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:
Nл=A/D, при этом
fохл=Fохл/Us=D2/D3=A/D,
где fохл — отношение поверхности охлаждения к объему цилиндра,
Fохл — поверхность охлаждения,
Us — 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 ηt, но одновременно это позволяет увеличить степень сжатия и компенсировать падение ηt, 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 gc=200 г/л.с.ч — 7,2 кг, а для «Вихря» при gc=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 ηі — 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
Vср=(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 ηі.
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 Pe. Влияние оборотов на мощность мы рассмотрели раньше. Посмотрим, как можно повысить Рe.
Этого легко достичь увеличением Е — степени сжатия (для двухтактных двигателей применяется эффективная степень сжатия).
Eэф=(Vэф+Vкс)/Vкс, где
Eэф — эффективный объем, описываемый поршнем от верхней кромки выхлопного окна до ВМТ, Vкс — объем камеры сгорания (см. табл. 3).
Таблица 3.
График влияния увеличения степени сжатия (сплошные линии) и наддува (штриховые линии) на давление в конце сгорания. Pz и удельный расход топлива Ce (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 Рe, а следовательно, вызывает необходимость в более прочных деталях, ужесточает требования к топливу и маслу. Однако эффект увеличения мощности от повышения Рe 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 Pz и ηt 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 Pz 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 ηt 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 ηt (см. график).
Для практического пользования можно порекомендовать величины максимально выгодных степеней сжатия при работе на горючем, не детонирующем при всех обстоятельствах.
Другой способ повышения Рe заключается в увеличении давления смеси на впуске.
У двухтактных двигателей повышение Рe 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 Рe 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 Рe: для четырехтактных ДВС от 9,5 до 10 кг/см2, двухтактное имеют от 3,6 до 6,6 кг/см2, у 40% двухтактных двигателей Рe 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) Рe составляет всего 3,6 кг/см2, что свидетельствует о резервах повышения его мощности. Доведя Рe до 5 кг/см2, то есть до среднего значения для двухтактных ДВС, мы увеличим Ne 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 Еэф. 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/nc*D, где
V — скорость полета, м/с; nc — 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*nc2*D4, где а — коэффициент тяги; р — массовая плотность воздуха; nc — 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.
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.