двумя ведомыми шестернями. Ведомые шестерни жестко сидят на валиках, на которых выполнены кулачки. Над каждым кулачком расположен толкатель, нижним концом упирающийся в кулачок. Над толкателями расположены клапаны. Стержни клапанов, ходят в направляющих втулках. Нижние концы стержней связаны с помощью замков через тарелку клапана с пружиной. Верхний конец пружины опирается через опорную шайбу на тело цилиндра.

Нижнее газораспределение с боковыми (нижними) клапанами отличается простотой устройства. Кроме того, поступательно-движущиеся детали распределения (толкатель и клапан) имеют небольшой вес и поэтому допускают работу двигателя на больших оборотах.

Недостатком нижнего газораспределения с боковыми клапанами является недостаточное наполнение цилиндра двигателя горючей смесью, так как горючая смесь, перетекая из-под тарелки клапана в цилиндр, резко меняет направление своего движения.

Подвесными (или верхними) называются клапаны, расположенные в головке цилиндра и направленные своими тарелками в сторону поршня.

На рис. 40 представлено нижнее газораспределение с подвесными (верхними) клапанами.

Рис. 40. Нижнее газораспределение с подвесными клапанами.

В этом случае усилие от кулачков к клапанам передается через толкатели, штанги и коромысла. Валики коромысел вращаются в подшипниках, расположенных на головке цилиндра. Газораспределение с подвесными клапанами обеспечивает наилучшее наполнение цилиндров двигателя горючей смесью, так как горючая смесь, перетекая сверху из-под тарелки клапана в цилиндр, не меняет своего направления. Детали такого механизма газораспределения достаточно просты в производстве.

Недостатком газораспределения с подвесными клапанами является большой вес возвратно-поступательно движущихся деталей газораспределения, в котором основную величину составляет вес штанги. Эти детали обладают большой массой. Для уменьшения массы возвратно-поступательно движущихся деталей иногда в нижнем газораспределении применяют высоко, расположенные кулачки (рис. 41).

Рис. 41. Нижнее газораспределение с высоко расположенными кулачками и подвесными клапанами.

В этом случае усилие к кулачкам от коленчатого вала передается через систему шестерен. Следовательно, длина и масса штанги значительно уменьшаются.

Для того, чтобы свести к минимуму массу возвратно-поступательно движущихся деталей газораспределения и обеспечить хорошее наполнение цилиндра двигателя горючей смесью, применяют верхнее газораспределение.

Верхним называется такое газораспределение, при котором кулачки расположены над головкой цилиндра и воздействуют на клапаны через коромысла или (в редких случаях) непосредственно.

На рис. 42 показано верхнее газораспределение.

Рис. 42. Верхнее газораспределение.

Привод к клапанам осуществляется от коленчатого вала через нижнюю пару конических шестерен, вертикальный валик, верхнюю пару конических шестерен, кулачковый валик и коромысла.

Клапаны. Клапаны служат для открытия и закрытия впускных и выпускных окон цилиндра. Они являются наиболее ответственными деталями двигателя, так как условия их работы, особенно выпускного клапана, чрезвычайно тяжелы.

Во время сгорания рабочей смеси в цилиндре тарелки клапанов соприкасаются с горячими газами, температура которых доходит до 2000–2200 °C. Кроме того, выпускной клапан во время выпуска омывается отработавшими газами, средняя температура которых колеблется от 1000 до 1100 °C. Впускной клапан работает в более легких условиях, так как в период заполнения цилиндров он омывается холодной горючей смесью, которая отнимает от клапана значительное количество тепла, и температура впускных клапанов редко достигает 350–400 °C.

Кроме высоких тепловых нагрузок, клапаны подвержены значительным механическим нагрузкам от пружин, обеспечивающих плотную посадку клапана в гнездо, и от сил инерции.

В связи с тяжелыми условиями работы клапанов мотоциклетных двигателей к ним предъявляются следующие требования:

1) Высокая механическая прочность, сохраняемая при многократном нагреве (до 900 °C) и охлаждении.

2) Высокая противокоррозийная при высокой температуре в присутствии продуктов сгорания.

3) Большая жесткость клапана и его седла, обеспечивающая постоянную плотную посадку.

4) Отсутствие коробления клапана при перегревах.

5) Хороший отвод тепла от клапана.

Клапаны могут быть с плоской тарелкой и тюльпанообразные.

Клапаны с плоской тарелкой имеют головку плоской или несколько выпуклой формы (рис. 43, а).

Рис. 43. Клапаны: а — с плоской тарелкой; б — тюльпанообразный.

На боковой части тарелки выполнена. рабочая фаска обычно под углом 45°. Тарелка клапана имеет плавный переход к стержню. На конце стержня выполняется кольцевая выточка, которая служит для установки в нее замка, соединяющего клапан с пружиной. В центре тарелки клапана иногда выфрезеровывают паз для лезвия отвертки, при помощи которой осуществляется притирка рабочей фаски клапана к гнезду.

Торец стержня клапана, как правило, выполняется плоским, так как он обычно опирается на плоскую головку толкателя, ось которого параллельна оси клапана. Это обеспечивает полное соприкосновение обеих плоскостей и меньший их износ. В тех случаях, когда оси клапана и толкателя не параллельны, торец стебля клапана имеет сферическую форму. Так выполнен торец стержня клапана двигателя мотоцикла М-72. Сферическая форма торца обеспечивает касание клапана и толкателя в точке, расположенной близко к центру стержня, что уменьшает возможность перекоса клапана в направляющих втулках.

При клапанах с плоской тарелкой наблюдается недостаточно высокое наполнение цилиндров двигателя горючей смесью, так как вследствие недостаточно плавного перехода от стержня к тарелке под тарелкой создается завихрение, тормозящее поступление горючей смеси в цилиндр двигателя.

У некоторых двигателей применяются тюльпанообразные клапаны (рис. 43, б). Эти клапаны имеют более плавный переход от стержня к головке, что улучшает наполнение цилиндров горючей смесью. Но эти клапаны более применимы как впускные, так как при установке их на выпуск в углублении клапана создается завихрение продуктов сгорания, что в известной степени тормозит выход отработавших газов из цилиндра.

Тюльпанообразные клапаны обладают большой поверхностью соприкосновения с горячими газами, в результате чего температура тюльпанообразных клапанов несколько выше, чем у клапанов с плоской тарелкой.

Вследствие высоких тепловых и механических нагрузок клапаны подвержены серьезным дефектам, из которых наиболее часто наблюдается прогар фаски тарелки клапана и отрыв ее от стержня.

Прогар фаски клапана происходит в том случае, когда нарушается плотность посадки клапана. Нарушение плотности посадки может быть вызвано короблением тарелки клапанов, перекосом клапана, попаданием между фаской клапана и седлом каких-либо механических частиц (нагара, частиц металла и т. д.). В случае неплотной посадки раскаленные газы во время сгорания рабочей смеси в цилиндре с большой скоростью прорываются через неплотность между фаской и клапаном и выплавляют из седла и фаски частицы металла. В последующем прогар клапана резко увеличивается, так как проход для газов все более и более расширяется.

Замки клапанов служат для закрепления опорной шайбы клапанной пружины на стержне клапана. Они обычно состоят из двух половин, которые образуют конус с цилиндрическим сверлением в центре. Замок входит в коническое отверстие опорной шайбы, охватывая своей цилиндрической частью выточку, имеющуюся на стержне клапана.

Опорные шайбы (рис. 44) клапанных пружин служат для соединения клапанов с клапанными пружинами и представляют собой диск с коническим отверстием для замка посредине.

Рис. 44. Опорная шайба клапана: 1 — стержень клапана; 2 — опорная шайба; 3 — замок.

Чтобы пружина клапана располагалась симметрично относительно оси стержня клапана, на шайбе имеется центрующая выточка. Если на шайбу опираются две концентрично установленные пружины, для каждой из них сделана центрующая выточка.

Пружины служат для плотной посадки клапана в седло. Одним концом пружины опираются на опорную шайбу клапана, а другим — на тело цилиндра или его головки.

По своей форме пружины делятся на цилиндрические, конические и шпильчатые.

Наиболее распространены цилиндрические пружины.

Это обусловлено простотой их изготовления и достаточно надежной работой. При боковом расположении клапанов на каждом клапане устанавливается по одной пружине. В подвесных же клапанах обычно устанавливаются концентрично две пружины (рис. 45), причем обе навиты в разные стороны.

Рис. 45. Пружины подвесных клапанов: а — цилиндрическая; б — коническая, в — шпильчатые.

В случае поломки одной из пружин вторая будет продолжать работать, хотя и с большой перегрузкой. При этом витки поломанной пружины не смогут попасть между витками работающей пружины, так как они имеют разностороннюю навивку. Кроме того, две пружины, установленные на одном клапане, обладают меньшей высотой, чем одна пружина, при соответствующей упругости и высоте подъема клапана.

Иногда пружины выполняют с разным шагом навивки. Это делается с целью уменьшения вибрации пружин, так как каждый виток пружины имеет разную частоту собственных колебаний и поэтому попадание такой пружины в резонанс невозможно.

В тех случаях, когда пружины должны быть большой длины и с малым диаметром витков, применяют обычно конические пружины. Конические пружины обладают тем достоинством, что они при большой длине не выгибаются в сторону, как цилиндрические пружины, и не перекашивают при этом стержень клапана в его направляющей втулке.

При подвесных клапанах иногда применяются шпильчатые пружины (по две на каждый клапан). Эти пружины не подвержены резонансовым колебаниям и имеют небольшую высоту. Недостаток этих пружин заключается в том, что при поломке одной пружины вторая будет нагружать стержень клапана эксцентрично.

Толкатели мотоциклетных двигателей можно разделить в основном на следующие группы: тарельчатые, плоские, роликовые.

Тарельчатые толкатели (рис. 46, а) являются наиболее распространенными, так как они просты по устройству и долговечны.

Рис. 46. Толкатели мотоциклетных двигателей: а — тарельчатые; б — плоские; в — роликовые; 1 — толкатель; 2 — регулировочный болт; 3 — контргайка; 4 — тарелка толкателя; 5 — ролик; 6 — втулка; 7 — ось ролика.

Эти толкатели представляют собой цилиндрический стержень, на одном конце которого выполнена плоская тарелка, опирающаяся на кулачок. Для уменьшения износа тарелки ось толкателя смещена в сторону от оси симметрии кулачка. На другом конце стержня толкателя имеется резьба (наружная или внутренняя) для регулировочного винта или регулировочной головки.

Тарельчатые толкатели обладают тем недостатком, что для размещения их требуется много места. Это, естественно, несколько увеличивает габариты привода газораспределения. Поэтому в тех случаях, когда место для размещения головок толкателей ограничено, применяют плоские толкатели.

Плоские толкатели применяются в двигателе мотоцикла М-72 (рис. 46, 6). На конце стержня толкателя, обращенном в сторону кулачкового валика, имеется головка прямоугольного сечения. Выступающие в стороны грани головки ходят в направляющих пазах втулки толкателя, что не позволяет толкателю поворачиваться вокруг своей оси. Ширина поверхности головки соответствует ширине рабочей поверхности кулачка.

Такая форма толкателя в данном случае принята потому, что кулачки очень близко размещены друг от друга и установить тарельчатые толкатели невозможно.

Роликовые толкатели (рис. 46, в) имеют преимущество перед тарельчатыми и плоскими толкателями, так как по сравнению с ними они имеют меньшие потери на трение и износ; кроме того, в сравнении с тарельчатыми толкателями они имеют меньший габарит. Недостатком роликовых толкателей является больший вес, чем других толкателей.

Роликовый толкатель состоит из стержня толкателя, в нижней части которого выполнена вилка с отверстием для установки ролика. Ролик опирается на ось плавающей стальной втулки, сидящей свободно на оси и входящей в отверстие ролика. Плавающая втулка, вращаясь между роликом и осью, уменьшает их износ, так как скорость вращения ролика относительно оси значительно уменьшается. В верхней части стержня ввертывается регулировочный болт, на котором имеется контргайка, закрепляющая болт в необходимом положении. С одной стороны контргайки сделана сквозная прорезь. Нижняя часть контргайки выполнена в виде конуса. Такие контргайки при затягивании входят конической своей частью в коническое углубление в толкателе. При этом происходит обжатие контргайки и она плотнее обхватывает резьбу болта. При применении таких контргаек уменьшается возможность самопроизвольного изменения регулировки зазора между клапаном и толкателем.

Кулачки служат для плавного и быстрого подъема и посадки клапанов в гнезда. Быстрые подъем и посадка клапанов дают возможность увеличить наполнение цилиндров двигателя горючей смесью, так как при медленном подъеме клапанов проходное сечение их возрастает медленно, что в свою очередь тормозит поступление в цилиндры горючей смеси. При плавном подъеме и посадке клапанов уменьшаются силы инерции клапана, поэтому подъем и посадка не сопровождаются стуками клапана о гнездо и головку толкателя.

Большую роль в работу механизма газораспределения играет форма кулачков. Форма и высота кулачков подбираются таким образом, чтобы обеспечивалось максимальное наполнение цилиндров двигателя горючей смесью.

При работе двигателя кулачок воздействует на толкатель, между кулачком и головкой толкателя возникает трение, что в свою очередь вызывает перекос толкателя в его направляющей, а также износ кулачка у головки толкателя. Для уменьшения вредного действия сил трения на износ деталей механизма распределения в мотоциклетных двигателях применяются следующие меры:

— ось толкателя смещается относительно оси симметрии кулачка;

— ось толкателя располагается под углом к оси клапана;

— между кулачком и толкателем устанавливается промежуточный рычаг.

Смещение оси толкателя относительно оси симметрии кулачка применяется при тарельчатых толкателях. Кулачок, выполненный за одно целое с шестерней привода, воздействует на тарельчатый толкатель, ось которого смещена влево от оси симметрии кулачка. При этом кулачок опирается большей частью своей поверхности на правую половину тарелки толкателя. Во время работы двигателя усилие, возникающее на правой половине тарелки, будет больше, чем на левой, и толкатель во время каждого подъема будет поворачиваться на некоторый угол. Таким образом, следующий удар кулачка придется на новый участок поверхности тарелки толкателя, и поэтому износ тарелки будет равномерным по всей поверхности.

Расположение оси толкателя под углом к оси клапана применяется на двигателе мотоцикла М-72. Ось клапана и ось толкателя расположены под некоторым тупым углом, и касание торца клапана приходится несколько выше центра головки регулировочного винта толкателя. Во время работы двигателя распределительный валик вращается против хода часовой стрелки. Кулачок набегает на толкатель снизу, и за счет трения между кулачком и толкателем последний перекашивается в направляющей втулке. Но по мере перемещения толкателя и клапана между их торцами также возникает усилие, которое стремится опрокинуть толкатель в направлении, противоположном действию усилий на толкатель от кулачка, поэтому перекос толкателя в его направляющей сводится к минимуму.

При установке между кулачком и толкателем промежуточного рычага кулачок скользит по выступу промежуточного рычага и поднимает клапан.

Поверхность промежуточного рычага подбирается такой, чтобы толкатель не испытывал при подъеме боковых усилий. Поверхность головки толкателя выполняется сферической.

 

4. Газораспределение двухтактных двигателей

Применяемое у двухтактных мотоциклетных двигателей щелевое распределение может быть разделено по способу продувки цилиндров свежей горючей смесью на три основные группы: с поперечной продувкой цилиндров, с петлевой продувкой и с прямоточной продувкой цилиндров.

Щелевым распределением с поперечной продувкой цилиндров называется такое распределение, при котором выталкивание отработавших газов из цилиндра свежей горючей смесью осуществляется в основном поперек цилиндра, причем для лучшей очистки цилиндра и лучшего наполнения его поток свежей горючей смеси на своем пути сначала поднимается к. головке цилиндра, а затем опускается к выпускному окну.

На рис. 47, а представлена простейшая схема щелевого распределения с петлевой продувкой цилиндров, применяемая у двигателя мотоцикла К1Б.

Рис. 47. Схемы двухтактных двигателей с симметричным распределением: а — схема продувки с отражателем; б — схема продувки с плоским поршнем; в — диаграмма распределения; 1 — выпускное окно; 2 — отражатель поршня; 3 — продувочный канал.

Сжатая в кривошипной камере горючая смесь поступает по продувочному каналу 3 в цилиндр двигателя. Ударяясь об отражатель 2 поршня, горючая смесь поднимается и затем у противоположной стенки цилиндра опускается. При этом через выпускное окно 1 отработавшие газы, а также часть горючей смеси выходит наружу. Такая схема продувки не экономична и не обеспечивает хорошего наполнения цилиндра двигателя, так как горючая смесь при поступлении в цилиндры частично перемешивается с отработавшими газами, а частично выбрасывается с ними наружу. Выбрасывание части горючей смеси вместе с отработавшими газами в выхлопную трубу происходит вследствие того, что выпускное окно, открываемое ранее продувочного для предварительного освобождения цилиндра от отработавших газов и при ходе поршня вверх на такте сжатия, закрывается позднее продувочного.

Для улучшения наполнения цилиндров следовало бы закрывать выпускное окно несколько ранее, но при имеющейся схеме кривошипного механизма это невозможно. Поэтому при петлевой продувке увеличение наполнения цилиндров, а следовательно, и увеличение мощности обеспечиваются улучшением освобождения цилиндров от остаточных газов. В основном улучшение очистки цилиндров достигается увеличением сечения продувочных и выпускных окон и подбором угла наклона оси окон относительно оси цилиндра.

На рис. 47, б представлена схема щелевого распределения с петлевой продувкой цилиндра двигателя мотоцикла M1А. Два продувочных окна расположены диаметрально противоположно, и оси этих окон пересекаются в точке, находящейся на некотором расстоянии от стенки цилиндра. Выпускное окно расположено между продувочными. Потоки горючей смеси, поступающей при продувке из кривошипной камеры через продувочные окна, встречаются около стенки цилиндра. Поднимаясь затем по стенке, противолежащей выпускному окну, поток горючей смеси освобождает от отработавших газов камеру сжатия и потом, опускаясь по противоположной части стенки цилиндра, выталкивает отработавшие газы наружу.

При петлевой и поперечной продувке как начало открытия, так и конец закрытия поршнем какого-либо из окон происходит в момент, когда поршень находится на определенном расстоянии от мертвой точки. В этом случае угол поворота коленчатого вала от начала открытия окна до мертвой точки равен углу поворота от мертвой точки до конца закрытия окна. Фазы распределения таких двигателей называются симметричными.

На рис. 47, в представлена диаграмма симметричных фаз распределения.

Как было указано ранее, при движении поршня от ВМТ на такте расширения вначале открывается выпускное, а затем продувочное окно. Соответственно при движении поршня от нижней мертвой точки на такте сжатия вначале закрывается продувочное окно, а затем выпускное. При этом находящаяся в цилиндре двигателя рабочая смесь в период от момента закрытия продувочного до момента закрытия выпускного окна выталкивается поршнем в выпускную трубу.

Чтобы повысить экономичность и увеличить наполнение цилиндров горючей смесью, необходимо обеспечить открытие выпускного окна ранее окна продувочного для своевременной очистки цилиндров от продуктов сгорания и вместе с тем обеспечить закрытие выпускного окна ранее окна продувочного, т. е. осуществить различный сдвиг фаз продувки и выпуска — создать несимметричные фазы.

Наиболее распространенным способом, дающим возможность получения несимметричных фаз продувки и выпуска, является применение двухпоршневых двигателей прямоточной продувки с П-образным расположением цилиндров, имеющих общую камеру сжатия. На рис. 48, б приведена схема устройства такого двигателя с так называемым вильчатым шатуном.

Рис. 48. Схема двухтактного двигателя с несимметричным распределением: а — диаграмма распределения; б — схема устройства П-образного двухпоршневого двигателя; 1 — выпускное окно; 2 — продувочное окно; 3 — впускное окно.

Как видно из рисунка, поршни движутся каждый в своем цилиндре с некоторым отставанием или опережением один относительно другого. Когда впускной поршень подходит к нижней мертвой точке, он находится выше выпускного и продувочное окно 2 открыто частично, в то время как выпускное окно 1 открыто полностью. После прохождения нижней мертвой точки выпускной поршень начинает опережать впускной. Как видно из рисунка, при закрытом выпускном окне продувочное окно еще остается открытым, т. е. в отличие от двигателей с симметричными фазами распределения выпуск оканчивается раньше продувки и наполнение цилиндра горючей смесью продолжается после закрытия выпускного окна.

Такая схема продувки при прочих равных условиях обеспечивает лучшую экономичность и большую мощность двигателя, чем симметричные фазы распределения двухтактного двигателя.

Применение вильчатого шатуна в данном случае необязательно. Смещение фаз распределения в двигателях подобного типа может быть достигнуто применением двух несколько смещенных один относительно другого кривошипов (рис. 49), установкой одного основного шатуна со вторым прицепным, двух сцепленных между собой коленчатых валов со смещенными кривошипами и другими способами.

Рис. 49. Схема установки золотника впуска.

С целью дальнейшего улучшения рабочего процесса двухтактных двигателей несимметричные фазы выпуска и продувки в дорожных мотоциклах обычно сочетаются с несимметричной фазой впуска, а в двигателях гоночных мотоциклов иногда устанавливается нагнетатель.

Наиболее распространенным способом получения несимметричной фазы впуска является установка золотника. На рис. 49 показана схема устройства золотника впуска одного из двухтактных двигателей.

Карбюратор соединяется с внутренней полостью золотника, вращающегося с помощью шестерни, приводимой во вращение другой шестерней, непосредственно сидящей на коленчатом валу двигателя. В боковой поверхности золотника сделано окно, которое во время вращения может сообщаться с внутренней полостью картера двигателя. Золотник устанавливается таким образом, что впуск начинается вскоре после окончания продувки и заканчивается после верхней мертвой точки, т. е. впуск заканчивается так же, как у двигателя с симметричной фазой впуска.

На рис. 48, а приведены фазы распределения П-образного двигателя с золотником впуска. Сравнивая протяженность фазы впуска данного двигателя и двигателя с симметричной диаграммой распределения (рис. 47), видим, что протяженность фазы впуска двигателя с золотником больше на 35° и впуск начинается при большей скорости движения поршня, а это также способствует улучшению наполнения цилиндра двигателя горючей смесью.

Следует отметить, что, несмотря на лучшую экономичность и большую литровую мощность, двухтактные двигатели с несимметричными фазами распределения не получили на дорожных мотоциклах такого широкого распространения, как обычные двухтактные двигатели с щелевым распределением с симметричными фазами распределения. Причиной этого является значительная сложность их конструкции, вызываемая применением сдвоенных цилиндров и золотника.

Надежность четырехтактных двигателей вследствие их меньшей термической напряженности является более высокой, чем надежность двухтактных.

На рис. 50 представлен двухтактный двигатель мотоцикла С2Б с объемом 250 см3; двумя парами сдвоенных цилиндров и с двумя коленчатыми валами, соединенными между собой с помощью шестерен.

Рис. 50. Двигатель С2Б.

Подача горючей смеси в этом двигателе происходит с помощью нагнетателя. Нагнетатель в сочетании с несимметричной фазой распределения обеспечивает получение весьма высокой литровой мощности двигателя (более 150 л. с. на один литр рабочего объема). Однако поршень выпускного цилиндра этого двигателя находится в весьма тяжелых температурных условиях. Двигатели такого типа находят ограниченное применение; они применяются только на рекордных мотоциклах, не рассчитанных на длительную работу.

 

5. Система выпуска

Система выпуска служит для отвода отработавших газов из цилиндров двигателя наружу и для уменьшения шума, возникающего при выходе газов.

Во время работы двигателя отработавшие газы к моменту своего выхода из цилиндра имеют давление до 4–5 кг/см2 и среднюю температуру 1000–1200 °C. За счет раннего открытия выпускного клапана давление в цилиндре двигателя к моменту перехода поршня к нижней мертвой точке понижается до 1,2 кг/см2. Следовательно, за короткий промежуток времена, от момента начала выпуска до подхода поршня к нижней мертвой точке, т. е. за 50–80° поворота коленчатого вала, из цилиндра двигателя должно выйти примерно 75 % всего количества отработавших газов. И только после этого начинается принудительное выталкивание поршнем оставшихся в цилиндре газов, уже находящихся под более низким давлением, чем в начале выпуска.

Колебания давления в системе выпуска, вызывающие сильный шум, уничтожаются глушителями, применяемыми в системе выпуска.

Уничтожение шума газов при выпуске достигается следующими способами: расширением газов, расчленением потока газов на мелкие струи, многократным поворотом потока газов в глушителе и дросселированием потока газов.

В глушителях мотоциклов обычно используются все эти способы глушения шума выпуска в сочетании между собой.

Глушители, устанавливаемые на мотоциклах, должны иметь небольшое гидравлическое сопротивление. При увеличении сопротивления глушителя ухудшается наполнение цилиндров двигателя горючей смесью и, следовательно, понижается мощность двигателя, так как при большом сопротивлении глушителя в цилиндре остается значительное количество отработавших газов. В зависимости от гидравлического сопротивления глушители мотоциклетных двигателей поглощают примерно от 2 до 5 % мощности двигателя.

На рис. 51 представлена система выпуска двигателя мотоцикла М-72.

Рис. 51. Система выпуска двигателя мотоцикла М-72: 1 — наконечник глушителя; 2 — сердцевина глушителя; 3 — выпускные трубы; 4 — соединительная труба; 5 — глушители.

Она состоит из двух выпускных труб, расположенных по обеим сторонам мотоцикла, двух глушителей и трубы, соединяющей между собой выпускные трубы. Соединение выпускных труб улучшает глушение шума, так как выходящие из одного цилиндра отработавшие газы проходят через оба глушителя.

Отработавшие газы, поступающие из выпускной трубы в глушитель, проходят через большое количество мелких отверстий во внутреннюю трубу глушителя.

Встретив на своем пути перегородку, установленную во внутренней трубе, газы через отверстия опять выходят в полость, заключенную между корпусом глушителя и внутренней трубой. Встречая здесь перегородку, разделяющую полость между корпусом глушителя и внутренней трубой, газы снова через отверстия входят во внутреннюю трубку, откуда опять возвращаются в полость между корпусом и внутренней трубой. Затем газы через наконечники глушителя выходят наружу.

Аналогично работают и глушители мотоциклов M1А и ИЖ-350.

На гоночных мотоциклах для улучшения наполнения цилиндров двигателя горючей смесью и уменьшения затраты мощности на выпуск отработавших газов применяются мегафоны (рис. 52).

Рис. 52. Мегафон.

 

6. Декомпрессоры

Декомпрессоры служат для понижения давления сжатия на период, необходимый для разгона маховика во время пуска двигателя при помощи пускового механизма. Понижение давления осуществляется двумя способами.

Первый способ заключается в подъеме выпускного клапана и удержании его в поднятом состоянии. Этот способ применяется на четырехтактных двигателях.

Второй способ состоит в открытии на некоторое время декомпрессионного клапана, сообщающего камеру сжатия с внешней средой, что обеспечивает выход из цилиндра горючей смеси на такте сжатия и рабочего хода поршня. В результате открытия клапана на этих тактах давление сжатия в цилиндрах значительно понижается и проворачивание коленчатого вала облегчается. Такой способ понижения давления сжатия применяется на двухтактных двигателях.

Декомпрессоры, устанавливаемые на мотоциклетных двигателях, можно разделить на эксцентриковые и клапанные.

Эксцентриковый декомпрессор (рис. 53, а) имеет следующее устройство.

Регулировочная гайка толкателя снабжена фланцем. Под фланцем регулировочной гайки находится палец, эксцентрично сидящий на валике, проходящем через стенку клапанной коробки. На внешнем конце валика установлен рычажок, конец которого связан с тросом, идущим к ручному рычагу, расположенному у рукоятки руля.

На двухтактных двигателях применяются клапанные декомпрессоры (рис. 53, б).

Рис. 53. Декомпрессоры: а — эксцентриковый декомпрессор; 1 — фланец; 2 — эксцентрик; б — клапанный декомпрессор.

При эксплуатации мотоцикла необходимо следить за тем, чтобы декомпрессионное приспособление обеспечивало плотное закрытие выпускного и декомпрессионного клапанов. Это достигается установлением необходимого зазора между фланцем регулировочной гайки толкателя и рычагом или эксцентриком декомпрессора, а также оболочкой троса и упором клапана.

Величина зазора характеризуется величиной свободного хода ручного рычага декомпрессора.

 

7. Нагнетатели

Для наилучшего использования объема и очистки цилиндра от остаточных газов иногда на двигателях применяют нагнетатели, сжимающие горючую смесь и подающие ее в цилиндр двигателя во время продувки. Нагнетатели подают в цилиндры на всех режимах работы двигателя большее количество горючей смеси под повышенным давлением, что увеличивает снимаемую с двигателя мощность и его приемистость.

Нагнетатели мотоциклетных двигателей разделяются на поршневые и лопаточные.

Поршневые нагнетатели получили на мотоциклах незначительное распространение вследствие того, что они имеют большой вес и объем, детали же поршневого нагнетателя, имеющие возвратно-поступательное движение, увеличивают неуравновешенность двигателя.

На рис. 54, а показана простейшая схема поршневого нагнетателя, устанавливаемого на двухтактном двигателе.

Рис. 54. Нагнетатели поршневые: а — поршневой нагнетатель, изменяющий объем картера двигателя с симметричной диаграммой газораспределения; 6 — поршневой нагнетатель, изменяющий объем картера двигателя с несимметричной диаграммой газораспределения; в — поршневой нагнетатель с золотниковым клапаном; г — поршневой нагнетатель с пластинчатым клапаном.

Нагнетатель сострит из поршня, цилиндра и шатуна, соединяющего поршень нагнетателя с коленчатым валом. Поршень соединен с коленчатым валом, таким образом, что при перемещении поршня двигателя к верхней мертвой точке поршень нагнетателя опускается, что увеличивает объем кривошипной камеры, в результате чего в камеру всасывается через карбюратор большее количество горючей смеси. При перемещении поршня двигателя к нижней мертвой точке поршень нагнетателя поднимается, что уменьшает объем кривошипной камеры и значительно повышает давление сжимаемой в ней горючей смеси. При открывании продувочного канала сжатая в кривошипной камере смесь поступает в цилиндр двигателя и выталкивает оттуда отработавшие газы. Подобного рода нагнетатель улучшает продувку, но не повышает экономичность двигателя, так как при продувке большое количество рабочей смеси выходит из цилиндра.

На рис. 54, 6 представлена схема нагнетателя, устанавливаемого на двухтактном двигателе с несимметричными фазами распределения. Цилиндр нагнетателя расположен сбоку кривошипной камеры. Поршень нагнетателя соединен шатуном с коленчатым валом двигателя.

Как и в предыдущем случае, при перемещении поршней цилиндров к верхней мертвой точке поршень нагнетателя входит в цилиндр, что увеличивает Объем кривошипной камеры и обеспечивает, таким образом, поступление из карбюратора большего количества горючей смеси. При перемещении поршней цилиндров к нижней мертвой точке объем кривошипной камеры уменьшается, давление горючей смеси в ней значительно повышается и после открытия продувочного окна происходит интенсивная продувка цилиндров. При данной схеме нагнетателя экономичность и литровая мощность двигателя повышаются.

На рис. 54, г показана схема поршневого нагнетателя, подающего горючую смесь непосредственно в цилиндр двигателя. Цилиндр нагнетателя установлен сбоку картера двигателя, поршень нагнетателя соединен шатуном с коленчатым валом двигателя. Камера сжатия цилиндра нагнетателя через пластинчатый клапан соединяется с патрубком карбюратора. Продувочный канал сообщает также камеру сжатия нагнетателя с цилиндром-двигателя.

При перемещении поршней двигателя к верхней мертвой точке поршень нагнетателя перемещается к нижней мертвой точке и из карбюратора в цилиндр нагнетателя поступает горючая смесь через пластинчатые клапаны. При перемещении поршней цилиндров к нижней мертвой точке горючая смесь в цилиндре нагнетателя сжимается и после открытия впускного окна поступает из цилиндра нагнетателя в цилиндры двигателя. При такой схеме нагнетателя предотвращается поступление горючей смеси в картер двигателя и обеспечивается возможность применения принудительной системы смазки подшипников коленчатого вала.

Так как пластинчатые клапаны, служащие для впуска горючей смеси в цилиндр нагнетателя, обладают значительным сопротивлением, на мотоциклетных двигателях иногда применяют поршневые нагнетатели с золотниковым распределением, которое обеспечивает лучшее наполнение цилиндров горючей смесью.

На рис. 54, в показана схема поршневого нагнетателя с золотниковым распределением.

Цилиндр нагнетателя сообщается посредством золотника с карбюратором, а продувочным каналом — с впускным цилиндром двигателя. Поршень нагнетателя соединен шатуном с коленчатым валом нагнетателя, который в свою очередь системой шестерен соединен с коленчатым валом двигателя.

При перемещении поршней двигателя к верхней мертвой точке поршень нагнетателя перемещается к нижней мертвой точке и через отверстия золотника в цилиндр нагнетателя поступает из карбюратора горючая смесь. При перемещении поршней двигателя к нижней мертвой точке поршень нагнетателя сжимает в цилиндре горючую смесь и после открытия продувочного окна нагнетает ее в цилиндры двигателя.

На гоночных мотоциклах ГК-1 и С2Б применены лопаточные нагнетатели (рис. 55).

Рис. 55. Лопаточный нагнетатель: 1 — корпус нагнетателя; 2 — ротор нагнетателя; 3 — лопатки ротора.

Нагнетатель состоит из корпуса, в котором эксцентрично расположен ротор с пазами для лопаток. Лопатки нагнетателя соединены со ступицами, которые вращаются на своей оси на шарикоподшипниках. Каждая лопатка, перемещаясь от входного отверстия к выходному, освобождает за собой постепенно увеличивающийся объем рабочей полости нагнетателя, и под действием разрежения в полость поступает из карбюратора горючая смесь. Одновременно каждая лопатка выталкивает находящуюся перед ней в полости между стенками корпуса и ротора горючую смесь.

При подходе лопатки к выходному каналу нагнетателя объем полости уменьшается и горючая смесь сжимается. Сжатая в нагнетателе горючая смесь поступает затем через кривошипные камеры и продувочные каналы в цилиндры двигателя. Нагнетатель сжимает горючую смесь до давления 1,6 кг/см2.

Установка лопаточных нагнетателей на мотоциклах значительно усложняет устройство двигателя, вследствие чего использовать их на дорожных мотоциклах нецелесообразно.

Нагнетатели этого типа нашли применение только на гоночных мотоциклах.

 

8. Установка фаз газораспределения и регулировка клапанов

Установка распределения имеет целью привести моменты открытия и закрытия клапанов в соответствие с диаграммой фаз распределения. Обычно установка фаз распределения проводится при сборке двигателя по меткам на шестернях распределения. Последовательность установки распределения и приемы выполнения отдельных операций зависят от конструкции двигателя; подробно они описаны в заводских инструкциях.

Рассмотрим установку фаз газораспределения на двигателе мотоцикла М-72 (рис. 56).

Рис. 56. Установка фаз газораспределения двигателя мотоцикла М-72.

Вращая коленчатый вал, устанавливают ведущую шестерню распределения так, чтобы метка на шестерне была вверху. После этого вводят шестерню распределительного валика в зацепление с ведущей шестерней, чтобы метки на шестернях совпали.

Для того чтобы пружины могли плотно закрывать клапаны, между клапаном и толкателем или ударником коромысла в холодном состоянии должен быть так называемый температурный зазор. В противном случае клапаны, нагреваясь и удлиняясь, при закрытом положении будут опираться на тыльные части кулачков (непосредственно или через детали привода).

Величина зазора зависит от типа и конструкции двигателя, от конструкции механизма распределения. В выпускных клапанах, имеющих более высокую температуру, зазор устанавливается несколько большей величины, чем в впускных клапанах. Величина зазора определяется заводом-изготовителем и указывается в заводской инструкции. Нормальный зазор между клапанами и толкателями обеспечивает получение номинальной мощности двигателя.

В процессе эксплуатации установленные зазоры могут изменяться вследствие износа или осадки седла клапана или его тарелки, износа кулачка и т. д. Поэтому зазоры необходимо периодически проверять и регулировать согласно заводской инструкции. Для первоначальной установки зазоров и периодического их восстановления в эксплуатации у мотоциклетных двигателей имеются специальные регулировочные болты или винты. Зазоры устанавливаются, как правило, на холодных двигателях.

Во время работы двигателя температура клапана и цилиндра повышается и зазоры между клапаном и толкателем или коромыслом изменяются вследствие различия коэффициентов линейного расширения и температуры материалов, из которых изготовлены клапан, цилиндр, толкатель и штанги.

При нижнем расположении клапанов зазоры у работающего двигателя будут меньше, чем у холодного, так как в этом случае клапан нагревается в большей степени, чем цилиндр, в результате чего и расширение клапана будет больше, чем у цилиндра.

При верхнем расположении клапанов и нижнем приводе зазоры у работающего двигателя будут больше, чем у холодного, так как в этом случае цилиндры в результате нагрева удлиняются на большую величину, чем штанги, соединяющие толкатели с коромыслом. За счет удлинения цилиндра при нагревании опора средней части коромысла поднимается и ударник коромысла отходит от торца клапана на большую величину, чем величина удлинения клапана в результате нагрева.

При верхнем расположении клапанов и верхнем приводе зазоры у работающего двигателя уменьшаются, так как в этом случае величина зазоров зависит только от изменения длины стержня клапана.

Зазоры между клапанами и толкателями двигатели мотоцикла М-72 регулируются в следующем порядке:

1. Отвернуть болты крышек клапанных коробок и снять крышки и прокладки.

2. Вращая пусковым механизмом коленчатый вал, установить перекрытие клапанов у одного цилиндра двигателя. Так как перекрытие клапанов (когда оба клапана открыты) происходит при положении поршня в верхней мертвой точке в конце такта выпуска и в начале такта впуска, то у другого цилиндра двигателя поршень будет также находиться в верхней мертвой точке, но в конце такта сжатия и в начале рабочего хода, т. е. у другого цилиндра клапаны будут закрыты.

3. Установить зазоры клапанов другого цилиндра (клапаны которого закрыты), для чего:

а) ослабить контргайку регулировочного болта;

б) вращая регулировочный болт и пользуясь щупом, установить зазор 0,1 мм между головкой регулировочного болта и стержнем клапана;

в) удерживая регулировочный болт, затянуть контргайку;

г) проверить величину зазора.

4. Вращая коленчатый вал пусковым механизмом, установить перекрытие уже отрегулированных клапанов. Затем выполнить те же операции с первым цилиндром.

5. Поставить на место прокладки и крышки клапанных коробок и завернуть болты.

У двигателей других мотоциклов, имеющих верхние клапаны с нижним приводом, регулировка зазоров осуществляется обычно регулировочным винтом, ввернутым в конец коромысла против стержня толкателя. Для регулировки зазора необходимо поршень установить в верхней мертвой точке на такте сжатия, освободить контргайку и, вращая регулировочный винт, установить нужный зазор. После этого закрепить контргайку и снова проверить зазор.

 

9. Основные неисправности механизма распределения и уход за ним

Во время работы двигателя клапанное распределение должно обеспечивать своевременное открытие и закрытие клапанов и плотную их посадку в седла. Нарушение этих условий может быть вызвано только неисправностью механизма.

Неисправности механизма распределения вызываются следующими причинами: некачественным изготовлением и монтажом деталей распределения, несвоевременным уходом за деталями распределения, неправильной эксплуатацией мотоцикла.

Во время монтажа деталей распределения необходимо следить за тем, чтобы все детали по внешнему виду были вполне исправными, чтобы зазоры между сопряженными деталями и тепловые зазоры между клапаном и толкателем соответствовали заводским. Затяжка контргайки регулировочного болта должна исключать самоотвертывание контргайки и изменение зазоров. Рабочая фаска клапана должна плотно садиться в седло по всей окружности. Жесткость пружины не должна быть пониженной.

Чтобы возможно дольше сохранить работоспособность деталей распределения и свести к минимуму их неисправности, необходимо строго придерживаться правил ухода за системой распределения. Эти правила в основном заключаются в следующем: периодически очищать клапаны от нагара и притирать их, периодически проверять тепловые зазоры между клапаном и толкателем.

Очищать клапаны от нагара и притирать их следует через 5000 км пробега. Нагарообразование на клапанах вызывается недоброкачественностью горючего, избыточным поступлением масла в цилиндры, неправильной регулировкой карбюратора. При правильной эксплуатации мотоцикла на выпускном клапане обычно нет нагара, так как температура его тарелки высокая и при этом масло и смолы, попадающие на клапан, сгорают. Образование нагара на впускном клапане зависит в основном от содержания смол в горючем. Во время такта впуска содержащиеся в горючем смолы оседают на горячей тарелке впускного клапана и, коксуясь, образуют плотный нагар на верхней части стержня и нижней поверхности тарелки. В результате плотность посадки тарелки клапана в седле нарушается.

Плотность посадки клапана в гнезде может быть нарушена и в результате коробления клапана вследствие перегрева, а также вследствие попадания частиц нагара на поверхность рабочей фаски клапана.

При небольших повреждениях рабочей поверхности клапана и седла плотность и правильная посадка клапана восстанавливаются притиркой.

Притирка клапанов производится после снятия головки цилиндра и очистки клапанов от нагара. Для притирки клапан вынимают из направляющей, устанавливают на стержень под тарелку клапана слабую пружину, которая, опираясь на направляющую втулку клапана, может держать его открытым, и намазывают рабочую фаску клапана притирочной пастой. Притирочная паста приготовляется из мелкого наждачного порошка, смоченного моторным маслом.

После подготовки клапана к притирке устанавливают его на место и, нажимая отверткой в паз на тарелке, поворачивают клапан в седле. После каждого поворота несколько уменьшают нажим на клапан, чтобы пружина приподняла клапан над седлом, и поворачивают клапан в обратном направлении на меньший угол. Это делается для того, чтобы во время притирки клапан постепенно поворачивался вокруг своей оси и притирка была равномерной по всей поверхности. Притирка заканчивается, когда рабочая фаска тарелки клапана и седло будут иметь ровную без пятен матовую поверхность. После притирки клапан и седло промываются керосином. Затем проверяется плотность посадки.

Для проверки плотности посадки клапана наносят на его рабочей фаске несколько штрихов карандашом и, слегка нажимая на клапан, поворачивают его в седле. При хорошей притирке все штрихи должны быть стерты.

Тепловые зазоры проверяются также через 5000 км пробега.

Проверка производится щупом при положении поршня данного цилиндра в верхней мертвой точке на такте сжатия.

Изменение тепловых зазоров может наступить и значительно ранее, но это вызывается в основном не естественным износом деталей, а недостаточной затяжкой контргайки регулировочного болта и проседанием седла клапана во время работы.

При неправильной эксплуатации мотоцикла наблюдается перегрев двигателя и перегрев деталей механизма распределения. Перегрев деталей распределения вызывает коробление тарелок клапанов, особенно выпускных, проседание седла и значительное понижение прочности материала клапанов. Кроме того, резко повышается износ направляющих втулок и усиливается заедание клапанов во втулках. Все это снижает срок службы мотоцикла и требует ремонта и замены деталей.

При небольшом короблении клапана или прогаре его рабочая поверхность восстанавливается шлифовкой и последующей притиркой.