УСТРОЙСТВО ЛЕПЕСТКОВОГО КЛАПАНА В ДВИГАТЕЛЕ МОТОЦИКЛА

Что же такое «лепестковый» клапан, и зачем он вообще нужен мотоциклу? Прежде чем ответить на этот вопрос, нам придется вспомнить, что во время работы двухтактного двигателя в нем протекают довольно сложные волновые процессы и наблюдаются резонансные явления. В частности, на некоторых режимах происходит так называемый обратный выброс смеси. Он ухудшает наполнение кривошипной камеры, а следовательно, снижает мощность и увеличивает расход топлива. В какой-то мере уменьшить обратный выброс удается настройкой систем впуска и выпуска.

Активный поиск в этом направлении как раз и привел к обратному пластинчатому клапану (ОПК), который автоматически управляет впуском и позволяет оптимизировать фазы и процесс газообмена в двигателе. Впервые ОПК появились на мотоциклетных двигателях еще в начале 30-х годов. Первый клапан был предельно прост и представлял собой одну упругую стальную пластину, расположенную перпендикулярно потоку свежей смеси.

Основные недостатки этого клапана — большое сопротивление на впуске и низкая долговечность — длительное время были почти непреодолимы и сильно затормозили внедрение ОПК. Однако подобные конструкции в несколько модернизированном виде применяются и до настоящего времени на нефорсированных двухтактных лодочных моторах. Клапан, устанавливаемый на современные модели мотоциклетных двигателей, существенно отличается от простейшего: пластины теперь расположены под углом к по- току, а корпус сделан в виде «односкатного» (рис. 1) или «двускатного (рис. 2) домика».

Кроме того, разработаны и применяются различные системы впуска с — полнопоточные и неполнопоточные, а это налагает свой отпечаток на конструкцию и поэтому следует хотя бы бегло обе системы рассмотреть. В полнопоточных системах вся смесь проходит через лепестковый клапан. При этом различают чисто клапанную схему, когда впуском управляет клапан (рис. 3), и смешанную, когда началом впуска управляет поршень, а концом — клапан (рис. 4).

В любом варианте полнопоточная система обладает одним неоспоримым достоинством: она полностью устраняет обратный выброс смеси. Кроме того, начало и конец впуска,— то есть, по существу, длительность фаз,— регулируется здесь совершенно автоматически, в зависимости от режима работы двигателя. Есть у полнопоточной системы и недостатки: большое гидравлическое сопротивление и высокие нагрузки на пластины. В случае если пластины сломаются, двигатель выходит из строя: это серьезно тормозит распространение данной схемы.

Что касается неполнопоточной системы, то в ней смесь поступает в кривошипную камеру по двум каналам: в одном ее пропуском заведует лепестковый клапан, в другом — поршень. Из сказанного понятно, что одной из самых трудных проблем, которые приходится решать в процессе доводки двигателей с клапаном, является обеспечение надежности ОПК и, в частности, наиболее нагруженного элемента — упругой пластины.

Требования к ней довольно противоречивы: с одной стороны, она должна быть чувствительной к малым перепадам давлений, успевать следить за их пульсацией во впускном патрубке и не создавать большого гидравлического сопротивления; с другой,— обладать достаточной прочностью и жесткостью.

Этим требованиям больше всего отвечает специальная пружинная сталь или особый материал «Эпоксид-Ламинат», последний аналогичен отечественному стеклотекстолиту СТЭФ. Японская фирма «Сузуки» использует для изготовления пластин клапанов армированную пластмассу, а фирма «Хонда» нередко применяет пластины с элементами жесткости. Проводятся работы и в области использования совершенно новых материалов.

На рис. 5 показана пластина из искусственной смолы, армированной высокопрочным волокном. Особенность ее в том, что она многослойна. Волокна каждого слоя ориентированы в определенном направлении, и потому пластина способна воспринимать повышенные нагрузки. Большинство иностранных фирм, решая проблему надежности, вынуждено было пойти по пути усложнения ОПК, создания многопластинчатых конструкций, которые, естественно, более трудоемки и сложны в изготовлении, но обеспечивают долговечность за счет снижения нагрузок, приходящихся на каждую пластину в отдельности.

Большое влияние на показатели двигателя с ОПК оказывает и такой параметр упругих пластин, как их толщина. Обычно толщина пластины лежит в пределах 0,1—0,3 мм. Одним из способов повышения надежности ОПК является выбор оптимального профиля ограничителя и седла лепесткового клапана. Работы в этом направлении проводятся как у нас, так и за рубежом. Смысл их в том, что умело, профилированные рабочие поверхности обеспечивают плавное обкатывание пластины в момент ее соприкосновения с седлом (рис. 6).

На большинстве зарубежных двигателей применяются многопластинчатые клапаны с двускатным седлом и квадратными или прямоугольными пластинами (рис. 7). Японская фирма «Ямаха» считает, что очень важно выбрать оптимальный угол наклона пластин к потоку: в ее ОПК он составляет 26°. Кроме того, для обеспечения надежности в конструкцию ОПК здесь введен дополнительный элемент — ограничитель подъема, а чтобы снизить ударные нагрузки на пластину в момент ее посадки на седло, корпус клапана нередко покрывается специальной масло-бензостойкой резиновой смесью.

Многие иностранные фирмы для лучшего поглощения энергии удара и уменьшения отскоков пластины при посадке и седло клапана делают из упругого материала (рис. 8а, б). Применение ОПК на мотоциклетных двигателях — дело далеко не простое. Нередко в связи с ним приходится вносить серьезные изменения в конструкцию системы впуска.

И вот почему. Как мы уже обмолвились вначале, во впускной системе двигателя, особенно одноцилиндрового, происходят колебания потока смеси. Настройкой системы (подбором длины и сечения впускного патрубка) можно добиться такого положения, когда на оптимальном режиме работы создаются наилучшие условия наполнения кривошипной камеры и уменьшается обратный выброс. При установке ОПК, обладающего заметным гидравлическим сопротивлением, эта настройка сбивается, и в работе двигателя появляется «провал».

Тогда, чтобы расширить диапазон настройки, применяют дополнительные резонансные камеры (или аккумуляторы). Надо отметить, что аккумуляторы положительно влияют и на работу обычного двигателя, не имеющего пластинчатого клапана. В этом случае повышается коэффициент наполнения и улучшается процесс смесеобразования из-за уменьшения пульсаций. Правда, сказанное в большей степени относится к форсированным двигателям. Японская фирма «Ямаха» разработала резонансно-инерционную систему наддува для форсированных двухтактных двигателей. Резонансная камера размещена между карбюратором и впускным окном (рис. 9).

В момент закрытия ОПК происходит наполнение аккумулятора смесью из карбюратора. При открытии ОПК заряд из аккумулятора добавляется к заряду, поступающему из карбюратора. Экспериментальный подбор соотношений объема аккумулятора и сечения соединительного патрубка позволил установить, что объем аккумулятора должен быть не меньше рабочего объема двигателя, а сечение соединительного канала — не менее сечения диффузора карбюратора при положении дроссельной заслонки, соответствующей режиму, на котором появляется «провал».

Эксплуатационные испытания показали, что снижение расхода топлива может достигать 10—14 % при одновременном улучшении динамической характеристики мотоцикла. Вообще более широкое применение ОПК открывает неплохие перспективы. Так, на мотоцикле ММВЗ-3.115 с двигателем, имеющим ОПК, расход топлива снижается в среднем на 17 %, содержание СО в отработавших газах уменьшается на 50 % по сравнению с двигателем без лепесткового клапана. В то же время улучшается динамическая характеристика.

Например, время разгона до скорости 70 км/ч при двигателе с ОПК — 15 с, а без него — 19 с. Для двигателя Ш-62 (50 см3) снижение расхода топлива на двигателе с ОПК составляет 15 %, уменьшается и токсичность отработавших газов. Для тех, кто хочет получить более подробные сведения о конструкции и расчете ОПК можно порекомендовать книгу «Экономичность двигателей мотоциклов и мотороллеров», подготовленную коллективом конструкторов Тульского машиностроительного завода и выпущенную в 1990 году Приокским книжным издательством.

(Автор: Д. ЮДИН, Инженер. источник журнал Мото)

Рис. 1. «Односкатный домик».

Полнолоточный чисто клапанный впуск

Рис. 3. Полнолоточный чисто клапанный впуск.

Рис. 2. «Двускатный домик».

Полнопоточный клапанный впуск

Рис. 4. Полнопоточный клапанный впуск.

Рис. 5. Пластина ОПК из армированной искусственной смолы.

Рис. 6. ОПК с криволинейной поверхностью седла.

Рис. 7. Многопластинчатый клапан.

Рис. 8. а, и. ОПК с упругими седлами.

Впускная система с аккумулятором

Рис. 9. Впускная система с аккумулятором: 1 — аккумулятор; 2 — карбюратор; 3 — впускное окно; 4 — ОПК.

Самодельные мотоциклы