Проект длиной в 8 лет — знал бы, ни за что не ввязался: свой 2-тактный мотор

Когда-то давно я понял, что мне мотора Иж Планета не хватает и я решил радикально модифицировать его — сделать собственный цилиндр. По ходу сменился даже мотор. За его время я успел закончить школу, поступить в один вуз, вылететь и каким-то чудом перевестись в другой и отучиться там еще 5 лет и все равно я закончил и его уже два года назад. Знал бы я, что так оно растянется, наверное, не ввязался бы. Поскольку мы воспринимаем время относительно прожитого в сознательном возрасте, то для меня оно растянулось на половину прожитого времени.

Прошло уже 6 лет с момента выхода первой и последней заметки по этому проекту(Свой 2-тактный мотор. CR620 рекомендуется к ознакомлению). Тогда я остановился из-за проблем с аутсорсом в металлообработке. Кто не может, кто не хочет, кто делает бесконечно долго, кто и детали назад возвращать не хочет. А город в котором я живу имеет славную промышленную историю и был центром Петровской индустрии 18-века, но от славного прошлого ныне остался один корень в названии города и несколько действующих предприятий, на которых занято порядка единиц процентов населения. А сейчас не 90-е и даже не 00-е, когда можно было договорится с человеком с завода чтобы он что-то такое эдакое для тебя сделал. Теперь у них есть работа и КПП на входе, как я потом узнал — номинальное. Вся эта история с передачей деталей где они лежат, а не делаются, поиск новых мест и тому подобное блуждание длилась несколько лет. Оказалось, что отлить сложную алюминиевую отливку у сарая на родительской даче я смог, а обработать, что не выглядело проблемой изначально — нет.


В это же время я познакомился с мастером из университетской мастерской, который сначала под присмотром, а потом и самостоятельно позволял мне работать на станках. Жаль только то, что станки были чуть больше настольного и моя отливка не имела шанса влезть в них. Однако, я делал на них маленькие детали на продажу и заработал на токарный станок уже промышленного уровня, пусть и выпущенный на заводе сомнительной репутации в АрССР.


Из помещений, где я мог что-то делать, был кусок в 3х3м сарая на родительской даче и гараж-ракушка. В одном нет места в другом света. Я решил, что с электричеством проблема проще и перевез станок в гараж. Там я его отмыл, перебрал и изучил. Казалось бы, электричество есть в кооперативе напротив через кусты и грунтовку, в 10м. Связался с председателем и предложил ему платить все взносы за право покупать у его кооператива электричество. Он категорически был против. Фейл. Соседей пенсионеров мне тоже убедить не удалось. Фейл. Появилась идея снять с товарищами гараж для хранения и ремонта мототехники. Звонили по объявлениям, ездили смотреть и каждый раз общение с собственником помещения заканчивалось после вопроса о установке станка. Фейл. Проект как обычно отложен на следующий год.

К концу лета следующего года я, видимо, настолько утомил родителей терриконами отходов литейного производства на даче (на мой взгляд хорошо разбавляли сельский пейзаж и избавляли от стрижки травы в пределах пары метров от них), что они решили купить мне гараж у дома и с электричеством, аж с тремя фазами по стенке. Там наконец токарный станок ожил, а я смог начать обрабатывать отливку цилиндра после 2,5 лет выдержки.

Когда я наконец обработал отливку, то столкнулся с очередной проблемой: я договорился с человеком, который делает сверхтвердые гальванические покрытия на цилиндрах ДВС и проектировал цилиндр именно под покрытие, а пока время шло, человек уже перестал этим заниматься или просто не стал браться, а другие либо делали дорого, либо как-то очень подозрительно путались в ответах. К тому же, колодцы золотников были выполнены вертикальными, при проектировании я не мог думать как технолог, ибо не имел своей производственной базы. Такие я не мог обработать сам и отдал на сторону, где цилиндр повис на полгода. Так проект встал, хотел закончить к лету, никогда такого не было и вот опять. Нужно было делать чугунную гильзу, да только к тому времени накопилось столько новых идей, что проект 4-годичной давности устарел и тащить его не было никакого желания. Так эта ветвь и остановилась навечно.


Зимой был подготовлена новая версия цилиндра. Именно с этого момента можно отсчитывать хронологию проекта. Отличительной особенностью ее является обилие «механизации» — два клапана в каналах выпуска и золотники в каналах продувки.
Начнем, пожалуй, с небольшой теории о мощностных клапанах в двухтактных двигателях внутреннего сгорания.

Введение

К настоящему времени в двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продувкой применяются системы управления сечением и/или фазой выпускного порта. Данные системы обеспечивают сглаживание кривой мощности. Изменение фазы или сечения выпускного порта выполняется с помощью заслонки, расположенной в выпускном канале. Ее положение зависит от оборотов коленчатого вала. Привод заслонки бывает пневматическим, механическим или электрическим. Например, на моторе мотоцикла Yamaha TZ500 при высоких оборотах, около 10500 мин-1, значение фазы выпуска составляет 202deg, а на низких около 180deg. На рисунке представлена конструкция мощностного клапана фирмы Yamaha.


Как и для выпуска, для продувки тоже существует зависимость оптимальной фазы продувки от оборотов, обусловленная компромиссом между скоростью газа в потоке продувки, потерями свежей смеси через выпуск и объемом ее же, поступающей за время продувки. Данная зависимость линейна, что можно увидеть из графика, представленного ниже.


В отличие от выпускного порта, каналы продувки характеризуются еще и углами выхода: горизонтальными и вертикальными. В случае пятиканальной продувки обычно получается четыре ненулевых и различных горизонтальных угла и пять (по два на 1-4 каналы и один на 5-й) вертикальных.


Горизонтальные углы продувочных каналов: A, B, C, D


Вертикальные углы основных каналов продувки

Данные углы необходимы для получения характерной петли продувки. Такой способ продувки называется петлевая продувка и обеспечивает наиболее эффективное удаление отработанных газов без увеличения числа подвижных элементов двигателя и усложнения его конструкции. Поэтому в настоящее время только он применяется на всех двухтактных двигателях, кроме двухтактных дизелей. Из-за важности углов выхода продувочных каналов применять методы, используемые для управления выпуском, нельзя. Поскольку они будут создавать либо нежелательные завихрения в канале продувки, либо изменять его углы выхода.

Авторы [A. Graham Bell. Two-Stroke Performance Tuning. Haynes Publishing, 1999.] утверждают, что во время продувки возникают колебания с собственной частотой $$:

$$

где:
$$ — скорость звука в продувочном канале;
$$ — объем кривошипной камеры без учета объема продувочных каналов;
$$ — средняя длина продувочного канала;
$$ — средняя площадь поперечного сечения продувочного канала;
$$ — ширина среднего поперечного сечения канала;
$$ — высота среднего поперечного сечения канала.
Выражение $$ представляет собой поправку, учитывающую влияние входной части продувочного канала.
Эта собственная частота, $$, должна быть равна:

$$

где:
$$ — чистота оборотов коленчатого вала двигателя;
$$ — фаза продувки.

Таким образом, из выражения (2) следует, что собственная частота колебаний, возникающих во время продувки, прямо пропорциональна частоте оборотов двигателя, но правая часть выражения (1) не зависит от частоты вращения коленчатого вала. Поэтому продувка оптимально работает лишь в узком диапазоне оборотов, а для расширения рабочего диапазона необходимо внести зависимость от оборотов в правую часть выражения (1). Проще всего это сделать, введя зависимость средней площади поперечного сечения продувочного канала от оборотов. Чтобы не вносить нежелательных завихрений в поток газа в продувочном канале, желательно изменять сечение каналов продувки, меняя их количество. Например, с помощью золотников, перекрывающих некоторые каналы продувки. В рамках данного проекта предлагается перекрывать золотниками дополнительные каналы продувки.


Золотники в каналах продувки: левый полностью открыт, правый закрыт

Влияние данного решения было исследовано с помощью компьютерного моделирования продувки в пакете программ SolidWorks Flow Simulation. Продувка выполнена при постоянной разнице давлений между входом в каналы продувки и выходом из выпускного канала. Поршень считался неподвижным и находящимся в нижней мертвой точке. Процессы впуска и выпуска не учитывались. Разница давлений была выбрана из разницы объемов под поршнем в нижней и верхней мертвой точке и составляла 0,6 кг/см2. Из-за указанных выше допущений, результаты расчета в этом стационарном приближения можно рассматривать как качественные без количественной оценки. Поскольку, например, разделить во времени или пространстве процессы выпуска и продувки нельзя. В этом и заключается главная трудность для компьютерного моделирования двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой.

На рисунках видно, что закрытие золотников существенно влияет на распределение скоростей потока и вид петли продувки: при закрытых дополнительных каналах (трехканальный режим) увеличивается скорость газа в процессе продувки и петля продувки становится более выраженной и отдаленной от выпускного окна, что должно снизить потери свежей смеси через выпускной порт и снизить коэффициент остаточных газов, в тоже время, высокая скорость на выходе потока из каналов продувки при трехканальной продувке указывает на наличие узкого места, которое будет ограничивать расход газа через двигатель, а значит и мощность при высоких оборотах. В случае пятиканального режима смешивание газов должно быть больше, а, значит, возрастет коэффициент остаточных газов, но при этом наблюдается меньшая скорость, и «узким» местом становится канал выпуска, что снижает потери свежей смеси через него.


Траектории 2000 частиц при открытых золотниках в дополнительных продувочных каналах (пятиканальный режим)


Траектории 2000 частиц при закрытых золотниках в дополнительных продувочных каналах (трехканальный режим)

Кроме золотников в каналах продувки, планируется установить в выпускном канале мощностной клапан (МК) для проверки совместной работы обоих систем. Наилучшим образом для исполнительного механизма МК подходит заслонка в виде секторного золотника. Это объясняется тем, что кромка заслонки такого мощностного клапана во всем диапазоне рабочего хода находится максимально близко к рабочей поверхности цилиндра (то есть, при малом угле поворота траектория движения точке на кромке золотника приближена к прямой), а не только в нижнем положение, как в случае цилиндрического золотника или наклонного шибера. Кроме того, такая конструкция заслонки не создает сильных завихрений за собой как шиберная заслонка, движущаяся параллельно оси цилиндра.


Заслонка мощностного клапана(МК) в опущенном состоянии


Продувки при закрытых золотниках в дополнительных каналах продувки и опущенной заслонке МК

Разработка моделей

На основании информации (таблица), полученной входе изучения цилиндров мотоциклов Kawasaki KX500, Honda CR500, Yamaha YZ490 и CZ 514, были выбраны фазы продувки и выпуска соответственно равные 125deg и 186deg, с полностью закрытым мощностным клапаном фаза выпуска уменьшается до 156о. Число продувочных каналов выбрано равным пяти и выпуск из двух основных окон и двух дополнительных портов. На впуске был установлен лепестковый клапан.

Примечание: Если в ячейке указаны два параметра высоты выпускного окна или фазы выпуска, то первая относится к состоянию с полностью закрытым МК, а вторая с открытым.

После замеров сопрягаемых с цилиндром элементов базового двигателя было выполнено создание трехмерной твердотельной модели газораспределительных каналов и сопряженных с ними полостей. Все чертежи были выполнены с использованием пакета программ SolidWorks.


Твердотельная модель газораспределительных каналов

Начало именно с твердотельной модели каналов позволяет минимизировать число толстых мест отливки и уменьшить ее массу. На следующем шаге вокруг модели каналов была построена оболочка с толщиной стенок 4-6 мм и нижним крепежным фланцем.


Оболочка каналов без выреза модели каналов

Рубашка охлаждения была получена построением вокруг оболочки каналов второй оболочки, такой чтобы между обоими оболочками в горячих местах (верхняя часть цилиндра и каналы выпуска) оставалось расстояние в 6-10 мм. Толщина стенки оболочки каналов охлаждения около 4 мм. Вход в рубашку охлаждения находится внизу цилиндра под каналом выпуска и выше верхней кромки продувочных каналов рубашка охватывает весь периметр цилиндра. Также на этом этапе были построены плоскости крышек системы газораспределения и фланцы впуска и выпуска.


Твердотельная модель цилиндра без выреза модели каналов

Модель цилиндра получена при вычитании из полученной на предыдущем этапе модели каналов, таким образом модель каналов формирует полости. Далее была выполнена разметка крепежных отверстий, посадок подшипников и гильзы. На этом построение модели цилиндра закончено.




Построение гильзы и золотников было выполнено так же с помощью вычитания модели каналов из соответствующих твердотельных «заготовок».

Получилось и так много текста, поэтому за сим завершаю эту часть. Следующая будет повествовать о изготовлении литейной оснастки и выполнении отливки цилиндра.