Выбор двигателя и способы его форсирования

Необходимость форсирования двигателей СЛА

Для получения хороших летно-технических характеристик СЛС необходимо стремиться к достижению его высокого аэродинамического качества при малой удельной нагрузке на мощность. Удельная нагрузка на мощность зависит от массы конструкции планера, мощности и массы используемого двигателя.

Сочетание большой мощности и малой массы двигателя оценивается "литровой мощностью" Л^. Эта величина характеризует степень использования рабочего объема двигателя. Литровая мощность лучших опытных образцов двухтактных двигателей может доходить до 280 кВт/л. На практике литровая мощность двигателей, используемых на СЛС, не превышает 60... 80 кВт/л. При такой литровой мощности удельная их масса находится в пределах 1, 1... 1, 5 кг/кВт. При указанной удельной массе двигателя создание СЛС с достаточно высокими ЛТД - задача достаточно сложная. И пока не будет налажен выпуск специальных двигателей для СЛС, во многих случаях конструкторы-любители вынуждены будут заниматься доводкой и форсированием используемых двигателей.

Способы форсирования двигателей

Под термином "форсирование" понимается повышение литровой мощности двигателя, а значит, уменьшение его удельной массы.

Мощность двигателя определяется количеством химической энергии, содержащейся в топливе, преобразованной в механическую работу на валу. Однако на пути преобразования энергии топлива в полезную работу имеется целый ряд гидравлических, механических, тепловых и других потерь. В результате только сравнительно небольшая часть ее может быть преобразована в полезную работу.

Литровая мощность (в кВт) двухтактного двигателя может быть выражена формулой



где - термический КПД, характеризующий потери вследствие неполного расширения газа в цилиндре; - механический КПД, характеризующий потери на трение и насосные потери; - КПД, определяющий потери тепла через стенки цилиндра и камеры сгорания; k_v - коэффициент, показывающий полноту наполнения цилиндра горючей смесью; -теплота сгорания 1 м³ горючей смеси стехиометрического состава (при весовом соотношении топлива и воздуха 1:14); -частота вращения коленчатого вала, 1/с.

Как видно из формулы (5.1), под форсированием двигателя можно понимать комплекс мероприятий, направленных на увеличение до максимально допустимой величины каждого из сомножителей правой части.

1. Термический КПД зависит только от степени сжатия (или, что то же самое, степени расширения) газа. Чем выше степень сжатия (рис. 5.1), тем выше термический КПД. С увеличением степени сжатия увеличивается и экономичность двигателя. Однако это увеличение ограничено возникновением детонационного горения. При использовании в качестве топлива высокооктанового бензина АИ-93 степень сжатия не должна превышать 9... 10 единиц у двигателей с рабочим объемом цилиндра до 350 см³ и 8... 9 единиц при больших объемах. Из графика, представленного на рис. 5.1, видно, что максимальное значение термического КПД в этом случае не превысит 0, 61.

2. Механический КПД зависит в основном от чистоты обработки трущихся поверхностей и типа используемых подшипников. Около половины всех потерь на трение составляет трение поршня и поршневых колец о зеркало цилиндра. Величина этих потерь во многом зависит от величины боковой нагрузки на поршень. Она в значительной степени определяется силами инерции поступательно движущихся частей. Для уменьшения инерционной нагрузки целесообразно применять облегченную конструкцию поршней и шатунов. Вместо литых целесообразно, например, изготовить поршни из более прочного ковкого сплава АК-4-1А, но с меньшей толщиной стенки юбки. Замену поршней выгодно производить с одновременным изменением степени сжатия за счет смещения вверх днища поршня. Трущиеся поверхности необходимо подвергать тщательной механической обработке или взаимной притирке. Для уменьшения потерь на перемешивание воздуха и трения выгодно зачищать и полировать нерабочие поверхности коленчатого вала и шатуна. С ростом частоты вращения механические потери всегда возрастают.

3. Относительный КПД можно повысить за счет тщательной полировки днища поршня и внутренней поверхности камеры сгорания. Увеличению относительного КПД способствует увеличение степени сжатия и частоты вращения. Увеличение частоты вращения положительно сказывается на вследствие уменьшения времени соприкосновения газов с цилиндром и стенками камеры сгорания.

4. Коэффициент наполнения цилиндра k_v зависит, прежде всего, от скорости движения смеси во впускном тракте и чистоты поверхности канала, в связи с этим их необходимо полировать. Чем короче впускные трубопроводы, чем больше диаметр они имеют и чем больше чистота их поверхности, тем выше коэффициент наполнения. Желательно, по возможности, увеличить сечения впускных окон. При этом следует учитывать, что коэффициент наполнения возрастает пропорционально квадрату уменьшения скорости потока в дросселирующих сечениях.

Обычно k_v имеет значения 0,75... 0,90. Путем практического подбора длины входного патрубка можно использовать колебания потока смеси (в диапазоне взлетных режимов работы двигателя) для улучшения наполнения картера горючей смесью. В этом случае k_v может быть больше единицы. Однако лучшим средством увеличения коэффициента наполнения во многих случаях бывает использование нагнетателя.

5. Увеличение частоты вращения происходит само по себе при увеличении любого из рассмотренных выше коэффициентов. Однако мощность с увеличением частоты вращения возрастает до тех пор, пока увеличивается произведение k_v . С некоторой частоты вращения мощность начинает падать вследствие того, что уменьшение произведения k_v уже не может быть компенсировано возрастанием частоты вращения .

Необходимо помнить, что существенно увеличивать частоту вращения можно только при условии повышения статической и динамической балансировки вала двигателя.

по материалам: П.И.Чумак, В.Ф Кривокрысенко "Расчет и проектирование СЛА"