DETERMINING THE CYCLE RATE OF A RECIPROCATING ENGINE IN ITS INITIAL DESIGN

При проектировании поршневого двигателя на трудоемкость процесса большое влияние оказывает набор исходных данных в техническом задании. В большинстве случаев, там уже указаны такие параметры, как вид топлива, количество цилиндров, количество тактов, тип системы охлаждения, мощность и т. д. Это позволяет, выполнив тепловой, кинематический, динамический расчёты, окончательно определиться с конструкцией, рассчитать её прочность и перейти к изготовлению опытного образца. В испытаниях последнего определяется соответствие его параметров и характеристик заданным, и оценивается правильность выбранных технических решений [1], [2], [3], [4].

Однако, иногда имеет место ситуация, когда первоначальное проектирование ведётся в условиях отсутствия некоторых из перечисленных выше исходных данных. Особую сложность представляет случай, когда неизвестно, какого типа необходимо спроектировать двигатель – двух- или четырёхтактный. Совершенно очевидно, что отсутствие подобной информации не позволяет даже приступить к прорисовке конструкции, не говоря уже о тепловом и последующих расчётах.

Такая проблема возникла при проектировании авиационного поршневого двигателя для беспилотного летательного аппарата. В данной работе предложен подход к решению подобных задач, опробованный на практике.

В настоящее время, поскольку длительность создания нового двигателя существенно (в 1,5-2 раза и более) превышает время разработки летательного аппарата, то разработку двигателя было решено начать с опережением. Из исходных данных для проектирования первоначально была указана только мощность двигателя у земли-2 кВт. При этом превышение мощности двигателя приветствовалось, а её занижение считалось недопустимым. Мощность на высоте должна была быть обозначена во время проектирования летательного аппарата, и соответственно, при более точном определении его характеристик. В сложившихся условиях для проектирования двигателя было важно определиться с его рабочим объёмом и количеством тактов.

Вначале были всесторонне проанализированы конструкции двухтактных и четырёхтактных двигателей, близких по мощности к проектируемому, выявлены их достоинства и недостатки [5], [7], [8], [9]. Дополнительно, с помощью методик [10] был выполнен цикл расчётов для двигателей обеих схем, в ходе которых были получены данные о необходимом рабочем объёме двигателей для достижения заданной мощности при различных максимальных оборотах. Такой график для четырёхтактного двигателя приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Зависимость необходимого рабочего объёма от максимальных оборотов для достижения мощности 2 кВт

DOI:10.23670/IRJ.2022.126.122.1

Поскольку изначально из теории двигателей внутреннего сгорания было известно, что при одинаковых рабочем объёме и оборотах коленчатого вала мощность двухтактного двигателя будет выше, чем четырёхтактного, то цель выполненных расчётов состояла в определении конкретных числовых значений.

На момент выполнения перечисленных выше действий стало появляться представление о необходимой высотности двигателя. С увеличением высоты полёта снижаются температура, давление и плотность окружающей среды. Из-за этого с подъемом на высоту уменьшается и весовой заряд, а соответственно уменьшается и мощность двигателя. Поскольку проектируемый двигатель, из-за отсутствия приводного нагнетателя или агрегата турбонаддува не может сохранять свою номинальную мощность с подъемом на высоту, он является невысотным. Поскольку падение мощности с высотой у таких двигателей очень велико и может достигать в зависимости от высоты два раза и более при тех же оборотах коленчатого вала, стала очевидной необходимость её оценки. Для двухтактного и четырехтактного двигателей были произведены расчеты на ЭВМ с целью определения зависимости мощности и часового расхода топлива от высоты полета, результаты которых представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Зависимость мощности и расхода топлива двух- и четырёхтактного двигателей от высоты

DOI:10.23670/IRJ.2022.126.122.2

Из приведенных графиков видно, что с увеличением высоты полета мощность и двух- и четырёхтактного двигателя снижается и на высоте 5000 м становится примерно в два раза ниже 2 кВт. При этом расход топлива двухтактного двигателя примерно на 30% выше, чем у четырёхтактного, а рабочий объём – существенно меньше. В двигателях без наддува сохранение номинальной мощности до определенной высоты обеспечивается за счёт того, что двигатель выполняется «переразмеренным». Рабочий объем такого двигателя избыточно велик для получения номинальной мощности на уровне земли. Максимальную мощность такой двигатель развивает на высоте, а на земле дросселируется до номинальной мощности, постоянство которой с высотой поддерживается путем открытия дроссельной заслонки.

Для обеспечения заданной мощности двигателя в условиях полета на высотах до 5 км на номинальном режиме работы 7000 об/мин, было принято решение об увеличении рабочего объема двигателя до 40 см3. При данном рабочем объёме четырехтактный двигатель на номинальном режиме работы 7000 об/мин имеет мощность 2,4 кВт, двухтактный двигатель 2,8 кВт.

Были произведены расчеты с целью определения зависимости мощности и часового расхода топлива от высоты полета для двухтактного и четырёхтактного двигателя с вышеуказанным рабочим объемом (рисунок 3).

Рисунок 3 - Зависимость мощности и часового расхода топлива от высоты полета при Vh=0,040 л

DOI:10.23670/IRJ.2022.126.122.3

Из графиков следует, что при прочих равных условиях мощность двухтактного двигателя выше, чем четырехтактного. При изменении высоты полета от 0 до 5 км мощность двухтактного двигателя изменяется в диапазоне от 2,8 до 1,4 кВт, что удовлетворяет требованиям разработчика летательного аппарата.

 На основании вышеприведенных рассуждений для дальнейших расчетов был принят рабочий объем двигателя, равный 40 см3. Целью их проведения стало сравнение двухтактного и четырехтактного двигателей с заданным рабочим объемом в диапазоне рабочих оборотов от 1000 до 8000 об/мин для определения мощности и часового расхода топлива (рисунок 4).

Рисунок 4 - Зависимость мощности и часового расхода топлива от режима работы двигателя при Vh=0,040 л

DOI:10.23670/IRJ.2022.126.122.4

Из графиков следует, что при прочих равных условиях мощность двухтактного двигателя выше, чем четырехтактного на всем диапазоне режимов работы. При изменении рабочих оборотов двигателя от 1000 до 8000 об/мин мощность двухтактного ДВС изменяется от 0,5 до 3,1 кВт, а четырехтактного двигателя соответственно в диапазоне 0,4-2,5 кВт.

Выполненная оценка массогабаритных характеристик показала, что из-за простоты конструкции, воздушной системы охлаждения и отсутствия сложной системы газораспределения масса двухтактного двигателя оказалась примерно на 30% меньше четырёхтактного. Это компенсировало более высокий расход топлива. Кроме того, форсировать по оборотам двухтактный двигатель для повышения мощности в перспективе легче. В итоге в основу проектируемого двигателя была положена двухтактная схема.

По результатам выполнения данной опытно-конструкторской работы была выработана следующая методика определения тактности при проектировании невысотного двигателя.

1. В исходных данных обязательно наличие конкретного значения мощности на максимальной высоте полёта летательного аппарата.

2. Исходя из этой мощности и выбранной на основе анализа технологических возможностей опытного и серийного производства соответствующей ей частоте вращения коленчатого вала выполняют тепловой расчёт для двух- и четырёхтактных двигателей для максимальной высоты полёта.

3. На основе определенного рабочего объёма с учётом статистических данных по известным двигателям оцениваются массогабаритные характеристики двух- и четырёхтактного двигателей.

4. С учётом рассчитанных значений массовых расходов топлива, заданной дальности полёта и веса двигателя проводится сравнение массы силовой установки для двух- и четырёхтактного двигателей.

5. По результатам выполненных действий и с учётом дополнительных требований (при наличии) выбирается тактность проектируемого двигателя.