Форма камеры сгорания нижнеклапанного двигателя и влияние на ее конструкцию степени сжатия | OPPOZIT.RU | мотоциклы Урал, Днепр, BMW | оппозитный форум, ремонт и тюнинг мотоциклов
Home

Форма камеры сгорания нижнеклапанного двигателя и влияние на ее конструкцию степени сжатия

Увеличение степени сжатия двигателей позволяет несколько поднять его мощность и уменьшить расход топлива. Однако в литературе указывается предельное значение степени сжатия для нижнеклапанного двигателя 6,0 ед., выше которого подниматься не рекомендуется. Я попытался разобраться, какими процессами это определяется.


Рисунок 1. Теоретическая наибольшая мощность двигателя Форд Т от степени сжатия (без учета влияния газодинамических потерь, усиливающихся при высокой степени сжатия)


Рисунок 2. Сравнение кривых мощности и момента для двигателей Форд Т со степенями сжатия 4,0 (stock) и 6.0

Для начала о видах камер сгорания по фотографиям.
Первое известная конструкция камер сгорания образца 1914 года – плоская, равномерно растянутая над поверхностью поршня и тарелками клапанов (рис. 3) Характеризуется малой турбулентностью и большой длиной пути фронта пламени. Свеча обычно располагается над впускным клапаном (?).
Вторая конструкция – вихревая камера, или камера Рикардо (рис. 3) имеет увеличенный объем в зоне клапанов (сравнение поперечных сечений камер на рис. 4), и соединяется с цилиндром слегка зауженной щелью. Турбулизация достигается вытеснением смеси из цилиндра в камеру сгорания в конце такта сжатия через суженную щель. Рикардо отмечает, что степень турбулизации можно регулировать изменением степени сужения этой щели.
Размеры камеры сгорания уменьшены за счет приближения поверхности головки к наиболее удаленной от свечи части поршня (около ½ площади поршня). Свеча расположена примерно в центре камеры сгорания, немного ближе к выпускному клапану, так как вероятность возникновения детонации над ним наибольшая.
Турбулизация смеси в первую очередь снижает влияние перегретых участков смеси около самых горячих частей камеры сгорания, интенсивно перераспределяя отобранное тепло по всему объему.
Укорачивание пути фронта пламени снижает время воздействия на смесь высокой темепературы и давления, снижая опасность того, что детонация начнется в удаленных от свечи местах уже после начала процесса горения.


Рисунок 3. Камера образца 1914 года (stock, ст. сж. 4,0) и вихревая (Waukesha-Ricardo, ст. сж. 5,0) камеры сгорания двигателя Ford T


Рис. 4. Сравнение поперечных сечений камер сгорания обр. 1914 г. (пунктиром) и вихревой (сплошная линия)


Рис. 5. Характер движения смеси в конце такта сжатия. Турбулизация. Рекламный буклет


Рис. 6. Вихревая камера сгорания, модель 1918 – 1919 годов

Приблизительно к 1935 году антидетонационные свойства бензинов позволили поднять степень сжатия до 6,0 единиц. Требования к камере сгорания при этом изменились. Рикардо утверждает, что для сгорания смеси в новых условиях требовалась значительно меньшая турбулизация. При использовании вихревой камеры в двигателе с такой степенью сжатия скорость нарастания давления была чрезмерной, что ухудшало тепловые характеристики (и приводило к жесткой работе двигателя).
Для снижения турбулизации размеры щели, соединяющей цилиндр с камерой сгорания, увеличивали. При общем уменьшении объема камеры сгорания это привело сначала к отказу от полусферической формы, и далее к превращению камеры сгорания в канал, соединяющий клапаны с цилиндром таким образом, чтобы сопротивление прохождению смеси во всех его частях было наименьшим. Примерами таких головок являются головки двигателей Harley-Davidson KR и КМЗ К750.


Рис. 7. Разрез по оси цилиндра двигателя К750, видны очертания камеры сгорания


Рис. 8. Головки цилиндров двигателя К750


Рис. 9. Головки цилиндров Harley-Davidson KR

Таблица. Параметры различных нижнеклапанных двигателей

Рикардо формулирует следующие требования к конструкции камеры сгорания для степени сжатия, превышающей 6,0:
1. Впускной клапан достаточно большого диаметра и с достаточными зазорами вокруг его тарелки для обеспечения возможно лучшего наполнения цилиндра;
2. Наименьший путь фронта пламени (компактная камера сгорания, свеча в ее центре или немного смещена к выпускному клапану);
3. Выпускной клапан с возможно меньшим диаметром тарелки, снижение пропускной способности компенсировать увеличением его подъема;
4. Наилучшее охлаждение седла выпускного клапана и свечи зажигания;
5. Для стабильной работы на обедненной смеси расположить свечу в месте, хорошо продуваемом свежим зарядом;
6. При необходимости использовать турбулизацию смеси, как в вихревой камере (?)
Далее в книге «Быстроходные двигатели» Рикардо рассматривает только верхнеклапанные конструкции.


Рис. 10. Камеры сгорания двигателя ГАЗ-69. Свеча зажигания расположена над выпускным клапаном, нижняя граница камеры сгорания представляет из себя дугу с центром на свече зажигания (принцип наименьшего пути фронта пламени)


Рис. 11. Выступание поршня над поверхностью разъема блока цилиндров в ВМТ, модель двигателя неизвестна


Рис. 12. Вариант конструкции соединения камеры сгорания с цилиндром с минимальным сопротивлением перетеканию газов (предположительно). Двигатель Форд V8.


Рис. 13. Тюнинговый комплект цилиндра и головки Harley-Davidson model K, видны две свечи, камера сгорания растянута

Выводы. Как можно модифицировать головку блока и камеру сгорания К750.

1. Заварить заводское отверстие для свечи (там довольно большая воронка), расположенное в неоптимальном месте и плохо продуваемое, и изготовить новое примерно в середине камеры сгорания или ближе к выпускному клапану;
2. Поработать с формой вытеснителя, в частности с его кромкой, обращенной к камере сгорания. При этом стараться не уменьшить сечение щели между камерой сгорания и цилиндром, так как смесь проходит там четырежды – на впуске, сжатии, рабочем ходе и при выпуске. Любые заужения скажутся в четыре раза сильнее, чем во впускном канале, например. Пример формы перехода на рис. 12. В целом решения не очевидны, этот путь требует проведения расчетов газодинамики.
2а. Отполировать камеру сгорания.
3. Сгладить и закруглить кромку цилиндра, выступающую в камеру сгорания.
4. Возможно, полезно будет увеличить рабочий объем за счет диаметра цилиндра или хода поршня. Но для большего хода поршня потребуется увеличивать сечение щели и пропускную способность клапанов. По крайней мере, на Харлее пошли таким путем – ход там больше диаметра цилиндра в 97/70 = 1,39 раза.
5. Устанавливать две свечи вряд ли целесообразно, так как размеры камеры сгорания невелики;
6. Возможно, удалить вытеснитель на головке цилиндра и подобрать поршень, доходящий до привалочной плоскости головки или даже выступающий за нее. Такие конструкции есть (рис. 11, схема рис. 15). Это увеличит степень сжатия при неизменных проходных сечениях для впуска и выпуска газов. Будет работать или нет пока неясно, по негативным отзывам на такую схему подтверждения не нашел.

7. Учитывать влияние высокой температуры головки и цилиндра на антидетонационные свойства топливной смеси и не требовать от двигателя нормальной работы на Аи92 при степени сжатия 9-9,5 (рис. 14).


Рис. 14. Зависимость потребного ОЧ топлива от температуры охлаждающей жидкости двигателя.


Рис. 15. Увеличение степени сжатия за счет выступания поршня выше привалочной плоскости головки цилиндра. Схематично.

Дополнение. Тема про доработку головок цилиндров оппозитчика Скунса
Когда изучал материалы, мне показалось, что при такой доработке излишне заужается переход из камеры сгорания в цилиндр. Сейчас так уже не кажется )
Описание доработок нижнеклапанного оппозитного двигателя на сайте Скунса https://skuns99.blogspot.com/2016/09/750-7503-8253.html


Рис. Фотография доработанных головок К750 с сайта Скунса.

Смущает упоминание автора о том, что двигатель после доработок стал работать без глушителей заметно тише. Это косвенно может говорить о большем сопротивлении на выпуске.

Источники:
В основном материалы взяты на форуме OPPOZIT.RU, все ссылки привести не представляется возможным. Идеи все тоже с сайта, я только систематизировал их и попытался объяснить.
Статья A170478, послужившая катализатром "Двигатель К750 на 824 см. куб. Результат."

Участники, ссылками и идеями которых я пользовался (кроме автора статьи)
MAD DOCTOR
ARTEGRO
BUFFOG

Книга Г. Р. Рикардо. "Быстроходные двигатели внутренного сгорания", Москва 1960 г.

Иные источники из комментариев к первой статье:
http://mtfctulsa.com/Tech/head_design.htm
https://www.mtfca.com/discus/messages/599638/657061.html?1467781005
https://www.jalopyjournal.com/forum/threads/flathead-combustion-chamber-...

valera_spb
Artegro's picture

Отлично!!!
Помнится мне давно была тема где обсуждали как раз форсирование нижнеклапа.

Я после тех обсуждений пришел к тому, что увеличил вытеснитель на голове до максимально возможного размера что б не сделать узкое место как раз на перетекании из плоскости клапанов в цилиндр, но я рассчитывал под впускной клапан 42мм получилось 7.5 СС , Скунс делал головы сердечками под расчетную СС 8.5 .

Переносить свечу в касике в другое место сложно , так как в свечной канал влита бронзовая футорка (уж не помню кто то выкладывал распиленные головы как раз в тех местах) в которой уже резьба. а если переносить, то проще отливать новые головы, или наваривать мясо под резьбу и свечи менять осень редко..

скунс заваривал так же полость под свечу и резал резьбу под длинные свечи, я этого не делал увеличенный впускной клапан бы задевал немного.

BuffoG's picture

Ура! Наконец-то разрозненные материалы объединены в одну статью.
___________________________________________________________________
"Человека можно уничтожить, но его нельзя победить" (Э. Хемингуэй)

word's picture

Начинал движения в этом направлении. Судя по всему читали одно и то же :) но всё остановилось на этапе заваренных свечных отверстий в головках, цпг под поршни ф80 мм. Не решился собирать на родном коленвале.

Mad Doctor's picture

Итак, без всяких наплавок и формирования "щели" в поршне для рабочих газов степень сжатия можно догнать если не до 8, то практически до 8. Как обычно "деды уже давно всё придумали до нас". Гинцбург Павлов"Эксплуатация и ремонт мотоциклов":
"Объём камеры сгорания оставляют без изменений или подрезают головку цилиндра на 2 мм. В обоих случаях .... головки притирают по цилиндрам и устанавливают без прокладок."
Торцуем головку на 2 мм и не ставим прокладку. Чтобы поршень не встретился с головкой торцуем вытеснитель на 0,6-0,7 мм.
Рабочий объём стандартного цилиндра
3,9×3,9×3,14×7,8=372,5 см.куб.
Теоретический объём камеры сгорания при степени сжатия 6
372,5/(6-1)=74,5 см.куб.
Объём, на который уменьшится камера сгорания при торцовке головки на 2 мм ( 0,2 см) и если не ставить прокладку ( 0,05 см )
3,9×3,9×3,14×0,25×2=23,9 см.куб. (умножаем на 2 для упрощения расчётов).
И нужно ещё учесть объём, который появится после торцевания вытеснителя на 0,7 мм ( 0,07 см )
3,9×3,9×3,14×0.07÷2=1,7 см.куб ( 2 снова для упрощения расчётов ).
Итого получится объём камеры сгорания
74,5-23,9+1,7=52,3 см.куб.
Рабочий объём расточенного на 79 мм цилиндра
3,95×3,95×3,14×7,8=382,1 см.куб
Степень сжатия
(382,1+52,3)/52,3=8,3
В реальности степень, вероятно, будет немного ниже.

Даниил7678's picture

Не немного, а на много
Вот летом 2020 года:
"Наконец-то пролил головки М-72. Сняли 3,5 мм и 4 мм с головок. С вытеснителей не помню.
Напоминаю - было 92 и 94 кубика, это около 5 единиц степень сжатия.
Стало по 69 кубиков. 6,4 степень сжатия. Прибавка 28%
Зазор поршень-вытеснитель 2 мм.
По клапанам зазор 6 мм и 3 мм, впуск выпуск соответственно.
Если снять ещё 1 мм с плоскости головки и с вытеснителя, то можно будет получить что-то в районе 64 кубиков, 6,8 С.Ж. Залить свечной колодец, получить 59-60 кубиков, 7,2-7,3 С.Ж.
(Это уже просто фантазия)"
Это по головам М-72.
По К-750М:
"Наконец нашёл токаря, который проточил головы К-750. Он изготовил кондуктор и снял с голов 2 и 3,5 мм. И с вытеснителей 2 и 3 мм. Было 75 и 82 кубиков объём камер сгорания. Это 6 и 5,5 единиц степень сжатия. Теперь 60 и 62 кубика, 7,2 и 7 степень сжатия. Довольно сильно перекрыло окно в цилиндр. И нужно снять ещё по 0,5 мм над тремя клапанами чтобы обеспечить зазор в 1,5 мм. + отполировать камеры сгорания.
В принципе, как считал, так и получилось. Площадь камеры сгорания около 90 сантиметров. Площадь вытеснителя 2,7 сантиметра."
Но я грешу на отливку самих цилиндров - возможно есть сами цилиндры с меньшим объёмом КС в теле цилиндра. Поэтому скорее всего лучше повышать степень сжатия, путем увеличения рабочего объёма двигателя.
Всё опыты проводил на своем М-72. С головами К-750М ещё не катался. Скорее всего ближе к лету испытаю.

Даниил7678's picture

Да и подъём клапана в планах увеличивать.

Artegro's picture

то же думал о увеличении подъема но оказалось эффективнее увеличить впускной клапан до 42мм . так хватает и места вокруг клапана и он не придется выгрызать над ним голову увеличивая камеру сгорания.

Даниил7678's picture

А клапан у меня уже давно увеличен)
К нему хочу и подъём увеличить)
И каналы расширил, направляющие уменьшил. Даже отполировал впуск, но мне сказали что это лишнее.

valera_spb's picture

Цитата: Объём, на который уменьшится камера сгорания при торцовке головки на 2 мм ( 0,2 см) и если не ставить прокладку ( 0,05 см )
3,9×3,9×3,14×0,25×2=23,9 см.куб. (умножаем на 2 для упрощения расчётов).

Здесь не вполне понятно. По моим представлениям для расчета изменения объема камеры сгорания нужна ее площадь (площадь внутри прокладки головки), а не площадь поршня.

Даниил7678's picture

И зазор между вытеснителем и поршнем должен быть 2 мм. Это у Кукушкина И Зотова написано "Мотоциклетный спорт" 1954 год.
https://disk.yandex.ru/d/CkpDP4Y4rGleLw

Mad Doctor's picture

Спасибо.
Теоретически в стандарте при степени 6 объём камеры сгорания 74,5 см.куб.
В соседней теме писал, что один раз у меня получились объёмы камер сгорания 67 см.куб., что и дало степень сжатия 6,7. Расстояние от плоскости цилиндра до торцев поршней тогда было по 6 мм. Головки были К-750, не К-750М. Может всё из-за этого. Плоскости головок подрезались немного, а плоскости вытеснителей не торцевали тогда. https://youtu.be/AYYpPb8dBzk
Сейчас сделал ремонт трёх двигателей К-750М. У двух степень получилась 6,3, у третьего - 6. Головки К-750М. В этот раз не на станках плоскости протачивали, а вручную шабрили, т.е. слой металла сняли минимально.

Artegro's picture

Как у вас так получается хз, подрезали головы и вытеснители в поршни не уперлись .. я когда промерял стоковые, в вмт до вытеснителей оставалось 1.5 мм, с подрезанием есть косяк что вы заужаете сечение перехода от клапанного (камеры сгорания) в полость цилиндра.. то есть повышаете возможность детонации и мешаете нормально дышать мотору..

п.с.
когда сравнивал в живую головы к750м и м72 .. все обмерил несколько раз , прикладывал друг к другу .. даже проливал на одном моторе.. и угадайте результат?
Они оказались одинаковы.. даже проливка давала один результаты .. пришел к выводу что отличалась длинна цилиндров на м72 и к750 .... хотя были цилиндры и от к и с маркировкой 72- и они были о ужас одинаковы , но возможно у меня ли цилиндры относительно новодел (после 60х готов).

Mad Doctor's picture

У меня никогда не было ни цели, ни желания поднимать мощность нижнеклапанных двигателей. Стараюсь просто сделать ремонт наиболее качественным, по мере возможностей.
Обычно плоскости правим для устранения их дефектов. В тот раз это было точно также, т.е. на небольшую величину. По памяти что-то в районе пары десяток. Кстати вот на видео головки как раз этого двигателя - https://youtu.be/89AmpKMpSW0.
Выше писал, что 6 мм от торца цилиндра до торца поршня. Видимо это и дало такой результат. С учётом толщины прокладки расстояние между поршнем и вытеснителем не менее 1,3 мм. При чём это не особо далеко от 1,7 - минимума заложенного производителем. В соседней теме про это указывал. Думаю, что на 92 бензине склонность к детону у этих двигателей также минимизируется. Прокладки под цилиндры ставлю только по необходимости. И использую электрокартон, который практически не даёт усадки. Под левый цилиндр обязательно, ибо с помощью прокладки формируется маслоканал. Сначала под левый цилиндр ставлю прокладку толщиной 0,3 мм. Делаю замеры. Потом ставлю головки на цилиндры. И, после проливки камер, при необходимости корректирую их объём.

Artegro's picture

Да и это понятно..
Именно с желания собрать качественно мотор у меня все и пошло ... после 3-его касьяновского убитого калена пришло понимание , что калено должно быть от волка. если калено хорошее и с запаом, поршни автотехнология (которые показали себя прекрасно)то давайте зажмем до 7.5 (7.5 во всех темах на тот момент и литиратуре выводилось максимально безопасное для sv моторов, ну и относительно легко достижимое, аргон и бормашинка) чтоб хорошо переваривать 92 бенз . так как 80 пропал, если зажали головы , почему б не прошарошыть каналы от выступов и ступенек , если сделали каналы , почему бы не увеличить впускной кланап , что даст лучшее наполнение на верху и только поможет мотору. Если мы сделали надежный мотор, что показала практика так и оказалось, то надо нормальную кпп и приходи что норамльная кпп по сути качественная днепро, в моем случае шлансоступка (одиночка и редо коляска) без выбора .... ну и так далее далее приходи к выводу что надо дисковый тормоз , что надо нормальный привод генератора . так как качественных днепрошестеренок на генер хен найдешь, а ураловские еле цепляются чеез переходник, вывод или киловася или ремень.. всё от желания сделать чтоб "долго и счастливо" , и в итоге в мотоцикле расходником становятся диски сцепления кардан с муфтой и вилкой, покрышки и колодки.

Даниил7678's picture

Головы разные. Не знаю как можно это не заметить. И объём у них разный. У М-72 больше выборка над впускным клапаном. А у К-750М добавили алюминия и выровняли перепад над клапанами. Даже по-моему ещё у К-750 так и сделали. Где-то у меня есть все замеры головок М-72, К-750 и К-750М. Такие как объем камеры сгорания, и зазор между клапанами и головкой.
Я полагаю, Вы знаете как выглядят три пары головок, которые я перечислил? И что цилиндры К-750 имеют тот же номер, что и цилиндры М-72, но имеют небольшие отличия по рёбрам охлаждения?

Активные обсуждения форума

User login