Смесеобразование в двигателе Rotax: путь топлива от воздухозаборника до выхлопа

Чтобы понимать, как настраивать двигатель, полезно представлять весь путь, который проходит топливовоздушная смесь: от воздушного короба через карбюратор, впускное окно, картер и продувочные каналы — через такты сжатия и расширения — и до выброса отработанных газов через выпускное окно и выхлопную систему. Это не курс термодинамики, а обзорная карта устройства мотора — чтобы понимать, зачем нужен тот или иной узел, прежде чем в нём копаться.

Воздушный короб и карбюратор

Воздушный короб (эйрбокс) на карте решает две задачи. Во-первых, вход карбюратора почти всегда обращён навстречу набегающему потоку воздуха — на высокой скорости это можно сравнить с принудительным наддувом двигателя воздухом, и короб сглаживает эти перепады. Во-вторых, в нём стоит фильтрующий мат, который задерживает крупные частицы (пыль, песок), способные попасть в узкие каналы карбюратора или самого двигателя и вызвать необратимые повреждения.

Карбюратор с поплавковой камерой, который стоит на карте, работает по простому физическому принципу: чем быстрее движется воздух по каналу, тем ниже его статическое давление. Воздух разгоняется за счёт небольшого сужения канала карбюратора, но в первую очередь — за счёт дроссельной заслонки (шибера), которая сильно перекрывает проходное сечение, особенно на малых открытиях. Пониженное давление создаёт небольшой вакуум, который вытягивает топливо из поплавковой камеры в канал.

Топливо смешивается с поступающим воздухом, и смесь дальше уходит в двигатель. Когда пилот жмёт на газ, шибер поднимается — и чтобы компенсировать снижение разрежения, к шиберу крепится конусная игла, которая перемещается вертикально внутри жиклёра. По мере подъёма иглы зазор между жиклёром и иглой увеличивается, и в смесь поступает больше топлива. Расходуемое из камеры топливо пополняется топливным насосом, а уровень топлива в камере поддерживается поплавком с резиновым запорным клапаном — отсюда и название узла.

Для карбюраторов Dellorto, которые чаще всего стоят на картах, доступны разные иглы — до пяти их размеров можно варьировать, меняя характер смеси (богаче или беднее) на разных открытиях дросселя. Маркировка иглы (например, K57, W23) жёстко прописана техническим регламентом для каждого класса и менять её нельзя. А вот позицию стопорного кольца на игле обычно регулировать разрешено — это меняет, насколько богаче или беднее будет смесь при заданном положении шибера.

Три окна двухтактного цикла

Чтобы дальше разбираться в теме, нужно понимать, когда открываются и закрываются разные окна двухтактного цикла. В двухтактном двигателе их три вида: впускное, продувочное и выпускное. Каждого вида может быть несколько — они располагаются симметрично по окружности цилиндра. Высота расположения окна в цилиндре определяет момент его открытия и закрытия относительно верхней мёртвой точки (ВМТ) — это и есть фазы газораспределения двигателя.

Поскольку окна обычно расположены прямо в стенке цилиндра, углы открытия/закрытия симметричны вокруг ВМТ (для впускного) или нижней мёртвой точки, НМТ (для продувочных и выпускного). Например, если продолжительность открытия выпускного окна — 150°, оно откроется за 75° до НМТ и закроется через 75° после НМТ. Такая схема называется поршневым управлением окнами и применяется на впускном, продувочном и выпускном окнах.

Три способа управления впуском

Поршневое управление впуском. Простое решение, но с ограничением: поднимающийся поршень создаёт в картере разрежение, как только его юбка открывает впускное окно, и смесь устремляется вниз по впускному тракту, заполняя картер. Но в районе ВМТ окно всё ещё открыто, и когда поршень идёт вниз, часть смеси стремится выйти обратно через это же окно. На малых оборотах теряется небольшое количество заряда, на высоких — потери, как правило, меньше, потому что инерция быстро движущейся смеси и волны давления сильнее, чем давление, создаваемое опускающимся поршнем. В картинге такое управление используется на моторах с относительно небольшой отдачей — например, Comer C50, Kid Rok, Mini Rok. На Rotax не применяется.

Дисковое управление впуском. Применяется только на впускном тракте: окно переносится в картер и открывается/закрывается сегментированным диском, закреплённым на коленвале и вращающимся вместе с ним. Углы открытия/закрытия здесь уже не обязаны быть симметричны относительно ВМТ, что даёт производителю больше свободы в проектировании. Такая схема до сих пор встречается на мотоциклах, но не на картинговых моторах — на Rotax тоже не применяется.

Лепестковое управление впуском (Reed valve).

Именно эта схема используется на всех картинговых моторах Rotax. Блок лепестков стоит между карбюратором и впускным окном, которое может располагаться либо в цилиндре, либо в самом картере — у Rotax он крепится прямо сбоку цилиндра.

Лепестки прилегают к торцу блока и работают как обратный клапан — не дают смеси «отрыгнуть» обратно во впускной тракт. За счёт этого улучшается наполнение цилиндра на низких оборотах, и поскольку воздух проходит через карбюратор только один раз (в одну сторону), соотношение топливо/воздух остаётся корректным — а значит, хорошее сгорание на низких оборотах обеспечено. У лепестковой схемы есть и своя головная боль: лепестки должны быть из достаточно тонкого материала, чтобы оставаться гибкими на низких оборотах и не мешать потоку, но при этом достаточно жёсткими на высоких, чтобы не «трепетать».

Важно понимать: фазы впуска на лепестковой схеме уже не симметричны относительно ВМТ, и сам характер фаз меняется по мере роста оборотов — в отличие от чисто механического поршневого управления.

Выпускное окно и клапан выпуска — коротко

Ширину любого окна, а особенно выпускного, ограничивают конструктивные факторы — в первую очередь риск поломки поршневого кольца. Один из способов дать выхлопным газам больше времени на выход без увеличения ширины окна — увеличить его высоту, но это меняет характер мощности в среднем диапазоне оборотов. Поэтому часть производителей, включая Rotax, используют клапан выпуска (Power Valve) — подвижную пластину, которая на низких оборотах ограничивает эффективную высоту окна, а на заданных оборотах отводится, увеличивая проходное сечение и расширяя диапазон средней мощности.

Подробный разбор устройства, разборки и сборки клапана PV на Rotax — в отдельной статье о его обслуживании.

Выхлопная система: как труба «наддувает» мотор

Двигатель 125 см³ с простой прямой трубой на выхлопе способен сжечь примерно 125 см³ топливовоздушной смеси за такт. Тот же мотор с грамотно настроенной («тюнинговой») выхлопной трубой способен сжечь ближе к 180 см³. Причина — правильно спроектированная выхлопная система использует волны давления, идущие из камеры сгорания, чтобы фактически наддувать двигатель.

Как это работает: представь выпускное окно как источник звука. На каждом такте, когда поршень открывает окно, из него вырывается положительный импульс давления (выше атмосферного) и уходит вниз по выхлопной трубе. Этот импульс распространяется со скоростью звука, тогда как сами выхлопные газы движутся куда медленнее — как круги на воде от брошенного камня расходятся быстрее, чем течёт сама вода. Когда положительный импульс доходит до открытого конца трубы, по законам физики от него отражается более слабый, но отрицательный импульс (ниже атмосферного давления), который бежит обратно вверх по трубе, снова со скоростью звука. Если рассчитать всё так, чтобы эта отрицательная волна пришла к выпускному окну ещё до его закрытия, она помогает высосать из цилиндра отработанные газы. Работает это эффективно только в узком диапазоне оборотов: на высоких оборотах поршень успевает уйти слишком высоко и закрыть окно раньше, чем волна принесёт пользу, а на низких — волна приходит слишком рано.

Явление открыли ещё в 1950-х. Позже выяснилось, что эти волны давления можно усилить с помощью расходящегося конуса (диффузора) — он усиливает отрицательную волну, то есть создаёт более сильное «высасывание» отработанных газов из цилиндра. При этом важно понимать: этот «отсос» вытягивает не только отработанные газы, но и часть ещё несгоревшей свежей смеси — пока продувочные окна остаются открытыми. Затем обнаружили, что установка сходящегося конуса ниже по потоку от диффузора добавляет ещё больше мощности: сходящийся конус создаёт положительный импульс, который возвращается обратно к выпускному окну и «затыкает» часть несгоревшей смеси обратно в цилиндр — прежде чем юбка поршня успеет закрыть окно. По сути, это и есть механизм наддува двухтактного мотора без турбины или компрессора.

На практике выхлопная система начинается у входа в выпускное окно и заканчивается там, где газы наконец встречаются с атмосферой — на конце штуцера-стингера. По пути они проходят через несколько секций трубы: впускной патрубок (header), диффузор, иногда параллельный участок, заглушку (baffle) и стингер. Патрубок, диффузор и заглушка могут быть параллельными, расходящимися или сходящимися по форме — как показано на типовой схеме ниже. Более того, каждая из этих секций может состоять из нескольких ступеней с разными углами — например, трёхступенчатый диффузор. В целом, до определённого предела, многоступенчатая форма патрубка и диффузора усиливает «отсос», а многоступенчатая заглушка усиливает эффект «затыкания» смеси обратно.

Диаметры, углы и длины отдельных секций подбираются производителем под конкретный мотор. Задача — выжать максимум мощности, сохранив при этом как можно более широкую полку крутящего момента в рабочем диапазоне оборотов, чтобы обеспечить хороший разгон. На карте без коробки передач с фиксированным передаточным числом это особенно важно — там нет возможности постоянно держать обороты в оптимальной точке. Изменение любого из перечисленных параметров системы меняет крутящий момент и, соответственно, мощность двигателя. Экспериментировать с этим не стоит даже в теории: для каждого класса заданы жёсткие размеры, которым выхлоп обязан соответствовать, и несоответствие означает недопуск к соревнованиям.

Коротко: что нужно помнить

• Карбюратор с поплавковой камерой работает на эффекте Вентури: разрежение от шибера вытягивает топливо из камеры через жиклёр и иглу
• Маркировка иглы (K57, W23 и т.п.) жёстко задана регламентом класса; позиция стопорного кольца — обычно единственное, что разрешено регулировать
• На Rotax используется лепестковое управление впуском — лепестки работают как обратный клапан, улучшая наполнение на низких оборотах
• Клапан выпуска (PV) расширяет диапазон средней мощности, увеличивая эффективную высоту выпускного окна на заданных оборотах
• Настроенная выхлопная труба использует волны давления для «наддува» двигателя — диффузор усиливает всасывание газов, сходящийся конус возвращает часть смеси обратно в цилиндр
• Геометрия выхлопа жёстко регламентирована по классам — самостоятельно её менять нельзя