Топ-20 лучших лодочных моторов. Рейтинг лучших лодочных моторов: от японца до китайца

Одна из главных проблем, с которой приходится сталкиваться самодеятельному конструктору моторного летательного аппарата, — подбор или изготовление силовой установки необходимой мощности, веса и экономичности. Эта задача решается обычно, исходя из имеющихся возможностей и опыта строительства подобных агрегатов.

Несомненно, что их конструкторами могут оказаться как технически грамотные люди, так и недостаточно знакомые с основными положениями теории ДВС. В этой статье мы попытаемся дать анализ двигателей, представленных на минувший Московский слет сверхлегких летательных аппаратов, и несколько советов по выбору параметров ДВС, соблюдение которых сократит сравнительно дорогой и долгий путь поиска, поможет существенно снизить вероятность технического риска.

Все ДВС летательных аппаратов, представленных на слет, можно поделить на три категории:

1. Серийные (лодочные, мотоциклетные, ДВС от снегоходной техники, автомобильные), приспособленные без больших переделок.

2. Собственной конструкции, с широким применением деталей серийных моторов.

3. Оригинальные разработки, выполненные «с листа».

Эти моторы, в том числе и конкурсные, сведены в таблицу № 1. В графе 1 по вертикали указана их эффективная максимальная мощность N_{e max}, затрачиваемая на вращение воздушного винта, при помощи которого крутящий момент на его валу М_кр преобразуется в осевую тягу. Для суждения о мощности силового агрегата, построения характеристик винтомоторной группы, подбора винта и увязки его с двигателем нужно иметь внешнюю характеристику, кривую предельных мощностей, которые может развить мотор на разных оборотах при полностью открытом дросселе. Точные данные можно получить при его испытании на тормозных стендах, что не каждому любителю доступно. Есть приближенный способ построения внешней характеристики на основе теоретических расчетов, если имеется хотя бы одна точка мощности и оборотов коленчатого вала (они обычно указываются в заводских данных).

Таблица 1.

Этот способ состоит в том, что при постоянном составе топливной смеси мощность, затрачиваемая на преодоление внутренних потерь, изменяется приблизительно пропорционально квадрату числа оборотов.

Обозначим:

N₁ — индикаторная мощность, л. с.;

N_тр — мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения поршней, насосных потерь при продувке, вращения агрегатов зажигания, распределения и т. д.;

N_e — эффективная мощность;

N₁‘, N_тр‘, n’ об/мин — текущие значения мощностей и оборотов.

Тогда:

N₁‘=N₁*(n’/n),(1)

N_тр‘=N_тр*(n’/n)2.(2)

Мощность N_тр оценивается механическим КПД (η_м), который находится в пределах 0,8—0,9 для двигателей со скоростью вращения коленвала 4000—6000 об/мин и 0,6—0,8 для более быстроходных.

Для примера проведем построение этим способом внешней характеристики двигателя РМЗ-640.

Заявленная заводом максимальная эффективная мощность:

N_{e max}=27 л. с. при 5250 об/мин.

Механический КПД принимаем η_м=0,87, тогда индикаторная мощность N₁=N_{e max}/η_м=27/0,87=31 л. с.

Мощность трения: N_тр=N₁-N_{e max}=31-27=4 л. с.

Определим по формулам (1, 2) N₁‘, N_тр‘, N_e‘, предварительно задаваясь рядом значений оборотов n об/мин, и сводим результаты в табл. 2. По этим данным строим внешнюю характеристику N_e=f(n) (рис. 1).

Таблица 2.

Рис. 1. Внешняя характеристика двигателя РМЗ-640.

Различают максимальную (или взлетную), номинальную и эксплуатационную максимальную мощности. Максимальную мощность N_{e max} получают при работе двигателя при полном открытии дросселя на земле. Такой режим для двигателя оказывается напряженным и ограничивается 3—10 мин. Мощность меньше максимальной на 10—15% называется номинальной (N_{e ном}). Пользоваться ею можно в течение продолжительного, но ограниченного времени, не более 1—1,5 часа. Эксплуатационная мощность (N_{e экс}) меньше максимальной на 25—30%, время работы двигателя на этой мощности не ограничено.

Обороты, соответствующие видам мощностей, называются максимальными, номинальными и эксплуатационными. Сама по себе мощность двигателя еще не свидетельствует о его достоинствах, так как ее нужно соотносить с его массой (см. графу 2).

Масса в огромной степени влияет на конструкцию авиационного двигателя, определяя степень напряженности всех его деталей. Различают сухую массу и полетную. В сухую массу двигателя в авиации принято включать массу таких узлов, как карбюратор, всасывающие трубопроводы, магнето, свечи и провода к ним, детали пусковой системы, фланцы выхлопных патрубков (но не сами патрубки), дифлекторы, бензиновые и масляные насосы. При подсчете сухой массы не учитываются воздушный винт и его втулка, капот, выхлопные патрубки, водяной радиатор, энергогенератор, контролирующие и измерительные приборы и проводка к ним.

В полетную массу винтомоторной установки входит масса всех агрегатов, необходимых для полета, с заполненными маслом и топливом баками.

Полетная масса как объективный критерий весового качества мотора неудобна тем, что в ней учитываются расходуемые грузы (топливо, масло), зависящие от назначения и типа летательного аппарата. Суммарная масса этих компонентов нелегко поддается определению, поэтому масса мотора характеризуется менее полным, но более точно очерченным понятием сухой массы.

В графе 3 показана сравнительная оценка моторов различной мощности по удельной массе.

g=G_дв/N_{e max,}

где G_дв — сухая масса двигателя, кг; N_{e max} — максимальная мощность, л. с.

При вычислении удельной массы, как правило, сухую массу мотора относят к максимальной мощности. Удельная масса — один из важнейших показателей качества авиационного двигателя.

Удельная масса у современных западных ДВС для СЛА составляет 0,5—0,6 кг/л. с., у лучших представителей 0,25—0,4 кг/л. с. Например, удельные массы двухтактных ДВС для СЛА американской фирмы «Колбо Корп»:

g кг/л. с.             N_{e max} л. с.

0,32                            6

0,25                          18

0,23                          25

Статистика по двигателям, представленным на слет, дает следующие показатели: 34% всего парка ДВС имеет от 0,61 до 0,91 кг/л. с., остальные 66% — от 1 до 2 кг/л. с., что в 4—5 раз больше, чем у специальных двигателей для сверхлегких летательных аппаратов.

Лучший показатель у конкурсного двигателя М-18: g=0,34 кг/л. с., худший 2,04 кг/л. с. у двигателя «Днепр» МТ-10.

Из теории подобия известно, что для геометрически подобных двигателей масса пропорциональна кубу диаметра цилиндра, а мощность пропорциональна квадрату диаметра, то есть

g=G_дв/N_{e max}=A*(D³/D²)=AD.

На практике это соотношение не соблюдается, потому что строгое геометрическое подобие между одноименными деталями различных размеров невозможно оттого, что сечения многих деталей заданы условиями производства; литейной толщиной, жесткостью, условиями монтажа и т. д., поэтому эти размеры сечений можно считать постоянными. Тогда: G_дв=AD². Статистика показывает, что двигатели среднего и большого размера хорошо следуют этой зависимости, таким образом:

g=G_дв/N_{e max}=A*(D²/D²)=A=const.

Эта зависимость нарушается в области малых D в сторону увеличения массы и объясняется не только выше перечисленными технологическими причинами, но и тем, что масса обслуживающих агрегатов — магнето, свечей, карбюраторов и т. д. — мало зависит от размеров мотора. Относительная масса этих деталей, незначительная при больших размерах двигателя, возрастает с уменьшением объема двигателя (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость удельной массы двигателя от рабочего объема.

В графе 4 приведены значения литровой мощности, эта величина является важным параметром совершенства мотора.

Как известно, мощность мотора:

N_{e max}=(P_e*V_s*n_max)/(225*i), где

P_e — среднее эффективное давление, кг /см²,

V_s — рабочий объем двигателя, см³,

n — скорость вращения, об/мин,

і — тактность.

Отсюда литровая мощность выразится:

N_л=N_{e max}/V_л, л. с./л.

С увеличением литровой мощности уменьшаются габариты двигателя и его масса. По литровой мощности наиболее высокие показатели у двухтактного двигателя ИЖ-«Спорт», N_л=91,5 л. с./л, наименьшая у двухтактного двигателя «Шкода» — 39 л. с./л. Около 80% представленных двигателей имеют N_л от 46 до 63 л. с./л.

У широко распространенных на Западе двухтактных двигателей для СЛА «Ротапс», «Хирт», «Кьюн», «Кавасаки», — Nл=80…105 л. с./л. Таким образом, у двигателей, представленных на слет, есть резервы для форсировки.

Из теории подобия известно, что литровая мощность обратно пропорциональна диаметру цилиндра, то есть:

N_л=A/D, при этом

f_охл=F_охл/U_s=D²/D³=A/D,

где f_охл — отношение поверхности охлаждения к объему цилиндра,

F_охл — поверхность охлаждения,

U_s — объем цилиндра,

то есть с уменьшением диаметра цилиндра увеличивается площадь охлаждающей поверхности на единицу объема, что улучшает охлаждение цилиндра малого диаметра, увеличивает потери тепла и снижает термический КПД η_t, но одновременно это позволяет увеличить степень сжатия и компенсировать падение η_t, то есть роста термической эффективности ожидать не следует.

В графе 5 указана тактность двигателей.

Попробуем решить, какой двигатель более подходит для СЛА — четырехтактный или двухтактный. Начнем с уровня расхода топлива. У двухтактного ДВС 400—450 г/л.с.ч., у четырехтактного ДВС 200—250 г/л.с.ч., то есть удельный расход у двухтактного двигателя в среднем в 2 раза выше, чем у четырехтактного. Но последний может оказаться менее выгодным для СЛА из-за большей массы и большего воздушного сопротивления, так как часть эффективной мощности будет тратиться на перемещение более тяжелого двигателя в воздухе и на преодоление его вредного сопротивления. Поэтому экономичность полета наиболее полно характеризуется расходом горючего на тонно-километр.

Этот показатель, кроме экономичности, учитывает также величину воздушного сопротивления винтомоторной установки, КПД винта и ряд других показателей, словом, всю совокупность факторов, определяющих степень совершенства летательного аппарата.

Подсчитаем суммарную массу двигателя и часового запаса топлива для четырех- и двухтактных двигателей. Возьмем применяемые на СЛА близкие по мощности и объему двигатели «Днепр» МТ-10 и «Вихрь». Запас топлива на 1 час для МТ-10 при g_c=200 г/л.с.ч — 7,2 кг, а для «Вихря» при g_c=400 г/л.с.ч — 12 кг. Суммарная масса двигателя и топлива 67,2 кг — для двигателя «Днепр» МТ-10 и 36 кг для двигателя «Вихрь». Таким образом, винтомоторная установка на базе четырехтактного двигателя значительно тяжелее, чем на базе двухтактного. Масса же ВМУ для СЛА имеет большое значение, так как составляет 25—35% массы пустого СЛА.

Применение для изготовления СЛА новых материалов, технологий, профилей вызовет появление конструкции с малой массой планера. В этом случае относительная масса ВМГ еще больше вырастет. Четырехтактные двигатели будут иметь неоспоримое преимущество перед двухтактными при дальних перелетах, когда решающим становится удельный расход топлива.

Мы уже говорили о влиянии объема цилиндра (см. табл. 1) на удельную массу и литровую мощность. Теперь рассмотрим влияние размеров цилиндра на индикаторный КПД. Напомним, что индикаторный КПД η_і — отношение тепловой энергии, обращенной в работу, ко всей подведенной в двигатель.

Так как объем изменяется пропорционально кубу диаметра D³, а поверхность квадрату диаметра цилиндра D², то тепловые потери в двигателях аналогичных конструкций обратно пропорциональны их размерам. Отсюда следует, что при прочих равных условиях индикаторный КПД растет с увеличением диаметра цилиндра (при одной и той же скорости поршня).

Таким образом, термическая эффективность ДВС малых размеров будет сравнительно низка, и удельный расход топлива у них будет выше.

В таблице 1 даны размеры цилиндра, поршня и его относительный ход S/D. Эти параметры тесно связаны между собой, поэтому рассмотрим их вместе.

Практически все двигатели, о которых идет речь, имеют относительный ход меньше единицы, причем короткоходные двигатели обладают рядом преимуществ перед длинноходными: здесь и возможность размещения каналов большого поперечного сечения, увеличивающих наполнение цилиндра; и уменьшение средней скорости поршня, что способствует увеличению механического КПД. Наконец, короткоходные ДВС компактнее длинноходных.

Следующий показатель — скорость поршня

V_ср=(S*n)/30, где

S —ход поршня, м; n — частота вращения коленвала, об/мин. Средняя скорость движения поршня для двигателей, представленных в таблице, от 8,4 м/с до 17 м/с. Этот показатель серьезно влияет на динамическую нагрузку деталей двигателя, наполнение цилиндра и величину энергии, затрачиваемой на трение поршней и подшипников. Средняя скорость поршня специальных двигателей для СЛА 12—15 м/с.

Частота вращения коленвала (см. таблицу 1) рассматриваемых силовых установок — от 4500 об/мин до 8000 об/мин. Известно, что мощность ДВС зависит от его быстроходности. Однако форсировка сопровождается резким (пропорционально квадрату числа оборотов) возрастанием сил инерции вращающихся и поступательно движущихся масс деталей двигателя и, как следствие, увеличением потерь на трение, что требует усиления механической прочности деталей двигателя и изменения условий работы подшипников. С другой стороны, повышение оборотов лимитируется охлаждением головки цилиндра, поршня, свечей, так как с повышением оборотов увеличивается теплоотвод от цилиндра. Кроме того, скорость вращения ограничивается средней скоростью поршня, с возрастанием которой гидравлические потери на продувке резко увеличиваются (пропорционально квадрату скорости поршня), что уменьшает наполнение и снижает мощность двигателя. Вместе с тем повышение частоты вращения до определенного предела улучшает η_і.

В таблице 1 приведены также среднее эффективное давление и степень сжатия. Из формулы мощности видно, что есть два главных направления увеличения мощности — это повышение быстроходности и давления P_e. Влияние оборотов на мощность мы рассмотрели раньше. Посмотрим, как можно повысить Р_e.

Этого легко достичь увеличением Е — степени сжатия (для двухтактных двигателей применяется эффективная степень сжатия).

E_эф=(V_эф V_кс)/V_кс, где

E_эф — эффективный объем, описываемый поршнем от верхней кромки выхлопного окна до ВМТ, V_кс — объем камеры сгорания (см. табл. 3).

Таблица 3.

График влияния увеличения степени сжатия (сплошные линии) и наддува (штриховые линии) на давление в конце сгорания. P_z и удельный расход топлива C_e (в %).

Этот способ хорош тем, что он прост и, кроме прироста мощности, ведет к уменьшению расхода топлива. Однако он имеет и недостатки.

Увеличение Е сопровождается возрастанием температуры и давления в конце такта сжатия, вызывающих резкое повышение давления сгорания Р_e, а следовательно, вызывает необходимость в более прочных деталях, ужесточает требования к топливу и маслу. Однако эффект увеличения мощности от повышения Р_e имеет физические границы — больше чем на 15—20% таким образом мощность не увеличить. При степенях сжатия 10—12 рост мощности уже незначителен. До какого же предела можно увеличивать степень сжатия с точки зрения практических выгод? Подъем P_z и η_t можно проследить при возрастании Е от 4 до 8. Опуская расчетную сторону, приведем результат.

Степеням сжатия Е, равным 4, 5, 6, 7, 8, соответствуют давления сгорания P_z 25,3 кг/см², 34 кг/см², 44,0 кг/см², 54,2 кг/см² и 65,5 кг/см². Отсюда видно, что при увеличении Е от 7 до 8 мы выигрываем в КПД η_t лишь 4,6%, тогда как давление сгорания повышается с 54,2 до 65,5 кг/см , т. е. на 20%. Следовательно, на практике нужно идти на компромисс между оптимальными степенью сжатия и η_t (см. график).

Для практического пользования можно порекомендовать величины максимально выгодных степеней сжатия при работе на горючем, не детонирующем при всех обстоятельствах.

Другой способ повышения Р_e заключается в увеличении давления смеси на впуске.

У двухтактных двигателей повышение Р_e достигается применением резонансных труб на всасывании и выхлопе (эффект Каденаси, открытый им в 1903 году и впервые реализованный на двигателе фирмы «Юмо» в 1923 году, когда было получено увеличение мощности на 60%). Настроенная система выхлопа, например, увеличивает мощность до 30—40% без большого возрастания массы мотора, к тому же улучшая его экономичность.

Повышение Р_e у четырехтактных двигателей сопряжено со значительно большими трудностями. Даже простое изменение фаз газораспределения поставит конструктора перед серьезной технологической и конструкторской задачей изготовления распредвала, расточки седел и установки новых клапанов и т. п.

Наша статистика дает следующие Р_e: для четырехтактных ДВС от 9,5 до 10 кг/см², двухтактное имеют от 3,6 до 6,6 кг/см², у 40% двухтактных двигателей Р_e колеблется от 5,1 до 6,5 кг/см², что является неплохим показателем. Вместе с тем у двигателя РМЗ-640 (одного из наиболее распространенных на слете) Р_e составляет всего 3,6 кг/см², что свидетельствует о резервах повышения его мощности. Доведя Р_e до 5 кг/см², то есть до среднего значения для двухтактных ДВС, мы увеличим N_{e max} на 30—35%, получив 38—40 л. с.

Автором была проделана работа по улучшению этого двигателя. Переделка заключалась в изготовлении четырех дополнительных продувочных каналов с фазами на 2—3° меньше основных, окна в поршне и увеличении Е_эф. Эта доработка позволила снять 84 кг тяги на винте Ø = 1,08 м, с шагом Н=0,5 м, против 70 кг до переделки.

По таблице 1 можно проследить также значение редукции на винт. Известно, что КПД винта зависит от величины динамического шага:

λ=V/n_c*D, где

V — скорость полета, м/с; n_c — число оборотов винта в сек; D — диаметр винта, м.

КПД винта имеет максимум при значении λ=1-1,5; при большем и меньшем значении λ КПД винта падает. Отсюда видно, что скорость полета и число оборотов винта должны находиться в определенном соотношении.

У современных быстроходных моторов КПД винта сильно падает, до 0,3—0,5, в результате уменьшения динамического шага, особенно при установке мотора на тихоходные летательные аппараты. Поэтому оказывается выгодным приводить винт не от коленвала, а через понижающий редуктор.

Почти половина двигателей на СЛА имеет редукцию на винт от 0,38 до 0,7, что приводит к увеличению статической тяги на 80—100%.

Таким образом, применение понижающего редуктора на быстроходных моторах, устанавливаемых на тихоходные СЛА, является весьма желательным.

В таблице 1 показано влияние D винта на статическую тягу.

Тяга винта Р=L a*р*n_c²*D⁴, где а — коэффициент тяги; р — массовая плотность воздуха; n_c — число оборотов винта, с; D — диаметр винта, м.

Видно, что выигрыш в тяге от увеличения диаметра винта получается значительней. Например, увеличение D на 5% повышает тягу на 21%, а на 10% дает возрастание на 46%.

Остановимся вкратце на возможных путях конструктивного решения ДВС для СЛА. Представляется два пути. Первый — создание новых двигателей с использованием новейшей перспективной технологии, с оптимизацией параметров рабочего процесса; второй — разработка их на базе уже существующих и проверенных длительной практикой, путем необходимой модификации.

Первый путь даст наилучшие результаты, но потребует больших материальных затрат, проведения исследовательских и теоретических работ. Да и сроки создания таких ДВС будут велики, так как техническая культура производства авиационных поршневых двигателей во многом утеряна с переходом на газотурбинные.

Второй путь связан с меньшим техническим риском и может быть осуществлен в значительно меньшие сроки. Исходной базой для создания двигателей могут служить выпускаемые нашей промышленностью и широко применяемые любителями «Вихрь», РМЗ-640, «Нептун», «Привет». Эти машины компактны, имеют малый «лоб», динамически уравновешены, обладают равномерным крутящим моментом и невысокой скоростью вращения коленчатого вала.

Касаясь особенностей конструкции двигателей, можно отметить, что основное число ДВС слета (78%) имели скорость вращения коленвала 5000—6500 об/мин, что можно считать оптимальным. Применяя редукцию на винт 0,4—0,6, удается получить компактный редуктор (клиноременный или простой зубчатый). При увеличении быстроходности растет редукция на винт, что потребует перехода на многоручьевые шкивы из-за уменьшения угла охвата ведущего шкива для клиноременной передачи, что «потянет» за собой увеличение длины и диаметра консоли вала винта (и как следствие — веса установки) или вызовет необходимость перехода на планетарную передачу (двигатель В. Фролова, с n=8000 об/мин). Удельная масса грамотно спроектированного и изготовленного зубчатого редуктора для ДВС малых объемов составляет 0,14—0,15 кг/л. с., и при высоких оборотах двигателя он может «съесть» весь выигрыш по удельной массе.

Автору представляется и другое решение двухтактного ДВС для СЛА. Помня, что удельный вес двигателя обратно пропорционален диаметру цилиндра, можно увеличить объем мотора до 1,5—2,0 л, ограничив скорость вращения коленвала в пределах 2400—2600 об/мин. Умеренные средние скорости поршня (7—8 м/с) благотворно скажутся на механическом КПД. В таком двигателе легче организовать газодинамику, а это приведет к увеличению коэффициента наполнения цилиндра. Система непосредственного впрыска топлива низкого давления поставит такой двигатель в один ряд с четырехтактными машинами по удельному расходу топлива. Применение негильзованных цилиндров с никосиловым покрытием или керамикой еще больше снизит удельный вес. Такой двигатель может оказаться легче, чем быстроходный ДВС той же мощности с редуктором.

В заключение отметим еще одну проблему, поставленную перед конструкторами СЛА будущих слетов, связанную с глушением шума выхлопа. 87% парка двигателей слета эксплуатировались без глушителей. Звуковое давление выхлопа двухтактных ДВС без глушителя на расстоянии 2 м от среза выхлопного окна достигает 130—140 дб, что соответствует болевому порогу ощущений. Находиться под воздействием звука такой мощности весьма утомительно и вредно. Для двухтактных ДВС настроенный глушитель даже желателен, так как повышает мощность и экономичность.

На основании рассмотренного можно сформулировать общий подход к вопросам создания ДВС для СЛА:

— небольшие габаритные размеры,

— невысокий удельный вес g≤0,5 кг/л. с.,

— динамическая уравновешенность,

— хорошая приемистость (1—2 сек),

— высокая экономичность, не более 200 г. л. с/ч

— высокая надежность и долговечность (1000—1500 ч),

— простота монтажа и демонтажа,

— простота технического обслуживания,

— низкий уровень шума (не выше 100 д,),

— низкая стоимость единицы в массовом производстве.

В. НОВОСЕЛЬЦЕВ