Модельные двигатели

Моделизм в нашей стране получил широкое распространение. Он пользуется большим успехом среди школьников. Во многих школах работают авиамодельные, судомодельные и автомодельные кружки. Проводятся соревнования - городские, республиканские и всесоюзные.
Достижения в области моделирования связаны с развитием и совершенствованием двигателей и умелой их эксплуатацией. Имеющиеся типы двигателей весьма разнообразны: здесь поршневые и реактивные двигатели, электрические и резиновые. Наиболее сложные модели имеют целый комплекс, состоящий из двигателя внутреннего сгорания, системы электрических двигателей, радиоаппаратуры.
Широкое использование различных типов двигателей и изучение оптимальных возможностей в моделизме диктует необходимость подробного их рассмотрения. Имеющейся по этому вопросу литературы, особенно по конструкции двигателей, пока недостаточно, да и та, которая ранее выпущена, сейчас в значительной степени устарела. За последние годы улучшились технические показатели модельных двигателей, особенно двигателей внутреннего сгорания.
Развитие модельных двигателей внутреннего сгорания и их использование на различных моделях привело к специализации двигателей по применению. Это можно наблюдать на микродвигателях, используемых на авиационных моделях, Если при появлении первого модельного двигателя он успешно использовался на всех типах моделей, то в настоящее время для каждого класса моделей имеется свой определенный тип двигателя, имеющий конструктивные отличия. Например, специальный двигатель, построенный для пилотажных моделей самолета, не удовлетворяет требованиям скоростной модели. Taк двигатель «Полет» нерационально устанавливать на скоростные модели самолетов. Все шире используются двигатели с дроссельной заслонкой, позволяющей двигателю работать на различных оборотах.
Электрические двигатели используются на авиационных моделях в качестве вспомогательных. С их помощью осуществляется привод рулей управления моделей, производится уборка шасси на моделях-копиях самолетов и др. На моделях судов электрические двигатели используются в качестве основных.
Резиновые двигатели широко используются на многих видах авиа- и судомоделей. Резиновые двигатели совершенствуются одновременно с совершенствованием самих моделей. Например, раньше модели самолетов при массе около 290 г имели резиномотор массой более 120 г и совершали полет немногим более минуты. В настоящее время на модели почти той же массы используется резиномотор всего в 40 г, а полеты при отсутствии восходящих тепловых потоков модели совершают в течение трех и более минут.

ПЕРВЫЙ РАЗДЕЛ


ПОРШНЕВЫЕ И РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Для приведения в движение моделей самолетов применяют различные двигатели. Наибольшее распространение получили поршневые двигатели. Широкое использование их вызвано тем, что они универсальны, имеют относительно невысокую стоимость и просты в эксплуатации. На некоторые типы летающих моделей могут устанавливаться и реактивные двигатели. До настоящего времени из воздушно-реактивных двигателей использовался лишь пульсирующий. В последние годы проводятся успешные попытки создания модельного турбореактивного двигателя. Выбор типа двигателя зависит от назначения модели. Реактивные двигатели целесообразно использовать для моделей с большими скоростями движения; они могут быть также установлены на моделях-копиях реактивных самолетов. Достоинством поршневых двигателей является простота их конструкции, а также способность выдерживать большие динамические перегрузки, возникающие при эксплуатации. Характерной чертой этого типа двигателей является устойчивая работа на неполной мощности, их малая удельная масса и т. д.

Глава I
РАБОТА И ВИДЫ МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ
1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Всякий двигатель, будь то двигатель внутреннего сгорания или электрический, преобразует энергию топлива или электрическую энергию в механическую.
Двигателем внутреннего сгорания можно назвать любой двигатель, у которого процесс сгорания топлива происходит внутри рабочего цилиндра.
Двигатели, используемые в авиационных, морских и автомобильных моделях, относятся к микролитражным; они работают на жидком топливе и составляют группу так называемых карбюраторных двигателей. Карбюраторными их называют потому, что горючая смесь у них образуется в специальной части - карбюраторе.
Микролитражный модельный двигатель состоит из поршневой группы, включающей поршень и цилиндр; кривошипного механизма, состоящего из коленчатого вала и шатуна, которые преобразуют поступательное движение поршня во вращательное движение вала. Все эти детали монтируются в корпусе, называемом картером.
Рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания состоит из четырех процессов: впуска горючей смеси, ее сжатия, сгорания рабочей смеси, выпуска продуктов сгорания.
Двигатели внутреннего сгорания бывают четырехтактные и двухтактные.
Для авиамоделей, моделей автомобилей и морских моделей применяются двигатели внутреннего сгорания, которые работают по двухтактному циклу.


Рассмотрим цикл работы двухтактного двигателя (рис. 1). При перемещении поршня 1 в верхнее крайнее положение, называемое верхней мертвой точкой (сокращенно В. М. Т.), в полости 2 под поршнем создается разрежение. Создаваемая таким образом разность давлений способствует наполнению партерной полости горючей смесью.
При движении поршня вниз рабочая смесь сжимается и по перепускному каналу 3 проходит через перепускное окно гильзы, в цилиндр над поршнем, где испытывает дальнейшее сжатие движущимся вверх поршнем 1. Сжатая рабочая смесь воспламеняется калильной свечой 5.
Сгоревшие газы, расширяясь, с силой давят на поршень 1 и заставляют его двигаться вниз. Так происходит рабочий ход поршня. Во время движения поршня 1 вниз сначала открывается выпускное окно 7, а затем перепускное или продувочное окно 4. Отработавшие газы выходят через выпускное окно 7, а через продувочное окно 4 рабочая смесь под давлением движущегося поршня устремляется в рабочий объем над поршнем и помогает выходу отработавших газов.
Поскольку выпускное и продувочное окна открываются почти одновременно, рабочая смесь может выйти в атмосферу. Чтобы этого не произошло, на поршне делается отражательный козырек, называемый дефлектором. Дефлектор служит для направления потока рабочей смеси в цилиндр и для лучшего его заполнения. Одновременно он препятствует перепуску рабочей смеси из перепускного окна в выпускное.
В некоторых двигателях внутреннего сгорания двухтактного цикла происходит самовоспламенение рабочей смеси при достижении определенной степени сжатия (а не при помощи свечей), которая регулируется специальным контрпоршнем.
Таким образом, в двухтактном двигателе в течение одного такта, т. е. при переходе поршня от Н. М. Т. к В. М. Т., лад поршнем происходит сжатие рабочей смеси, под поршнем всасывание горючей смеси в картер двигателя. В течение другого такта, т, е. при ходе поршня от В. М. Т. к Н. М. Т., над поршнем происходит рабочий ход и продувка, под поршнем предварительное сжатие рабочей смеси.


Индикаторная диаграмма двухтактного карбюраторного двигателя представлена на рисунке 2. Участок аr показывает увеличение давления в цилиндре при ходе поршня от Н. М. Т. к В. М. Т. Воспламенение рабочей смеси происходит в точке т; отрезок rz соответствует периоду быстрого нарастания давления; участок zb соответствует уменьшению давления из-за увеличения объема над поршнем при его ходе от В. М. Т. к Н. М. Т., в отрезок ba показывает дальнейшее уменьшение давления при открытии выпускного окна и продувке.
2. КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ МОДЕЛЬНЫХ МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ
По кодексу Международной Авиационной Федерации (ФАИ) все двигатели внутреннего сгорания, устанавливаемые на авиационные модели, делятся на три категории:
1. Двигатели с рабочим объемом 2,5 см3.
2. Двигатели с рабочим объемом 5 см3.
3. Двигатели с рабочим объемом 10 см3 (для морских моделей допускаются двигатели с рабочим объемом до 30 см3, для автомоделей имеется категория двигателей с рабочим объемом до 1,5 см3).
Это разделение двигателей на категории необходимо для сравнения максимальных достижений моделей.
Рабочий объем указан в паспорте на двигатель.
В случае отсутствия паспорта на двигатель его рабочий объем можно определить, замерив ход поршня и его диаметр. Рабочий объем цилиндра - это объем, освобождаемый поршнем при его движении от В. М. Т. (верхняя мертвая точка) к Н. М. Т. (нижняя мертвая точка). Он определяется по формуле:


где D - диаметр поршня, s - ход поршня. Величина nD2 - представляет собой площадь сечения цилиндра.
Модельные двигатели по принципу назначения можно разбить на следующие виды:
1. Двигатели для скоростных моделей. Эти двигатели должны иметь максимальную литровую мощность; применяются для скоростных моделей и выпускаются с рабочим объемом 1,5 см3; 2,5 см3; 5 см3; 10 см3.
2. Двигатели для таймерных модели самолетов. Требования те же, что и к двигателям для скоростных моделей, но рабочий объем не должен превышать 2,5 см3. Не допускается применение резонансных труб.
3. Двигатели для гоночных моделей самолетов. Эти двигатели должны иметь максимальную литровую мощность при минимальном расходе топлива, хорошие пусковые качества, большой ресурс; рабочий объем не превышает 2,5 см3.
4. Двигатели для пилотажных моделей самолетов. Эти двигатели должны устойчиво работать при различных режимах. Они должны иметь малую удельную массу.
5. Двигатели для радиоуправляемых моделей. Двигатели данного типа должны иметь устройства, изменяющие мощность двигателя в диапазоне от холостого хода до максимальной мощности. Рабочий объем двигателей не должен превышать 10 см3.
6. Двигатели для кордовых моделей-копий самолетов. Требования те же, что и к двигателям для радиоуправляемых моделей, но рабочий объем расширен до 20 см3.
7. Двигатели для моделей, предназначенных для воздушного боя. Требования те же, что и для двигателей таймерных моделей, но они должны обладать более прочной конструкцией, способной выдерживать удары о землю при неудачной посадке.
8. Двигатели общего назначения. Данные двигатели отличаются универсальностью использования, имеют хорошие эксплуатационные характеристики. Рабочий объем разнообразен.
9. Двигатели для морских моделей. Применяются авиамодельные двигатели, снабженные в некоторых случаях водяным охлаждением, вместо воздушного винта у них маховик, от которого вращение передастся гребному винту.
10. Двигатели для автомоделей. Применяются авиамодельные двигатели, но вместо воздушного винта устанавливается маховик, от которого вращение при помощи трансмиссии передастся колесам модели автомобиля.
11. Двигатели специальные. К специальным относят двигатели, имеющие конструктивные особенности или отличительный принцип действия. К таким двигателям относятся, например, модельные газотурбинные двигатели.
По способу зажигания рабочей смеси современные авиамодельные двигатели делятся на три группы:
1. Двигатели компрессионные с самовоспламенением топливной смеси от сжатия.
2. Двигатели с калильным зажиганием.
3. Двигатели с искровым зажиганием.
К первой группе относится двигатель типа МК-12В. К двигателям второй группы относятся отечественные серийные двигатели марок МД-5 «Комета», МД-2,5 «Метеор» и другие, в которых рабочая смесь воспламеняется с помощью калильной свечи (подробнее описание дано далее).
Перейдем к рассмотрению конструктивного оформления каждого из образцов двигателей для авиамоделей, выпускаемых серийно нашей промышленностью. Двигатели с искровым зажиганием ввиду их незначительного применения в модельном деле в данной главе не рассматриваются.
3. КАЛИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
К данному типу двигателей относится микродвигатель МД-2,5 «Метеор». Этот микродвигатель одноцилиндровый с калильным зажиганием.
Схема работы двигателя. К штуцеру подводится топливо, дозируемое регулировочной иглой. Топливо распыляется воздухом, поступающим через диффузор.
В распыленном состоянии топливо в смеси с воздухом - рабочая смесь - поступает через окно коленчатого вала в полость картера. Всасывание происходит вследствие разрежения, создаваемого в полости картера при движении поршня к В. М. Т. Рабочая смесь, заполняющая картер, при движении поршня к Н. М. Т. сначала сжимается, а затем перепускается по каналу в камеру сгорания. При этом происходит очистка цилиндра от продуктов сгорания рабочей смеси (продувка) и заполнение его свежей рабочей смесью. Во время последующего движения поршня вверх рабочая смесь, поступившая в цилиндр через окна, сжимается и, когда поршень достигает В. М. Т., воспламеняется калильной свечой. Газы, образовавшиеся в результате сгорания рабочей смеси, расширяются, и поршень под действием газов движется к Н. М. Т., совершая рабочий ход.
Выпуск отработавших газов происходит в конце рабочего хода, когда поршень открывает выпускные окна.
Зажигание смеси производится при помощи калильной свечи, питающейся от батареи постоянного тока напряжением до 3 в. После запуска микродвигателя батарея отключается.
Запуск и регулировка двигателя. Двигатель должен быть надежно прикреплен к модели. Чтобы запустить двигатель, необходимо:
1) залить топливо в расходный бачок, причем уровень топлива при залитом баке не должен превышать уровня жиклера двигателя (бачок соединить с жиклером двигателя эластичной трубкой);
2) установить воздушный винт таким образом, чтобы вначале фазы сжатия смеси он находился в горизонтальном положении;
3) открыть иглу жиклера на 3-4 оборота от положения полного закрытия;
4) закрыть пальцем левой руки диффузор и повернуть воздушный винт на 3-4 оборота против часовой стрелки (если смотреть спереди);
5) впрыснуть в цилиндр несколько капель рабочей смеси;
6) подключить батарею напряжением 3в к калильной свече;
7) сделать несколько быстрых нажимов на воздушный винт в направлении против часовой стрелки (запуск двигателя с маховиком производится шнуром).
Если двигатель хорошо отрегулирован, он немедленно заработает, и останется только отрегулировать обороты, открывая или закрывая иглу жиклера. Если же он не запускается, значит, мала подача топлива, нужно повторить операцию 4 при более открытой игле жиклера.
Когда двигатель дает вспышку, но не запускается, это означает, что подача топлива слишком обильна (заливает свечу); нужно прикрыть иглу жиклера и быстро вращать воздушный винт, пока двигатель не запустится.
Для питания калильной свечи необходимо один провод подключить к двигателю (на массу), а второй - к центральному электроду калильной свечи с помощью зажима радиотехнического типа.
Перед запуском двигателя необходимо убедиться в исправности калильной свечи. Для этого вывернуть калильную свечу из двигателя и подвести к ней напряжение таким образом, чтобы одни из полюсов был замкнут на корпус свечи, а другой - на центральный электрод.
При правильно подобранном напряжении спираль должна светиться светло-красным цветом.
При пользовании двигателем следят, чтобы в него не попадали посторонние частицы.
В случае необходимости двигатель надо тщательно промыть внутри смесью минерального масла с бензином (калильная свеча при этом должна быть вывернута).
Перед установкой двигателя на модель его необходимо предварительно обкатать, т. е. дать поработать 20-30 минут на смеси с повышенным содержанием масла.
При установке двигателя на моделях глиссеров, автомобилей и т. п. и эксплуатации его с маховиком, который устанавливается вместо воздушного винта, он не должен работать более 1-2 минут без обдува.
Не рекомендуется без необходимости производить разборку двигателя.
Условия работы двигателя в полете иные, чем на стенде: меняется охлаждение, число оборотов, наддув бачка и карбюратора, давление топлива в жиклере.
Регулировку двигателя модели на земле следует производить с расчетом на те изменения, которые происходят в полете. Так, если двигатель в полете работает неравномерно - то снижает, то повышает число оборотов, это свидетельствует о недостатке топлива. На земле перед вылетом надо обогатить смесь.
Если двигатель в полете переходит на рокочущий режим со снижением числа оборотов, появляется дым в отработавших газах, это указывает на избыток топлива; надо убавить подачу топлива.
4. КОМПРЕССИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
К данному типу двигателей относятся двигатель МК-12В, одноцилиндровый. Ознакомимся со схемой работы двигателя МК-12В, запуском и регулировкой его, а также возможными неисправностями и способами их устранения.
Схема работы двигателя. При вращении вала двигателя поршень перемещается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, в результате чего в полости картера под поршнем создается разрежение. Так как впускное отверстие золотника открыто, в разреженное пространство в картере устремляется из карбюратора горючая смесь. В это же время рабочая смесь, поступившая по продувочным окнам в полость над поршнем, подвергается сжатию. Сжатая до определенных пределов, рабочая смесь самовоспламеняется, а образовавшиеся при этом газы с силой давят на поршень и заставляют его перемещаться вниз. Так происходит рабочий ход двигателя.
Во время движения вниз поршень открывает выпускные окна, и отработавшие газы выходят через них в атмосферу. Затем, поднимаясь вверх, поршень открывает боковые каналы в гильзе двигателя и сжатая в картере рабочая смесь устремляется в полость над поршнем. Движущийся вверх поршень перекрывает перепускные и выпускные окна, и цикл работы двигателя повторяется вновь.
Запуск и регулировка двигателя. Двигатель должен надежно прикрепляться к модели. Бачок для питания двигателя не следует укреплять слишком высоко или низко по отношению к двигателю. Лучше всего бачок располагать вблизи жиклера. Если конструкция двигателя предусматривает подачу горючего под давлением, то регулировка двигателя будет более «острая», т. е. даже при небольшом изменении положения иглы режим работы двигателя будет значительно изменяться.
Для того чтобы запустить двигатель, необходимо:
1) залить топливо в бачок (бачок соединить с карбюратором эластичной трубкой);
2) установить воздушный винт в горизонтальном положении (при этом положение поршня должно соответствовать начальной фазе сжатия);
3) открыть иглу жиклера на 3-4 оборота от положения полного закрытия;
4) регулировочным винтом установить контрпоршень в такое положение, когда при вращении вала ощущались бы легкие толчки;
5) закрыть пальцем левой руки диффузор карбюратора и провернуть воздушный винт 3-4 раза против часовой стрелки (если смотреть со стороны воздушного винта);
6) сделать несколько резких ударов по лопасти воздушного винта в сторону вращения вала; если двигатель хорошо отрегулирован, то он сразу заработает - останется только, увеличивая и уменьшая подачу топлива, отрегулировать обороты.
Если двигатель не запускается, то необходимо уменьшить степень сжатия за счет перемещения контрпоршня относительно поршня. Это можно осуществить регулировочным винтом.
Возможные неисправности в работе двигателя указаны в табл. 1:


Глава II
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ

Основными техническими характеристиками двигателя являются мощность, расход топлива, литровая мощность, литровая масса, удельная масса.
Мощность понимается как способность двигатели совершать полезную работу в единицу времени. Мощность модельных двигателей измеряется в ваттах или лошадиных силах. Мощность в 1 Вт эквивалентна совершению работы в 1 Дж. в течение 1 сек. У модельных двигателей мощность бывает от нескольких ватт до сотен ватт.
Расход топлива - характеристика, важная при проектировании моделей, рассчитанных на определенное время полета с работающим двигателем. Зная расход топлива, можно определить время полета модели. На большинстве классов моделей расход топлива служит для расчета объема топливного бака. Для гоночных моделей самолетов бо