Знание основных принципов работы двигателя помогает пилотам эффективно управлять им, способствует его бесперебойной работе и продлевает срок действия силовой установки.
Основные принципы работы поршневых двигателей
Чаще всего в силовых установках самолетов гражданской авиации применяются поршневые двигатели. Эти двигатели практически идентичны автомобильным - с тремя принципиальными оговорками.
- Большинство авиационных двигателей охлаждается воздухом. Такой способ охлаждения безопаснее и позволяет сэкономить на весе радиатора и охлаждающей жидкости. Утечка хладагента или отказ охлаждающей системы в двигателе с жидкостным охлаждением быстро приводят к отказу всего двигателя.
- Авиационные двигатели оборудованы системами двойного зажигания, в которых искра создается с помощью магнето. Магнето, вращаемое коленвалом, не зависит от заряда батарей самолета. В каждом цилиндре находится две свечи зажигания. Если откажет одна свеча или магнето, другая воспламенит искрой топливо.
- Поскольку авиационные двигатели работают в большом диапазоне высот, в число органов регулирования мощности входит ручной высотный корректор, с помощью которого пилот изменяет отношение топлива и воздуха в рабочей смеси при снижении и наборе высоты.
Четырехтактный цикл
Типичный поршневой двигатель действует по четырехтактной схеме.
Впуск: поршень движется в цилиндре вниз, втягивая воздух и топливо через открытый впускной клапан.
Сжатие: впускной и выпускной клапаны закрыты, поршень движется в цилиндре вверх, сжимая топливовоздушную смесь.
Расширение: когда поршень в такте сжатия приближается к верхней мертвой точке, система зажигания дает искру на свечах. При этом топливовоздушная смесь поджигается и в процессе сгорания быстро расширяется. Создаваемое расширением давление толкает поршень вниз, а поршень, двигаясь к нижней мертвой точке, вращает коленвал, передающий усилие на воздушный винт.
Выпуск: когда поршень достигает нижней мертвой точки, открывается выпускной клапан. Затем поршень снова идет вверх, выталкивая продукты сгорания топливовоздушной смеси из цилиндра.
Одинаковые такты проходят в цилиндрах не одновременно, а последовательно, чтобы в каждый момент времени как минимум один поршень совершал рабочий ход.
Карбюраторы и топливные инжекторы
В большинстве авиационных поршневых двигателей для подвода к цилиндрам топливовоздушной смеси служит либо карбюратор, либо система впрыска топлива. Карбюратор смешивает топливо с воздухом до впуска их в цилиндр. Из-за своей относительной дешевизны карбюраторы чаще всего применяются в небольших двигателях. Крупногабаритные двигатели, как правило, оборудованы системой, впрыскивающей топливо прямо в цилиндры, где оно смешивается с воздухом на такте впуска.
Системы зажигания
Система зажигания воспламеняет топливовоздушную смесь в цилиндрах поршневого двигателя, создавая искру. В большинстве современных авиационных двигателей искра генерируется при помощи магнето. Хотя магнето по сложности конструкции уступают электронным системам зажигания, применяемым в новейших автомобилях, они в силу ряда причин не сдают позиций в авиации.
- На больших скоростях магнето дают более жаркую искру, чем аккумуляторные системы автомобилей.
- Они не зависят от внешнего источника питания, такого, как аккумулятор или генератор переменного тока.
С чего начать
Двойное зажигание
Преимущества двойного зажигания
- Если откажет одна система зажигания от магнето, двигатель может работать на второй, пока вы не совершите безопасную посадку.
- С двумя свечами зажигания топливовоздушная смесь лучше горит и воспламеняется.
Управление системой зажигания
Проверка перед взлетом
Выключение двигателя
Управление поршневым двигателем
У большинства современных поршневых двигателей два или три органа управления.
- Рычаг управления двигателем - он больше всех влияет на мощность двигателя.
- Регулятор воздушного винта, управляющий скоростью вращения винта, измеряемой в оборотах в минуту (об./мин).
- Высотный корректор для изменения состава топливовоздушной смеси при наборе высоты и снижении.
Для того, чтобы предотвратить обледенение или растопить образовавшийся лед, карбюраторные двигатели оборудованы системами обогрева. Капоты двигателей мощностью 200 л.с. снабжены створками, позволяющими пилоту регулировать объем охлаждающего мотор воздуха. Открытие створок особенно полезно на предельных режимах работы двигателя, например, при взлете и длительном наборе высоты.
Воздушные винты
Воздушные винты, с которыми, как правило, соединены поршневые двигатели - неизменяемого шага или с постоянным числом оборотов.
Воздушные винты неизменяемого шага закрепляются непосредственно на коленвале двигателя, и потому всегда вращаются с той же скоростью, что и вал. Такие винты - своего рода трансмиссия с одной передачей. Недостаток эффективности такая схема возмещает крайней простотой в эксплуатации. Единственный прибор, чьи показания при этом придется отслеживать - тахометр.
Винт с постоянным числом оборотов оборудован приспособлением, изменяющим угол атаки лопастей для поддержания выбранной вами скорости вращения. Такой воздушный винт эффективнее использует мощность двигателя. Когда на малой скорости требуется работа двигателя на предельном режиме (как на взлете), регулятор воздушного винта устанавливается на максимальные обороты и угол атаки лопастей уменьшается. В крейсерском пилот уменьшает скорость вращения и лопасти винта при этом "перемалывают" больше воздуха.
Управление мощностью
С воздушным винтом неизменяемого шага управлять мощностью проще. Стоит отдать РУД от себя, как обороты (и мощность) возрастут. Возьмите РУД на себя, и обороты спадут. Но помните, что обороты повышаются и при нарастании воздушной скорости. При скоростном снижении необходимо постоянно сверяться с тахометром, чтобы не дать оборотам превысить норму.
Винт с постоянным числом оборотов немного усложняет управление мощностью. С таким винтом нужно регулярно проверять изменяемое РУДом давление наддува и отображающие скорость вращения воздушного винта показания тахометра. Задаются эти обороты регулятором воздушного винта.
Чтобы не сжечь двигатель, управляя мощностью в самолете с воздушным винтом с постоянным числом оборотов, нужно помнить следующие правила.
|
Как увеличить мощность
Как уменьшить мощность
|
Двигатели с карбюраторами
Во многих авиационных поршневых двигателях для соединения воздуха и топлива в сжигаемую в цилиндрах горючую смесь используются карбюраторы.
Как работает карбюратор
Наружный воздух попадает в карбюратор, проходя через воздушный фильтр. Поток воздуха при этом протекает сквозь узкую трубку Вентури. Там воздух ускоряется и его давление падает согласно закону Бернулли. Образовавшийся частичный вакуум всасывает топливо, смешивающееся с набегающим воздушным потоком. Затем топливовоздушная смесь поступает во входной канал, из которого направляется по цилиндрам.
Правильная пропорция
Карбюратор смешивает воздух с топливом по весу. Обычно поршневые двигатели наиболее эффективно работают на смеси, в которой соотношение воздуха к топливу составляет примерно 15 к 1. Чтобы правильно отмерять топливо при заданном высотным корректором полном обогащении, карбюраторы калибруются при давлении на уровне моря. С ростом высоты уменьшается плотность воздуха. Чтобы компенсировать эту разницу в плотности, пилот изменяет состав поступающей в камеру сгорания топливовоздушной смеси высотным корректором.
Для контроля за количеством смешиваемого с воздухом топлива в большинстве карбюраторов применяется поплавковая камера с поплавком. Прикрепленный к поплавку штырек открывает и закрывает отверстие в топливопроводе, отмеряя нужное количество топлива. Позиция поплавка, зависящая от уровня топлива в поплавковой камере, определяет моменты открытия и закрытия клапана.
Обогащенная смесь
Слишком обогащенная топливовоздушная смесь (с чрезмерным содержанием топлива) увеличивает расход горючего, вызывает перебои в работе двигателя и падение его мощности. При работе на такой смеси двигатель слишком сильно охлаждается, температура в камерах сгорания падает ниже допустимой, что, помимо прочего, разрушает свечи зажигания.
Обедненная смесь
Слишком обедненная смесь (с недостаточным для данной плотности воздуха содержанием топлива) приводит к перебоям в работе двигателя, детонации, перегреву и потере мощности.
Обледенение карбюратора
Испарение топлива и расширение воздуха в карбюраторе приводят к быстрому охлаждению смеси. За доли секунды температура может упасть до 60 F (15 C). При таком охлаждении водяной пар конденсируется, и если температура в карбюраторе упадет до 32 F (0 C), в нем образуется лед. Даже небольшое отложение льда может затруднить доступ воздуха в карбюратор, уменьшив, тем самым, мощность двигателя. Кроме того, обледенение может привести к полному отказу двигателя, особенно при полностью или частично перекрытом газе.
Условия обледенения
В сухую погоду, или когда температура опускается заметно ниже точки замерзания, находящаяся в воздухе влага, как правило, не приводит к обледенению карбюратора. Но при температуре выше 20 F (-7 C) и ниже 70 F (21 C), сопровождающейся высокой влажностью, следует остерегаться обледенения.
Признаки обледенения карбюратора
В самолетах с воздушными винтами неизменяемого шага первый признак обледенения карбюратора - это падение показаний тахометра. Для самолетов, чьи винты снабжены регуляторами постоянных оборотов, таким признаком обычно является уменьшение давления наддува. В обоих случаях в работе двигателя возможны перебои. При этом в самолетах второго из описанных выше типов скорость вращения остается постоянной.
Оттаивание
Чтобы избежать обледенения и растопить уже появившийся лед, карбюраторы оснащают системами обогрева. Такие системы нагревают воздух до того, как он соприкоснется с карбюратором. Этот предварительный обогрев растапливает лед и снег, попадающие во входной канал и осевшие внутри (если, конечно, их там не слишком много) и не дает топливовоздушной смеси замерзнуть и обледенеть.
Подогрев карбюратора
При полете в условиях, благоприятствующих образованию льда в карбюраторе, следует просматривать показания приборов, выискивая в них признаки скорого обледенения. Если вы подозреваете, что в карбюраторе образовался лед, сразу же включите на полную мощность систему обогрева карбюратора. Оставляйте ее включенной до тех пор, пока не убедитесь, что лед полностью растоплен. Слишком кратковременный или маломощный обогрев карбюратора может усугубить ситуацию.
При первом включении системы обогрева карбюратора в самолете с воздушным винтом фиксированного шага, следует ожидать падения оборотов; в самолете с воздушным винтом с постоянным числом оборотов стоит ожидать уменьшения давления наддува. Если в карбюраторе нет льда, обороты или давление наддува будут ниже нормы до тех пор, пока вы не отключите обогрев карбюратора. Если карбюратор обледенел, после падения оборотов или давления наддува, как правило, их значение вырастает (часто это сопровождается перебоями в работе двигателя). При выключении обогрева карбюратора обороты или давление наддува вырастают и поднимаются выше того значения, которое установилось до включения обогрева. После того, как лед растаял, ход двигателя должен стать более плавным.
В случае особо сильного обледенения карбюратора, после того, как лед растаял, следует удерживать температуру обогрева на уровне, достаточном для предотвращения образования льда.
Подогрев карбюратора как мера профилактики
Когда РУД в полете установлен на малый газ (особенно при посадке), двигатель быстро остывает и топливо в нем испаряется медленнее. Если вы считаете, что создавшиеся условия благоприятствуют обледенению карбюратора, включите его обогрев на полную мощность до перевода РУД на малый газ, и не выключайте.
Больше мощности
При работе системы обогрева карбюратора, как правило, падает мощность двигателя и вырастает его рабочая температура. Следовательно, на предельных режимах работы двигателя (в частности, при взлете) или штатной его работе систему обогрева включать не следует (исключение - ликвидация образовавшегося в карбюраторе льда или проверка его наличия).
Двигатели с впрыском топлива
Поршневые двигатели мощностью более 200 л.с. часто оснащены системой впрыска топлива вместо карбюратора.
Система впрыска топлива часто нагнетает горючее прямо в цилиндры, за клапан впуска. Затем топливо смешивается в цилиндрах с воздухом. Поскольку такая система требует насосов высокого давления, коррекции подачи топлива, распределитель топлива и выхлопные сопла для каждого цилиндра, она, как правило, обходится дороже карбюратора.
Здесь, как и в случае с карбюрированным двигателем, пилот управляет подачей топлива с помощью высотного корректора.
Преимущества системы впрыска топлива
Система впрыска топлива обладает несколькими преимуществами перед карбюрированным двигателем, оправдывающим ее повышенные сложность и стоимость.
- Она не подвержена обледенению (хотя образовавшийся лед может заблокировать воздухозаборники).
- В ней лучше нагнетается топливо.
- Она лучше реагирует на перемещение РУД.
- Она точнее контролирует состав рабочей смеси.
- Она лучше распределяет топливо.
- Она лучше заводится в холодную погоду.
Недостатки системы впрыска топлива
У системы впрыска топлива есть и несколько недостатков, самые существенные из которых перечислены ниже.
- Затруднен горячий запуск двигателя.
- В жаркую погоду, при работе двигателя на земле, образуются паровые пробки.
- Затруднен перезапуск двигателя, остановившегося в результате нехватки топлива.