А вместо сердца – пламенный мотор (часть 2)

назад (часть 1)

Глушители шума

Глушители на микродвигателях применяют довольно давно - первые попытки снизить уровень шума работающего мотора предпринимались еще в середине прошлого века. В настоящее время большинство спортивных классов моделей должны быть оснащены эффективными глушителями, уменьшающими шум мотора на максимальных оборотах до уровня 96 Дб. По правилам FAI, замер шума должен производиться специальными измерителями уровня шума, на настоянии 3 метра от оси модели со стороны выхлопного окна двигателя, при этом модель должна находиться на бетонной или земляной площадке (взлетной полосе)

Конструкции и формы глушителей очень разнообразны, так же, как и материалы для их изготовления. Промышленные глушители обычно изготавливаются из алюминиевых сплавов литьем под давлением, в кокиль или в выплавляемые формы. Встречаются глушители, изготовленные из тонкой листовой стали, и даже из углепластика. Расположение глушителя определяется направлением выхлопного окна двигателя. Чаще всего, глушитель располагается сзади или сбоку от двигателя. При заднем расположении глушителя, он соединяется с картером двигателя либо жестко, с помощью металлического патрубка, либо через гибкий термостойкий силиконовый переходник, позволяющий удобно расположить глушитель внутри модели. При боковом расположении выхлопного окна обычно применяется жесткое соединение глушителя и картера.

Различные конструкции глушителей для микродвигателей

При конструировании простых глушителей редко используется математика. Скорее - здравый смысл. Руководствуются при этом следующими предпосылками:

• обычный глушитель предназначен только для уменьшения шума, но не для увеличения мощности двигателя;
• основная шумовая компонента (акустический хлопок) возникает в момент начала фазы выхлопа (механические шумы двигателя не рассматриваем), и чем быстрее происходит "прорыв" отработанных газов из выхлопного окна в свободную атмосферу (в окружающий воздух), тем выше уровень шума.

Следовательно, если обеспечить не прерывистое "хлопающее", а плавное истекание в атмосферу выхлопных газов, то, в идеале, можно свести уровень шума выхлопа к нулю.

Этого можно добиться несколькими путями:

• "зажать" сечение выхлопного окна, и увеличить время истекания газов, но при этом резко теряется мощность двигателя за счет ухудшения внутренних газодинамических процессов;
• обеспечить условие плавного расширения выхлопных газов после выхлопного окна - просто установить конус-раструб (мегафон) на пути выхлопных газов, и чем длиннее будет этот конус, тем лучше;
• "выплевывать" выхлопные газы в какой-либо замкнутый объем (полость), изолированный от атмосферы (но очень скоро давление внутри этой полости возрастет настолько, что будет препятствовать процессу выхлопа);
• найти компромисс между этими вариантами, т.е. обеспечить плавный процесс выхлопа в замкнутый объем (глушащий ресивер или камеру), который соединить с атмосферой маленьким отверстием, через которое и будет стравливаться избыточное давление.

Очевидно, что чем больше будет объем глушащей камеры, тем меньшее влияние он будет оказывать на процесс выхлопа, и тем меньше будут потери мощности двигателя. Следует учесть так же, что для нормальной работы двигателя с подобным глушителем, сечение выходного отверстия глушителя должно обеспечить полное стравливание выхлопных газов из ресивера в атмосферу за время одного оборота коленчатого вала.

Опыт показывает, что минимальный объем глушителя, который позволит эффективно снизить уровень шума без существенного уменьшения мощности мотора должен быть, по крайней мере, в 20 раз больше рабочего объема двигателя (для 10 кубового двигателя это примерно 200 куб.см), при этом сечение выходного отверстия в глушителе должно быть примерно в 3-5 раз меньше сечения выхлопного окна в цилиндре. Конечно, это усредненные цифры, которые могу сильно варьироваться.

Очень хорошо "работает" выходное отверстие, которое само состоит из нескольких дырочек еще меньшего диаметра. Именно так и строятся многокамерные глушители: объем первой глушащей камеры соединяется с объемом второй камеры не одинственным отверстием, а несколькими мелкими отверстиями, которые, в принципе, можно заменить мелкоячеистой сеткой или длинной трубкой с глухим торцом, но с множеством мелких отверстий в цилиндрической стенке.

Очень часто глушитель используется еще и для создания избыточного давления в топливном баке, что позволяет улучшить стабильность работы двигателя на всех режимах. Для этого герметично закрытый топливный бак соединяют трубкой с глушителем.

К давлению наддува мы еще вернемся при рассмотрении систем питания двигателей.

Следует особо подчеркнуть, что применение любого глушителя уменьшает мощность двигателя. Это не относится лишь к специальным выхлопным устройствам, не совсем верно называемым резонансными глушителями, и которые позволяют модифицировать, изменить характер кривой внешней характеристики двигателя, приблизив ее к идеализированной кривой индикаторной мощности. Но такие устройства, по своей сути не являются глушителями, т.к. не выполняют основную их функцию - снижение шума работающего мотора, а зачастую даже увеличивают его.

Резонансные глушители применяются исключительно на спортивных моторах, предназначенных для установки на гоночные, скоростные или рекордные модели, и расчитаны они для достижения максимальных мощностей и оборотов двигателя, чаще всего в ущерб стабильной работы на переходных режимах.

Применяют две основные разновидности резонансных глушителей: полуволновые резонансные трубы, и четвертьволновые резонансные муффлеры (маффлеры), от английского muffler - глушитель, сурдинка.

Двигатель с полуволновым резонансным глушителем (дудкой)

Двигатель с четвертьволновым муффлером

Основной принцип работы резонансных глушителей заключается в том, что внутри них возникают сложные акустические колебания, которые при определенных оборотах коленвала приобретают характер стоячих волн, увеличивающих давление в плоскости выхлопного окна и внутри объема цилиндра непосредственно перед окончанием фазы выхлопа (перед закрытием окна поршнем). Это, во-первых, препятствует вытеканию из цилиндра свежей порции горючей смеси, а во-вторых, приводит к ее "утрамбовке", что эквивалентно увеличению наполнения цилиндра горючей смесью, а следовательно, и эффективной мощности двигателя.

Резонансные трубы или дудки имеют вытянутую веретенообразную форму, но условно состоят их пяти частей цилиндрической или конусной формы, плавно переходящих одна в другую. Изготавливаются дудки из тонкостенных алюминиевых труб чаще всего раскаткой на фасонных оправках.

Резонансная труба.

Ориентировочные соотношения основных размеров для расчета резонансной трубы: L3 = 0-0,4L2, L4 = 0,15-0,3L7, d3 = 0,3d1, d2/d1= 1,6-3,0 Общая длина трубы от кромки выхлопного окна до середины обратного конуса L_д ~ 34f/n, где f - продолжительность фазы выхлопа, в градусах, n - заданное число оборотов двигателя, в об/мин.

Красной линией показан профиль сечения реальной дудки.

Первая, цилиндрическая часть, непосредственно присоединяемая к выхлопному патрубку двигателя (выпускная труба) служит для точной настройки резонансных характеристик выпускной системы в целом.

Вторая часть, прямой конус, диффузор (иногда эту часть называют - мегафон), обеспечивает условие плавного расширения выхлопных газов, что необходимо для уменьшения турбулентных потерь, формирования плоского фронта расширяющихся газов, и некоторого снижения шума.

Третья часть, центральный цилиндр, служит не только для дальнейшего расширения выхлопных газов, но так же, как и выпускная труба, участвует в "настройке" дудки в резонанс.

Четвертая часть, обратный конус, или конфузор, служит отражательной стенкой для волны выхлопных газов.

Пятая, цилиндрическая часть (выходная труба) глушителя соединяет полость глушителя с атмосферой.

Работает резонансная труба следующим образом. В момент начала фазы выхлопа из цилиндра, через выхлопное окно и выпускную трубу в полость глушителя устремляется поток отработанных газов. В диффузоре этот поток расширяется, теряет скорость и начинает интенсивно остывать, что приводит к еще большей потери потенциальной энергии газового потока. Фронт давления, движущийся перед фронтом расширяющихся выхлопных газов, проходит центральный цилиндр глушителя, достигает стенок конфузора, отражается от них, и начинает двигаться в обратном направлении. Через определенное время этот фронт давления попадает снова в диффузор, затем в выхлопную трубу, и к моменту завершения фазы выхлопа, через еще открытое выхлопное окно, проникает обратно в цилиндр двигателя, увеличивая в нем эффективное давление.

Таким образом, фронт давления совершает колебательные движения, период которых определяется формой и геометрическими размерами резонансной трубы. Как уже было сказано, при совпадении частоты резонанса трубы и частоты вращения коленвала возникает общий резонанс системы и стоячая волна давления, длина которой, грубо говоря, в два раза больше длины резонансной трубы. Поэтому такие системы и называют полуволновыми резонансными трубами.

При этом сами выхлопные газы не прекращают своего движения в сторону выходной трубы и далее в атмосферу, а лишь изменяется их скорость и характер движения - из пульсирующего оно переходит в поступательное. Никакого возвратно-поступательного движения газовой смеси в области выхлопного окна нет, точно так же, как нет и перемещения воздуха при распространении в нем обычных звуковых колебаний.

Выхлопные резонансные трубы (как и любая другая колебательная система) имеют еще один важный параметр - добротность. Добротность дудки определяет тот диапазон оборотов двигателя, в котором эта дудка может работать, как принято говорить - включается, т.е. входит в резонанс с двигателем. Чем выше добротность дудки, тем уже диапазон оборотов двигателя, в котором дудка может запеть, но тем большую прибавку к мощности двигателя можно ожидать от этого устройства. Обычно дудка настраивается на частоту, несколько превышающую частоту вращения коленвала двигателя при работе без глушителя.

Вхождение в резонанс такой системы происходит в два этапа: сначала двигатель как бы тянет за собой дудку, постепенно увеличивая частоту общих колебаний системы двигатель - резонансный глушитель. После того, как эта частота становится близка частоте резонанса дудки, она включается в работу, и начинает "подтягивать" обороты двигателя уже к частоте своего резонанса, т.е. раскручивает его.

Добротность дудки во многом зависит от угла раскрыва обратного конуса: чем больше этот угол, тем большую добротность будет иметь выхлопная система. Если обратный конус (конфузор) заменить простой стенкой (блендой), то такая труба будет иметь максимальную добротность, т.е. сможет работать только на каких-то одних, строго определенных, оборотах коленвала двигателя, но будет выпадать из резонанса при малейших изменениях условий работы - нагрузки, температуры воздуха, состава горючей смеси, и т.д. и т.п.

Сразу скажу: невозможно создать такой глушитель, который бы увеличивал мощность двигателя во всем диапазоне оборотов коленвала. Законы природы и физики не позволяют сделать этого. Можно лишь изменить характер зависимости мощности мотора от оборотов коленвала. Следовательно, чем большую пиковую мощность развивает мотор на максимальных оборотах благодаря применению резонансного глушителя, тем меньшую мощность он будет способен отдать во всех других режимах работы.

Пиковые дудки, предназначенные для экстремальных режимов работы двигателей, имеют высокую добротность, в силу чего очень капризны в настройке и в работе.

Расчет, изготовление и настройка такого устройства дело весьма кропотливое, и не поддающееся простому математическому описанию. На сегодня не существует законченной теории работы резонансных глушителей, позволяющей выполнять прикладное моделирование резонансных выхлопных труб по заданным параметрам. Все формулы, размеры, параметры и оценки таких устройств, встречающиеся в литературе, являются эмпирическими, т.е. полученными путем длительных экспериментов. Учитывая, что в работе участвует не только сама резонансная труба, но и двигатель, приходится принимать во внимание очень многие факторы - от размеров и материала самой трубы и каждой отдельной ее части, до степени сжатия двигателя и длительности фаз всех процессов, происходящих внутри него. Кроме того на характер работы резонансной трубы оказывают большое влияние и внешние условия, прежде всего - атмосферное давление, температура и влажность воздуха.

В интернете есть несколько сайтов с описанием методик расчета и настройки резонансных труб. Одно из лучших автоматизированных решений расчета резонансных труб можно увидеть на сайте Мартина Хепперле (Martin Hepperle), посвященном гоночным радиоуправляемым моделям класса F3D. (543)

Разумеется, эта программа предназначена прежде всего для демонстрации общих зависимостей резонансных свойств дудки от параметров двигателя и его рабочих оборотов, и не может претендовать на роль точного математического инструмента.

Муффлер существенно отличается от дудки не только размерами, но и характером протекающих внутри него процессов. Выпускная труба муффлера гораздо длиннее, чем у дудки, она проходит внутри всего глушителя, и оканчивается на небольшом расстоянии от обратного конуса, но не касается его. Над выпускной трубой, и аксиально (соосно) ей, расположен такой же длинный центральный цилиндр, сзади переходящий в конфузор, а вместо прямого конуса (диффузора) у муффлера простая стенка. Конфузор муффлера, как и дудки, заканчивается выходной трубой малого диаметра.

Муффлер

Размеры хорошо зарекомендовавшего себя в работе муффлера для двигателя 3,5 куб.см для гоночной модели F3D/2 ("маленькая" гонка): L1=16 мм, L2=9 мм, L3=14 мм, L4=21,5 мм, L5=29 мм, d1=14 мм, d2=3 мм , d3=8,5 мм. Материал - алюминиевые трубы с толщиной стенок 0,8-1 мм.

Особенность работы муффлера состоит в том, что стоячая волна внутри него как бы сложена в четыре раза: первое отражение фронта давления происходит от конфузора, по центральному цилиндру фронт движется уже в обратном направлении к передней стенке, затем, отразившись от нее снова возвращается к конфузору, и только после третьего отражения вновь попадает в выпускную трубу, по которой и попадает в цилиндр перед окончанием фазы выхлопа.

Муффлеры имеют несколько меньшую добротность, чем дудки, в силу чего не могут обеспечить пиковых приростов мощности, но при этом они гораздо проще в настройке и менее критичны в работе.

В последние годы моделистами стали широко использоваться многокамерные глушители, которые, с большой натяжкой, называют резонансными. Все камеры (обычно - две или три) этих глушителей расположены в одном корпусе, и внешне составляют единое целое. Первая камера глушителя по форме и конфигурации обычно напоминает муффлер или дудку, но имеет меньшую добротность и более низкую частоту настройки, что не позволяет получить максимального прироста мощности, но несколько увеличивает мощность на оборотах, чуть выше средних. Вторая (и третья) камеры, собственно и является глушителем, снижающим шум двигателя. В целом, подобные устройства довольно эффективно снижают уровень шума мотора, без существенного уменьшения его мощности.

Такими глушителями обычно комплектуются двигатели для пилотажных моделей и вертолетов. Рассчитывать на то, что применение подобного устройства значительно увеличит мощность или улучшит другие характеристики мотора, не имеет смысла.

Системы питания модельных двигателей

Система питания двигателя включает в себя: топливный бак, топливопровод, топливный фильтр, топливную помпу и карбюратор. Кроме этих элементов, к системе питания можно отнести также и воздушный фильтр, применение которого в последние голы стало обычным не только на автомоделях, но и на большеразмерных авиамоделях, оснащаемых дорогостоящими двух- и четырехтактными двигателями с увеличенным рабочим объемом.

Топливный бак, в зависимости от типа модели, может иметь различную форму и конструкцию, и изготавливаться как из металла, так и из различных пластических масс. В простейшем случае топливный бак - это сосуд необходимого объема (обычно от 50 до 500 куб. см), в который входят несколько трубок: заправочная, дренажная и трубка подачи топлива к двигателю.

Пластмассовый топливный бак

В том случае, если питание двигателя осуществляется под избыточным давлением, которое может отбираться из картера двигателя или из глушителя, в бак вводится еще одна трубка.

Заправочная и дренажная трубки должны исключать вытекание топлива из бака при любом положении модели в пространстве, а трубка подачи должна обеспечивать бесперебойную подачу топлива к двигателю до полного его использования.

На авиамоделях трубку подачи внутри бака часто заменяют на гибкий шланг с небольшим грузиком на свободном конце, такая конструкция гарантирует свободное перемещение заборной части шланга под собственным весом при любых эволюциях модели. Все трубки бензобака должны иметь достаточное сечение. Практически во всех случаях и для любых двигателей бывает достаточно применять трубки с внутренним диаметром 2,0-2,5 мм.

Рисунок топливного бака с заборной "болтушкой"

Часто применяются и эластичные баки, типа соска, топливо в которые при заправке нагнетается специальным заправочным шприцем. Для размещения такого бака в корпусе или фюзеляже модели устанавливается специальный контейнер, предотвращающий эластичный бак от случайного повреждения. Интересна конструкция тонкого эластичного бака, помещенного в герметичный металлический или пластмассовый контейнер, к которому подводится избыточное давление от глушителя двигателя. Эта конструкция, обладая достоинствами баков "под давлением", исключает загрязнение топлива выхлопными газами и твердыми частицами отработавшего топлива. Кроме того, применение эластичных баков практически полностью исключает вспенивание топлива от вибраций двигателя и модели, и обеспечивает бесперебойную подачу топлива к двигателю при любых эволюциях модели.

Бак на модели должен быть расположен таким образом, чтобы уровень топлива при полной заправке находился на уровне топливного жиклера карбюратора, или был несколько выше его. Кроме того, рекомендуется располагать бак на минимальном удалении от двигателя, на авиамоделях - обычно сразу за первым силовым шпангоутом.

Топливный бак внутри фюзеляжа

Топливопровод соединяет топливный бак со штуцером карбюратора двигателя, и в абсолютном большинстве случаев бывает эластичным. В качестве топливопровода следует использовать толстостенную трубку из маслобензостойкого материала, лучше всего - резиновую или силиконовую. Внутренний диаметр такой трубки должен быть не менее 1,5- 2 мм, при толщине стенок не менее 2 мм.

Толстостенный топливопровод

Толстостенные трубки позволяют изгибать топливопровод с очень небольшим радиусом, без пережимания внутреннего канала. В случае применения топливопровода длиной более 50-70 мм следует предусмотреть его промежуточную фиксацию для исключения сильных вибраций, следствием которых может быть вспенивание топлива и перебои в работе двигателя.

Топливный фильтр располагается в разрыве топливопровода и служит для дополнительной очистки топлива, подаваемого в двигатель. Несмотря на то, что в процессе приготовления топливо обязательно фильтруется, применение дополнительного фильтра никогда не бывает лишним.

Различные конструкции топливных фильтров

Самодельные топливные фильтры

Конструкция фильтра довольно проста. Чаще всего это очень тонкая сетка, установленная на пути топлива в полом цилиндрическом корпусе, имеющем входной и выходной штуцеры. Встречаются, также, мелкопористые керамические фильтры.

Топливная помпа применяется в тех случаях, когда по какой-либо причине топливный бак приходится устанавливать на значительном расстоянии от двигателя. Чаще всего это бывает на больших авиамоделях с баками увеличенного объема. В этом случае, для исключения значительного изменения центровки модели при выработке топлива, бак устанавливают в районе центра тяжести модели, что однозначно требует применения помпы. Также, как и топливный фильтр, помпа устанавливается в разрезе топливопровода между топливным баком и двигателем.

Некоторые серийные двигатели больших кубатур (более 10 куб.см) имеют встроенную помпу. Выпускаются, также, помпы для модельных двигателей в виде отдельного устройства.

Разные варианты топливных помп

Конструктивно помпа представляет собой нагнетающий насос, который приводится в действие от коленвала (шестеренчатый насос), от пульсирующего в картере давления (двухкамерный мембранный насос), от вибраций двигателя (инерционный мембранный насос), или от дополнительного электрического моторчика (шестеренчатый или центробежный насос). Очевидно, что помпа с приводом от коленвала устанавливается непосредственно на двигателе, двухкамерная мембранная помпа должна быть соединена дополнительной трубкой (или каналом) с картером двигателя (аналогично отбору давления в бензобак). Вибрационная помпа может нормально работать как на двигателе, так и на любом вибрирующем элементе конструкции модели, а помпа с электроприводом может быть установлена в любом удобном месте, но требует дополнительного источника тока.

Детально описать конкретные конструкции топливных помп я, к сожалению, не могу, так как не имею опыта их эксплуатации. Если кто-то поможет мне сделать это, я обязательно внесу соответствующие дополнения.

Воздушный фильтр предохраняет двигатель от попадания пыли, песчинок, а порой - и грязи, при эксплуатации модели не только на земле, но и в воздухе. Судомодельные двигатели оснащаются воздушными фильтрами довольно редко.

Конструкция воздушного фильтра модельного двигателя напоминает автомобильные воздушные фильтры цилиндрической формы, но с одним отличием: обычно они не имеют защитного корпуса. Воздушный фильтр для микродвигателей состоит из свернутой в цилиндр фильтрующей "гармошки" из специального синтетического материала или фильтровальной бумаги. Один торец этого цилиндра закрыт крышкой, а на втором торце сделан специальный переходник для соединения с футоркой карбюратора. Сверху на фильтрующую "гармошку" может быть одета еще и поролоновая рубашка.

Воздушные фильтры разной конструкции

Фильтрующая поверхность устройства открыта, поэтому необходимо исключать возможность ее повреждения, а также попадания на нее топлива, масла, да и просто воды. Фильтр может эксплуатироваться довольно долго, нужно просто время от времени продувать его обратной подачей воздуха, для очищения от накопившейся пыли и твердых частиц.

Автомодельные двигатели с открытым воздушным фильтром
и с фильтром в защитном пластиковом корпусе

Применение воздушных фильтров на автомоделях позволяет существенно увеличить ресурс двигателя. Для авамоделей, двигатель которых большую часть времени работает далеко от земли, применение фильтров не дает таких результатов, но все же не бывает лишним. Применение воздушных фильтров на судомоделях считается не актуальным.

Карбюратор

Карбюратор служит для приготовления оптимальной по составу смеси топлива и воздуха. Разные виды топлива требуют для сгорания разного количества воздуха. При нормальных атмосферных условиях, для полного сгорания 1 грамма чистого автомобильного бензина требуется около 15 граммов воздуха, для сгорания 1 грамма этанола (этилового спирта) - 9 граммов воздуха, а для сгорания 1 грамма метанола (метилового спирта) - всего 6,5 грамма воздуха (добавление в топливо различных присадок изменяет потребное количество воздуха).

Указанные соотношения топливо/воздух принято считать оптимальными для каждого вида топлива, и обозначать буквой "a". Следует помнить, что коэффициент "a" - величина безразмерная и относительная. Для бензина a=1,0 при соотношении бензин/воздух = 1/15, а для метанола - a=1,0 при соотношении метанол/воздух = 1/6,5.

При оптимальном соотношениях топливо/воздух a = 1,0 горючая смесь считается нормальной. При небольшом избытке топлива (a = 1,1-1,15) смесь считается обогащенной, при значительном избытке топлива (a > 1, 25) смесь становится богатой. Аналогично, при небольшом избытке воздуха (a = 0,9-0,85) смесь считается обедненной, а при значительном избытке воздуха (a < 0,85) смесь становится бедной. Обогащенная смесь позволяет получить максимальную мощность, а обедненная обеспечивает экономичную работу двигателя. В том случае, если для конкретного типа топлива соотношение топливо/воздух в смеси выходит за пределы 0,85 > a > 1,25 - смесь становится негорючей, и не воспламеняется в цилиндре двигателя.

Задача карбюратора состоит в том, чтобы обеспечить поступление в двигатель горючей смеси требуемого состава (соотношения топливо/воздух) на всех режимах работы.

Простейший карбюратор (карбюратор пульверизационного типа) представляет обычный распылитель, соединенный с топливным баком и помещенный в воздушный канал карбюратора (смесительную камеру, или диффузор), напоминающий трубку Вентури. При прохождении по диффузору воздушного потока, там образуется разрежение. Топливо, находящееся в распылителе, захватывается потоком воздуха, дробится на мелкие капельки, смешивается с проходящим по диффузору воздухом и образует горючую смесь.

Принцип работы простейшего карбюратора

Качество горючей смеси, т.е. соотношение топливо/воздух, можно изменять положением регулировочной иглы, находящейся в жиклере карбюратора. При закручивании иглы, ее конусная часть уменьшает проходное сечение жиклера (до полного перекрытия топливного потока) и обедняет смесь. Выкручивание иглы увеличивает проходное сечение жиклера (кольцевую щель между иглой и стенкой отверстия жиклера) и обогащает смесь. Для нормальной работы такого карбюратора необходимо, чтобы уровень топлива в баке был на высоте выходного отверстия распылителя, или подавался туда под небольшим давлением.

Регулировка качества смеси с помощью иглы
(жиклера переменного сечения)

К сожалению, такой простейший карбюратор может обеспечить оптимальный состав горючей смеси только для определенного, установившегося режима работы двигателя, но не позволяет осуществить плавную регулировку его оборотов в широком диапазоне.

Устройства, позволяющие регулировать обороты микродвигателя в некотором диапазоне оборотов, первоначально устанавливались на выхлопном окне. Это были обычные поворотные или шиберные заслонки, препятствующие выходу отработавших газов. Затем появились первые радиокарбюраторы - обычные пульверизационные карбюраторы, внутри которых также располагался поворотный или шиберный золотник - дроссельная заслонка, регулирующая подачу воздуха в двигатель.

Были попытки оснащения двигателей сразу двумя заслонками - на выхлопном окне и во всасывающем патрубке. Но с помощью всех этих устройств, к сожалению, не удавалось добиться стабильной и бесперебойной работы двигателя в широком диапазоне оборотов, т.к. они не обеспечивали оптимального смесеобразования при различных положениях воздушной заслонки. В итоге, при относительной стабильности работы на средних оборотах, двигатель перезаливался на малых оборотах, и беднился на больших. Ни о каких динамичных переходах с режима на режим (приемистости на перегазовках) не могло быть и речи.

Один из первых удачных радиокарбюраторов появился в 1961 году. Это был "Jonson AutoMix", который сохранял состав топливной смеси достаточно стабильным в некотором диапазоне режимов работы мотора. У этого карбюратора был поворотный цилиндрический золотник, который при повороте еще и перемещался вдоль своей оси. С золотником была совмещена конусная регулировочная игла, которая при осевом перемещении частично перекрывала отверстие жиклера, изменяя подачу топлива в зависимости от угла поворота заслонки (читай - от проходного сечения диффузора). Качество горючей смеси при полностью открытой заслонке регулировалось главной топливной иглой, как на простейшем карбюраторе. Тем не менее, и этот карбюратор не обеспечивал необходимую динамику работы двигателя.

Принцип работы простейшего карбюратора с шиберной заслонкой и иглой

Несколько позже, в 1967 году, двигатель "Webra 61" был оснащен карбюратором "TN", разработанный Г. Бодеманом (G. Bodemann). Конструкция этого карбюратора стала базовой для многих производителей модельных двигателей. Карбюратор "TN", наряду с поворотным цилиндрическим воздушным золотником, совмещенным с регулировочной иглой, имел еще главную иглу и дополнительный регулировочный винт, которые позволяли регулировать режимы максимальных и минимальных оборотов двигателя отдельно, и независимо друг от друга.

До настоящего времени многие фирмы выпускают этот карбюратор в той или иной модификации: O.S. Max, Moki, Merko, MVVS, Super Tiger, OPS и даже МДС.

Карбюраторы фирмы O.S. Max

В течение последней четверти прошлого века в мире появилось еще несколько типов радиокарбюраторов, но все они, в той или иной мере, являются развитием конструкции, предложенной Бодеманом, и отличаются незначительными и непринципиальными деталями. Главная особенность этих карбюраторов заключается в том, что пропускная способность (сечение) канала распылителя в крайних положениях дроссельной заслонки регулируется двумя разными органами - главной иглой и регулировочным винтом, называемым винтом малого газа, а промежуточные расходы топлива определяются положением подвижной иглы или трубчатого золотника с фасонным отверстием. Некоторые из этих карбюраторов имеют еще один регулировочный винт, который ограничивает положение воздушного дросселя в режиме малого газа. Кроме того, судомодельные модификации радиокарбюраторов могут иметь сразу два органа, управляемых дистанционно (с помощью двух отдельных рулевых машинок): дроссельная заслонка и главная дозирующая игла, изменением положения которой прямо в процессе гонки можно подстраивать режим работы двигателя. Применение таких карбюраторов совместно с радиоаппаратурой, имеющей возможность микширования каналов, открывает дополнительные возможности по настройке и дистанционной регулировке оборотов двигателей.

Настройка карбюратора

Общая методика настройки радиокарбюратора следующая:

Сначала настраивается режим максимального газа. Для этого прогретый двигатель, при полностью открытой дроссельной заслонке, выводится на максимальные обороты изменением положения главной топливной иглы. Обычно это соответствует выкручиванию иглы на 2-3,5 оборота (сначала необходимо полностью, до упора, закрутить иглу). После этого иглу отворачивают еще на 1/8-1/4 оборота, несколько обогащая смесь - это соответствует оптимальному режиму работы двигателя. После этого, медленно и плавно закрывая дроссель, снижают обороты двигателя до минимально устойчивых, и начинают вращать винт малого газа, добиваясь максимального повышения оборотов. Затем снова снижают обороты, прикрывая дроссельную заслонку. Добившись минимальных, но устойчивых оборотов на малом газе, полностью открывают дроссельную заслонку, переводя двигатель на максимальные обороты, и еще раз корректируют режим полного газа поворотом главной иглы в ту или иную сторону, как было описано выше, после чего опять слегка богатят смесь.

После этих настроек двигатель должен легко, без провалов, набирать обороты при открывании дросселя, и также быстро, при закрытии заслонки, сбрасывать обороты, не захлебываясь. Нормально отрегулированный двигатель, со штатным рабочим винтом, предназначенным для конкретной модели, должен набирать обороты от минимальных до максимальных за время не более 1-1,5 секунды. Если при открывании заслонки двигатель проваливается, необходимо регулировочным винтом несколько обогатить режим малого газа, и увеличить обороты на малом газе, приоткрыв заслонку. Если при открывании заслонки двигатель захлебывается, то режим малого газа нужно несколько обеднить.

Честно говоря, большинство существующих карбюраторов для калильных двигателей (если не все) страдают одним существенным недостатком: у них единственный общий топливный канал, по которому топливо подается в распылитель на всех режимах, и все регулировочные элементы, в зависимости от режима работы, изменяют только его сечение по топливу. Такое упрощенное регулирование не позволяет добиться устойчивой работы двигателя в максимально широком диапазоне оборотов. Реально, самый хороший радиокарбюратор может изменять обороты двигателя с сохранением стабильности режимов и приемлемой динамики переходов, примерно в диапазоне от 2.500 до 10.000 об/мин. Но практически любой современный модельный мотор с простейшим карбюратором можно раскрутить, как минимум, до 17.000-20.000 об/мин! Если же говорить о минимальных оборотах, то с маховиком достаточной массы большинство моторов устойчиво работает на оборотах, не выше 1.000 об/мин.

Почему же большинство двигателей радиоуправляемых моделей не могут работать во всем том диапазоне оборотов, который потенциально заложен их конструкцией?

Главная причина - несовершенство карбюратора.

Практические опыты показывают, что для обеспечения максимально возможных оборотов двигателя (и максимальной мощности), карбюратор должен иметь сечение диффузора не менее 60-65 кв.мм на каждые 10 куб.см рабочего объема. Это значит, что диаметр диффузора 10-кубового двигателя в самом узком месте должен быть не менее 9-9,5 мм. И это без учета затенения от находящегося в диффузоре распылителя. Практически, только авто- и судомодельные варианты моторов имеют близкое к оптимальному сечение диффузора, правда и оно уменьшается идущим "от стенки до стенки" распылителем, который часто сам имеет диаметр до 3 мм. Очевидно, что карбюратор с уменьшенным проходным сечением диффузора не может обеспечить поступление в двигатель достаточного объема воздушно-топливной смеси, мотор тормозится по воздуху, и просто не раскручивается!

С другой стороны, для работы двигателя на минимальных оборотах порядка 1.000 об/мин, достаточно проходного сечения диффузора не более 2-3 кв.мм. Получить такое сечение не составляет труда практически при любой конструкции дроссельной заслонки. Но при этом обычно не удается обеспечить микродозирование топлива для получения оптимальной по составу топливной смеси, из-за чего приходится искусственно завышать минимальные обороты двигателя.

Ну а работа такого карбюратора в переходных режимах вообще не выдерживает никакой критики. Если при медленном изменении положения заслонки карбюратор еще как-то справляется с задачей оптимального смесеобразования, то при резких перегазовках качество топливной смеси оставляет желать лучшего - смесь получается или бедная или переобогащенная.

В итоге, во имя относительной стабильности режимов в средненьком диапазоне, приходится заведомо дросселировать двигатель, что не позволяет получить от него как максимальной мощности, так и стабильных, устойчивых минимальных оборотов. Не говоря уже о хорошей приемистости и динамике.

Есть ли выход из этой ситуации? Думаю, что есть...

Прежде всего, необходимо определить, какие же конструктивные и технологические решения не позволяют радиокарбюратору работать так, как требуется и на минимальных и на максимальных оборотах. Прежде всего - это традиционное совмещение органов регулировки смесеобразования для всех режимов работы в едином топливном канале распылителя и искусственное дросселирование мотора. Пропускная способность карбюратора по топливу регулируется лишь главной иглой (максимальный газ) и переменным сечением канала непосредственно перед распылителем (режим средних оборотов). Тонкая регулировка состава смеси на малом газе практически отсутствует.

Кроме того, расположение выходного отверстия топливного распылителя в центре воздушного диффузора эффективно только для режима полного и среднего газа, т.е. при максимальном открытии дроссельной заслонки, и ухудшается по мере ее закрытия. Это происходит из-за того, что при закрытии заслонки (имею в виду карбюраторы с поворотным циллиндрическим дросселем) более чем на 3/4 (что соответствует режимам ниже средних и самых малых оборотов), внутри диффузора происходит перераспределение зон минимального давления. При полностью открытой заслонке максимальная скорость воздушного потока в карбюраторе, а следовательно и область минимального давления, находится в самом узком месте диффузора, именно там и располагают трубку распылителя. При любом другом положении цилиндрического золотника происходит не плавное изменение сечения диффузора, а ступенчатое. Сначала сечение скачком уменьшается наружным краем золотника, потом оно снова расширяется в полости самого золотника, и затем следует вторичное уменьшение сечения уже внутренним краем золотника. Точно также изменяется и давление: сначала оно уменьшается, потом снова растет, а затем уменьшается вторично. Очевидно, что при этом зона минимального давления в диффузоре как бы раздваивается, и отходит в разные стороны от распылителя, а это приводит к тому, что эффективность захвата топлива воздушным потоком ухудшается, и достаточное истекание топлива из распылителя может осуществляться только при избыточном давлении в топливном баке.

Если бы удалось разделить единый топливный канал на несколько, для каждого режима работы... Вспомните любой карбюратор от мотоцикла - сколько там каналов и отверстий (я уж не говорю про автомобильные карбюраторы "Solex" или "Keihin")!

Конечно, не реально повторить конструкцию современного автомобильного или мотоциклетного карбюратора, но основные принципы их работы и определенные конструктивные решения позаимствовать можно. В первую очередь, разделение топливной системы на две - на главную топливную систему, и на систему холостого хода.

Несколько лет назад 10-кубовый двигатель O.S.Max.61 RX-HGL серии "C" был оснащен новым карбюратором, позволяющим регулировать состав смеси отдельно для минимальных, средних и максимальных оборотов. Этот карбюратор имеет довольно сложную, "не повторябельную" конструкцию. У него несколько сопряженных цилиндрических поверхностей с калиброванными отверстиями и профильными каналами переменных сечений, которые обеспечивают герметичность топливного тракта и дозирование топлива при повороте золотника. Диаметр диффузора у этого карбюратора равен 10 мм, что соответствует проходному сечению 78,5 кв.мм! При этом в диффузоре расположен только короткий распылитель длиной 5, и диаметром около 2,5 миллиметров. Карбюратор оснащен главной иглой и иглой малого газа, а кроме того, регулировочным винтом, позволяющим настроить пропускную способность топливного тракта для режима средних оборотов. Стандартный O.S.Max.61, оснащенный этим карбюратором сразу добавляет пару тысяч оборотов и почти "пол-лошади" мощности. Настройка карбюратора достаточно сложна, но двигатель с ним имеет хорошую динамику, и очень неплохо работает на всех режимах... кроме самых малых! Причина? - опять же, неоптимальное расположение распылителя при значительном закрытии дроссельной заслонки.

Принцип работы системы холостого хода

Само собой напрашивается решение, широко применяемое в авто- и мотокарбюраторах: добавить в радиокарбюратор для микродвигателя еще один, дополнительный распылитель, специально для режима малого газа (будем называть это системой холостого хода). При этом роль такого распылителя может играть калиброванное отверстие в стенке диффузора, если расположить его в области минимального давления, возникающей при закрывании заслонки.

В режимах большого и среднего газа количество топлива в смеси будет регулироваться как обычно, с помощью главной иглы и подвижным топливным золотником, связанным с воздушной заслонкой, а на малых оборотах, при почти полностью закрытой заслонке, начнет работать вторая дозирующая система с отдельной иглой, регулирующей подачу топлива только в режиме малого газа. Пропускная способность системы холостого хода не окажет существенного влияния на работу двигателя при максимальных открытиях дроссельной заслонки, но положительно повлияет на динамику двигателя в переходных режимах, уменьшая суммарную инерционность топливных струй.

В целом, регулировка состава смеси на разных режимах в таком карбюраторе будет осуществляться так: при минимальном открытии заслонки (примерно от 1/8 до 1/6 хода) работает только дозирующая система холостого хода. При средних открытиях (от 1/6 до 1/4 хода заслонки) количество топлива в смеси определяют система холостого хода и дозирующий золотник, связанный с дроссельной заслонкой, потом (от 1/4 до 3/4 хода заслонки) работает в основном золотник переменного сечения, связанный с дроссельной заслонкой. А при максимальном открытии дросселя (от 3/4 до полного открытия) качество смеси задается только главной иглой, а система холостого хода, из-за малых проходных сечений уже практически не оказывает влияние на режим работы мотора.

Мой карбюратор в сборе и "по частям"

В прошлом году я сделал и испытал карбюратор, в основу которого были заложены принципы дозирования топлива на различных режимах, описанные выше.

Отличие моей конструкции от известных мне карбюраторов состоит именно в том, что у нее имеется независимая дозирующая система холостого хода с боковым распылителем, и главная система питания с центральнорасположенным распылителем, две иглы для раздельной регулировки состава смеси на минимальных и максимальных оборотах, и цилиндрический топливный золотник переменного сечения, регулирующий качество смеси на средних оборотов, аналогичный дозирующей системе, примененной в карбюраторе двигателя O.S.Max.61 RX-HGL серии "C". К достоинству моего карбюратора можно отнести и то, что при диаметре цилиндрического золотника 16 мм, диффузор имеет диаметр 10 мм, его сечение равно 78,5 кв.мм (чего вполне достаточно для пилотажных и вертолетных двигателей объемом от 10 до 20 куб.см), а угол поворота золотника от положения "полный газ" до "заглушить двигатель" менее 75 градусов. Кроме того, конструкция получилась очень компактной, не имеет сильно выступающих частей и деталей, и что самое главное - относительно проста в изготовлении, т.к. практически не требует выполнения особо точных и фрезерных работ - все детали и части можно выточить на обычном токарном станке с применением минимума оснастки и приспособлений.

Подача топлива под давлением несколько меняет условия смесеобразование и режимы настройки карбюратора. В обычном пульверизационном карбюраторе количество топлива, вытекающего из распылителя за единицу времени, определяется двумя факторами - пропускной способностью жиклера (его сечением, которое задается топливной иглой) и величиной разряжения в диффузоре, которое, в свою очередь зависит от оборотов двигателя. Очевидно, что при увеличении разряжения в диффузоре, точнее - при увеличении разницы давлений в топливном баке и в диффузоре, возрастает и скорость истечения топлива через распылитель. Так как при увеличении оборотов двигателя увеличивается скорость воздушного потока через карбюратор, то это приводит к уменьшению давления в смесительной камере, что вызывает соответствующее увеличение скорости истекания топлива. Происходит некоторое авторегулирование состава топливной смеси: увеличение расхода воздуха вызывает увеличение расхода топлива. Правда, этого авторегулирования далеко не достаточно для поддержания неизменного качества смеси в широком диапазоне оборотов. Тем не менее, этот фактор оказывает существенное влияние на работу карбюратора, и это влияние может быть как положительным, так и отрицательным.

Если подача топлива в карбюратор осуществляется под избыточным давлением, то зависимость объема вытекающего из распылителя топлива за единицу времени начинает зависеть от величины этого давления в большей мере, чем от величины разряжения в диффузоре. Но в случае наддува в топливный бак из глушителя, давление наддува также в некоторой степени зависит от оборотов двигателя. А вот при подаче топлива помпой, давление на входе в жиклер практически не изменяется, так как большинство топливных помп, или специальные карбюраторы, предназначенные для работы с помпой, имеют обратный клапан, поддерживающий это давление на неизменном уровне. Кстати, абсолютная величина этого давления практически не оказывает влияния на режим работы отрегулированного карбюратора, если она не изменяется в течение времени.

Системы инжекторного впрыска топлива. Обзор систем питания модельных двигателей будет неполным, если не рассказать про инжекторы - новые электронно-механические системы подачи топлива во впускной тракт двигателя (непосредственный впрыск топлива в камеру сгорания на модельных двигателях еще не применяется).

Подобные системы уже много лет применяются в "большом" автомобильном двигателестроении, где карбюраторы давно считаются если не атавизмом, то "вчерашним днем". В основе таких устройств лежит принцип дозированного впрыскивания топлива во впускной патрубок или непосредственно в цилиндр двигателя во время фазы всасывания. При этом электронная часть устройства, управляющая впрыскивающей форсункой, автоматически регулирует количество впрыскиваемого топлива в зависимости от оборотов коленвала двигателя, угла открытия дроссельной заслонки, температуры двигателя и окружающего воздуха, и ряда других внешних и внутренних параметров. Правильно написанная программа для микроконтроллера, управляющего работой всей системы, позволяет очень точно регулировать качество горючей смеси, приготавливаемой инжектором на любых режимах работы двигателя.

Описываемые устройства довольно сложны, как с точки зрения электроники, так и с точки зрения механики - микроминиатюрная форсунка, которая дозирует топливо, представляет собой электромагнитный клапан, который должен не только работать с высокой скоростью (до 200-300 открываний в секунду), но и с большой точностью отслеживать задаваемое микроконтроллером время нахождения в открытом состоянии (это время должно выдерживаться с точностью не хуже 30-50 микросекунд). При этом форсунка выполняет роль не только дозатора, но и распылителя. Топливо на выходе форсунки распыляется на мельчайшие капли, практически превращаясь в туманную взвесь, это улучшает ее воспламенение, и приводит к полному сгоранию, увеличивая мощность мотора.

В прошлом году японская фирма O.S.Max заявила о выпуске в продажу двухтактного калильного двигателя 1.4 RX-FI с инжекторной системой подачи топлива.

Модельный двигатель O.S.Max
с инжекторной системой подачи топлива

К сожалению, по отзывам ряда спортсменов, эксплуатирующих этот двигатель, система не достаточно стабильно работает при разных погодных условиях. Несомненно, со временем все недостатки в алгоритме работы этого инжектора будут устранены, но учитывая очень высокую стоимость устройства, превышающую стоимость самого двигателя, не приходится рассчитывать на ее широкое распространение в ближайшее время.

На этом, пожалуй, можно закончить эту обзорно-ознакомительную статью. Вопросы текущего обслуживания и ремонта, также как и вопросы по доводке и форсированию стандартных двигателей, заслуживают отдельного рассмотрения.

В настоящее время статья на эту тему находится в черновой работе, и возможно, в скором будущем появится на сайте.