Важнейшие характеристики модельных двигателей
Все характеристики двигателей можно условно разделить на две группы: «паспортные» и «специальные технические». К паспортным характеристикам принято относить те, которые указываются производителем в документации, выдаваемой пользователю при покупке мотора. Обычно это минимально-необходимый набор данных, включающий самые необходимые сведения о двигателе:
- Рабочий объем двигателя, диаметр и ход поршня;
- Максимальные/минимальные обороты;
- Мощность двигателя;
- Масса (вес);
- Габаритные размеры;
- Гарантированный ресурс.
Как правило, этим все и ограничивается.
Но при разработке мотора и его стендовых испытаниях учитывается и исследуется гораздо большее число параметров, которые при необходимости можно получить, сделав простейшие математические вычисления, практические измерения или послав соответствующий запрос на фирму-изготовитель. Прежде всего, это:
- Внешняя характеристика;
- Дроссельная характеристика;
- Удельный расход топлива;
- Литровая мощность;
- Литровая масса;
- Удельная масса;
а также некоторые другие.
Учитывая, что предложенное деление на «паспортные» и «специальные технические» характеристики довольно условно, рассмотрим подробнее самые основные из них, не останавливаясь на очевидных.
Рабочий объем двигателя численно равен произведению площади сечения цилиндра на величину хода поршня, или:
Vдв= 3,14*D2*S/4,
где D – диаметр цилиндра, см; S – ход поршня, см.
Ход поршня равен диаметру окружности, по которой движется геометрическая ось нижней шейки шатуна двигателя при вращении коленчатого вала двигателя.
В метрических единицах объем модельных двигателей принято выражать в кубических сантиметрах (куб.см). В последнее время стали часто использовать англо-американскую размерность объема – кубические дюймы. Кубический дюйм равен ~ 16,4 куб.см. При обозначении объема двигателя в кубических дюймах величина объема указывается в его названии после точки, например: «Webra .46». Точка перед цифрами означает, что объем мотора равен какой-то части одного кубического дюйма. Для того, чтобы перевести эту величину в метрическую, необходимо просто умножить 16,4 на 0,46 и получим объем в кубических сантиметрах:
Vдв=16.4*0.46=7,54 куб.см.
Серийно выпускаются модельные одноцилиндровые двигатели с рабочим объемом от 0.3 до 25 кубических сантиметров и более.
В спортивных целях объемы двигателей в различных классах классифицируются строгим образом, т.к. рабочий объем двигателя в большинстве случаев является важнейшим ограничительным параметром самой модели. Так, в соответствие с требованиями международного кодекса FAI, в авиамоделизме приняты следующие ограничения кубатуры двигателей:
- F1C (свободнолетающие таймерные модели) < = 1,0 куб.см и < = 2,5 куб.см;
- F2A, F2C, F2D (кордовые скоростные, гоночные и модели воздушного боя) < = 2,5 куб.см;
- F2B (кордовые пилотажные модели) < = 10 куб.см;
- F3A (радиоуправляемые пилотажные модели) < = 10 см.куб. (двухтактные двигатели) и < = 20 куб.см (четырехтактные двигатели). Последние годы это правило фактически не применяется, и к соревнованиям допускаются модели с двигателями гораздо больших кубатур;
- F3D (радиоуправляемые гоночные модели) < = 6,6 куб.см и < = 3,5 куб.см («маленькая» гонка);
- F4C (радиоуправляемые модели-копии) < = 250 куб.см.
На рекордных моделях допускается установка двигателей с другими рабочими объемами. Аналогичные ограничения существуют в авто- и судомодельном спорте.
Максимальные и минимальные обороты показывают величину максимальных и минимальных устойчивых оборотов коленчатого вала двигателя, гарантируемых производителем при работе на стандартном топливе и при нормированной нагрузке. Обычно указывается число оборотов, совершаемых коленвалом мотора за одну минуту.
Эта величина (n) может обозначаться двумя равнозначными способами:
n = 17500 об/мин = 17500 мин-1
Рабочие обороты большинства модельных двигателей могут изменяться в диапазоне примерно от 1.500-3.000 об/мин до 10.000-15.000 об/мин. Максимальные обороты спортивных высокофорсированных двигателей для скоростных и гоночных моделей могут достигать 35.000-40.000 оборотов в минуту и более.
Мощность двигателя – величина, показывающая, какую работу может совершить двигатель за единицу времени. Мощность выражается в киловаттах (кВт), или в лошадиных силах (л.с.). Эти две величины связаны между собой так:
1 кВт = 1.36 л.с.
1 л.с. = 0.74 кВт
Различают два параметра, характеризующие мощность двигателя: мощность, развиваемая в цилиндре двигателя (она называется индикаторной мощностью, и обозначается как Ni), и мощность на валу двигателя (она называется эффективной мощностью, и обозначается как Ne). Эффективная мощность меньше индикаторной мощности на величину потерь в самом двигателе.
Таким образом, коэффициент полезного действия двигателя (КПД, обозначается как η) равен:
η = Ne/Ni
Мощность двигателя зависит от его рабочего объема, оборотов и среднего эффективного давления газов в цилиндре при рабочем ходе. Мощность определяется по формуле:
Ni = Vдв*n*Pi/k,
где Vдв – объем двигателя, куб.см, n - скорость вращения коленвала, об/мин; Pi – среднее индикаторное давление, кг/см2; k - безразмерный коэффициент. Для двухтактных двигателей k=450, а для четырехтактных k=900.
Есть еще одна величина, от которой значительно зависит среднее индикаторное давление, а следовательно, и мощность двигателей – это степень сжатия. Чем выше степень сжатия, тем больше тепла, выделяющегося при сгорании топлива, преобразуется в полезную работу, тем выше КПД двигателя.
Степенью сжатия (e) называется отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания (часто этот параметр называют геометрической степенью сжатия). Степень сжатия рассчитывается по формуле:
e = (Vдв+Vc )/Vc,
где Vc – объем камеры сгорания, который ограничен снизу донцем поршня, в момент его нахождения в ВМТ.
Обычно пользователя интересует максимальная мощность, которую может развить двигатель. Однако это не самый показательный параметр, т.к. он характеризует мощность двигателя в самом напряженном режиме работы, тогда как двигатели радиоуправляемых моделей обычно оснащены карбюратором, и большее время эксплуатируются именно в переходных, менее напряженных режимах. Следовательно, гораздо важнее знать зависимость мощности двигателя от скорости вращения коленвала, и от величины нагрузки.
Внешняя характеристика (Nвн) показывает зависимость эффективной мощности двигателя от числа оборотов коленвала при полностью открытой дроссельной заслонке карбюратора, и при изменении передаваемого на винт модели крутящего момента (с разной нагрузкой, или – с винтами разного шага).
Красная кривая на диаграмме показывает, что абсолютно максимальную мощность двигатель может развить только с винтом, имеющим при неизменном диаметре определенный шаг (синяя кривая).
Дроссельная (или – винтовая) характеристика (Nвинт) показывает зависимость эффективной мощности двигателя от числа оборотов коленвала при нагрузке двигателя воздушным винтом фиксированного диаметра и шага при различных углах открытия дроссельной заслонки карбюратора.
Винтовые и дроссельные характеристики обычно составляют семейство нагрузочных характеристик, т.к. снимаются для различных винтов (черные, коричневая, синяя и зеленая кривые) при различном положении дроссельной заслонки карбюратора (красные пунктирные кривые).
Из представленной диаграммы можно сделать вывод о том, что для отбора от двигателя максимальной мощности, предпочтение следует отдать оптимальному «синему» винту, «коричневый» винт несколько тяжел для максимальных оборотов, но более «тяговит» и будет лучше работать на переходных режимах при частично закрытой заслонке, а установка на модель легкого «зеленого» винта позволит «раскрутить» мотор, и лететь с максимальной скоростью.
Необходимо также помнить, что в полете винты аэродинамически разгружаются, что равносильно некоторому смещению нагрузочных кривых на диаграмме вправо.
Эффективную мощность обычно рассчитывают косвенным методом, после стендовых замеров крутящего момента (Mкр) двигателя, по примерной формуле:
Ne = Mкр*n/71620,
где Ne – эффективная мощность, л.с.; Mкр – крутящий момент, кгс*см; n – частота оборотов КВ, об/мин; а 71620 – безразмерный эмпирический коэффициент.
Для измерения крутящего момента двигатель устанавливают на балансировочный станок, который позволяет измерить этот параметр в широком диапазоне оборотов вращения коленвала и при различных нагрузках.
В принципе, балансировочный станок это не сложное устройство, представляющее собой поворотную раму. Ось коленчатого вала двигателя и ось, вокруг которой может поворачиваться на небольшой угол рама станка, расположены аксиально, т.е. на одной прямой. Реакция двигателя от вращения воздушного винта заставляет отклоняться поворотную раму стенда в противоположную от направления вращения винта сторону. Это отклонение компенсируется уравновешивающими грузами или пружинами. Вес грузов (или усилие растяжения пружин) и являются показателями крутящего момента двигателя.
Фактически же, современные балансировочные станки это очень сложные и точные конструкции, оснащенные многими вспомогательными устройствами и приспособлениями: динамическими электромагнитными компенсаторами, имеющими прямой вывод данных на дисплей или непосредственно в компьютер, и предназначенными для точного измерения крутящего момента, электронно-оптическими тахометрами для измерения оборотов двигателя в диапазоне до 50.000 об/мин, и с точностью не хуже, чем 1 об/мин, жидкостными расходомерами для измерения экономичности двигателя, и многими другими опциями.
Следует иметь в виду, что крутящий момент и мощность двигателя в сильной мере зависят от внешних факторов. К примеру, при уменьшении атмосферного давления мощность двигателя падает, а при увеличении – возрастает. Поэтому рекомендуется все измерения и эксперименты на стенде проводить при стандартных или нормализованных атмосферных условиях.
Удельные и литровые показатели позволяют проводить сравнительную оценку двигателей различных конструкций и даже разных рабочих объемов, т.к. являются относительными, а не абсолютными. Так, литровая и удельная мощность показывает величину мощности двигателя в пересчете на 1 литр рабочего объема и на 1 кг веса.
Приемистость двигателя является для радиоуправляемых моделей очень важным показателем, определяющим скорость изменения режима работы (прежде всего - оборотов) двигателя при изменении положения дроссельной заслонки карбюратора. К сожалению, этот параметр зависит не только от конструкции конкретного двигателя и его карбюратора, но и от многих внешних факторов (температуры и влажности воздуха, атмосферного давления, величины нагрузки, состава топлива и качества воздушно-топливной смеси, и т.д.), и довольно трудно нормируется. Дальше мы коснемся некоторых конкретных приемов, позволяющих улучшить приемистость модельного двигателя.
Гарантированный ресурс двигателя обычно декларируется изготовителем от нескольких часов, до нескольких десятков часов. Типичная величина ресурса двигателя – 10-15 часов. Некоторые современные импортные двигатели имеют ресурс до 100 часов. Конечно, эти двигатели дефорсированы, и работают в облегченных режимах.
Весь период ресурсной работы двигателя можно разбить на несколько участков, в течение которых внутри двигателя происходят определенные изменения. Так, в течение первых 20-30 минут эксплуатации двигатель обкатывается, и должен при этом работать на обогащенной горючей смеси с повышенным содержанием масла. Эффективная мощность двигателя в этот период быстро растет (примерно с 60% до 95% от максимальной), т.к. в процессе обкатки уменьшаются внутренние потери на трение. Затем наступает период окончательной приработки, который обычно продолжается 1.5-2 часа. В это время двигатель уже работает на нормальном топливе и может отдавать мощность, близкую к максимальной. Прирост мощности в это время также есть, но очень незначительный (оставшиеся 5%). После этого начинается самый длительный эксплуатационный период, длящийся 5-8 часов, в течение которых двигатель гарантированно работает на всех режимах и может выдавать максимальную мощность.
В результате активной эксплуатации, внутри двигателя начинается процесс износа трущихся деталей, прежде всего – поршневой группы и сопряженных деталей КШМ. Постепенно падает компрессия, в камере сгорания и на донце поршня образуется нагар, который изменяет режим работы двигателя, а сколотые твердые частицы нагара инициирует дальнейший ускоренный износ поршня, поршневых колец и зеркала цилиндра. В результате выработки в шейках шатуна изменяется фактический ход поршня, что эквивалентно уменьшению рабочего объема двигателя, а также снижению степени сжатия. Все эти изменения, в конечном итоге, существенно снижают максимальную мощность.
Процесс постепенного износа может длиться до 10 часов (и более), в течение которых мощность двигателя постепенно падает примерно до 75% от максимальной. Износ уже не позволяет получить от двигателя максимальной мощности, ухудшается его запуск, а режимы работы становятся не стабильными. Но для обычных «хоббийных» целей мотор еще вполне пригоден.
Наряду с постепенным, естественным износом деталей накапливается «усталость» металла, прежде всего – в самых нагруженных точках конструкции. Это шейки шатуна, поршневой палец, мотыль коленвала, места резьбовых соединений. Наступает период, во время которого вероятность резкого отказа какой-либо детали двигателя становится непрогнозируемой. Наверное, это как раз то время, когда стоит поменять двигатель, или сделать ему капитальный ремонт с заменой самых изношенных и «уставших» деталей.
Разумеется, существует вероятность отказа двигателя и на более раннем периоде эксплуатации, в том числе и по причине заводского брака, но эта вероятность очень мала, т.к. большинство серийных двигателей выпускается по много лет, технологии производства постоянно усовершенствуются, а на заводах-изготовителях все материалы, детали и комплектующие проходят строгий контроль.
Следует помнить, что ресурс очень сильно зависит не только от материалов, из которых выполнены детали двигателя, и от качества изготовления, но и от режимов эксплуатации, т.к. скорость износа трущихся деталей, при прочих равных условиях, примерно пропорциональна квадрату скорости. Следовательно, ограничение максимальных оборотов двигателя на 25% позволит увеличить ресурс двигателя почти в 2 раза.
Понятно, что меньшим ресурсом обладают высокооборотные двухтактные двигатели, а большим – четырехтактные «тихоходы».
Бытует ошибочное мнение, что спортивные двигатели, тем более, изготовленные не в заводских условиях, а руками самих спортсменов, имеют существенно меньший ресурс. Это далеко не так. Ведь для своих моторов спортсмены высокого класса используют самые передовые технологии, часто еще не внедренные в промышленное производство, и применяют уникальные материалы и сплавы, свойства которых улучшаются и нивелируются годами кропотливых экспериментов. Кроме того, самодельные спортивные моторы, как правило, изготавливаются в основном для моделей тех классов, в которых при ограниченном рабочем объеме требуется получение экстремально-высоких мощностей – для таймерных, скоростных, гоночных и моделей для воздушного боя.
Спортивные двигатели 1.0, 3.5, и 6.5 куб.см,
изготовленные МСМК В.Дорошенко, г. Екетеринбург
И в таком жестком режиме мотор должен отработать, по крайней мере, в течение одного летного сезона (чаще – 2-3 года с незначительными реставрационно-профилактическими мероприятиями). К примеру, если учесть, что в среднем каждый спортсмен-боец, постоянно используя одновременно 2-3 мотора «налетывает» на тренировках и соревнованиях ежегодно не менее 30-50 часов (а при круглогодичных тренировках до 100-150 часов и более), становится очевидно, что даже при самых тяжелых эксплуатационных режимах ресурсы самодельных спортивных моторов намного превышают ресурсы массовых промышленных моторов. Именно поэтому нередки случаи, когда самодельный спортивный мотор, после завершения своей «профессиональной карьеры» еще несколько лет активно эксплуатируется начинающими спортсменами, или используется в «хоббийных» целях.
И.В. Карпунин (aka Glider)
Обсудить на форуме
|
