Как устроен выхлоп лодочного мотора
Пособие для водителей катеров, яхт, лодок, судов, водного транспорта
29.05.2015 21:36
дата обновления страницы
1 6 / 04 /20 07
История изменения сайта
Читать стати: Триста практических советов по катерам, яхтам, лодкам, водным судам. Найдете все советы, самоделки, доработки, рекомендации.
Глушители лодочных моторов
В момент открытия выпускных окон в цилиндре двухтактного двигателя давление газов составляет еще 4-5 кг/см2. Отработавшие газы, выходя в атмосферу с большой скоростью, создают сильный шум. Для уменьшения шума пользуются глушителями, в которых отработавшие газы теряют скорость, расширяются и затем спокойно выходят в атмосферу.
Глушитель представляет собой резервуар, объем которого в несколько раз превышает рабочий объем цилиндров; он соединен с выпускными окнами и имеет отверстие, через которое газы выходят в воду.
Недостатком глушителя является то, что, тормозя свободный выход газов, он препятствует очистке от них цилиндров во время продувки и снижает мощность двигателя. Потеря мощности двигателя доходит до 8-10%.
Выпуск отработавших газов в воду производится через подводную часть. Для этого глушитель соединяется с ней посредством выхлопной трубы (мотор JIM-1, ЗИФ-5 и «Стрела»); пустотелое вертикальное перо подводной части заканчивается отверстием, через которое газы выходят в воду, при этом шум выпуска снижается до минимума.
Иногда глушитель и выпускная труба снабжаются водяной рубашкой, в которой циркулирует холодная вода, способствующая быстрейшему охлаждению отработавших газов и уменьшению их давления. Это повышает также безопасность эксплуатации, предохраняя от возможных ожогов при случайном прикосновении к глушителю.
Устройство системы выпуска двухтактного двигателя
Публикуем очередную статью конструктора Ульяновского моторного завода Е. И. Фишбейна из серии материалов, объединенных под рубрикой «Что нужно знать о моторе». Напоминаем, что с устройством и особенностями систем впуска двухтактных двигателей ЛПМ начинающие водномоторники могут ознакомиться в статье, напечатанной в сборнике №39, а систем продувки — в сборнике №49.
Выпускная система двухтактного двигателя подвесного лодочного мотора отличается от систем выпуска мотоциклетных и стационарных двухтактных двигателей. Это вызвано своеобразием компоновки лодочных моторов, в которых (за исключением гоночных моделей) вывод отработавших газов осуществляется не в воздух, а под воду; глушитель как отдельный агрегат, обязательный для мотоциклетных и стационарных двигателей, отсутствует.
В двухтактном карбюраторном двигателе система выпуска (рис. 1) имеет особенно важное значение, поскольку подбор размеров и конфигурации ее отдельных элементов и времени открытия выпускного окна оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели.
Газораспределение в таком двигателе, как известно, осуществляется самим поршнем, открывающим выпускное, а затем продувочное окно при ходе вниз и закрывающим их при ходе вверх. Естественно, что на диаграмме газораспределения (рис. 2), фазы открытия и закрытия этих окон будут строго симметричны относительно мертвых точек. При подборе величины фаз именно их симметричность создает определенные трудности.
Продувочное окно всегда открывается позднее выпускного; эта разница во времени на диаграмме изображается как угол φ1, называемый углом предварения выпуска.
За этот период происходит свободный выпуск газов из цилиндра, давление в нем резко падает. К моменту открытия продувочных окон давление в цилиндре должно оказаться ниже давления в картере — иначе произойдет заброс отработавших газов в картер. Явление это нежелательно, так как оно приводит к загрязнению свежей смеси отработавшими газами и повышению температуры в картере. Для улучшения очистки цилиндра перед началом продувки целесообразно увеличить угол φ2 однако полностью устранить опасность заброса оказывается трудно, так как соответствующее увеличение периода предварения выпуска приводит или к уменьшению периода продувки при неизменной фазе выпуска, или к увеличению фазы выпуска при неизменной фазе продувки, т. е. уже к значительной потере полезного объема цилиндра.
С момента закрытия поршнем продувочного окна начинается процесс сжатия, но до того, как будет перекрыто выпускное окно, успевает произойти потеря некоторой части свежей рабочей смеси — унос ее в выпускное окно. Для уменьшения уноса смеси после окончания продувки было бы желательно уменьшить разницу во времени закрытия окон (на диаграмме это угол запаздывания выпуска φ2), однако, как мы уже знаем, фазы симметричны; угол запаздывания выпуска, который мы хотели бы уменьшить, равен углу предварения выпуска, который мы хотели бы увеличить.
При поршневом управлении газораспределением невозможно изменить один из этих углов, оставив другой без изменения. Попытки же создания двигателей с несимметричными фазами наталкиваются на значительные конструктивные трудности. Конструкторам приходится применять какие-то компромиссные решения вопросов улучшения очистки цилиндра и уменьшения потерь свежей смеси.
Теория и практика показывают, что для улучшения процессов очистки и наполнения могут быть использованы газодинамические явления, происходящие в самих газовых системах двигателя. На ход процессов в цилиндре оказывает влияние настройка всех элементов газового тракта двигателя: системы впуска, продувочных каналов, цилиндра, выпускной системы. (Поясним, что в принципе под настройкой понимается нахождение таких геометрических величии той или иной системы, которые обеспечивают получение максимального значения какого-либо из показателей двигателя, например крутящего момента на заданном скоростном режиме.)
Многочисленные исследования направлены, в частности, на отработку так называемой настроенной системы выпуска, позволяющей добиться повышения технико-экономических параметров двигателя без чрезмерного усложнения конструкции.
Понятно, что любая выпускная труба, особенно, если она имеет небольшое проходное сечение и большую длину, замедляет скорость выхода отработавших газов, создавая сопротивление. (С этой точки зрения наиболее эффективен простейший вариант — сделать проходное сечение выпускного окна как можно больше и вообще отказаться от выпускной трубы, однако такой путь практически неосуществим.)
Исследованиями последних лет установлено, что применение в двухтактном двигателе специально подобранной — настроенной выпускной трубы дает заметные преимущества, перекрывающие все аэродинамические потери.
Настройка с использованием резонансных явлений позволяет уменьшить давление в районе выпускного окна до величины ниже атмосферного. Рассмотрим сущность этого эффекта.
Истечение отработавших газов из цилиндра начинается при сравнительно высоком давлении, что вызывает возникновение в выпускной системе (и в цилиндре) интенсивных волн давления. В первый же момент выпуска газов в цилиндре образуется разрежение, а в выпускной системе — волна избыточного давления (сжатия). Если к выпускному патрубку цилиндра присоединена прямая труба, заканчивающаяся отверстием меньшего диаметра, то волна давления, дойдя до конца трубы, отражается от него и начинает двигаться в обратном направлении. Настройка и заключается в том, чтобы при наложении отраженной волны на волну, идущую из цилиндра, пики давлений и разрежений совпадали.
В результате разрежение у выпускного окна цилиндра увеличивается, что улучшает и очистку цилиндра от отработавших газов, и зарядку его свежей смесью из кривошипной камеры. Мы уже говорили об уносе — выходе части заряда свежей смеси через выпускное окно в трубу. Отраженная волна давления из настроенной выпускной трубы может втолкнуть эту часть заряда обратно в цилиндр, если, конечно, выпускное окно в этот момент еще остается открытым.
Все эти процессы можно проследить на идеализированной диаграмме изменения давления Р у выпускных окон, построенной на основании многочисленных экспериментов (рис. 3). На участке 1-2, т. е. начиная от момента открытия выпускного окна до момента открытия продувочного окна, возникает пик давления. На участке 2-3-4 наблюдается зона разрежения. Разрежение в зоне выпускных окон способствует отсасыванию отработавших газов из цилиндра и его наполнению смесью за счет увеличения перепада давления в кривошипной камере и цилиндре. Импульс давления в конце продувки (участок 4-5) образует волну, обеспечивающую дозарядку цилиндра за счет возврата свежей смеси, попавшей в выпускную трубу.
К настоящему времени тщательно исследованы самые различные выпускные системы (рис. 4) с трубами постоянного и переменного сечения, открытыми или имеющими заднюю стенку. Такие настроенные выпускные системы широко применяются на двигателях мотоциклов и гоночных подвесных лодочных моторов. На серийном потребительском подвесном моторе выпускную трубу оптимальной длины и формы разместить трудно, поэтому применяются преимущественно короткие выпускные системы, не имеющие задней стенки.
Примером реальной конструкции может служить выпускная система, испытанная при доводке подвесного лодочного мотора «Ветерок-14» (рис. 5). Система, состоящая из конусной выпускной трубы, окруженной замкнутым объемом дейдвуда, обеспечивает хорошее качество очистки цилиндра, но настройка ее для эффективного использования явления резонанса в выпускном тракте практически оказывается очень сложной из-за большой сложности происходящих в ней явлений.
Поскольку необходимо учитывать значительное количество эмпирических коэффициентов, устанавливаемых опытным путем, расчет настройки при разработке новых двигателей обычно не производят, а оптимальные размеры элементов системы определяют экспериментально на тормозном стенде. Правильно поставленная серия экспериментов позволяет значительно быстрее и точнее, чем расчетным путем, определить все необходимые характеристики конкретной конструкции подвесного мотора.
Примером такого рода экспериментов могут служить исследования по уточнению длины конусного глушителя без задней стенки, имеющего диаметр входного отверстия 40 мм и выходного 100 мм. Было установлено (рис. 6), что на средних угловых скоростях выгоднее более длинная труба, чем на больших; что максимальная величина среднего индикаторного давления уменьшается с укорочением глушителя; что укорочение глушителя обеспечивает более плавный ход кривых среднего индикаторного давления и удельного индикаторного расхода топлива, способствует лучшему наполнению кривошипной камеры.
Эффективность настройки выпускной системы наглядно подтверждают (рис. 7), результаты испытаний мотора «Ветерок-14». Применение настроенного- выпуска улучшило технико-экономические показатели в диапазоне 3500—6000 об/мин.
Конструктивные решения системы настроенного выпуска могут быть различными. Один из вариантов для двухцилиндровых двигателей с рабочим объемом 250 и 350 см 3 показан на рис. 8. Выпускные газы отводятся через один изолированный канал квадратного сечения, причем на моторе с меньшей кубатурой проходное сечение канала уменьшено профилированной вставкой переменного сечения.
Настройка выпуска многоцилиндровых двигателей значительно сложнее, но зато и более эффективна. Приходится применять отдельные выпускные патрубки для каждого цилиндра, а такие системы получаются очень громоздкими и тяжелыми. В отдельных случаях удается настроить систему более простым способом. Например, на трехцилиндровом. «Эвинруде» выпускной тракт выполнен в виде короткой расширяющейся трубы. Параметры этой трубы выбраны такими, что перед моментом закрытия выпускного окна одного из цилиндров и началом открытия выпускного окна другого давление в трубе повышается, благодаря чему производится дозарядка первого цилиндра.
Особенностью рассматриваемой системы подвесных лодочных моторов является устройство так называемого свободного выпуска. Для облегчения запуска и работы двигателя на холостом ходу выпуск отработавших газов производится не под воду, а в атмосферу. Выпуск под воду на таких режимах работы двигателя был бы затруднен, так как патрубок выпуска, расположенный под антикавитационной трубой, на стоянке и малом ходу лодки оказывается чрезмерно заглубленным, а большая часть системы выпуска — заполненной водой,создающей большое сопротивление выходу газов.
Отработавшие газы, последовательно расширяясь в полостях и проходя через каналы системы свободного выпуска (рис. 9), теряют энергию, что приводит к снижению уровня шума от свободного выпуска. С этой же целью в системы основного и свободного выпуска выводится поток воды из системы охлаждения двигателя.
На всех отечественных .лодочных моторах вывод газов в воду производится через наклонный канал, патрубок которого расположен в потоке воды, отбрасываемой винтом. Вследствие этого в зоне патрубка получается разрежение, способствующее отсасыванию продуктов сгорания из выпускной системы. Можно создать еще большее разрежение в выпускной системе, если выпуск газов выполнить через ступицу гребного винта (рис. 10). Выпуск через ступицу имеет и еще одно немаловажное достоинство: значительно снижается уровень шума. Впервые такое решение применила фирма «Меркюри», а сейчас уже многие зарубежные фирмы, изготовляющие подвесные моторы, последовали ее примеру, хотя выпуск через ступицу значительно усложняет конструкцию редуктора и приводит к увеличению диаметра ступицы (последнее обстоятельство существенно для моделей малой и средней мощности).
Устройство лодочного мотора
Рассмотрим устройство подвесного лодочного мотора на примере четырехтактного Honda BF5, изображение которого мы взяли с официального сайта «Honda». Мотор на картинке предстает перед нами в полураздетом состоянии и на ней наглядно можно разглядеть основные узлы ПЛМ.
Сразу скажем, что это одноцилиндровый, 4-х тактный мотор. На 2-х тактном основные узлы ничем не различаются, в нем только нет клапанной системы газораспределения (нет распредвала, клапанов, масляного картера). У двухтактников вместо этого есть специальные отверстия в стенках цилиндров, через которые в них поступает топливная смесь и выходят отработанные газы.
Что примечательно, то в этом, казалось бы маломощном, 5-ти лошадном лодочном моторе, уже есть термостат и это одноцилиндровый двигатель, на секундочку. Привод у Хонды немного другой, по сравнению с большинством аналогичных моторов. Вертикальный вал составной, части его соединяются прямо под редуктором. Так что устанавливать сапог после ремонта системы охлаждения будет не сложно.
Кроме того у Honda BF5 нет встроенного бензобака, да и вообще Хонда их не ставит на свои моторы. Ручной стартер здесь тоже не стандартного типа, как мы привыкли, с верхним расположением на маховике. Но зато у Хонды он надежнее, т.к. ваши мышечные усилия передаются на маховик не лепестковой, а зубчатой передачей с передаточным отношением. Такое конструкторское решение японских инженеров уменьшило усилие при заводке мотора, так что лодочные моторы Хонда заводить может и женщина и ребенок. Но это не уникальное решение, Evinrude и Johnson давно уже его практикуют.
Рычаг КПП здесь расположился сбоку, хотя последние мировые тренды (и мировые бренды) говорят о том, что в передней части мотора будет удобнее.
Карбюратора здесь не видно, но поверьте он есть.
У большинства маломощных лодочным моторов топливный насос крепится на паре болтов. Шток топливного насоса, через отверстия в блоке цилиндров, взаимодействует с кулачками распредвала. Аналогичные кулачки предназначены для толкателей клапанов. Все эти кулачки на распредвале расположены так, чтобы кулачки и топливный насос работал в строго определенном режиме. Распредвал напрямую связан с коленвалом лодочного мотора через зубчатую передачу. Но всё это относится исключительно к 4-х тактным моторам.
Чем Хонда 5 ничем не отличается от других ПЛМ так это системой охлаждения с крыльчаткой, редуктором и самим механизмом переключения передач. А вот выхлоп тут не через ступицу, а над гребным винтом, точно также как и у четырехтактной Ямахи 5. Многие спорят о плюсах и минусах такого решения, но на наш взгляд — все равно, и та и та система выполняет свои функции. Противники выхлопа над винтом говорят, что он громче, но как это можно замерить на фоне шума самого двигателя. Почему японцы пошли на такой шаг не известно, но явно тут не при чем влияние выхлопа на гидродинамику винта, мотор то всего 5 л.с., не те тут скорости. Да и у всех более мощных лодочных моторов выхлоп идет через ступицу винта.
Надеемся, что после такого разбора устройства типичного лодочного мотора, вопросов у вас осталось меньше. Если остались — пишите, постараемся ответить.
