Учебное пособие

Гоночные мотоциклы

26. Наддув двухтантных двигателей

В простейшей конструктивной форме двухтактного двигателя с тремя каналами функции распределительного органа выполняет поршень, открывающий и закрывающий впускные, перепускные и выпускные окна цилиндра. Такое устройство по существу нерационально для работы двигателя с наддувом, так как выпускные окна закрываются позднее перепускных; диаграмма распределения получается симметричной (рис. 110). Если применить наддув, то в лучшем случае (с большой потерей свежей смеси в выпускные окна) можно было бы приблизить коэффициент наполнения к единице. Между тем потеря смеси в выпуск означает большой расход горючего, непроизводительную затрату мощности на привод нагнетателя и уменьшение литровой мощности.

Наддув в сочетании с симметричными фазами газораспределения сначала применяла на своих гоночных мотоциклах фирма DKW.

Рис. 110. Фазы газораспределения двухтактного двигателя (слева — симметричные, справа — несимметричные)

Схема на рис. 111, а соответствует первым двигателям DKW, выпускавшимся в период с 1926 до 1931 г. Они работали по принципу обычной трехканальной системы с дефлектор ной продувкой, но имели поршневой нагнетатель, непосредственно соединенный с полостью картера. Поршень нагнетателя приводится в движение специальным шатуном и эксцентриком, закрепленным на коленчатом валу. При движении поршня двигателя вверх поршень нагнетателя идет вниз, всасывая в картер дополнительное количество горючей смеси. Во время следующего хода поршни сходятся, сжимая смесь, и заставляют ее переходить в цилиндр двигателя в момент открытия перепускных окон. Эксцентрик устанавливается с таким расчетом, чтобы поршень нагнетателя немного отставал от поршня двигателя и подходил к своему верхнему положению в момент закрытия перепускных окон.

Рис. 111. Схемы двухтактных гоночных двигателей DKW с нагнетателями

Впускные окна, соединенные с карбюратором, управляются нижней кромкой поршня и на схеме не показаны.

К 1932 г. удалось довести мощность такого двигателя (250 см³) до 13 кВт. Однако к этому времени лучшие образцы четырехтактных двигателей класса 250 см³ развивали до 16 кВт и мотоциклы DKW терпели одно поражение за другим от английских мотоциклов с четырехтактными двигателями.

Своего рода сенсацией явился первый приз, полученный гонщиком Э. Торричелли на австрийском мотоцикле «Пух» с двухтактным двухпоршневым двигателем класса 250 см³ за гонку на Большой приз Германии в 1931 г., в период, когда английские мотоциклы с четырехтактными двигателями выигрывали подряд почти все крупные соревнования.

Может быть это событие в известной степени повлияло на решение фирмы DKW перейти в 1932 г. на двухпоршневой тип конструкции двухтактных гоночных двигателей.

На практике осуществление эффективного двухтактного процесса было связано с серьезными трудностями. Главная задача состояла в получении высокого коэффициента наполнения и в уменьшении до минимума коэффициента остаточных газов. Для улучшения этих показателей в основу всех следующих конструкций DKW, приведенных схематически в хронологическом порядке на рис. 111, положена схема двигателя с так называемым П-образным цилиндром. Одному из первых двигателей такого типа в сочетании с поршневым нагнетателем соответствует схема 111,6. Здесь два параллельных цилиндра имеют общую камеру сгорания. Правый поршень управляет выпускными окнами, а левый — перепускными.

Выпускной поршень соединен при помощи шатуна с коленчатым валом обычным способом; шатун перепускного поршня присоединяется к боковой проушине на нижней головке выпускного шатуна.

Преимущество такой схемы заключается в сдвиге фаз распределения выпускных и перепускных окон. В момент прохода поршнями н. м. т. перепускной поршень несколько отстает от выпускного и перепускные окна закрываются позднее выпускных, благодаря чему можно с успехом применить подачу горючей смеси под давлением от нагнетателя с минимальными потерями на выпуск. Диаграмма распределения приобретает несимметричный вид (см. рис. 110).

Конструкции с П-образными цилиндрами могут быть условно причислены к разряду двигателей с прямоточной продувкой, давшей хорошие результаты по качеству наполнения и очистки цилиндра. При прямоточной продувке нет потоков горючей смеси и продуктов сгорания, движущихся навстречу один другому. Отличные свойства прямоточной продувки хорошо известны по опыту эксплуатации двухпоршневых дизелей. По сути дела П-образный цилиндр представляет собой согнутый цилиндр двигателя с поршнями, двужущимися в противоположных направлениях.

Так же, как и в предыдущей схеме, поршень нагнетателя приводится в действие от коленчатого вала шатуном и эксцентриком, но цилиндр расположен горизонтально. Горючая смесь проходит от цилиндра нагнетателя непосредственно в цилиндр двигателя, минуя картер. Нагнетатель всасывает горючую смесь через несколько мембранных клапанов, помещенных на крышке его цилиндра. Мембранный клапан представляет собой тонкую металлическую пластинку, прикрепленную одним концом к крышке. Каждая мембрана прикрывает соответствующую щель на крышке. Когда над поршнем возникает разрежение, мембрана отгибается атмосферным давлением и пропускает горючую смесь внутрь цилиндра нагнетателя. Таким образом, мембраны играют роль автоматических клапанов. Ничтожная инерция мембран позволяет двигателю развивать свыше 5000 мин^-1.

Двигатели класса 250 см³ с П-образным цилиндром и мембранными клапанами развивали до 16 кВт (65 кВт/л) и выиграли в ряде гонок у лучших четырехтактных машин, но мембраны были подвержены поломкам и причиняли много неприятностей. Наиболее надежными оказались мембраны, выполненные из шведской пружинной стали, а на позднейших типах двигателей — из бериллия.

На схеме рис. 111, в показана дальнейшая модификация мембранного двигателя с П-образным цилиндром. Нагнетатель имеет вертикальный цилиндр е укороченным перепускным каналом и самостоятельный коленчатый вал, соединенный с валом двигателя цепной передачей.

Рабочий объем поршневых нагнетателей постепенно увеличивали от 130 см³ (диаметр цилиндра 90 мм, ход поршня 20 мм) до 440 см³ (D — 100 мм, S = 56 мм).

Следующим этапом развития явился двигатель с вертикальным поршневым нагнетателем и вращающимся впускным клапаном (золотником), выполненный по схеме 111, г. Вращающийся клапан позволил отказаться от нежных мембран, увеличил наполнение нагнетателя и сделал двигатель весьма надежным в работе. Передача от коленчатого вала к валу нагнетателя осуществлялась цилиндрическими шестернями. По мощности 20 кВт двигатель (250 см³) превосходил четырехтактные двигатели 1938 г. и отличался хорошей приемистостью.

Таким образом, к концу 30-х годов гоночные мотоциклы с двухтактными двигателями, имеющими нагнетатель, были практически равноценны по быстроходности гоночным мотоциклам с четырехтактными двигателями без нагнетателей. Однако мотоциклы с двухтактными двигателями расходовали значительно больше топлива и при определенной длине дистанции гонки должны были делать остановку для пополнения запаса топлива, тогда как мотоциклы с четырехтактными двигателями нередко могли пройти всю дистанцию безостановочно и за счет этого показать лучший результат.

Главными соперниками в этот период борьбы между сторонниками применения двухтактного и четырехтактного двигателей были мотоциклы DKW (Германия) и «Гуцци» (Италия).

Когда в 1939 г. появились гоночные мотоциклы «Гуцци» и «Бенелли» с четырехтактными двигателями с нагнетателями, преимущество в быстроходности оказалось снова у сторонников применения четырехтактных двигателей. В это время фирма DKW разработала свой последний вариант гоночного двухтактного двигателя, показанный на схеме 111, д. Он имеет два П-образных цилиндра и двухколенчатый вал; нагнетатель ротативного типа нагнетает горючую смесь в картер, откуда она поступает в цилиндры через перепускные каналы. Нагнетатель получает вращение от коленчатого вала с помощью цепной передачи. Перед второй мировой войной двигатель находился в экспериментальной стадии и развивал мощность более 29 кВт.

Для выпуска небольшими сериями фирма DKW в те же годы разработала менее форсированный тип двигателя (15 кВт) с П-образным цилиндром и картерным поршневым нагнетателем, как у первых образцов с дефлекторной продувкой, но с горизонтальным расположением цилиндра нагнетателя (схема 111, е). Впускные окна этого двигателя управляются нижней кромкой выпускного поршня.

Все двухтактные двигатели DKW строились с водяным термосифонным охлаждением и зажиганием от магнето маховичного типа. В конструкциях с картерными нагнетателями пользовались смазкой из смеси моторного масла с горючим в отношении 1 : 20. В остальных случаях (схемы 111, б, в и г), когда горючая смесь не проходит через картер, предусматривалась отдельная смазка масляным насосом с постоянной подачей свежего масла по нециркуляционной системе («на полный прогар»).

Известны конструкции гоночных двухтактных двигателей с противоположно движущимися поршнями, в которых осуществляется прямоточная, теоретически наиболее рациональная продувка. К этому типу относятся двигатели «Империя» (350 см³, 1935 г.), ГК-1 (350 см³, 1946 г., рис. 112) и ИФА (125 см³, 1956 г.). При такой схеме двигатель имеет два коленчатых вала, связанных какой-либо, например шестеренной, передачей. Двигатели этого типа были довольно громоздкими и на практике не отличались высокими эксплуатационными качествами.

Рис. 112. Гоночный двухтактный двигатель ГК-1 класса 350 см³ с прямоточной продувкой и наддувом

Все типы двухтактных двигателей с наддувом отличаются очень напряженным тепловым режимом работы; в первую очередь это относится к выпускным поршням и их поршневым кольцам, которые нередко получают повреждения вследствие интенсивного неравномерного нагрева. Кроме того, компрессорные двухтактные двигатели отличаются большим расходом горючего.

После запрещения в 1946 г. ФИМ использования наддува в двигателях мотоциклов для дорожных гонок разработка двухтактных двигателей с таким принципом питания практически прекратилась. Можно не сомневаться в том, что дальнейшее развитие двухтактных двигателей с наддувом могло бы дать существенное повышение мощностных показателен, но поскольку при стремлении к высоким литровым мощностям (обусловленном классификацией мотоциклов по рабочему объему двигателя) сочетание двухтактного принципа работы с наддувом неизбежно сопровождалось резким повышением удельных расходов топлива, рассматриваемое направление развития имело в основном спортивное, а не техническое значение. Перспективным путем формирования двухтактных двигателей без повышения удельных расходов топлива является непосредственный впрыск топлива в цилиндр, так как при этом в процессе продувки могут иметь место только потери воздуха.