Конструктивные особенности двухтактных двигателей
Картеры модельных двигателей изготавливаются литьем в металлические или графитовые кокили. Наиболее качественное литье получается в графитовый кокиль. В один графитовый кокиль можно отлить до нескольких десятков картеров. Металлические кокили гораздо долговечнее, и позволяют отлить до тысячи картеров без заметного ухудшения качества отливок. Для литья применяют алюминиевые сплавы типа АЛ4, АЛ5, АК6 и аналогичные.
После отливки, для снятия внутренних напряжений в металле, заготовку картера термообрабатывают, часто – искусственно старят, и только затем приступают к механической обработке внутренних полостей и посадочных мест. После предварительной расточки картер обычно пескоструят, иногда – анодируют, и только после этого производят финишную расточку линии вала и линии цилиндра. Обработка на пескоструйной установке позволяет примерно на 20-30% увеличить площадь внешней поверхности картера, что положительно сказывается на теплоотдаче, кроме того, пескоструйка позволяет скрыть мелкие дефекты литья и механической обработки и значительно улучшает внешний вид изделия.
Иногда спортивные двигатели изготавливаются с цельнофрезерованным картером.
Мой последний фрезерованный картер для двигателя F2C, который так и не полетел...
Конструктивно картеры различных двигателей могут отличаться довольно сильно. Как правило, все картеры имеет съемную заднюю крышку, примерно у половины выпускаемых в мире двигателей картеры имеют съемный носок, в котором располагается коленчатый вал. Съемный передний носок может быть изготовлен из того же материала, что и картер, но часто такие носки изготавливают из стали.
 
Кроме того, верхняя часть картера, в которой находится гильза цилиндра, у некоторых двигателей также бывает отъемная. Материал для изготовления верхней части и задней крышки обычно применяют такой же, как и для отливки самого картера, но некоторые модели двигателей имеют пластмассовую заднюю крышку.
Независимо от того, съемный носок у двигателя или нет, в нем могут быть установлены как подшипники качения, так и подшипники скольжения (бронзовые втулки), в которых вращается коленчатый вал. Втулки применяются в основном на тихоходных двигателях малых кубатур, а также на дешевых массовых двигателях, выпускаемых многими фирмами. Спортивные высокофорсированные двигатели обязательно имеют подшипники качения, чаще – шариковые, иногда – игольчатые или роликовые.
Следующее принципиальное отличие картеров заключается в расположении выпускного и впускного каналов и золотникового механизма. Выпускной канал может быть направлен назад, вбок или вперед. Кроме того, различают переднее и заднее расположение впускного канала с золотниковым механизмом.
 
В случае переднего расположения впускного канала, роль золотника выполняет полый коленчатый вал двигателя, имеющий специальное окно определенных размеров и формы, через которое и происходит всасывание воздушно-топливной смеси в фазе впуска.
При заднем расположении впускного канала также различают несколько типов золотникового механизма. Это может быть дисковый или цилиндрический золотник, который вращается удлиненным мотылем коленвала или, как иногда делают в простых двигателях небольшого объема, лепестковый клапан.
Плоский дисковый золотник имеет простую конструкцию, надежен, но не всегда может обеспечить требуемую газодинамику, т.к. при такой конструкции впускной канал получается не оптимальной формы и сечения. Лучшие результаты получаются с полым цилиндрическим золотником, который позволяет выполнить впускной канал максимального сечения и оптимальной формы, которая обеспечивает хорошее наполнение картерного объема горючей смесью.
И переднее и заднее расположение впускного канала имеет как достоинства, так и недостатки. Явного преимущества ни тот, ни другой вариант не имеют, и считаются примерно равнозначными.
Иногда на судо - и автомодельных двигателях применяют заднюю крышку со встроенным механическим стартером – «дергалкой».
Коленчатый вал является одной из самых нагруженных деталей двигателя, и поэтому изготавливается из высоколегированных сталей и обязательно термообрабатывается. Часто для улучшения прочностных качеств поверхностный слой коленвала азотируется, науглероживается и даже обрабатывается токами высокой частоты. Типичные марки стали, применяемыми для изготовления коленвалов - 12ХН3А, 18ХНВА, и подобные.
 
Обычно коленвал изготавливается «как одно целое» из массивной заготовки, но в массовых двигателях крупносерийного производства встречаются и «сборные» коленвалы, у которых щека напрессована на вал «на горячую посадку». Точно также, встречаются и запрессованные мотыли. В том случае, если коленвал предназначен для двигателя с передним впускным каналом, он делается увеличенного диаметра, засверливается со стороны щеки и в нем профрезеровывается отверстие, которое в дальнейшем будет исполнять роль золотникового клапана.
Для динамической балансировки поршневой группы щека коленвала в определенных местах профрезеровывается (облегчается), или же, наоборот, в нее запрессовываются цилиндрические вставыши, изготовленные из тяжелых металлов (вольфрам, молибден).
После предварительной механической обработки коленвала с припуском ~ 0.15 мм заготовка термообрабатывается, и только затем шлифуется «в размер» на круглошлифовальном станке. Особо точно при шлифовке обрабатываются посадочные места под коренной и носовой подшипники, а также цилиндрическая поверхность мотыля, на которую будет одеваться нижняя шейка шатуна.
Опорой коленвала служат подшипники качения или антифрикционные бронзовые втулки, устанавливаемые в носовой части картера. Втулками оснащают недорогие низкооборотные двигатели малых и средних кубатур. Коленвалы мощных серийных и высокооборотных спортивных двигателей "укладывают" в шариковые, реже - в роликовые или игольчатые, подшипники качения.
Подшипники коленвала должны быть рассчитаны на работу на высоких оборотах и при больших радиальных и осевых нагрузках. В модельных двигателях применяют шарикоподшипники легких и сверхлегких серий высоких классов точности. Но часто даже такие стандартные подшипники не могут удовлетворительно работать в жестких условиях высоких нагрузок, повышенной температуры и недостаточного количества смазки. Пример: стандартное топливо для калильных двигателей состоит из 80 % метанола и 20% касторового масла. И если в обычных, не очень нагруженных двигателях пилотажных и хоббийных моделей этого количества масла хватает для нормальной работы стандартных подшипников, то для высокофорсированного двигателя гоночной или скоростной модели, часто "раскрученного" до 35.000-45.000 об/мин, этого количества масла уже явно маловато.В таких моторах приходится использовать специальные подшипники, или делать самодельные насыпные, которые можно изготовить из стандартных. Из стандартного подшипника удаляется сепаратор, протачивается на конус внешняя или внутренняя обойма, и вместо обычных 8 шариков "насыпается" без сепаратора 14 шариков, откалиброванных с точностью не хуже 1(!) микрона. Такой переделанный подшипник выдерживает гораздо большие радиальные и осевые нагрузки, и не перегревается даже при очень низком процентном содержании масла в топливе.
Еще в середине 80-х годов мне приходилось изготавливать и использовать подобные подшипники для двигателей кордовых гоночных моделей, при этом в топливе было всего лишь 8-10% масла! Как известно, двигатели моделей класса F2C являются самыми нагруженными модельными двигателями, т.к. должны работать длительное время (порядка 7 минут в финальной гонке) на очень бедном топливе, и при этом обеспечивать высокую стабильность режима, и легкий запуск "в одно касание" на промежуточных заправках.
Опорная шайба предназначена для точной центровки винта на коленчатом вале. Опорные шайбы могут фиксироваться на коленчатом вале с помощью разрезной конусной втулки, или сегментной шпонки. Глубокие риски на торцевой поверхности этой детали предотвращают "проскальзывание" воздушного винта при заводке двигателя и в рабочем режиме. Иногда вместо этих рисок устанавливают один-два металлических штифта, входящих в отверстия на бобышке воздушного винта.
 
Шатун также очень нагруженная деталь. Именно шатун передает усилие, развиваемое расширяющимися в цилиндре продуктами сгорания топлива, на кривошип (мотыль) коленвала. При промышленном производстве шатун изготавливается из алюминиевых сплавов методом штамповки. Часто в нижнюю и верхнюю шейки шатуна впрессовываются бронзовые втулки, позволяющие снизить потери на трение и увеличить ресурс этой детали.
  
Шатун с бронзовыми втулками; Шатун с разрезной шейкой; Шатун с роликовым подшипником в нижней шейке.
Шатуны спортивных двигателей изготавливаются фрезеровкой из дюралюминия (Д16Т) и чаще всего имеют плоскую форму. Обе шейки шатуна (верхняя - под поршневой палец и нижняя - под мотыль коленвала) имеют каналы для подачи масла к трущимся сопряженным поверхностям КШМ. У многоцилиндровых двигателей шатун может иметь разъемную нижнюю шейку.
Поршневой палец – полая цилиндрическая деталь (толстостенная трубка), шарнирно соединяющая шатун и поршень. Изготавливается из таких же сталей, что и коленвал, обязательно термообрабатывается. В поршне палец фиксируется от перемещений стопорными кольцами. Никаких конструктивных особенностей не имеет.
Пара поршень-цилиндр. Пожалуй, что материалы и точность изготовления этих деталей на 80% определяют многие параметры двигателя – от максимальных оборотов и мощности, до продолжительности ресурса.
Цилиндр. В абсолютном большинстве, модельные двигатели имеют съемную гильзу цилиндра. Для изготовления этой детали применяют множество различных материалов: сталь и чугун (черные гильзы), латунь и бронза (цветные гильзы), и даже - алюминиевые сплавы (белые гильзы). В последнее время появились гильзы из металлокерамики. Материал, из которого изготавливается гильза цилиндра, подбирается с учетом многих параметров: износостойкости, возможности нанесения прочного гальванического покрытия, но особенно – по коэффициенту температурного расширения, который должен быть несколько больше, чем коэффициент температурного расширения поршня.
Гильза поршня изготавливается на токарном станке, затем в ней фрезеруются выхлопное и продувочные окна, геометрия которых должна совпадать с геометрией соответствующих каналов в теле картера. Если гильза цветная или белая, после предварительной механической обработки она гальванически покрывается изнутри слоем хрома (черные гильзы тоже иногда хромируют). Процесс хромирования цветной, и тем более – белой гильзы, довольно сложная и трудоемкая операция, требующая соблюдения многих технологических параметров, описание которых можно найти в справочниках по электрогальванике.
Последние операции при изготовлении гильзы любого типа – внутренняя шлифовка, притирка на чугунной конусной скалке и хонингование. Шлифовка и притирка позволяют получить на зеркале гильзы небольшой конус – верхняя часть гильзы должна быть чуть уже нижней. Во-первых, это делается для уменьшения трения, а во-вторых потому, что верхняя часть гильзы при работе нагревается сильнее, и, соответственно, расширяется больше. Нормальный конус в холодном состоянии чуть-чуть «прихватывает» поршень примерно за 2-5 мм от ВМТ (этот размер зависит от кубатуры двигателя, точнее – от хода поршня). Обычно величина конусности равна ~ 0,01-0.015 мм на 10 мм.
Хонингование – операция, при которой на отшлифованное или притертое зеркало цилиндра наносятся тонкие спиральные царапинки – частая мелкая сеточка, которая задерживает на рабочей поверхности гильзы масло, что уменьшает трение, не снижая при этом компрессии.
Поршень модельного двигателя в промышленном производстве изготавливается литьем или штамповкой (ковкой). Материал для поршня выбирается в соответствии с материалом гильзы цилиндра. Обычно это специальные сплавы алюминия с довольно высоким содержанием кремния и других присадок.
Поршни двигателей малых и средних кубатур обычно бывают без колец. В этом случае верхняя часть юбки поршня высотой 2-3 мм имеет заужение специальной геометрии, которое позволяет сохранить нормальное сопряжение с гильзой цилиндра при нагреве в процессе работы.
 
Поршни двухтактных двигателей объемом более 7-10 куб.см и четырехтактных двигателей часто «окольцовывают» – устанавливают на них 1-2 разрезных компрессионных кольца. Применение колец позволяет несколько снизить требования к точности изготовления пары и к конструкционным материалам для цилиндра и поршня, без заметного ухудшения характеристик двигателя. Кольца бывают плоские и L - образные, изготавливаются они из специальных марок стали или чугуна, и часто хромируются.
Головка цилиндра обычно изготавливается из того же материала, что и картер двигателя. Очень не плохо «работают» головки, выполненные из дюралюминия Д16Т. Конструктивно головки моторов для разных типов моделей отличаются очень сильно. Так, головки, устанавливаемые на двигатель для авиамоделей, могут иметь так кольцевое оребрение на боковой, цилиндрической образующей этой детали, так и плоско-параллельные ребра, расположенные на верхней части головки. Головки цилиндров двигателей для вертолетов и автомоделей обычно имеют увеличенные размеры ребер, что диктуется условиями высокой температурной напряженности режимов работы этих моторов – в отличие от авиамоделей, на автомоделях и вертолетах двигатель не обдувается прямым воздушным потоком от воздушного винта, следовательно, и условия охлаждения там гораздо хуже. Как уже отмечалось, судомодельные двигатели часто охлаждаются проточной забортной водой, поступающей в охлаждающую рубашку под напором набегающего потока. Естественно, у этих двигатели нет ребер охлаждения, но головки цилиндров внутри имеют специальные водяные каналы.
  
В центральной, нижней части головки, примыкающей к цилиндру, выполняется камера сгорания – полость специальной формы, в которой происходит воспламенение и основное сгорание горючей смеси. Форма камеры сгорания может быть самая различная: конусная, сферическая, «шляпообразная», образованная сегментами двух сфер – большого и маленького радиуса и т.д. Иногда камера сгорания имеет еще одну, дополнительную полость, называемую форкамерой. Форкамеры применяют для факельного воспламенения основного объема сжатой горючей смеси: сначала воспламеняется смесь внутри форкамеры, а затем, расширяясь, этот горящий объем выкидывается в полость основной камеры сгорания, и поджигает одновременно практически весь объем находящейся там горючей смеси. Это позволяет существенно увеличить эффективное давление, а следовательно, и мощность двигателя.
У компрессионных двигателей в головке цилиндра располагается контрпоршень – дополнительный малоподвижный поршень, с помощью которого изменяется степень сжатия (обычно говорят - компрессия) двигателя. Изменение степени сжатия производится вращением регулировочного винта. Закручивание винта проталкивает контрпоршень вниз и увеличивает компрессию, выкручивание винта позволяет контрпоршню подняться вверх, что уменьшает компрессию.
Головка цилиндра четырехтактного двигателя обычно совмещена с клапанной коробкой, в которой устанавливают сами клапана, пружины, толкатели (рокера) и приемную часть толкающей штанги.
 
У калильных и искровых двигателей в самой высокой точке камеры сгорания располагается спираль калильной свечи, или электроды искровой свечи.
Стандартная калильная свеча и искровая свеча для бензинового двигателя.
Спираль калильной свечи изготавливается из специальных теплоемких сплавов содержащих платину, иридий и родий, которые являются сильными катализаторами. Таким образом, спираль выполняет две функции – нагретая до высокой температуры (600-800° С) она первоначально воспламеняет горючую смесь, и катализирует (способствует) дальнейший процесс ее горения. Тепловой баланс свечи поддерживается за счет теплоты, выделяемой при горении топлива. Калильные свечи (так же, как и искровые) подразделяются на холодные и горячие. Попросту говоря, средняя температура холодной свечи ниже средней температуры горячей. Холодные свечи применяют на форсированных высокооборотных двигателях, работающих, в основном, на максимальных оборотах. Горячие свечи могут работать в широком диапазоне оборотов и при меньших тепловых нагрузках, поэтому именно их обычно применяют на двигателях с радиокарбюраторами. Иногда такие свечи для улучшения теплового режима спирали имеют специальную экранирующую перегородку (дефлектор), частично прикрывающую спираль. На некоторых типах калильных двигателей устанавливается сразу две свечи, что позволяет мотору стабильнее работать на переходных режимах.
 
 
Эскизы отечественных калильных свечей КС-2 и КС-10
Разумеется, по тепловому режиму свечи делятся на несколько типов, а не только на «холодные» и «горячие». Конкретное калильное число, обозначающее тип теплового режима свечи указывается в ее наименовании. К сожалению, единого стандарта обозначения свечей нет, и каждый производитель присваивает своей продукции наименования и цифровые обозначения, что называется, «на свой вкус». Конструктивно спираль может быть встроена непосредственно в камеру сгорания головки цилиндра (головка-свеча, впервые примененная на двигателях фирмы Cox или просто вкручиваться в резьбовое отверстие в теле головки цилиндра. Резьба на свечах практически всех производителей имеет размер 1/4"*32 – диаметр четверть дюйма, шаг - 32 нитки на дюйм. Последние годы очень широко используется новый стандарт, предложенный американским производителем Nelson. Нельсоновские свечи имеют нижний конусный торец, обеспечивающий герметичное соединение без применения уплотнительных колец и резьбу 11/32"*32
Большинство калильных свечей рассчитаны на разогрев от источника тока напряжением 1,5-2 вольта, и потребляют ток порядка 3 ампер. Ресурс свечи во многом зависит от режима работы двигателя. На низкооборотных моторах, работающих в спокойных режимах, одна свеча может работать очень долго, если, конечно, ее не перекаливать при заводке мотора. На форсированных высокооборотных спортивных двигателях, имеющих очень тяжелые температурные режимы и высокую степень сжатия, свеча может выйти из строя (высыпаться) от небольшого повышения температуры окружающего воздуха, от изменения влажности воздуха, от изменения состава топлива или малейшего «пережатия» головки, и от множества других причин.
И.В. Карпунин (aka Glider)
Обсудить на форуме |
