Стендовые испытания

Лучшей объективной проверкой качества выполненных дора­боток двигателя является определение его скоростных характе­ристик на тормозном стенде. Тормозной стенд состоит из тормоза, укрепленного на соответствующем фундаменте, ста­нины для двигателя, соответствующего соединения тормоза с двигателем и оборудования, в состав которого входят системы питания, выпуска и измерений. Конструкция тормоза позво­ляет плавно от нуля до максиму­ма увеличивать нагрузку на двигатель и измерять при этом ЧВ двигателя и силу на диске тормоза. Эта сила, умноженная на длину плеча тормоза, опреде­ляет крутящий момент, получа­емый от двигателя.

Возможны два метода соединения двигателя с тормозом. Первый — непосредственное соединение коленчатого вала дви­гателя с валом тормоза при помощи специального короткого вала с шарниром. Второй метод, особенно удобный при испытаниях двигателя с коробкой передач, основан на непосредственном соединении двигателя цепью через коробку передач с тормозом. Этот метод особенно подходит для сравнительных испытаний, однако точное определение мощности двигателя осложняется из-за потерь в коробке передач.

В процессе испытаний двигатель должен охлаждаться. К двигателю с водяным охлаждением подводится вода. Для двига­теля с воздушным охлаждением устанавливается переносной вентилятор. Для постоянного контроля термонагрузки двигателя под запальной свечой устанавливается термопара.

Для получения характеристики гоночного двигателя необхо­димо получить измерения в 6—10 точках. Предположим, что мы начинаем с 3000 об/мин и измерения проводим при каждом уве­личении на 1000 об/мин. Измерения нужно проводить во всем диапазоне от минимальной до максимальной ЧВ и обратно. Чтобы сориентироваться в характеристиках двигателя, достаточно пройти только снизу доверху, причем необходима непрерывность постепенного увеличения ЧВ. После первого испытания, если мы заметим, что характеристика двигателя не типичная, целесооб­разно повторить измерения с увеличением частоты точек измере­ния в интересующем нас диапазоне ЧВ.

Для получения полной характеристики двигателя необходимо обычно 2—3 мин его работы при полной нагрузке (полностью открытой дроссельной заслонке). Прерывать начатые испытания нельзя по условиям сохранения прочности. Если двигатель не выдержит этих нескольких минут под нагрузкой, он может выйти из строя позже, во время гонки. В принципе мы не должны производить избирательных измерений в отдельных точках характеристики, снимая нагрузку с двигателя после каждого измерения. Такие действия не создают в двигателе реаль­ных тепловых условий, возникающих при нормальной работе.

При форсировании двигателя необходим следующий цикл проведения работ: получение характеристик двигателя, прове­дение доработок, регистрация изменений (измерения, рисунки, записи), новые стендовые испытания, проведение доработок и т. д. Это кропотливая работа, требующая многократной раз­борки двигателя. Надо заметить, что необходимо регистрировать любое изменение. После каждой доработки цилиндра целесооб­разно снять оттиск зеркала цилиндра с соответствующим описа­нием. Такие действия помогут нам провести тщательный анализ правильности принятого направления работ, а также вернуться к этапу, который давал лучшие результаты. Организация ведения подробной документации испытаний — это нелегкая задача, обычно она требует немалой дисциплины. Однако это единствен­ный путь к получению хороших результатов.

На рис. 9.49 показаны скоростные характеристики серийного и форсированного двигателей CZ8. На развертках цилинд­ров обоих двигателей указаны проведенные дора­ботки.

Как мы видим, даже сравнительно небольшие изменения в цилиндре могут дать значительный эффект.

Представленные характеристики были получены при сле­дующих параметрах двигателей: штатные карбюратор и выпуск­ная система (CZ), прокладка под головкой толщиной 0,55 мм, опережение зажигания до форсировки 2,3 мм, после форсировки 2,8 мм перед ВМТ, пропускная способность главного жиклера, 323 мл/мин.

Углы открытия окон изменены следующим образом: впуск с 164° до 194°, выпуск — с 188° до 195°, перепуск — с 125° до 139°.

Двигатель был соединен с тормозом через коробку передач, поэтому значение крутящего момента рассчитывалось с учетом КПД редуктора. По отношению к рассчитанным значениям возможна небольшая погрешность.

Другой цели служат исследования двигателя, результатом которых должно быть утверждение, соответствует ли данный двигатель техническим требованиям. Контроль проводится во время соревнований путем осмотра разобранного двигателя и измерений, выполняемых универсальными измерительными инструментами и специальными шаблонами.

Рис. 9.51. Измерение диаметра цилиндра

На картах с произвольно дорабатываемым двигателем (например, гоночная категория) проверяется фактически только рабочий объем двигателя. Конт­роль сводится к измерению хода поршня и диаметра ци­линдра (рис. 9.51). В тех категориях, в которых нормы не допускают в принципе никаких доработок (например, в школьно-молодежной катего­рии), подтверждение серийности деталей двигателя намного сложнее. Технический комиссар должен отлично знать конструк­цию проверяемого двигателя и технологию изготовления его узлов и агрегатов. Он должен также иметь представление о текущих конструктивных изменениях, вносимых изготови­телем.

Для такого контроля применяются разные шаблоны (рис. 9.52), которые позволяют быстро и однозначно проверить, является ли данный двигатель серийным. Применение таких шаблонов при контроле позволяет спортсмену внести опреде­ленные коррективы в размеры деталей серийного двигателя. Такие корректировки могут потребоваться в случае довольно часто встречаемых отклонений размеров деталей двигателя от размеров, указанных в конструкторской документации.

Диапазон доработок

Прежде, чем приступить к работе над двигателем, надо ре­шить, какой показатель мы хотим достичь. В пяти-, шестиступен-чатых двигателях гоночной категории мы можем стремиться к увеличению ЧВ, хотя известно, что в результате этого ЧВ максимального момента приближается к ЧВ максимальной мощ­ности; мы уменьшаем диапазон рабочих оборотов, добиваясь взамен большей мощности.

В двигателях популярной категории, а это двигатели «Дэмба» объемом 125 см³ с трехступенчатой коробкой передач, не следует стремиться к достижению слишком большой ЧВ, надо добиваться наибольшего диапазона рабочих ЧВ. В таких двигателях (ис­пользуя его собственные узлы и агрегаты) можно добиться мощности более 10 кВт при частоте вращения порядка 7000—8000 об/мин.

Необходимо также определить диапазон доработок, которые мы собираемся выполнить. Надо заранее знать, будет это внесе­ние усовершенствований в дорабатываемый двигатель или же диапазон доработок будет столь широк, что в итоге получим практически новый двигатель с сохранением нескольких ори­гинальных (но доработанных) узлов, как того требуют пра­вила.

Предполагая доработку двигателя, предпочтение следует от­давать тем операциям, которые значительно повысят показатели двигателя. Однако не стоит (по крайней мере на этом этапе работ) предусматривать выполнение таких операций, которые требуют значительного труда и о которых заранее известно, что они дадут незначительные результаты. К таким операциям относится полирование всех каналов цилиндра двигателя, несмотря на то, что существует всеобщее убеждение в эффек­тивности этой операции. Стендовые испытания многих двига­телей показали, что полирование каналов цилиндра повышает мощность двигателя на 0,15—0,5 кВт. Как видите, усилия, затра­ченные на выполнение этой работы, совершенно несоизмеримы с результатами.

Вот операции, которые несомненно повлияют на увеличение показателей двигателя: увеличение степени сжатия; изменение фаз газораспределения; изменение формы и размеров каналов и окон цилиндра; правильный подбор параметров впускной и вы­пускной систем; оптимизация опережения зажигания.

Изменение степени сжатия

Увеличение степени сжатия, получаемое путем уменьшения объема камеры сгорания, ведет к увеличению мощности двига­теля. Увеличение степени сжатия ведет к росту давления сго­рания в цилиндре за счет увеличения давления сжатия, улучше­ния циркуляции смеси в камере сгорания и увеличения скорости сгорания.

Степень сжатия нельзя увеличивать до любой произвольной величины. Она ограничена качеством используемого топлива, а также тепловой и механической прочностью узлов двигателя. Достаточно сказать, что при увеличении эффективной степени сжатия с 6 до 10 силы, действующие на поршень, возрастают почти вдвое; т. е. вдвое возрастает нагрузка, например, на кривошипный механизм.

С учетом прочности деталей двигателя и детонационных свойств доступных топлив не рекомендуется применять геомет­рическую степень сжатия больше 14. Увеличение степени сжатия до этого значения требует не только удаления прокладки (если она была), но и придания соответствующей формы головке цилиндра, а иногда и цилиндру. Для облегчения расчета объема камеры сгорания для разных степеней можно пользоваться диаграммой, показанной на рис. 9.17. Каждая из кривых от­носится к определенному рабочему объему цилиндра.

Рис. 9.17. Диаграмма зависимости степени сжатия а от объемов камеры сгорания V₁= 125 см³ и V₂ —50 см³

В некоторых двигателях с относительно небольшой степенью сжатия ее значительное увеличение возможно только путем механической обработки. В этом случае заплавляют камеру сгорания и снова обрабатывают ее. Это позволяет также изменить форму камеры. Большинство современных двигателей, применяемых в картинге, имеют камеру сгорания в виде шляпы. Эту форму не следует изменять при доработках двигателя.

Единственный метод точного определения объема камеры сгорания — это заполнение ее моторным маслом через отверстие для запальной свечи (рис. 9.18) при положении поршня в верхней мертвой точке. При таком методе измерения от объема налитого масла надо отнять объем свечного отверстия. Объем свечного отверстия для свечи с короткой резьбой равен 1 —1,1 см’¹, для свечи с длинной резьбой — 1,7—1,8 см³.

Прокладки под головку цилиндра в гоночных двигателях либо вообще не применяются, либо их заменяют тонкие медные кольца. В обоих случаях поверхности стыка цилиндра и головки должны быть притерты. Применение прокладок из материала с низким коэффициентом теплопроводности противопоказано, потому что это затруднит отток теплоты от верхней части гильзы цилиндра, несущей значительную тепловую нагрузку, к головке и ее охлаждающим ребрам. Прокладка головки цилиндра ни в коем случае не должна выступать в камеру сгорания. Выступающая кромка прокладки будет накаляться и станет источником калильного зажигания.

Рис. 9.18. Определение объема камеры сгорания

Октановое число применяемого бензина должно соответ­ствовать степени сжатия. Однако надо учитывать, что степень сжатия является не единственным фактором, определяющим возможную детонацию топлива.

Детонация зависит от протекания процесса сгорания, от движения смеси в камере сгорания, от способа зажигания и т. п. Вид топлива для конкретного двигателя подбирается опытным путем. Однако использовать высокооктанное топливо для двига­теля с низкой степенью сжатия не имеет смысла, потому что работа двигателя не улучшается.

Подбор соответствующих фаз газораспределения в двух­тактном двигателе играет огромное значение для удаления отработавших газов из цилиндра и наполнения его свежей смесью. Кроме того, надо так направить струи смеси, идущие из перепускных окон, чтобы они проходили через все закутки цилиндра и камеры сгорания, выдувая из них остатки отработав­ших газов и направляя их к выпускному окну.

Для увеличения ЧВ двигателя и, как следствие, его мощности, необходимо значительно расширить фазу выпуска, а точнее, увеличить разность между фазами выпуска и продувки. В резуль­тате этого увеличивается время, в течение которого отработав­шие газы, расширяясь, выходят из цилиндра. В этом случае в момент открытия перепускных окон цилиндр уже пуст, посту­пающий в него свежий заряд лишь незначительно смешивается с остатками отработавших газов.

Фаза выпуска увеличивается за счет смещения (спиливания) верхней кромки окна. Фаза выпуска в гоночных двигателях до­стигает 190° по сравнению со 130—140° в серийных двигателях. Это значит, что верхнюю кромку можно спилить на несколько миллиметров. Надо, однако, учитывать, что в результате увели­чения высоты выпускного окна уменьшается ход поршня, на котором выполняется работа. Поэтому увеличение высоты вы­пускного окна окупается только в том случае, если потери в работе поршня компенсируются улучшением продувки цилиндра.

В связи с целесообразностью достижения максимальной раз­ности между фазами выпуска и продувки угол открытия проду­вочных окон обычно остается неизменным.

Существенное влияние на качество продувки имеют размер и форма перепускных каналов и окон. Направление впуска смеси в цилиндр из перепускного канала должно соответствовать принятой системе продувки (см. п. 9.2.4, рис. 9.10). В двух-и четырехканальной системах продувки струи поступающей в цилиндр горючей смеси направляются над поршнем к стенке цилиндра, противоположной выпускному окну, причем в четырех­канальной системе струи, исходящие из окон, расположенных ближе к выпускному окну, обычно направлены к оси цилиндра. В системах с тремя или пятью перепускными окнами одно окно должно быть расположено напротив выпускного окна, канал этого окна должен направлять струю горючей смеси вверх под минимальным углом к стенке цилиндра (рис. 9.19). Это необ­ходимое условие эффективного действия этой дополнительной струи, получаемое обычно уменьшением ее сечения, а также более позднего открытия этого окна.

Изготовление дополнительного (третьего или пятого) канала является правилом, для двигателей с вращающимся золотником или мембранным клапаном. В двигателях, в которых наполнением кривошипной камеры управляет поршень, на месте классического третьего (или пятого) перепускного канала находится впускное окно. В таких двигателях могут быть дополнительные пере­пускные каналы, причем впускное окно должно иметь соответст­вующую форму; подобное решение показано на рис. 9.20. В этом двигателе сделаны три дополнительных перепускных окна небольшого размера, соединенных общим перепускным каналом, вход в который находится над впускным окном. Необходимая фаза впуска обеспечивается здесь соответствующей формой впускного окна.

Рис. 9.19. Влияние формы третьего перепускного канала на движение заряда в цилиндре:

a — неправильная форма; б— правильная форма

При установке на обычный двигатель вращающегося золот­ника в цилиндре появляется возможность сделать перепускной канал напротив выпускного окна. Здесь удобно сделать сильно изогнутый короткий канал (рис. 9.21, а), поступление смеси в ко­торый на некоторое время закрывается юбкой поршня.

Недоста­ток этого решения заключается в том, что движение поршня нарушает нормальный ток горючей смеси, но оно имеет два важных достоинства: маленький объем канала лишь незначи­тельно увеличивает объем кривошипной камеры, а горючая смесь, проходя через поршень, прекрасно его охлаждает. Прак­тически такой канал легко сделать следующим образом. В цилиндре делаются два отверстия (перепускное окно и вход в канал), в этом месте вырезаются ребра и прикручивается накладка с проточенным в ней каналом (рис. 9.21,6). Можно также попробовать вырезать вертикальную канавку в зеркале цилиндра между входом в канал и окном, ширина канавки равна ширине канала. Однако в этом случае движение поршня вниз будет вызывать некоторую турбулизацию горючей смеси в канале (рис. 9.21, в).

Перепускные каналы должны сужаться к окнам в цилиндре.

Рис. 9.21. Дополнительный перепускной канал с протеканием смеси через поршень:

а — принцип действия; б — часть канала проходит во внешней накладке; в — канал, вырезанный в зеркале цилиндра

Вход в перепускной канал должен иметь площадь на 50 % боль­ше, чем площадь перепускного окна. Очевидно, что изменение сечения канала должно быть выполнено по всей его длине. Углы окон и сечений каналов должны быть скруглены радиусом 5 мм для повышения ламинарности потока.

Недопустимы какие-либо погрешности при стыковке частей каналов, находящихся в разных деталях двигателя. Это заме­чание прежде всего касается места соединения цилиндра с карте­ром двигателя, где источником дополнительных завихрений смеси может стать прокладка, и стыков впускного и выпускного патрубков с цилиндром. Вихри в потоке смеси могут возникать также в месте стыка литой рубашки цилиндра с залитой или запрессованной гильзой (рис. 9.22). Несовпадения размеров в этих местах должны быть безусловно исправлены.

В некоторых двигателях окна цилиндра разделены ребром. Это прежде всего касается впускных и выпускных окон. Не реко­мендуется уменьшать толщину этих ребер и, уж тем более, удалять их при увеличении площади окна. Такие ребра предох­раняют поршневые кольца от попадания в широкие окна и, следо­вательно, от поломки. Допустимо лишь придать обтекаемую форму ребру впускного окна, но только с внешней стороны цилиндра.

Рис. 9.22. Нарушения движения заряда, вызванные неправильным

взаимным расположением гильзы цилиндра и литой рубашки цилиндра

Невозможно дать однозначный рецепт для получения опре­деленных эффектов доработок. Вообще можно сказать, что увеличение открытия выпускного окна увеличивает мощность двигателя, увеличивая одновременно ЧВ максимальной мощ­ности и максимального момента, но сужая диапазон рабочих ЧВ. Аналогичное действие оказывает увеличение размеров окон и сечений каналов в цилиндре.

Хорошо иллюстрируют эти тенденции изменения в скоростных характеристиках двигателя (рис. 9.23) объемом 100 см (диаметр цилиндра 51 мм, ход поршня 48,5 мм), полученные в результате изменения размеров и фаз газораспределения (рис. 9.24). На рис. 9.24, а приведены размеры окон, при которых двигатель развивает наибольшую мощность (кривые N_А и М_д на рис. 9.23). Фаза выпуска составляет 160°, продувки — 122°, впуска — 200°. Впускное окно открывалось при 48° от НМТ, а закрывалось при 68° от ВМТ. Диаметр диффузора карбюратора 24 см.

На рис. 9.24, б показаны размеры окон, при которых дос­тигается наибольший рабочий диапазон ЧВ (см. рис. 9.23, кривые N_B и М_в). Фаза выпуска составляет 155°, продувки — 118° и впуска — 188°, открытие впуска на угол 48° после НМТ и закрытие на угол 56° после ВМТ. Диаметр диффузора кар­бюратора равен 22 мм.

Следует обратить внимание, что сравнительно небольшие изменения размеров и фаз газораспределения значительно изме­нили характеристики двигателя. У двигателя А мощность больше, но он практически бесполезен при частоте вращения ниже 6000 об/мин. Вариант В применим в значительно большем диапа­зоне ЧВ, а это основное достоинство двигателя без коробки передач.

Хотя рассмотренный пример касается двигателя не приме­няемого в Польше класса, он хорошо иллюстрирует зависимость между формой окон и каналов цилиндра и параметрами его работы. Однако надо помнить о том, что привели ли наши доработки к желаемым результатам, мы будем знать только после их выполнения и проверки двигателя на стенде (или субъективно во время обкатки). Подготовка гоночного двигателя является бесконечным циклом доработок и проверок результатов этой работы, новых доработок и проверок, а ведь на характеристики двигателя огромное влияние оказывают и другие агрегаты дви­гателя (карбюратор, выпускная система и т. п.), оптимальные параметры которых можно определить только опытным путем.

Надо также подчеркнуть огромное значение геометрической симметрии всех окон и каналов в цилиндре. Даже небольшое отклонение от симметричности окажет отрицательное влияние на движение газов в цилиндре. Незначительная разница в высоте перепускных окон с обеих сторон цилиндра (рис. 9.25) вызовет несимметричное движение смеси и нару­шит действие всей системы продувки. Отличным показателем, позволя­ющим непосредственно оценить правиль­ность направления потоков смеси, по­ступающих из перепускных окон, явля­ются следы на днище поршня. Спустя некоторое время работы двигателя часть днища поршня покрывается слоем сажи. Та же часть днища, которую омывают струи свежей горючей смеси, поступа­ющей в цилиндр, остается блестящей, словно ее вымыли.

Рис. 9.25. Влияние различия в высоте пере­пускных окон

с обеих сторон цилиндра на симметрию движения заряда

Наполнение кривошипной камеры свежей порцией горючей смеси — это сложный процесс, зависящий от разрежения в кривошипной камере, размеров впускной системы и фазы впуска. Если в двигателе наполнением кривошипной камеры управляет поршень, то периоды открытия и закрытия окна симметричны относительно нижней мертвой точки. Любое изменение высоты окна отразится на моменте открытия и закрытия окна.

Подбор соответствующей, подходящей к данному двигателю фазы впуска возможен только опытным путем. Диапазон фаз впуска широк. Период открытия впускного окна колеблется от 120° в серийных двигателях до 190° в гоночных.

Площадь сечения впускного канала оказывает большое влияние на форму характеристик двигателя. С одной стороны, площадь должна быть как можно большей, чтобы снизить ско­рость перетекания смеси и, тем самым, уменьшить сопротивление потоку и несколько смягчить требования к точности открытия и закрытия впускного окна. С другой стороны, для такого впускного канала нужен карбюратор с большим диамет­ром диффузора; в этом случае распыление, испарение и смешива­ние топлива с воздухом значительно ухудшается. Ухудшается приемистость двигателя, он способен развить большую мощность, но только при очень высоких оборотах.

Необходимо учитывать оба эти требования. На практике целесообразно отказаться от применения слишком большого диаметра диффузора карбюратора; в этом случае лучше распы­ление и смешивание топлива с воздухом. Однако уменьшить скорость смеси при входе в кривошипную камеру можно путем значительного расширения впускного канала в направлении впускного окна. В некоторых двигателях площадь впускного окна больше чем в 2 раза превышает площадь диффузора кар­бюратора. В двигателях с поршневым управлением кривошип­ной камеры диаметр диффузора карбюратора, равный 26—28 мм, достаточен. Однако встречаются двигатели (хоть и нечасто) с карбюратором, диаметр диффузора которого 34 мм.

Получение значительной площади впускного окна при сох­ранении разумной фазы впуска требует иногда значительного расширения окна. Вместе с движением поршня, открывающим или закрывающим впускное окно, изменяется площадь впуска и, следовательно, изменяется скорость потока. Возникают допол­нительные пульсации струи смеси, которые в сочетании с коле­баниями смеси, вызванными цикличностью работы двигателя, могут нарушить наполнение кривошипной камеры. Чтобы избе­жать этого явления, целесообразно уменьшить массу смеси во впускном канале. Для этого рекомендуется применение корот­кого впускного канала, т. е. установка карбюратора вблизи цилиндра.

Нарушения нормального тока горючей смеси через впускное окно нежелательны. Они особенно значительны в двигателях, впускной канал которых образует с осью цилиндра угол, близкий к прямому. Эти нарушения можно значительно уменьшить, направив впускной канал вниз под углом к оси цилиндра (рис. 9.26). Угол наклона впускного канала может быть равным 45°. В этом случае при сохранении фазы впуска (высоты окна h) эффективная высота канала уменьшится до h₁. Для сохранения площади канала необходимо увеличить ширину окна от l до l₁. Существенное влияние на движение заряда смеси в двигателе оказывает объем кривошипной камеры. Отмечается тенденция к уменьшению ее объема по мере увеличения степени форсиро­вания двигателя. Однако надо учитывать, что уменьшение объема кривошипной камеры приводит к смещению максимумов мощности и крутящего момента в сторону более высоких ЧВ, снижению диапазона рабочих ЧВ и ухудшению приемистости двигателя. К значительному ограничению объема кривошипной камеры следует стремиться только в том случае, если двигатель имеет многоступенчатую коробку передач.

На практике уменьшение подпоршневого объема (при поло­жении поршня в НМТ) возможно путем заполнения простран­ства, в котором вращается коленчатый вал. Широкое применение находит заполняющая вставка, так называемая «подкова», устанавливаемая в кривошипной камере между щеками коленчатого вала. Такая «подкова» представляет собой алюминиевое кольцо с вырезом для кривошипа. Проще всего крепить вставку с помощью трех штифтов диаметром около 3 мм, расположенных по внешнему контуру кольца. Штифты эти будут зажаты в соответствующих гнездах, сделанных на плоскостях стыка половинок картера. Чтобы вставку распо­ложить ровно посредине, рекомендуется риской обозначить середину ее толщины во время механической обработки.

Применение «подковы» наиболее рационально в двигателях с большим диаметром щек коленчатого вала (например, в двига­теле 501-Z3/4). У большинства современных двигателей щеки имеют минимально возможный диаметр, поэтому объем кри­вошипной камеры значительно уменьшен. Применение «подковы» в такой конструкции столь незначительно уменьшит объем кривошипной камеры, что во многих случаях это просто не окупается.

В двигателе SQI-Z3A щеки коленча­того вала имеют большой диаметр, при доработках рекомендуется уменьшить расстояние между щеками. Краткое опи­сание операций, которые необходимо при этом выполнить, приведено в п. 9.4.7. Можно также попытаться уменьшить диаметр штатных щек, но это связано с большими сложностями, потому что щеки сделаны профили­рованными внутрь. Правилами не разрешается изготовление новых щек меньшего диаметра.

Важную роль играет форма входного отверстия воздушного канала карбюратора. Если при идеальной форме (рис. 9.28) количество проходящего воздуха принять за 100 %, то при менее удачной форме это значение будет уменьшаться и может состав­лять всего 67 % при острых кромках. Точно параболическую форму получить трудно, поэтому можно делать закругленные кромки, это весьма незначительно уменьшает расход воздуха (только на 2 %).

Рис. 9.28. Зависимость пропускной способности входного канала карбю­ратора от форумы его сечения

В современных двигателях применяются поршни, сделанные из материала с маленьким коэффициентом линейного расшире­ния, поэтому зазор между поршнем и гильзой цилиндра может быть небольшим. Если предположить, что зазор по окружности и длине юбки поршня в нагретом двигателе будет везде одина­ковым, то после охлаждения поршень деформируется. Поэтому поршень должен получать соответствующую форму еще во время механической обработки, что и делается на практике. К сожале­нию, форма эта слишком сложная, и ее можно получить только на специальных станках. Из этого следует, что форму поршня нельзя изменять слесарными операциями, а всевозможные об­тачивания юбки поршня напильником или точилом, приме­няемые повсеместно после заклинивания поршня, приведут к тому, что поршень потеряет правильную форму. В случае острой необходимости такой поршень может быть использован, однако можно не сомневаться, что его взаимодействие с зеркалом ци­линдра будет значительно хуже.

Надо предостеречь от использования наждачной бумаги для аварийной зачистки юбки поршня. Крупинки абразивного ма­териала впиваются в мягкий материал поршня, после чего исполосуют все зеркало цилиндра. Это приведет к необходимости растачивания цилиндра до следующего ремонтного размера.

Примерное распределение температур на поршне приведено на рис. 9.29. Наибольшая тепловая нагрузка приходится на днище и верхнюю часть, особенно со стороны выпускного окна. Температура нижней части юбки меньше и зависит, прежде всего, от формы поршня. Форма внутренней поверхности поршня должна быть такой, чтобы в сечении поршня не было сужений, затрудняющих теплообмен (рис. 9.30). Теплота от поршня цилиндру передается через поршневые кольца и места контакта юбки поршня с цилиндром.

Для уменьшения массы поршня и, тем самым, уменьшения сил, заметно возрастающих при высокой частоте вращения дви­гателя, можно удалить часть материала внутри поршня, но толь­ко в его нижней части. Обычно нижняя кромка поршня внутри заканчивается буртиком, являющимся технологической базой для обработки поршня. Этот буртик можно удалить, оставив толщину юбки в этом месте около 1 мм. Толщина стенки поршня должна плавно возрастать по направлению к днищу. Можно немного увеличить вырезы в юбке поршня под бобышками. Форма и размеры этих вырезов должны соответствовать вырезам в нижней части гильзы цилиндра (рис. 9.31). Для изменения время-сечения легче всего подрезать нижнюю кромку поршня со стороны впускного окна, хотя большую труд­ность представляет подбор величины подреза.

Для снижения тепловой нагрузки на верхнее поршневое кольцо рекомендуется сделать над ним обводную канавку ши­риной 0,8—1 мм и глубиной 1—2 мм. Иногда подобная канавка (или даже две) делаются между кольцами. Такие надрезы направляют тепловой поток в нижнюю часть поршня, уменьшая температуру поршневых колец.

Вообще мы не имеем возможности изменить вид и располо­жение колец. Можем только контролировать зазор в замке (раз­резе) кольца, который не должен превышать 0,5 % диаметра цилиндра. Надо также тщательно определить угловое положение замков так, чтобы они никогда не попадали на окна при движении поршня (рис. 9.32). Проводя работы над цилиндром, также надо учитывать положение замков поршневых колец.

Иногда применяется несложный способ уменьшения упру­гости поршневого кольца путем снятия фасок с его внутренних кромок. Это обеспечивает лучшее прилегание колец к зеркалу цилиндра. Такой способ особенно целесообразен при смене колец без шлифования цилиндра.

Обычно спортсмены переоценивают количество теплоты, выделяющейся в процессе сгорания в двигателе, и стремятся значительно увеличить поверхность охлаждающих ребер цилиндра и головки. При правильной регулировке двигателя поверхность охлаждающих ребер должна быть достаточной даже при значительном форсировании двигателя. В случае доработки двигателя S01-Z3A с чугунным цилиндром может быть целесообразной замена нескольких (обычно трех) верхних ребер ребристой алюминиевой накладкой (рис. 9.34). Эта накладка должна быть напрессована на обработанную снаружи гильзу цилиндра, обеспечивая хороший контакт между обеими деталями и, тем самым, интенсивную теплоотдачу от верхней части цилиндра, имеющей самую высокую температуру. В некоторых двигателях к ребрам головки приваривают Дополнительные ребра. Такое значительное увеличение поверх­ности теплообмена не обязательно. А вот более интенсивное охлаждение картера имеет смысл, это улучшает наполнения двигателя свежим зарядом. Целесообразна также теплоизоляция карбюратора.

Различие в коэффициентах теплового расширения мате­риалов гильзы цилиндра и самого цилиндра создает серьезные проблемы, когда гильза запрессовывается в литой корпус цилин­дра. В этом случае должен быть обеспечен соответствующий натяг, чтобы обеспечить нормальный отток теплоты к охлаж­дающим ребрам. Можно принять, что внешний диаметр гильзы должен быть на 0,4—0,5 % больше диаметра отверстия, в которое гильза должна быть запрессована. Запрессовку гильзы проводят после нагревания ее внешней части (например, на газовой плите). Такая запрессовка при равных температурах обеих частей приведет к образованию зазора между ними при нагре­вании во время работы двигателя, что ухудшит теплоотдачу. Важно также, чтобы форма внешней части цилиндра обеспе­чивала равномерные тепловые деформации отверстия, в которое запрессована гильза. В заводских цилиндрах это явление учтено. Если же мы запрессовываем гильзу в самодельный цилиндр, то на этот вопрос надо обратить самое серьезное внимание. Обычно деформации цилиндра наиболее заметны в районе выпускного окна, где цилиндр и выпускной канал не охлаж­даются свежим зарядом.

Как уже говорилось, в двигателе 501-Z3A целесообразно переставить щеки коленчатого вала. После разборки с помощью пресса над валом надо выполнить следующие операции.

1. Углубить в щеках вала гнезда для нижней головки шатуна на толщину дополнительных дисков, прикрепляемых к внешней поверхности щек (рис. 9.35, размер е).

2. Выдавить полуоси из щек на толщину дополнительных
дисков.

3. Уменьшить толщину шатуна (рис. 9.36) на шлифовальном станке. Ручная обработка применяется только для доводки.
Толщину можно уменьшить даже до 3,5 мм, но при условии, что шатун будет полироваться. Каждая царапина на шатуне является концентратором напряжений, с которого может на­ чаться развитие трещины. Кроме того, все скругления должны быть сделаны очень аккуратно. Дорабатывая шатун, целесооб­разно сделать прорези в верхней и нижней головках для улучше­ния доступа-смеси к подшипникам.

4. Укоротить палец кривошипа до размера с (рис. 9.36), равного ширине вала после перестановки щек, но до крепления дополнительных дисков. Палец надо укорачивать с обеих сторон, это позволит оставить дорожки качения роликов подшипника на старом месте.

5. Взвесить верхнюю и нижнюю головки шатуна, как это показано на рис. 9.37.

Конечно, после такой сборки трудно добиться соосности полуосей вала. Погрешность можно обнаружить, приложив к одной из щек стальную пластину (рис. 9.38), которая будет отставать от другой щеки. Это можно исправить, ударяя по одной из щек киянкой (рис. 9.39). Точнее биение вала проверим при его вра­щении в подшипниках. На покрытой мелом полуоси штихель обозначит места, в которых надо уменьшить биение (рис. 9.40). При сборке вала надо помнить о необходимости сохранения зазора между нижней головкой шатуна и щеками вала. Этот зазор должен быть не меньше 0,3 мм. Слишком маленький зазор во многих случаях явля­ется причиной заклинивания подшипника шатуна.

7. Уравновесить коленчатый вал. Это делается статическим методом. Обопрем вал на приз­мы и, повесив грузик в верхнюю головку шатуна, будем так под­бирать уравновешенную массу (не путать с массой грузика), чтобы вал оставался в состоянии покоя при любом положении. Масса грузика пред­ставляет собой часть масс, участвующих в возвратно-посту­пательном движении, которую надо уравновесить. Предположим, что масса верхней головки шатуна составляет 170 г, а масса поршня с кольцами и поршневым пальцем — 425 г. Масса, совершающая возвратно-поступательное движение, составляет 595 г. Предполагая, что коэффициент уравновешен­ности равен 0,66, получим, что масса, которую необходимо уравновесить, равна 595X0,66 = 392,7 г. Отнимая от этой величины массу верхней головки шатуна, получим массу гру­зика G, подвешенного на головке.

Состояние статического равновесия коленчатого вала дости­гается путем высверливания отверстий в щеках вала с той сто­роны, которая перетягивает.

8. Сделать дополнительные диски из стали и прикрепить их к валу тремя винтами Мб с потайными коническими головками. Перед креплением дисков целесообразно плоскость стыка с валом смазать герметиком. Винты законтрить кернением.

Добавим, что дополнительные диски можно крепить не к валу, а неподвижно к внутренним стенкам картера. Однако из-за неплотного прилегания диска к стенке может ухудшиться теплообмен. Надо отметить, что смещение щек коленчатого вала не исключает применения тонкой «подковы».

Перед началом доработок цилиндра надо сделать инструмент для измерения фаз газораспределения, используя для этой цели круглый угломер со шкалой 360° (рис. 9.42). Угломер установим на коленчатый вал двигателя, а на двигатель прикрепим прово­лочную стрелку.

Для однозначного определе­ния времени открытия и закры­тия окон можно использовать тоненькую проволоку, вставленную через окно в цилиндр и прижимаемую поршнем в верхней кромке окна. Толщина про­волоки на точности измерений практически не скажется, но такой способ облегчит работу. Особенно он полезен при опре­делении угла открытия впускного окна.

Значительно облегчить работу по изменению фаз газораспре­деления и размеров каналов и окон поможет снятие оттисков с зеркала цилиндра. Такой оттиск можно получить следующим образом:

внутрь цилиндра вкладываем кусок картона и подгоняем его так, чтобы он точно лежал вдоль зеркала цилиндра; его верхний край должен совпадать с верхней плоскостью цилиндра;

тупым концом карандаша выдавливаем контуры всех окон;

на вынутом из цилиндра картоне получаем отпечаток зеркала цилиндра; вдоль линий оттисков вырезаем в картоне отображен­ные окна.

На полученной развертке зеркала цилиндра можно измерить расстояние от краев окон до верхней плоскости цилиндра и рассчитать соответствующие им фазы газораспределения (используя формулы, имеющиеся в каждой книге о двигателях).

Теперь рассмотрим, как зафиксировать новые фазы газорас­пределения в дорабатываемом двигателе. Для этого на угломере поочередно устанавливаем необходимые углы, измеряя каждый раз расстояние от верхней кромки поршня до верхней плоскости цилиндра. Измеренные расстояния наносим на предварительно сделанную выкройку.

Теперь мы можем наметить новую форму окон, а потом выре­зать их на выкройке. Остается вложить выкройку в цилиндр и увеличить окна так, чтобы их форма совпадала со спроектиро­ванными. Использование выкройки избавит нас от необходимости многократной проверки углов при увеличении окон.

Рис. 9.42. Несложный угломер для измерения фаз газораспре­деления

После получения нужной формы окон цилиндра сделаем изменения в каналах, соответствующие принятой концепции. Картонная выкройка может пригодиться при подгонке стыка перепускных каналов, находящихся в цилиндре и корпусе дви­гателя. Применение выкройки тем более желательно, что после установки цилиндра на корпус нет возможности визуально оценить точность совпадения каналов.

Увеличение и изменение формы окон и каналов производится путем шлифования или фрезерования. Для этой цели приме­няются фрезерные станки с гибким валом. Шлифовать можно все чугунные детали, а алюминиевые фрезеруются фрезами малого диаметра. Фрезерование значительно облегчается, если фрезу часто окунать в денатурат. При изменении размеров окон полезной может оказаться насадка, изменяющая направление вращения режущего инструмента на 90 °: не вдоль оси цилиндра, а перпендикулярно зеркалу.

Огромное значение имеют фаски на кромках окон, через кото­рые проходят поршневые кольца. Фаски рекомендуются довольно высокие (до 3 мм), но неглубокие (0,2—0,3 мм). Такие фаски пре­дохранят кольца от поломки, но не скажутся на значениях углов открытия окон.

Не рекомендуется сужать ребро, разделяющее выпускное окно на две части. Слишком узкое ребро, постоянно находящееся в потоке горячего газа, будет перегреваться, что может привести к деформациям цилиндра. Чтобы ребро не выпучивалось внутрь цилиндра и не могло заклинить поршень, рекомендуется с торца ребра снять 0,03—0,05 мм по всей его высоте.

В карбюраторе, как правило, проводятся следующие дора­ботки: изменение пропускной способности главного жиклера, формы дозирующей иглы (при цилиндрическом золотнике) и скоса на задней нижней части золотника. Нельзя дать каких-то общих указаний по выполнению этих операций. Их надо делать постепенно, проверяя на практике их влияние на работу двига­теля.

Выпускная система также должна подбираться к каждому конкретному двигателю. Каждая деталь расширительной камеры играет важную роль, и изменение любой детали камеры скажется на характеристиках двигателя. Наиболее важные параметры: объем камеры, длина выпускной системы, диаметр выпускного патрубка, форма камеры, а также углы ее конусов. В большин­стве случаев меньший объем камеры и более короткие системы благоприятствуют увеличению мощности при одновременном увеличении ЧВ двигателя. Большие камеры повышают при­емистость двигателя, но только в определенных пределах.

Рис. 9.43. Расширительные камеры:

а — двухконусная камера; б — двухконусная камера с цилиндрической вставкой; в — камера с боковым выхлопом

Конструктивные формы наиболее часто встречаемых расши­рительных камер показаны на рис. 9.43. Для двух первых необ­ходимы дополнительные глушители или шумопоглощающие накладки, так как правилами предусмотрены ограничения шума двигателей. Третья камера особенно удобна для двигателей школьно-молодежной категории. При правильном подборе (опыт­ным путем) длины камеры l и расстояния от выхлопного патруб­ка до днища камеры d можно получить отличное глушение шума двигателя без потерь мощности. Такие расширительные камеры в прошлом применялись на двигателях «Дэмба» объемом 125 см³, но по непонятным причинам были забыты.

Часто встречаются выпускные системы, в которых расшири­тельная камера и глушитель расположены последовательно (рис. 9.44). В этом случае глушитель вызывает определенные потери мощности, но с этим приходится смириться из-за жестких требований правил.

Доработки в системе зажигания сводятся обычно к установке на двигатель деталей приобретенной системы в соответствии с принципами ее действия. Почти во всех странах применяются системы с магнето. В двигателе S01-Z3v4 целесообразно заменить традиционное магнето батарейным зажиганием. Это сделать несложно, надо удалить ротор (оставив только кулачок), обмотки освещения и поставить аккумуляторную батарею. В системе останутся только обмотка зажигания и прерыватель. В такой системе необходимо постоянно следить за состоянием аккумуля­торов. Взамен получим значительно возросшую реакцию двига­теля на «прибавление газа» как следствие снижения вращающей­ся массы.

Дополнительное достоинство батарейного зажигания — простота регулировки угла опережения зажигания. В системе с магнето ротор затрудняет доступ к прерывателю.

Рис. 9.44. Выпускная система двигателя CZ «8», состоящая из рас­ширительной камеры и глушителя;

корпус глушителя сделан из автомобильного масляного фильтра

Огромное значение имеет правильный подбор калильного числа запальной свечи. Калильное число является показателем, определяющим сопротивляемость свечи перегреву, т. е. способ­ность свечи отводить теплоту к головке. Горячая свеча (низкое октановое число) имеет большую поверхность изолятора, под­вергающуюся воздействию горячих газов внутри цилиндра, и длинный путь отвода теплоты в головке. Холодная свеча (высокое октановое число) имеет небольшую поверхность изолятора и короткий путь теплоотвода к головке.

Подбор соответствующей свечи к данному двигателю озна­чает поддержание температуры свечи на соответствующем уров­не во время работы двигателя. Горячая свеча излишне нагревает­ся и может стать источником калильного зажигания. Холодная свеча может иметь слишком низкую температуру для так назы­ваемого самоочищения свечи, т. е. выгорания сажи, оседающей на свече. Только правильно подобранное калильное число обес­печит поддержание необходимой температуры электродов.

В двигателях школьно-молодежной категории достаточно применение свечей с калильным числом 280. В популярной кате­гории рекомендуется 280—340, а в гоночной категории оно может доходить до 400.

Калильные числа некоторых запальных свечей приведены в табл. 9.1.

Глубина вворачивания свечи в головку также имеет значение. Свеча должна быть ввернута так глубоко, чтобы ее металли­ческая резьбовая часть сравнялась с поверхностью камеры сго­рания. Недоввернутая свеча хуже омывается свежей смесью (ухудшается зажигание), а на свободных витках резьбы оседает сажа, которая, раскаляясь, может вызвать калильное зажигание. Свеча, выступающая внутрь камеры, нарушит движение за­ряда, у нее будут перегреваться электроды.

При работе над системой зажигания надо особенно аккуратно выполнить все соединения, тщательно изолировать провода и надежно прикрепить все детали системы к шасси карта. Даже такая «мелочь», как плохо закрепленный колпачок свечи, может сказаться во время гонки. Рекомендуется применять эластичные колпачки, зажимаемые на изоляторе свечи (рис. 9.46), а также резиновые или пружинные хомуты, прижимающие колпачок к свече (рис. 9.47).

Регулировка карбюратора — это одна из труднейших проб­лем, стоящих перед спортсменом. Причины необходимости из­менения параметров карбюратора разъяснены в п. 9.2.6. Пра­вильная регулировка карбюратора, называемая среди спорт­сменов «настройкой» двигателя, требует не только отличных знаний, но и немалой интуиции. В двигателях мотоциклов провер­кой правильного подбора параметров карбюратора может быть максимальная скорость мотоцикла, потому что именно она опре­деляет качество гоночного мотоцикла. Картинговый двигатель, кроме придания карту больших скоростей, должен давать ему возможность развивать большие ускорения.

Регулировку двигателя нельзя подчинить каким-то правилам. Этому надо попросту научиться, для чего потребуется не один год. А чтобы эту учебу облегчить, ниже приведены некоторые общие указания.

Предполагая, что уровень топлива в поплавковой камере определен заранее, остается отрегулировать две величины: пропускную способность главного жиклера и высоту закрепления дозирующей иглы. Каждый из этих элементов влияет на разные характеристики двигателя, и это надо себе твердо усвоить.

Пропускная способность главного жиклера влияет на состав смеси прежде всего при полностью открытой дроссельной заслон­ке. В этом случае дозирующая игла поднята так высоко, что ее смещение вверх или вниз на одну позицию не имеет значения. Отсюда следует, что в двигателе, почти всегда работающем при полностью открытой дроссельной заслонке, состав горючей смеси надо регулировать, изменяя пропускную способность главного жиклера. На практике это сводится к замене одного жиклера другим.

Правильность состава горючей смеси можно проверить, оценивая ускорение карта, но это довольно обманчиво. Внешний вид свечи может сказать о составе горючей смеси намного боль­ше. При богатой смеси изолятор и металлические части свечи черные, покрыты слоем копоти. Светлая, песочного цвета свеча говорит о бедной смеси. При нормальной смеси центральный электрод (вместе с изолятором) имеет светлый, песочный цвет, а металлический корпус — черный. Опытный глаз может разли­чать оттенки описанных окрасок и в зависимости от них точнее регулировать состав смеси.

Оценка состава смеси по цвету запальной свечи возможна только после предварительного разогрева двигателя и не на холостом ходу, а при полной нагрузке. После такого разогрева двигателя на трассе его надо остановить как можно скорее, не допуская работы с неполной нагрузкой, иначе окраска запальной свечи даст искаженную информацию. Точнее всего состав смеси можно определить по свече, вывинченной из заклинившего дви­гателя, но трудно требовать, чтобы это использовалось как пра­вило.

Надо помнить, что от состава смеси в значительной мере зависит тепловая нагрузка двигателя. Бедная смесь сгорает слишком медленно, поэтому процесс сгорания растягивается на значительную часть рабочего хода, вызывая чрезмерный наг­рев днища поршня. Именно бедная смесь в большинстве случаев является причиной заклинивания поршня, а иногда даже может быть причиной прогорания днища поршня. Поэтому нужно всегда руководствоваться принципом: богатая смесь лучше бедной.

В двигателях, используемых в популярной и гоночной катего­риях, пропускная способность жиклера, измеряемая как объем воды в миллилитрах, протекающей через жиклер в течение мину­ты, колеблется от 250 до 400. По мере механического изнашива­ния двигателя наблюдается, как правило, потребность в обеднении горючей смеси. Пропускная способность жиклера зависит также от атмосферных условий (давления, температуры, влаж­ности воздуха и т. п.), поэтому «настройку» двигателя надо производить перед каждой гонкой.

Каждый спортсмен должен иметь заранее подготовленный комплект жиклеров с разной пропускной способностью (напри­мер, с шагом 5), перекрывающих весь диапазон для данного двигателя.

Набор ЧВ двигателем зависит от регулировки положения дозирующей иглы, которое оказывает большое влияние при частично открытом золотнике. Подбор положения дозирующей иглы может быть произведен только субъективно, путем оценки динамики ускорения карта. Ничто не может заменить здесь опыт спортсмена. Некоторую оценку регулировки можно сделать, резко открыв дроссельную заслонку при работе двигателя без нагрузки. Двигатель должен реагировать на это увеличением ЧВ мгновенно, без «провала».