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個人輸送：地下水、水、空気
航空機モーター。 個人輸送
間違いなく、その設計者は、技術的に知識のある人も、ICE 理論の基本規定に十分に精通していない人の両方である可能性があります。 この記事では、前回のモスクワ超軽量航空機ラリーで発表されたエンジンの分析と、内燃エンジンのパラメータを選択するためのいくつかのヒントを提供します。これを遵守することで、比較的高価で長い調査が短縮されます。これは、技術的なリスクの可能性を大幅に軽減するのに役立ちます。 ラリーで発表された航空機の内燃エンジンはすべて、次の XNUMX つのカテゴリに分類できます。 1. シリアル (ボート、オートバイ、スノーモービルの ICE、自動車)、大幅な変更なしで適合。 2.シリアルモーターの部品を幅広く使用した独自の設計。 3.ゼロからのオリジナル開発。 競合製品を含むこれらのモーターを表 No. 1 にまとめます。列 1 はそれらの実効最大出力 N を示します。emax、プロペラの回転に費やされ、その助けを借りてそのシャフト上のトルク Mcr 軸推力に変換されます。 パワーユニットのパワーを判断するには、プロペラグループの特性を構築し、プロペラを選択してエンジンとリンクさせます。外部特性、つまりエンジンがさまざまな速度で発生できる最大出力の曲線が必要です。スロットル全開。 正確なデータはブレーキスタンドでテストすることで得られますが、すべてのアマチュアがそれを利用できるわけではありません。 パワーとクランクシャフト速度の少なくとも XNUMX つのポイントがあれば、理論計算に基づいて外部特性を構築する近似的な方法があります (通常、これらは工場出荷時のデータに示されています)。 表 1 (クリックして拡大)
この方法は、燃料混合物の組成が一定の場合、内部損失を克服するために消費される動力が回転数の二乗にほぼ比例して変化するという事実に基づいています。 意味:N1 - インジケータパワー、l。 と。; Ntr - ピストンの摩擦力、パージ中のポンピン損失、点火ユニットの回転、分配などに打ち勝つために費やされる動力。 Ne -有効電力; N1'、Ntr', n' rpm - 現在のパワーと rpm の値。 その後：N1'=N1*（n'/ n）、 (1) Ntr'=Ntr*(n'/n)2. (2) パワーNtr 機械効率（ηм)、クランクシャフト速度が 0,8 ～ 0,9 rpm のエンジンの場合は 4000 ～ 6000、より高速なエンジンの場合は 0,6 ～ 0,8 の範囲になります。例えばRMZ-640エンジンの外観特性をこのように構築していきます。 工場で宣言された最大有効電力： Nemax= 27 リットル。 と。 5250rpmで。 機械効率ηを受け入れますм= 0,87、次にインジケーターパワーN1=Nemax/ηм\u27d 0,87 / 31 \uXNUMXd XNUMX l。 と。 摩擦力：Ntr=N1-Nemax\u31d 27-4 \uXNUMXd XNUMXリットル。 と。 式（1、2）Nで決定しましょう1'、Ntr'、Ne'、回転数 n rpm の数値をあらかじめ設定し、結果を表にまとめます。 2. これらのデータに基づいて、外部特性 N を構築します。e=f(n) (図 1)。 表2
最大（または離陸）、定格、動作最大出力があります。 最大出力Nemax 地上でエンジンがフルスロットルで回転しているときに得られます。 このモードはエンジンに負荷がかかり、3 ～ 10 分に制限されます。 最大値より 10 ～ 15% 低い電力を公称 (Nイーノム）。 長時間使用できますが、時間は限られており、1 ～ 1,5 時間以内です。 動作電力 (Ne ex) が最大値より 25 ～ 30% 低い場合、この出力でのエンジン動作時間は制限されません。 容量のタイプに対応する巻数は、最大、公称、および動作と呼ばれます。 エンジン出力はその質量と相関している必要があるため、それ自体ではまだその利点を示していません (コラム 2 を参照)。 質量は航空機エンジンの設計に大きく影響し、すべての部品の張力の程度を決定します。 乾燥重量と飛行重量を区別します。 航空エンジンの乾燥質量には、キャブレター、吸気管、マグネト、点火プラグとそれらへの配線、始動システムの部品、排気管フランジ (ただし、パイプ自体は含まない) などの部品の塊が含まれるのが通例です。 )、デフレクター、ガソリンおよびオイルポンプ。 乾燥質量を計算する場合、プロペラとそのスリーブ、フード、排気管、水ラジエーター、発電機、制御および測定装置、およびそれらへの配線は考慮されません。プロペラユニットの飛行質量には、飛行に必要なすべてのユニットの質量が含まれ、タンクにはオイルと燃料が満たされています。 エンジンの重量品質の客観的な基準である飛行重量は、航空機の用途や種類によっては消耗品（燃料、オイル）を考慮するため不便である。 これらのコンポーネントの総質量は簡単に定義できないため、モーターの質量は、完全性は劣りますが、より正確に定義された乾燥質量の概念によって特徴付けられます。 列 3 は、比重に関する異なる出力のモーターの比較評価を示しています。 g = Gdv/Nエマックス、 どこ Gdv - エンジンの乾燥重量、kg; Nemax - 最大出力、l。 と。 比重を計算するときは、原則としてモーターの乾燥質量が最大出力を参照します。 比重は、航空機エンジンの品質を示す最も重要な指標の XNUMX つです。 ALS用の現代の西洋内燃エンジンの比重は0,5〜0,6kg/lです。 s.、0,25〜0,4 kg / lの最良の代表。 と。 たとえば、アメリカの会社「Kolbo Corp」の ALS 用 XNUMX サイクル内燃エンジンの比重は次のとおりです。 g kg/l。 と。 Nemax l。 から。 0,32 6 0,25 18 0,23 25 ラリーで発表されたエンジンの統計によると、次の数字が得られます。ICE フリート全体の 34% は 0,61 ～ 0,91 kg / l です。 s.、残りの66％ - 1〜2 kg / l。 これは、超軽量航空機用の特殊エンジンの 4 ～ 5 倍です。競技用エンジン M-18 の最高の指標は g=0,34 kg/l です。 s.、最悪の2,04 kg / l。 と。 エンジン「ドニエプル」MT-10。 相似理論から、幾何学的に類似したエンジンの場合、質量はシリンダー直径の XNUMX 乗に比例し、出力は直径の XNUMX 乗に比例することが知られています。 g = Gdv/Nemax= A *（D3/D2）=AD。 実際には、この比率は尊重されません。これは、多くの部品のセクションが製造条件によって指定されているため、サイズが異なる同じ名前の部品間の厳密な幾何学的類似性は不可能であるためです。 したがって、これらの断面寸法は鋳物の厚さ、剛性、設置条件などによって変化するため、一定であると考えられます。 次に：Gdv=西暦2。 統計によると、中型および大型のエンジンはこの関係によく従うことがわかり、次のようになります。 g = Gdv/Nemax= A *（D2/D2)=A=定数。 この依存性は、質量が増加する方向の小さな D の領域で破られます。これは、上記の技術的理由だけでなく、マグネトー、キャンドル、キャブレターなどのサービスユニットの質量がほとんど依存しないという事実によっても説明されます。モーターの大きさについて。 これらの部品の相対質量は、エンジンのサイズが大きい場合には重要ではありませんが、エンジン容積の減少に伴って増加します (図 2)。
列4はリッターパワーの値を示しています。この値はモーターの完成度にとって重要なパラメーターです。 ご存知のように、モーターのパワー： Nemax=(Pe*Vs*nマックス)/(225*i)、 どこ Pe -平均有効圧、kg / cm2, Vs - エンジン排気量、cm3, n -回転速度、rpm、 i-タクト。 ここから、リットルのパワーが表されます。 Nл=Nemax/Vл、l。 s./l. リッターパワーの増加に伴い、エンジンの寸法と重量は減少します。 リッターパワーの点では、XNUMX ストロークエンジン IZH-Sport, N が最高のパフォーマンスを発揮します。л= 91,5リットル。 s. / l、39ストロークシュコダエンジンの最小は80リットルです。 s./l. 提示されたエンジンの約 XNUMX% が Nл 46リットルから63リットルまで。 s./l. 西側のALS用80ストロークエンジン「Rotaps」、「Hirt」、「Kyun」、「Kawasaki」で広く使用されている - Nl = 105 ... XNUMXリットル。 s./l. したがって、ラリーで発表されたエンジンには強制力が備わっています。 相似理論から、リットル容量はシリンダーの直径に反比例することが知られています。 Nл= A / D、 fいいね=Fいいね/Us=D2/D3=A/D、 どこ fいいね シリンダーの体積に対する冷却面の比率です。 Fいいね -冷却面、 Us は円柱の体積、 つまり、シリンダー直径が小さくなると、単位体積あたりの冷却表面積が増加し、小直径シリンダーの冷却が向上し、熱損失が増加し、熱効率 η が低下します。tしかし同時に、これにより圧縮比を高め、ηの低下を補うことが可能になります。tつまり、熱効率の向上は期待できません。 列5は、エンジンのサイクルタイムを示しています。400 ストロークまたは 450 ストロークのどちらのエンジンが SLA に適しているかを判断してみましょう。 燃費から始めましょう。 200ストローク内燃エンジンは250〜2g/hp、XNUMXストローク内燃エンジンはXNUMX〜XNUMXg/hp、つまりXNUMXストロークエンジンの比消費量は平均してXNUMX倍高いです。 XNUMXストロークのもの。 しかし、後者は、より重いエンジンを空中で動かし、その有害な抵抗を克服するために有効出力の一部が費やされるため、質量が大きくなり空気抵抗が大きくなるため、ALSにとってあまり有益ではないことが判明する可能性があります。 したがって、飛行効率はトンキロ当たりの燃料消費量によって最もよく表されます。 この指標は、効率に加えて、プロペラの取り付けの空気抵抗の量、プロペラの効率、その他の多くの指標、つまり、プロペラの完成度を決定する一連の要素全体も考慮します。飛行機。 エンジンの総質量と、10 ストローク エンジンと 1 ストローク エンジンの 10 時間当たりの燃料供給量を計算します。 出力と容積が同様で、航空機に使用されているドニエプル MT-XNUMX エンジンとヴィクル エンジンを例に挙げてみましょう。 MT-XNUMXのXNUMX時間の燃料供給（g）c\ u200d 7,2 g / hp h-XNUMX kg、およびgでの「旋風」の場合c\u400d 12 g / hp h - 67,2 kg。 エンジンと燃料の総質量は、Dnepr MT-10 エンジンの場合は 36 kg、Whirlwind エンジンの場合は 25 kg です。 したがって、35 ストローク エンジンに基づくプロペラ ユニットは、XNUMX ストローク エンジンに基づくプロペラ ユニットよりもはるかに重いです。 ALS の VMU の質量は、空の ALS の質量の XNUMX ～ XNUMX% であるため、非常に重要です。ALS の製造に新しい材料、技術、プロファイルを使用すると、機体の軽量設計が実現します。 この場合、HMG の相対質量はさらに増加します。 燃料消費量が決定的に重要となる長距離飛行では、XNUMX ストローク エンジンが XNUMX ストローク エンジンよりも明らかに有利です。 シリンダー容積 (表 1 を参照) が比重とリッター出力に及ぼす影響についてはすでに説明しました。 ここで、シリンダーのサイズがインジケーターの効率に及ぼす影響を考えてみましょう。 指標効率 η がі - エンジンに供給される熱エネルギーのうち、仕事に変換された熱エネルギーの割合。 体積は直径DのXNUMX乗に比例して変化するので3、表面は円柱の直径 D の XNUMX 乗です。2とすると、同様の設計のエンジンの熱損失はそのサイズに反比例します。 したがって、他の条件が等しい場合、(同じピストン速度で) シリンダー直径が増加すると、インジケーターの効率が増加します。したがって、小型内燃機関の熱効率は相対的に低くなり、燃料消費率は高くなります。 表 1 に、シリンダー、ピストン、およびその相対ストローク S/D の寸法を示します。 これらのパラメータは密接に関連しているため、一緒に検討してみましょう。 問題のほぼすべてのエンジンの相対ストロークは XNUMX 未満であり、ショート ストローク エンジンにはロング ストローク エンジンに比べて多くの利点があります。シリンダーの充填量を増やす大きな断面のチャネルを配置できる可能性があります。 平均ピストン速度が低下し、機械効率の向上に貢献します。 最後に、ショートストローク内燃エンジンはロングストローク内燃エンジンよりもコンパクトです。次の指標はピストン速度です V参照=(S*n)/30、ここで S - ピストンストローク、m; n - クランクシャフト速度、rpm。 表に示されているエンジンの平均ピストン速度は 8,4 m/s ～ 17 m/s です。 この指標は、エンジン部品の動的負荷、シリンダー充填、ピストンとベアリングの摩擦に費やされるエネルギー量に重大な影響を与えます。 ALS 用の特殊エンジンの平均ピストン速度は 12 ～ 15 m/s です。 考慮されている発電所のクランクシャフト速度 (表 1 を参照) は 4500 rpm から 8000 rpm です。 内燃機関の出力は速度に依存することが知られています。 しかし、力を加えると、エンジン部品の回転および並進運動する質量の慣性力が急激に（回転数の二乗に比例して）増加し、その結果、摩擦損失が増加するため、摩擦損失が増加します。エンジン部品の機械的強度やベアリングの動作条件の変化。 一方、速度の増加に伴いシリンダーからの熱の除去が増加するため、速度の増加はシリンダーヘッド、ピストン、キャンドルの冷却によって制限されます。 さらに、回転速度はピストンの平均速度によって制限され、それが増加するとパージ時の油圧損失が急激に増加し（ピストン速度の二乗に比例）、充填量が減少してエンジン出力が低下します。 同時に回転周波数をある限界まで上げるとηが向上します。і. 表 1 には平均有効圧力と圧縮比も示します。 電力の公式から、電力を増加するには主に XNUMX つの方向があることがわかります。これは、速度と圧力 P の増加です。e。 RPM が電力に及ぼす影響については以前に説明しました。 Rを上げる方法を見てみましょうe. これは、E - 圧縮比 (XNUMX ストローク エンジンの場合は有効圧縮比が使用されます) を増やすことで簡単に実現できます。 Eef=（Vef+Vcc）/ Vccどこ Eef は排気ポートの上端から TDC までのピストンによって表される有効容積です。 Vcc - 燃焼室の容積 (表 3 を参照)。 表3
この方法はシンプルでパワーアップに加えて燃費の低減にもつながるので良い方法です。 ただし、欠点もあります。 Eの増加は、圧縮行程の終わりの温度と圧力の上昇を伴い、燃焼圧力Pの急激な増加を引き起こします。eその結果、より耐久性のある部品の必要性が生じ、燃料とオイルの要件が厳しくなります。 ただし、P増加による威力増加の効果はe 物理的な限界があり、15〜20％を超えるため、パワーを増やすことはできません。 圧縮比が 10 ～ 12 の場合、出力の増加はすでにわずかです。 実用上どの程度まで圧縮率を上げることができるのでしょうか？ ライズPz およびηt は E が 4 から 8 に増加するにつれて追跡できます。計算された側を省略して、結果を示します。 4、5、6、7、8 に等しい圧縮比 E は、燃焼圧力 P に対応します。z 25,3 kg / cm2、34kg/cm2、44,0kg/cm2、54,2kg/cm2 および65,5kg/cm2。 これは、E が 7 から 8 に増加するにつれて、効率 η が増加することを示しています。t 燃焼圧力は 4,6 kg/cm54,2 から 65,5 kg/cm20 に、つまり XNUMX% 増加します。 したがって、実際には、最適な圧縮率と η の間で妥協する必要があります。t (グラフ参照)。 実際の使用では、あらゆる状況下で爆発しない燃料で動作する場合に最も有利な圧縮比の値を推奨することができます。 Rを増やす別の方法e 入口での混合物の圧力を高めることです。 XNUMXストロークエンジンの場合、Pの増加e これは、吸気と排気に共鳴パイプを使用することによって達成されます (カデナシ効果、1903 年に彼によって発見され、1923 年に初めてユモ エンジンに実装され、出力が 60% 増加しました)。 たとえば、調整された排気システムは、エンジンの質量を大幅に増加させることなく出力を最大 30 ～ 40% 増加させると同時に、効率も向上します。 Pを上げるe XNUMXストロークエンジンはさらに難しいです。 バルブタイミングの単純な変更であっても、設計者はカムシャフトの製造、シートの穴あけ、新しいバルブの取り付けなどの重大な技術的および設計的作業に直面することになります。 私たちの統計は次のPを与えますe: 9,5 ～ 10 kg/cm の XNUMX ストローク内燃エンジン用2、3,6ストロークの重量は6,6〜XNUMX kg / cm2、40ストロークエンジンのXNUMX%用Рe 5,1から6,5kg/cmの範囲2、これは良い指標です。 同時に、RMZ-640 エンジン (ラリーで最も一般的なエンジンの XNUMX つ) には R が付いています。e わずか3,6kg/cmです2、これはその力を高めるための予備量を示します。 Rを連れてくるe 5kg/cmまで2、つまり、XNUMX サイクル内燃機関の平均値に対して、 Nemax 30〜35リットルを受け取ったので、38〜40％増加しました。 と。 作者はこのエンジンを改善するための作業を行ってきました。 変更内容は、主要なものよりもフェーズが 2 ～ 3 度少ない XNUMX つの追加のパージ チャネルの製造、ピストンの窓、および E の増加で構成されていました。ef。 この改良により、変更前の 84 kg に対して、プロペラ Ø = 1,08 m の推力を H = 0,5 m 刻みで 70 kg 除去することが可能になりました。 表 1 によれば、ネジごとの減少量を追跡することもできます。 プロペラの効率はダイナミック ピッチの値に依存することが知られています。 λ=V/ nc*D、ここで V - 飛行速度、m/s; nc - XNUMX 秒あたりのネジの回転数。 D - ネジの直径、m。 スクリューの効率は、λ=1 ～ 1,5 の値で最大になります。 λ の値が大きくなったり小さくなったりすると、プロペラの効率は低下します。 これは、飛行速度とプロペラの回転数が一定の比率になければならないことを示しています。 最新の高速モーターでは、特にモーターが低速航空機に取り付けられている場合、ダイナミック ピッチの減少によりプロペラ効率が 0,3 ～ 0,5 に急激に低下します。 したがって、クランクシャフトからではなく、減速機を介してスクリューを駆動することが有利であることが判明した。航空機のエンジンのほぼ半数でプロペラが 0,38 から 0,7 に減少し、これにより静推力が 80 ～ 100% 増加します。 したがって、低速 AVS に搭載された高速モータに減速機を使用することが強く望まれます。 表1は、静的推力に対するプロペラDの影響を示しています。 プロペラ推力Р=La*р*nc2*D4ここで、a は推力係数です。 p は空気の質量密度です。 nc - ネジの回転数、s; D - ネジの直径、m。 プロペラの直径の増加による推力の増加がより顕著であることがわかります。 たとえば、D が 5% 増加すると推力が 21% 増加し、10% 増加すると 46% 増加します。ALSに対する内燃機関の建設的な解決策の可能な方法について簡単に説明しましょう。 XNUMXつの方法があるようです。 XNUMX つ目は、作業プロセスパラメータの最適化を伴う、最新の先進技術を使用した新しいエンジンの作成です。 XNUMX つ目は、すでに存在し、長期的な実践によって証明されたものに基づいて、必要な修正を加えて開発することです。 最初の方法は最良の結果をもたらしますが、多額の材料費、研究、理論的作業が必要になります。 はい、航空機のピストンエンジン製造の技術文化はガスタービンへの移行によりほとんど失われているため、そのような内燃エンジンの開発のタイミングは長くかかるでしょう。640 番目の方法は技術的なリスクが少なく、はるかに短い時間で実行できます。 エンジン作成の出発点となるのは、業界で製造され、アマチュアに広く使用されている Whirlwind、RMZ-XNUMX、Neptune、および Privet です。 これらの機械はコンパクトで、額が小さく、動的にバランスが取れており、均一なトルクと低速のクランクシャフトを備えています。 エンジンの設計上の特徴に関しては、ラリーの主な ICE 数 (78%) のクランクシャフト回転速度が 5000 ～ 6500 rpm であったことが注目に値します。これは最適と考えられます。 ネジを0,4～0,6減速することにより、コンパクトな変速機（Vベルトまたは簡易ギヤ）が得られます。 速度が増加すると、スクリューの減少量が増加します。これには、V ベルト ドライブの駆動プーリーの適用角度が減少するため、マルチリブ プーリーへの移行が必要になります。これにより、「引っ張り」量が増加します。プロペラシャフトコンソールの長さと直径（そしてその結果、設置重量）が問題になる場合は、遊星歯車（エンジン V. フロロフ、n=8000 rpm）への移行が必要になります。 適切に設計および製造された小容量の内燃エンジン用の減速機の比重は 0,14 ～ 0,15 kg / l です。 高いエンジン回転数では、比重の増加全体を「食いつぶす」ことができます。 著者は、ALS に対する 1,5 ストローク内燃エンジンの別のソリューションも紹介しています。 エンジンの比重はシリンダーの直径に反比例することに留意し、クランクシャフトの回転数を 2,0 ～ 2400 rpm 以内に制限することで、エンジンの容積を 2600 ～ 7 リットルまで増やすことができます。 適度な平均ピストン速度 (8 ～ XNUMX m / s) は、機械効率に有益な効果をもたらします。 このようなエンジンではガスダイナミクスが整理されやすくなり、シリンダー内の充填率の向上につながります。 低圧燃料の直接噴射システムにより、このようなエンジンは燃料消費量の点で XNUMX ストローク機械と同等になります。 ニコシルコーティングまたはセラミックを備えたノンライナーシリンダーを使用すると、比重がさらに低下します。 このようなエンジンは、ギアボックスを備えた同じ出力の高速 ICE よりも軽量である可能性があります。 結論として、排気騒音の抑制に関連して、将来のラリーの ALS の設計者に提起されるもう 87 つの問題に注目します。 ラリーエンジンの2%はマフラーなしで作動しました。 排気窓のカットから130 mの距離にあるサイレンサーのない140ストローク内燃エンジンの排気の音圧は、痛みの閾値に相当するXNUMX〜XNUMX dBに達します。 このような強力な音の影響下にあると、非常に疲れ、有害です。 XNUMX ストローク内燃エンジンの場合、出力と効率が向上するため、調整されたマフラーがさらに望ましいです。 上記に基づいて、ALS 用の内燃エンジンの作成に対する一般的なアプローチを定式化できます。
著者: V.ノボセルツェフ
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