ДВУХТАКТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ - ВЫХЛОП: Резонатор

Я не собираюсь останавливаться в данной статье на всей теории выхлопа, поскольку она представляет собой отдельную науку и ей могут быть посвящены целые тома. Мне хотелось бы лишь в общих чертах указать на то, что не так просто подобрать идеальную выхлопную трубу для определенного двигателя, согласовать ее работу с числом оборотов, мощностью и другими параметрами двигателя.
Выхлоп является важной проблемой двухтактного двигателя. В то время как конструктор четырехтактного двигателя стремится, главным образом, к тому, чтобы в процессе работы двигателя создавалось как можно меньше шума, при разработке двухтактного двигателя чрезвычайно важно учитывать еще и влияние выхлопа на мощность последнего.

Принципиальное различие между двухтактным и четырехтактным двигателем состоит в том, что в двухтактных двигателях выхлоп отработанных газов и поступление новой порции топливно-воздушной смеси осуществляются практически одновременно. При этом возникают две проблемы: с одной стороны, отработанный газ частично остается в цилиндре, что уменьшает мощность при последующем такте, поскольку находящаяся в камере сгорания смесь менее подвержена воспламенению (так как объём топливно-воздушной смеси, поступающей в цилиндр двигателя, будет меньше на величину объёма отработанных газов, оставшихся после выхлопа, что харак-теризуется уменьшением коэффициента наполнения, прим. ред.). С другой стороны, через выхлопное окно вместе с отработанным газом выходит и часть свежей смеси, что приводит к более высокому расходу топлива и создает угрозу для загрязнения окружающей среды. Эти недостатки можно минимизировать путем создания выхлопной трубы особой формы. Прежде всего, выхлопную трубу снабжают воронкообразной насадкой (расширяющейся конусробразной насадкой - диффузором, прим. ред.). В ней, в отличие от цилиндра, возникает пониженное давление, вследствие чего отработанный газ, полученный в процессе сгорания, отсасывается из открывающегося выхлопного окна цилиндра. Однако сразу после этого необходимо создать повышенное давление, что позволит удерживать поступающую в цилиндр свежую топливно-воздушную смесь до тех пор, пока вновь не закроется выхлопное окно. Чтобы создать это давление, на другом конце выхлопной трубы помещается сужающийся второй конус. От него отражается масса выходящего через глушитель газа. Речь идет о целой волне. Вследствие этого через выходное отверстие выхлопной трубы вытекает лишь незначительная часть газа. Оставшаяся часть волны отража-ется в направлении выпускного окна цилиндра и задерживает там свежую порцию газа.

Волна создает давление

Не вызывает сомнения тот факт, что для обеспечения идеального функционирования двигателя необходимо соотнести выхлоп газа с его количеством, скоростью истечения (отработанного газа,прим.ред.), а также временем открытия выпускного окна. Следует иметь в виду, что такого рода выхлоп может соответствовать только определенному диапазону скоростей вращения (коленчатого вала,прим.ред.).

Большое значение имеет величина и длина выхлопной трубы.

Рис. 2-3 Система "гоночная груша". Давление создае противодавление

Если она излишне велика, то давление будет слишком малым и довольно много свежей топливно-воздушной смеси будет истекать через выхлопную трубу. Если же выхлопная труба слишком мала, то очень высоким будет давление волны, и сгоревший газ не сможет выходить должным образом. Увеличение давления ведет к повышению температуры выхлопной трубы и двигателя, что создает опасность прогара поршня.
Все это имеет большое значение, однако, поскольку двухтактные двигатели существуют уже давно, и их созданием занимаются многие ученые, известен целый ряд формул, учитывающих все названные параметры. Каким образом это осуществляется показывает рис.3.

(Интересное дополнение к данному переводу можно найти в т.1 "Рабочие процессы в двигателях и их агрегатах" учебника для вузов "Двигатели внутреннего сгорания", изданного в 1957 г. под ред. проф. А.С.Орлина издательством МашГИЗ в Москве. Оказывается, что еще в 1914 г. на Петербургском заводе Э.Нобеля (в дальнейшем "Русский дизель"), были проведены экспериментальные работы с двухтактными двигателями без продувочных насосов, в которых очистка и наполнение цилиндра совершались в результате динамических явлений в потоках выпускных газов.

Все размеры относятся к внутренней стороне глушителя; Длины L1 L3 и Lt измеряются от выхода цилиндр; D1 - диаметр, соответствующий сечению выпускного окна цилиндра; D2 = (6.26)°-5D1; D3 = 0.62 D1; Lt = - резонансная длина в метрах; - угол поворота коленовала; N - число оборотов двигателя в минуту;	Vs - скорость звука (Здесь 520 м/с. Скорость звука в стандартной атмосфере составляет 340 м/с.  Поскольку температура газа в выхлопном патрубке на расстоянии 10 см от выпускного окна составляет 700°С, получается большее значение); L1 = L1- 0.5D1; L2=L1- 0.5 D2 L3= 10D1; L4=Lt - 0.5(D2 - D1); L5=Lt - (L3 + L4); L6=Lt - 0.5(D2 - D3)

Проведенные эксперименты включали, среди прочих задач, подбор размеров выпускного трубопровода. В 1922 г. аналогичные опыты проводили в Англии на двигателях системы Петера, а также во Франции (инж. Каденаси).

В результате опытов, проведенных на заводе "Русский дизель" удалось поднять мощность двигателя. Суть работы заключалась в следующем.

После открытия выпускных органов газы, устремляясь из цилиндра, создают в выпускном патрубке волну повышенного давления, оставляя после себя разрежение. Движение передается газам, заполняющим трубопровод и находящимся до этого момента в отно-сительном покое. Правильный подбор размеров и фаз открытия органов распределения и размеров выпускного трубопровода позволяет удлинить период времени, соответствующий наличию в цилиндре вакуума, и увеличить глубину вакуума примерно до 0,4...0,5 кг/кв.см. В результате воздух поступает из атмосферы под влиянием разности давлений и всасывающего действия "газового поршня". Как показали эксперименты, наполнение цилиндра может быть осуществлено в этом случае даже при отсутствии выпускного трубопровода, однако с меньшим эффектом.

На наполнение оказывают влияние блуждающие волны в трубопроводе, отражающиеся от его концов. Первое отражение прямой волны от свободного конца (или глушителя) обусловливает получение обратной волны отри-цательного знака, которая проходит по трубопроводу в обратном направлении.

Ее амплитуды суммируются с амплитудами прямой волны, в результате давление около выпускных органов понижается. Это способствует поступлению продувочного воздуха в цилиндр и является основным фактором, позволяющим осуществить процесс без продувочного насоса.

Если основываться на этом положении, то размеры и расположение впускных окон следует подбирать так, чтобы начало их открытия совпадало или, быть может, опережало момент начала прихода к выпускным органам отраженной волны (разрежения). Длину трубы следует подбирать так, чтобы волна проходила по трубопроводу вперед и назад два раза за период выпуска и продувки.

Ускоренная масса воздуха устремляется в выпускную трубу, но, встречая противодавление после спада волны разрежения, движется назад в цилиндр, что способствует давлению зарядки.

Рис.4 Идея и принцип глушителя Дэна Фишера: действует как автоматический ограничитель оборотов в диапазоне высоких оборотов двигателя.

Коэффициент наполнения пропорционален амплитуде волны давления в выпускном трубопроводе, зависящей от давления в цилиндре в момент открытия выпускных органов. Таким образом, количество воздуха, поступающего в цилиндр, возрастает с увеличением нагрузки. При наличии догорания вследствие повышения давления и температуры в цилиндре в момент от-крытия выпускных органов количество поступающего за цикл воздуха увеличивается, и двигатель как бы старается исправить работу, так как обеднение смеси обусловливает понижение температуры цикла, связанное с понижением давления в конце расширения.

Если обозначить через  угол поворота кривошипа, соответствющий дви-жению волны вперед и назад но трубопроводу, то угол, соответствующий периоду выпуска и продувки, должен быть близок к , а угол предварения выпуска - несколько менее .
Полное время протекания процесса газообмена.

Длина трубопровода

где  - скорость звука при средней температуре выпускных газов.
Приняв =500м/с и = 130...140 град., получим

Подробнее см. в учебнике А.С.Орлина. А пока вернемся к статье Тиссеранта. Прим.ред.).
 

Различные формы

 

Первыми двигателями, форма глушителей которых позволила добиться оптимальной мощности, явились гоноч-ные двигатели, устанавливаемые, главным образом, па мотоциклах.

Основная форма описанной выше выхлопной трубы называется "гоночная груша", признаком которой является двойная коническая форма. Несколько лет тому назад американец Дэн Фишер создал выхлопную трубу другой формы (рис.4), которая в наибольшей степени учитывала соотношение таких понятий как давление и противодавление. Давление, противо-давление и волна в этой модели создаются различными камерами, которые соединены между собой трубами с множеством отверстий. Определенное значение имеет расстояние между стенками и число трубок и отверстий. Про-тиводавление в этой модели значи-тельно выше, чем в "гоночной груше". Между прочим при высоком числе оборотов мощность уменьшается, и резонатор действует как естественный ограничитель числа оборотов, что препятствует превышению поминаль-ного числа оборотов.

Независимо от того, идет ли речь о глушителе Фишера или о "гоночной груше", для того, чтобы сделать дви-гатель отвечающим современным тре-бованиям, необходим еще один глушитель. По мерс возможности он дол-жен быть сконструирован таким образом, чтобы соотношение давлений в основном резонаторе оставалось неизменным.

Технология изготовления

Если Вы, несмотря на упомянутые выше трудности, захотите самостоятельно создать выхлопную трубу, Вам необходимо будет обучиться сварке. Возможна также пайка твердым припоем, однако для продления срока службы Вашего глушителя Вам все-таки целесообразней овладеть автогенной сваркой. Толщина исходных листов должна быть 0,8 - 1,0 мм, причем следует заметить, что речь идет о минимальных значениях. Тонкостенная вы-хлопная труба очень сильно вибрирует, создает много шума и требует дополнительного глушения.

Обычно сначала размечают отдельные листы, вырезают заготовки и изгибают их соответствующим образом и, наконец, сваривают. Это дело нехитрое, однако требует много времени и тренировки. Прежде всего, конические части "гоночной груши" требуют технического мастерства, а сварочные швы па топких листах являются своего рода искусством, которым необходимо владеть.

Но существует и другая возможность, позволяющая создать свою собственную выхлопную трубу. Этот метод требует значительно меньших затрат труда и применяется, например, производителями мопедов. Листы алюминия или стали разрезают в соответствии с основной формой выхлопной трубы (рис.5.1). Затем оба листа сваривают по кромке, при этом с одной стороны оставляют маленькую трубку.

После этого соединяют трубку с масляным насосом высокого давления и накачивают все это подобно воздушному баллону. Вдруг раздастся "хлоп", и выхлопная труба готова. Вы, вероятно, сейчас задаетесь вопросом, где взять масляный насос? Вполне подходит обычный домкрат. Если Вы использовали мягкие листы стали или дюралюминий, все это легко осуществить.

После выпуска масла оба конца обрезаются, а входное и выходное отверстия прочно свариваются. Будьте осторожны, используя сверхлегкие алюминиевые сплавы: нужно иметь в виду, что этот материал очень чувствителен к высокой температуре. Это необходимо учитывать как при сварке, так и при определении формы ответвления, чтобы не допустить выхода из строя всей конструкции.

Рис.5 Метод выдувания

Проблемы обслуживания К сожалению, форма и конструкция выхлопной трубы имеют немаловажное значение для ее мощности и создаваемого шума. Выхлопная труба, как уже говорилось, идеально сочетается с определенной мощностью при определенном числе оборотоц. При создании современных сверхлегких ЛА выхлопные устройства в большинстве случаев правильно подбираются изготовителями. Однако иногда все же необходимы незначительные изменения, которые требуют довольно высоких затрат. Даже тот, кто после прочтения статьи не намерен делать новую выхлопную трубу, должен соблюдать некоторые правила по техническому обслуживанию.

Прежде всего, выхлопная труба такою рода требует более внимательного ухода, чем подобная на Вашем автомобиле.

Для обеспечения долголетия трубу необходимо защищать от коррозии. Очищая поршни двухтактного двигателя от масляного нагара приблизительно через 250 часов эксплуатации, следует обратить внимание на сопутствующий черный налет на выходе двигателя. При его наличии следует предпринять хорошую "каминную чистку", чтобы удалить остатки масла.

К вышесказанному следует добавить, что в Германии, в отличие, например, от Франции, не так просто получить разрешение на изменение двигателя и выхлопной трубы СЛА. Относительно неудобств, которые доставляет гражданам работа двигателя, положительное значение имеет тот факт, что не каждому дозволено копаться в выхлопной трубе. Для являющихся все более популярными китпланов иногда необходимо устанавливать собственную выхлопную трубу. При этом постоянно следует иметь в виду, что неправильно установленная выхлопная труба может привести к значительным повреждениям двигателя. Так, например, перегрев двигателя способен вызвать плавление контактов свечей зажигания и прогорание основания поршня. Таким образом, при смене выхлопной трубы требуется осторожность и, прежде чем совершить первый полет, необходимо провести многочисленные наземные испытания.

Филипп Тиссерант, редактор французского журнала "Vol Moteur".

(Перевод Е.О.Гавриловой. Редакция признательна также канд. техн. наук доценту ХАИ Ю.А.Гусеву за комментарии к статье)