Действия двухтактного двигателя внутреннего сгорания

1. Рабочий процесс

Рабочий процесс в двигателе, работающем по двухтактному циклу, протекает в следующем порядке. При движении поршня вверх в картере создается разрежение, благодаря чему рабочая смесь засасывается через карбюратор в полость картера. При движении поршня вниз смесь в картере сначала сжимается, а затем перепускается по каналу в камеру сгорания. При следующем ходе поршня вверх, который происходит под действием сил инерции масс вращающихся деталей, находящихся на валу мотора, рабочая смесь в цилиндре сжимается. Одновременно происходит всасывание в картер из карбюратора новой порции рабочей смеси.

При положении поршня, близком к верхней мертвой точке, под воздействием сжатия, нагрева газов от спирали, находящихся в свече или искре, рабочая смесь воспламеняется, образуются газы, которые начинают давить на поршень. Под действием этих сил поршень перемещается вниз. При движении поршня вниз открывается выхлопное окно (рис. 4) и газы устремляются наружу. Давление в цилиндре падает почти до атмосферного. Перемещаясь далее вниз, поршень открывает перепускное окно и горючая смесь поступает в цилиндр. Происходит перепуск и продувка, затем сжатие и цикл повторяется.

Повторение цикла возможно лишь при условии, если силы инерции деталей, находящихся на валу, будет достаточно для того, чтобы возвратить поршень в верхнюю мертвую точку и повторить сжатие. В противном случае двигатель остановится. Для того чтобы гарантировать повторение цикла при малых оборотах, на двигателях внутреннего сгорания применяется маховик — тяжелый металлический диск, обладающий значительной инерцией.



У авиамодельных двигателей маховиком служит пропеллер, вал, кок и втулка, т. е. все детали, вращающиеся вместе с валом двигателя.

Всасыванием называется процесс заполнения картера двигателя горючей смесью воздуха с топливом. Протекает этот процесс так. Поршень при движении вверх создает разрежение в картере. Через трубку, называемую всасывающим патрубком, в картер устремляется воздух. На пути движения воздуха имеется поперечная трубка — жиклер, подающий топливо. Протекающий воздух захватывает частицы топлива, распыляет их и уносит в полость картера. Величина отверстия жиклера, сквозь которое протекает горючее, регулируется иглой. Впуск горючей смеси в картер регулируется поршнем, валом, золотником или клапаном (рис. 5).

Перепуском называется процесс перемещения горючей смеси в цилиндр. Происходит перепуск потому, что в картере двигателя при перемещении поршня вниз давление ранее поступившей туда смеси превышает давление в цилиндре. Под действием этой разности давлений смесь перетекает из картера в цилиндр.

Продувкой цилиндра называется процесс заполнения цилиндра свежей горючей смесью и движение сгоревших газов к выхлопным окнам.

Выхлопом называется процесс выхода сгоревших газов из цилиндра. Процессы перепуска и продувки решающим образом влияют на быстроходность и мощность двигателя.



Движение газов при перепуске и продувке происходит у различных двигателей не одинаково и зависит от того, как расположены по отношению друг к другу перепускные и выхлопные каналы я какую они имеют форму и направление. В зависимости от того, как протекают газы, различают следующие виды продувок: поперечную, петлевую, встречную, фонтанную, перекрестную (рис. 6).

На современных быстроходных авиамодельных двигателях лучшие результаты пока получены при поперечной и встречной продувках. Длина каналов, их форма и сечение влияют на гидродинамические потеря движения горючей смеси. Чем короче путь течения газов и чем меньше препятствий встречает на своем пути их поток, тем быстроходнее и мощнее может быть двигатель.

Углы поворота, вала, соответствующие всасыванию, выхлопу и перепуску, называют фазами газораспределения двигателя. Фазы газораспределения на схемах изображают в виде круговой диаграммы (рис. 7). Диаграмма дает представление только о том, скольким градусам угла поворота вала двигателя соответствуют процессы газораспределения. На развернутой диаграмме (рис. 8) показаны также площади проходных сечений, сквозь которые протекают газы, поэтому она дает более полную картину газораспределения.

2. Геометрические характеристики двигателя

Основными геометрическими характеристиками являются рабочий объем V, диаметр цилиндра D, ход поршня S, их отношение (S/D) и степень сжатия Е.



Рассмотрим их влияние в отдельности на работу двигателя.

Объем, вытесняемый поршнем, выраженный в кубических сантиметрах при движении от верхней мертвой точки до нижней, носит название рабочего объема двигателя (V_h) или ого кубатуры.

Объем, вытесняемый поршнем при движении от верхней мертвой точки до начала выхлопа, называется эффективным рабочим объемом (У_эф).

Для иллюстрации влияния изменения диаметра цилиндра и хода поршня при неизменном рабочем объеме можно взять три примера: 1) с ходом поршня, значительно большим, чем диаметр цилиндра; 2) с ходом поршня, равным диаметру цилиндра и 3) с ходом поршня, намного меньшим диаметра цилиндра (рис. 9).

Уменьшение хода или уменьшение отношения хода к диаметру цилиндра для данного объема имеет два очевидных эффекта: 1) расстояние, пройденное поршнем за один оборот, уменьшается; 2) нагрузка на шейку коленчатого вала увеличивается. Такой двигатель более компактен, что позволяет значительно уменьшить его вес. На высокооборотных двигателях это дает уменьшение трения и износа благодаря меньшей скорости движения поршня, что выгодно отличает этот тип от двигателей с длинным ходом поршня. Однако при этом увеличивается утечка газов вокруг поршня (благодаря увеличению диаметра).

В свое время считали, что преимущество короткого хода поршня для быстроходных двигателей не ясно. Однако сейчас для большинства двигателей с рабочими оборотами 10000—12000 об/мин почти всегда выбирают величину хода поршня, близкую к диаметру цилиндра.

Поскольку скорость поршня пропорциональна числу оборотов и ходу поршня, то при равных оборотах короткоходный двигатель имеет меньшие скорости поршня, чем длинноходный. Скорость поршня равна нулю в ВМТ и НМТ и достигает максимума при 70—80° поворота вала от ВМТ (рис. 10).



Смещение оси цилиндра относительно оси коленчатого вала известно под названием дезаксиации. Эта система не может действовать одинаково эффективно при изменении направления вращения. Следовательно, двигатель с дезаксиальным цилиндром будет иметь более благоприятное направление вращения в сторону смещения цилиндра (рис. 11 по стрелке).

Дезаксиальное расположение цилиндра уменьшает боковое давление поршня на цилиндр во время рабочего хода (движения поршня вниз). Как только поршень отойдет от верхней мертвой точки вниз (при симметричной конструкции цилиндра), давление передается под углом через шатун, заставляя поршень двигаться прижатым к одной стороне цилиндра. Дезаксиация цилиндра уменьшает это давление, а боковое давление поршня при ходе вверх увеличивает, но так как давление газов при рабочем ходе больше, а при сжатии (ходе вверх) меньше, то сумма потерь на трение уменьшается.

В целях создания лучшего уплотнения и меньшего износа поршня не рекомендуется делать его высоту менее хода поршня. Двигатель с коротким или почта разным диаметру цилиндра ходом поршня при длине шатуна, составляющей 1,7—1,8 хода (в среднем), является наиболее распространенным. В двигателях массового выпуска ход поршня обычно несколько больше, чем диаметр цилиндра. Такие двигатели легче запускаются и имеют более продолжительный срок службы.

Эффективной степенью сжатия Е называется Отношение суммы объемов эффективного рабочего объема и объема камеры сгорания к объему камеры сгорания. Степень сжатия характеризует величину предварительного геометрического сжатия рабочей смеси в цилиндре, т. е. во сколько раз уменьшен первоначальный объем рабочей смеси в цилиндре перед воспламенением смеси. В целях повышения мощности степень сжатия выгодно иметь возможно большую. На современных авиамодельных двигателях величина степени сжатия находится в пределах 6—9 для калильных и 18—25 для компрессионных двигателей. Увеличению степени сжатия препятствует способность рабочей смеси детонировать.

3. Индикаторная диаграмма

На индикаторной диаграмме двухтактного двигателя изображается давление в цилиндре в зависимости от положения поршня. На рис. 12 дана типовая индикаторная диаграмма двухтактного двигателя. Для большей наглядности давление в цилиндре и давление в картере изображены на одной диаграмме. На оси ординат отложен объем цилиндра в зависимости от положения в нем поршня. Положение поршня в верхней мертвой точке соответствует минимальному объему камеры сгорания цилиндра и обозначается V_c.

Проследим изменение давления в цилиндре. При движении поршня вверх от нижней мертвой точки до закрытия выхлопного окна давление в цилиндре остается атмосферным. Как только окно, закроется, давление начинает расти и достигает в точке Р_с величины степени сжатия. Затем происходит вспышка рабочей смеси и мгновенный рост давления до величины Р_с, соответствующей положению поршня, близкому к верхней мертвой точке. После этого начинается движение поршня вниз и расширение газов. Давление при этом понижается до величины Р_в. В точке Р_в открывается выхлопное окно, и давление в цилиндре постепенно падает до атмосферного.

В это же время в картере при движении поршня вверх от нижней мертвой точки создается разрежение (смесь заполняет картер). Затем при движении поршня от верхней мертвой точки вниз давление в картере повышается до начала перепуска. После начала перепуска давление в картере постепенно уравнивается с атмосферным, и цикл повторяется.

Практическая индикаторная диаграмма будет отличаться от теоретической вследствие утечки газов, а также смещения фаз газораспределение, которое необходимо для ускорения протекания газов.

4. Индикаторная мощность двигателя

Индикаторная мощность двигателя — это работа, которую производят газы давлением на поршень в цилиндре двигателя за единицу времени. Работа А измеряется в килограммометрах, обороты n_s — в секунду, мощность N_i — в килограммометрах в секунду, среднее индикаторное давление P_i — в кг/см², площадь поршня F — в см², ход поршня S — в м.

Зная среднее индикаторное давление, площадь поршня и число оборотов вала двигателя, можно подсчитать развиваемую индикаторную мощность двигателя.

Средняя сила давления газов на поршень Р кг:


Работа поршня двухтактного двигателя за один оборот:


Работа в секунду, т. е. мощность, будет равна:


Зная из физики, что одна лошадиная сила равна 75 кгм/сек, можно вычислить теоретическую мощность двигателя в лошадиных силах:


или

где D — диаметр цилиндра в см.

Полученная формула указывает, что чем больше обороты, среднее индикаторное давление, площадь и ход поршня, тем большую мощность разовьет двигатель. Произведение 0,785 D²S — рабочий объем нашего двигателя, который не может превышать величину, установленную для соответствующей категории двигателей.

Отсюда ясно, что влиять на мощность можно только за счет увеличения числа оборотов двигателя и увеличения среднего индикаторного давления P_i.

5. Эффективная мощность двигателя

(Коэффициент полезного действия)

Известно, что расчетная индикаторная мощность N_i больше эффективной мощности N_е, которую мы получаем практически на валу двигателя. Значительная часть мощности затрачивается на преодоление сил механического трения движущихся деталей механизма двигателя. Сумма всех потерь на трение даже в совершенных двигателях колеблется в пределах 10—30%.

Число, показывающее, какую часть индикаторной мощности нам удается получить на валу двигателя, называют механическим коэффициентом полезного действия двигателя η_m.


Отношение тепла, превращенного в полезную работу на валу двигателя, ко всему теплу, выделившемуся из затраченного топлива, называется эффективным коэффициентом полезного действия двигателя η_e, у авиамодельных двигателей он достигает 0,3.

6. Литровая мощность двигателя

Максимальная мощность двигателя, отнесенная к рабочему объему цилиндра, выраженному в литрах, называется литровой мощностью. По количеству лошадиных сил, которые приходятся на один литр объема, судят о качестве двигателя.

Литровая мощность подсчитывается по формуле:


где N_e — максимальная эффективная мощность по внешней характеристике;
N_л —литровая мощность;
V_h — рабочий объем цилиндра в литрах.

Лучшие модельные двигатели развивают мощность до 200 л. с. с литра. Достигается это .главным образом за счет повышения числа оборотов двигателя.

7. Удельный вес двигателя

(Вес на лошадиную силу)

Об удельном весе двигателя судят по тому, сколько килограммов его веса приходится на одну лошадиную силу при работе на максимальной мощности. Вес на одну лошадиную силу g_л подсчитывается по следующей формуле:


где g — вес двигателя с электрооборудованием без горючего в кг;
N_e — максимальная эффективная мощность двигателя в лошадиных силах.

Удельный вес лучших образцов наших авиамодельных двигателей составляет 250—350 г на одну лошадиную силу.

8. Удельный расход топлива

Удельным расходом топлива поршневого двигателя называется количество топлива в граммах, расходуемое им на каждую лошадиную силу в течение часа работы.


где С_е — удельный расход топлива в г/л. с. час;
G_т — количество израсходованного топлива в г;
N_e — эффективная мощность двигателя, развиваемая им во. время замера G, в л. с.
t — время работы двигателя в часах.

9. Характеристика двигателя (дроссельная и внешняя)

Мощность двигателя проще и точнее всего можно замерить на балансирном станке (процесс замера мощности описан в главе «Испытания двигателей»). При помощи балансирного станка замеряют крутящий момент, создаваемый двигателем на различных числах оборотов. Если замерить мощность двигателя с одним каким-либо винтом на различных числах оборотов, изменяя их дроссельной заслонкой и иглой жиклера, то получают диаграмму в виде кривой (рис. 13).

Если менять нагрузку на двигатель, устанавливая на него различные винты, и добиваться путем регулировки двигателя максимальной мощности на каждом из винтов, получают ряд точек, образующих кривую внешней характеристики двигателя (рис. 14).

Полной внешней характеристикой двигателя называют кривую мощности внешней характеристики, нанесенную на диаграмму в сочетании с кривой расхода горючего (граммов в чад) на соответствующих мощностях.

10. Энергетический баланс и потери в двигателе

Источником энергии в поршневом двигателе внутреннего сгорания является топливо, которое сгорает в цилиндре. При полном преобразовании тепла в механическую работу одна большая калория эквивалентна 427 кгм. Однако двигатель преобразует в механическую работу только часть этой энергии — около 30%. Приблизительно 30—40% тепла, выделяемого при сгорании рабочей смеси в цилиндре, уходит с выхлопными газами 27—30% тепла уходит на охлаждение двигателя воздухом и механические потери и лишь оставшиеся 27—30% преобразуются в механическую энергию двигателя. Более наглядно распределение затрат тепловой энергии в двигателях можно изобразить в виде диаграммы энергетического баланса (рис. 15).

Задачи моделиста, стремящегося увеличить мощность двигателя, заключаются в уменьшении этих потерь и в нахождении способов для более полного использования рабочего объема цилиндра путем увеличения тепла, выделяемого при сгорании заряда топлива в цилиндре, путем наддува и подбора более теплотворных горючих смесей топлива, способных быстро и полно сгорать.

11.Трение

Трение — это сопротивление движению соприкасающихся деталей. На трение частей механизма двигателя затрачивается некоторая мощность, оно вызывает износ и нагрев трущихся поверхностей. Трение бывает сухое — без смазки и жидкостное — со смазкой.

Трение смазанных поверхностей значительно меньше, чем сухих, и зависит от сочетания материалов. Лучшие сочетания материалов следующие: бронза — сталь; сталь твердая — сталь мягкая; металлокерамика — сталь; сталь твердая — чугун.

Наименьшее трение создают шарикоподшипники. Трение вала, вращающегося на шарикоподшипниках, в два-три раза меньше, чем на подшипниках скольжения. Исключение представляют специально прессованные бронзы — металлокерамики, которые в паре с полированной твердой стальной поверхностью имеют коэффициент трения, приближающийся к коэффициенту трения шарикоподшипников.

Другим достоинством этих бронз является их свойство самосмазываться тем маслом и графитом, который находится в порах бронзы.

12. Смазка

Смазывающими веществами, уменьшающими трение, являются масла. Смазка поршневых авиамодельных двигателей осуществляется путем добавления масла к топливу. Внутри двигателя топливо испаряется; масло, оседая на стенках, попадает между трущимися деталями и смазывает их. При этом очень важно, чтобы смазка попадала туда непрерывно и в достаточном количестве. Масло, вводимое для смазки в подшипники, не только уменьшает трение, но и отводит тепло от трущихся поверхностей.

В зависимости от величины и характера нагрузки на трущиеся детали и температуры, при которой они работают, подшипники требуют различных смазок. В качестве смазок в авиамодельных двигателях служат минеральные (добываемые из нефти) масла и растительное (касторовое) масло. В зависимости от типа двигателя и его режима работы количество масла и его качество должны быть различны. С точки зрения отдачи двигателем мощности масла в рабочей смеси выгодно иметь как можно меньше. Однако при увеличении числа оборотов и повышении температуры двигателя смазку всех трущихся частей необходимо улучшать, что требует увеличения количества масла в смеси.

Недостаточность смазки приводит к быстрому износу деталей и в первую очередь поршневых колец, шейки кривошипа и подшипников коленчатого вала. При недостатке смазки шатун нагревается более чем на 300°. Под действием такой температуры дюралюминий теряет свою прочность и разрушается.

В хорошо подобранной горючей смеси на рабочем режиме двигателя топливо должно сгорать почти полностью, а небольшая часть несгоревшего масла выбрасываться с выхлопными газами. Это легко проверить, приложив во время работы двигателя к выхлопному патрубку листок чистой бумаги. Если на бумаге рядом с прогаром от выхлопных газов будут заметны следы масла, значит масла достаточно и смазка верхней части цилиндра и поршневых колец осуществляется нормально.

Составляя горючее для мотора, всегда следует иметь в виду, что, чем быстроходнее двигатель, тем больше должно быть масла в рабочей смеси.

13. Смазочные материалы - масла

Не всякое масло будет хорошим смазочным материалом для авиамодельных двигателей, Достоинство масла оценивается по его способности создавать между трущимися деталями устойчивую масляную пленку при больших скоростях движения и высоких температурах. Последнее свойство определяется вязкостью масла, измеряемой в условных единицах по Энглеру при температуре 50°. Чем выше температура нагрева двигателя, тем более густое масло следует применять. Марки масел, в зависимости от способа их очистки, имеют приставку «С» или «К», что обозначает способ их очистки (селективный или кислотный). Лучшими качествами обладают масла селективной очистки, например МС, которым следует отдавать предпочтение перед маслами МК и АК.

В таблице приведены масла, которые мы рекомендуем применять при составлении горючих смесей для авиамодельных двигателей.


Содержание масла в горючей смеси подбирается опытным путем и зависит от конструкции двигателя, его числа оборотов, температурного режима, степени изношенности компонентов, входящих в состав топлива.

Проверенные рецепты горючих смесей приводятся ниже. Следует заметить, что минеральные масла не смешиваются со спиртовыми горючими, а касторовое масло не смешивается с бензином, поэтому в таких комбинациях эти масла в чистом виде не применяют.

14. Топливо

Топливные смеси для поршневых авиамодельных двигателей содержат жидкое топливо, в состав которых входят в разных соотношениях углерод, водород и кислород.

Топливо добывается: путем перегонки нефти — керосин, бензин, соляровое масло; путем перегонки каменного угля — бензол, толуол; из злаков и овощей — винный спирт (этиловый); путем сухой перегонки древесины — древесный метиловый спирт.

Кислород для сгорания топлива берется из воздуха. Количество воздуха, необходимое для полного сгорания одного килограмма топлива, называют теоретически необходимым количеством воздуха.

Спиртовые топлива содержат кислород, поэтому при их сгорании требуется меньше воздуха.

Смесь топлива, масла и присадок, улучшающих свойства топлива, называют топливной смесью. Смесь воздуха с парами топлива и капельками масла называют горючей смесью. Соединение горючей смеси с остатком выхлопных газов в цилиндре двигателя называют рабочей смесью.

Топлива для авиамодельных двигателей разделяются на тяжелые, средние и легкие.
Тяжелые топлива:

• 1. Топливо дизельное авиационное,
• 2. Лигроин тракторный,
• 3. Топливо дизельное автотракторное.

Средние топлива:

• 1. Керосин осветительный,
• 2. Керосин А,
• 3. Керосин тракторный,
• 4. Топливо ТС-1 для реактивных самолетов,
• 5. Топливо Т2 для реактивных самолетов.

Легкие топлива:

• 1. Бензин автомобильный А,
• 2. Бензин автомобильный А-70,
• 3. Бензин авиационный Б-70, Б-89, Б-92, Б-95/115, этилированные.
• 4. Бензин пусковой легкоиспаряющийся — «Калоша».

Специальные топлива:

• 1. Ацетон,
• 2. Эфир,
• 3. Этиловый (винный) спирт,
• 4. Метиловый (древесный) спирт,
• 5. Бутиловый спирт.

Керосин — самое распространенное топливо для компрессионных двигателей: В СССР изготовляется несколько видов керосина.

За рубежом керосин имеет различные названия. Так, например, в США он именуется ламповым маслом, в Англии — парафиновым.

Легкость запуска, надежность и мощность двигателя во многом зависит от состава топлива.

Качество топлива характеризуют следующие показатели.

Теплотворность топлива — количество тепла в больших калориях, выделяемое 1 кг топлива при полном сгорании. Испаряемость — способность топлива переходить из жидкого в газообразное состояние. Антидетонационные свойства, которые определяют условным, октановым, числом, характеризующим способность топлива правильно сгорать при разной степени сжатия в цилиндре. Средние величины допустимой степени сжатия в зависимости от октанового числа топлива показаны на графике (рис. 16).

Скорость горения имеет чрезвычайно важное значение и влияет на быстроходность двигателя. Желательно, чтобы топливо сгорало возможно быстрее, но так, чтобы это не носило характера взрыва.

Скрытая теплота испарения — количество тепла в больших калориях, необходимое для испарения 1 кг топлива. Чем больше тепла требуется для его испарения, тем лучше, так как процесс испарения будет охлаждать двигатель. Желательно, чтобы смесь поступала в цилиндр более холодная, так как это увеличивает энергетический заряд, а следовательно, и мощность двигателя. Наибольшей скрытой теплотой испарения обладает метиловый спирт.

На скорость горения и на его антидетонационные качества можно влиять и в некоторых пределах улучшать свойства топлива путем добавления в его состав специальных веществ — присадок.

15. Присадки

Антидетонатор — присадка, увеличивающая октановое число топлива. Добавляют присадку только в бензиновые топлива, так как спиртовые имеют высокие антидетонационные качества и в антидетонаторах, как правило, не нуждаются. Эффективным антидетонатором является этиловая жидкость (раствор тетраэтилового свинца). Это тяжелая, очень ядовитая жидкость, в которую добавляют сильные красители. При растворении в бензине он также окрашивается. Это является предупреждением о том, что бензин этилирован. Добавление тетраэтилового свинца увеличивает октановое число бензина.


Попадание этилированного бензина на кожу и слизистые оболочки вызывает отравление, поэтому его применение требует осторожности. Если этилированный бензин попал на кожу, то это место следует промыть керосином, а затем водой с мылом.

Воспламенители — вещества, обладающие способностью воспламеняться при относительно низких давлениях и температурах. Например, пары серного эфира самовоспламеняются при степени сжатия 18—20. Это свойство эфира используется в компрессионных двигателях, где зажигание смеси происходит от присутствия в рабочей смеси паров эфира.

Присадкой, ускоряющей и стабилизирующей горение спиртового топлива, является нитрометан. Это редкий и дорогой химический продукт — ядовитая прозрачная жидкость, способствующая ускорению реакции горения; добавляется в спиртовые топливные смеси до 40%. Горит медленно, голубоватым пламенем, дает прирост мощности двигателя до 30%. Допускает значительное изменение качества смеси. Добавляется в топливо при гоночных и рекордных скоростных полетах.

Амилнитрит — сложный химический продукт. Продается в аптеках как одно из сердечных средств. Добавляется к топливам компрессионных двигателей до 2% для улучшения и ускорения сгорания топлива. Добавление амилнитрита в топливо дает увеличение мощности до 25%.

Стабилизаторы — вещества, добавление которых в спирто-бензиновые и спирто-касторовые смеси предотвращает расслаивание (стабилизирует) их. В топливных смесях авиамодельных двигателей употребляются следующие стабилизаторы:

Нитробензол — ядовитая бесцветная жидкость, служит антидетонатором.

Ацетон и амилацетат — горючие, легко испаряющиеся без остатка жидкости (растворитель целлулоида), добавляется в топливные смеси до 10%.

Бутиловый спирт — горючая жидкость, добавляется в топливные смеси в количестве до 15%.

Изоамиловый спирт — горючая жидкость, добавляется в топливные смеси в количестве до 15%.

16. Топливные смеси

Топливные смеси состоят из топлива (горючего), смазочного материала (масла), присадок и стабилизаторов.

Применяемые в настоящее время топливные смеси разделяются на четыре группы: топливные смеси для бензиновых двигателей' с искровым зажиганием, топливные смеси для компрессионных двигателей, топливные смеси для калильных двигателей, топливо для реактивных двигателей.

Топливные смеси для двигателей с искровым зажиганием состоят из смеси бензина и масла с добавлением антидетонаторов в зависимости от конструкции и размера двигателя.

Обычно заводы или фирмы, изготовляющие двигатели, подбирают наиболее универсальную топливную смесь и дают ее рецепт вместе с инструкцией по обращению с двигателем.

Кроме того, для специальных спортивных целей существуют топливные смеси, в той или иной степени повышающие мощность двигателей.

Многие моделисты-спортсмены сами составляют рецепты топливных смесей, опытным путем определяя наиболее результативные сочетания компонентов. Зарекомендовавшие себя образцы таких горючих приведены в таблице рецептов топливных смесей.

17. Карбюрация

Для того чтобы топливо могло сгорать в цилиндре двигателя, оно должно быть соответствующим образом подготовлено — обращено в пар или мелко распылено, т. е. превращено в горючую смесь.

Горючая смесь, поступающая в цилиндр авиамодельного двигателя, должна состоять из воздуха и паров жидкого топлива, хорошо смешанных в определенной пропорции. Так, на 1 кг бензина должно быть 15 кг воздуха, на 1 кг метилового спирта — 9 кг воздуха. Если эту пропорцию нарушить и отклониться от нее на 20—25%, то двигатель не удастся запустить.

В зависимости от того, сколько топлива содержит смесь, она называется нормальной, бедной или богатой.

Нормальной смесью называют такую, которая обеспечивает хорошую работу двигателя. Бедная смесь содержит мало топлива (меньше нормы), богатая смесь содержит много топлива (больше нормы).

Мощность двигателя меняется в зависимости от изменения состава — качества смеси.

На эффективность топливных смесей существенное влияние оказывает состояние окружающей атмосферы — ее температура, влажность и барометрическое давление.

Отсюда мы делаем вывод, что можно рекомендовать рецепты хороших топливных смесей, но лучшие результаты могут быть получены только на специально подобранных горючих.

18. Энергетический запас рабочей смеси

Энергетическим запасом рабочей смеси называют количество больших калорий, выделяемых при сгорании единицы объема рабочей смеси, поступившей в цилиндр двигателя. Наибольшим энергетическим запасом обладают спиртовые смеси, так как спирты для своего сгорания требуют наименьшее количество воздуха. Подсчитаем приближенно теплотворную способность 1 кг бензиновой и спиртовой смеси топлива.


Отсюда становится понятным, почему двигатели на спиртовых горючих развивают большие мощности. Кроме этого преимущества, спиртовые смеси, испаряясь в карбюраторе и картере, требуют в три раза (больше тепла на свое испарение. Так, бензин для испарения одного грамма топлива требует 75 калорий, а метиловый спирт — 260 калорий. Следовательно, метиловый спирт в 3,5 раза лучше охлаждает детали двигателя. Оребрение двигателя, работающего на спиртовых холодных смесях, может быть значительно уменьшено по сравнению с двигателями, работающими на бензине.

Горючая смесь в авиамодельных двигателях приготовляется вне цилиндра, в так называемом карбюраторе. Она состоит из воздуха и испарившегося или распыленного топлива, соотношение между которыми регулируется проходным отверстием жиклера.

На подавляющем большинстве авиамодельных двигателей применяются простейшие пульверизационные карбюраторы (рис. 17). Такой карбюратор состоит из всасывающего патрубка, жиклера и иглы для регулировки проходного сечения жиклера. Иногда для более точной регулировки применяется воздушная дроссельная заслонка.

Действует такой карбюратор следующий образом: когда поршень поднимается, воздух через всасывающий патрубок заполняет картер. В момент прохождения воздуха через диффузор — суженную часть всасывающего патрубка — давление в патрубке становится меньше атмосферного.

Благодаря разрежению топливо высасывается из жиклера потоком воздуха, распыляется и уносится в картер. Сечение диффузора и жиклера подбирается так, чтобы необходимое для работы соотношение подачи воздуха и топлива поддерживалось в рабочем диапазоне оборотов двигателя.

Отношение среднего диаметра патрубка к минимальному сечению диффузора называется поджатием. Чем больше поджатие, тем больше разрежение в диффузоре патрубка, тем легче двигатель запускается и проще регулируется.

Однако уменьшение сечения диффузора вызывает уменьшение количества протекающего воздуха и снижает максимальные обороты двигателя. Это явление торможения часто используется: устанавливается регулируемая заслонка (дроссель), при помощи которой меняется проходное сечение всасывающего патрубка.

При открывании дроссельной заслонки число оборотов двигателя увеличивается, при закрывании — уменьшается.

Может наступить такое положение, когда торможение воздуха даже в открытом патрубке будет препятствовать дальнейшему увеличению оборотов двигателя. Если же увеличить сечение всасывающего патрубка и диффузора, то ухудшится запуск двигателя и работа на малых числах оборотов. Поэтому на двигателях массового выпуска, для которых величина максимальной мощности не является главным требованием, применяют большое поджатие (суженные диффузоры).

Для того чтобы обеспечить универсальное использование двигателя, его снабжают набором (2—3 штуки) диффузоров различного сечения.

Если главным требованием, предъявляемым к двигателю, является максимальная мощность, то проходное сечение всасывающего патрубка увеличивают настолько, насколько позволяет конструкция. Но часто это приводит к тому, что двигатель становится очень чувствительным к регулировке иглой жиклера и изменениям в давлении подачи топливной смеси.

В полете ощутительное влияние на режим работы двигателя оказывает уровень горючего в топливной системе, перегрузки и наддув.

Часто причиной отказов и изменения в полете режима работы двигателя является несовершенная система питания топливом и, в частности, способ вывода дренажей и заправочных трубок. От положения среза трубок и места их вывода зависит давление в бачке. На рис. 18 и 19 показан график изменения скоростного напора и давления в трубке в зависимости от наклона ее по отношению к потоку. Как видно на рисунках, давление существенно меняется: оно максимально, когда срез расположен перпендикулярно потоку, равно нулю, когда угол φ=60°, и минимально, когда угол φ=90°. Общее изменение давления от 0° до 90° при скорости потока 200 км/час составляет 0,02 кг/см, или 200 мм водяного столба. илч 250 мм высоты изменения уровня топлива в бачке (при удельном весе 0,8).

В тех случаях, когда используется наддув (при обычной топливной системе), необходимо, чтобы давление в бачке и всасывающем патрубке было бы одинаковым. Выравнивание давления достигается тем, что заправочная и дренажная трубки бачка выводятся в полость всасывающего патрубка.

Когда диаметр диффузора настолько велик, что получить устойчивую работу двигателя не удается, можно применять подачу топлива под давлением. В этом случае топливо не засасывается во всасывающий патрубок, а впрыскивается в него.

Качество смеси регулируют иглой жиклера. Постоянство давления при этом достигается применением поплавковых камер или редукторов. Описание систем регулирующих устройств, назначение которых выравнивать давление или регулировать работу двигателя по желанию моделиста, изложено в главе «Детали авиамодельных двигателей».

19. Зажигание

Когда горючая смесь сжата поршнем около верхней мертвой точки, ее надо воспламенить. Тогда горящие газы приведут в движение поршень.

В калильных двигателях воспламенение происходит от сжатия горючей смеси в присутствии раскаленной спирали свечи. Свеча калильного типа показана на рис. 20.

Первоначальный накал спирали создается пропусканием электрического тока. Когда двигатель устойчиво заработает, источник тока отключают. Дальнейшее поддержание накала спирали производится теплом, выделяющимся при горении топлива в цилиндре. Воспламенение в компрессионном двигателе происходит от сжатия. Улучшение самовоспламенения смеси обеспечивается подбором состава топлива.

В зависимости от состава топлива, температуры воздуха и изношенности двигателя для воспламенения горючей смеси необходимы различные степени сжатия. Поэтому нельзя сделать двигатель с камерой сгорания постоянного объема. Кроме того, запуск двигателя облегчается в том случае, когда степень сжатия меньше, а наибольшую мощность двигатель развивает при увеличении степени сжатия. Такая регулировка степени сжатия осуществляется контрпоршнем (рис. 21).

Контрпоршень закрывает цилиндр сверху, образуя камеру сгорания. Перемещение контрпоршня вниз осуществляется путем завинчивания регулировочного винта. Вверх контрпоршень перемещается под действием сжатых газов в камере сгорания цилиндра.

Искровую систему электрозажигания в настоящее время авиамоделисты почти не применяют. Принципиальная схема системы батарейного электрозажигания показана на рис. 22. Действует система так. В момент размыкания контактов прерывателя (соответствующий положению поршня, близкому к верхней мертвой точке) в бобине возникает индукционный ток высокого напряжения (10000—12000 в), который подается на корпус и на свечу. Между электродами свечи в этот момент проскакивает искра, которая воспламеняет рабочую смесь. На рис. 23 показана искровая свеча авиамодельного двигателя. Для улучшения искры и уменьшения обгорания контактов прерывателя применяется конденсатор емкостью 0,10—0,15 мкф. Для бобины стандартного авиамодельного образна необходимо иметь батареи, дающие напряжение 4—6 в (батареи карманных фонарей).

Бобины выпускались заводом ДОСААФ, габариты бобин не превышали 60X28 мм, вес 80—100 г.

Основным недостатком искровой системы зажигания на летающих моделях является малая надежность, большой вес, равный 200—350 г, и потеря мощности на приведение в действие прерывателя.

20. Охлаждение двигателя

Температура горения газов в цилиндре авиамодельного двигателя внутреннего сгорания достигает 2000° С. Если не охлаждать цилиндр, то детали двигателя перегреются, потеряют свою прочность и двигатель разрушится. Перегрев двигателя вызывает коробление цилиндра и поршня. Масло на стенках цилиндра спекается в виде лаковой пленки, образуется нагар и нарушается смазка двигателя. Поэтому перегрева двигателя допускать нельзя. Но известно, что двигатель, теряя теплоту, теряет и мощность. Поэтому его нельзя и переохлаждать. Кроме того, в холодном цилиндре топливо будет медленнее гореть. Следовательно, надо делать двигатель таким, чтобы цилиндр во время работы был нагрет настолько, насколько позволяет термостойкость деталей. Практически для головки цилиндра во время работы двигателя можно допускать нагрев внутри до 300—350° и с внешней стороны — 200—250°.