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Il ne fait aucun doute que leurs concepteurs peuvent être à la fois des personnes possédant des connaissances techniques et des personnes peu familiarisées avec les principes de base de la théorie des moteurs à combustion interne. Dans cet article, nous tenterons de donner une analyse des moteurs présentés lors de la dernière réunion des avions ultra-légers à Moscou, ainsi que quelques conseils sur le choix des paramètres du moteur à combustion interne, dont le respect réduira la recherche relativement coûteuse et longue. chemin et contribuera à réduire considérablement la probabilité de risque technique.

Tous les moteurs à combustion interne des avions présentés au rallye peuvent être divisés en trois catégories :

1. Série (bateaux, motocyclettes, moteurs à combustion interne de motoneiges, automobiles), adaptés sans modifications majeures.

2. Propre conception, avec une large utilisation de pièces de moteurs en série.

3. Développements originaux, faits à partir de zéro.

Ces moteurs, y compris ceux de compétition, sont récapitulés dans le tableau n°1. La colonne 1 indique verticalement leur puissance maximale effective N_max, consacré à la rotation de l'hélice, à l'aide de laquelle le couple sur son arbre M_cr convertie en poussée axiale. Pour juger de la puissance du groupe motopropulseur, construire les caractéristiques du groupe hélice-moteur, sélectionner l'hélice et la lier au moteur, il faut disposer d'une caractéristique externe, une courbe de puissance maximale que le moteur peut développer à différents vitesses avec le papillon complètement ouvert. Des données précises peuvent être obtenues en les testant sur des supports de frein, ce qui n'est pas accessible à tous les amateurs. Il existe un moyen approximatif de construire une caractéristique externe basée sur des calculs théoriques, s'il existe au moins un point de puissance et de vitesse du vilebrequin (ils sont généralement indiqués dans les données d'usine).

Tableau 1 (cliquez pour agrandir)

(cliquez pour agrandir)

Cette méthode consiste dans le fait qu'à composition constante du mélange carburé, la puissance dépensée pour vaincre les pertes internes varie approximativement proportionnellement au carré de la vitesse.

N₁ - indicateur de puissance, l. Avec.;

N_tr - la puissance dépensée pour vaincre les forces de frottement des pistons, les pertes par pompage lors de la purge, la rotation des blocs d'allumage, des blocs de distribution, etc. ;

N_e - puissance effective ;

N₁', N_tr', n' rpm - valeurs actuelles de puissance et de tours.

N₁'=N₁*(n'/n), (1)

N_tr'=N_tr*(n'/n)2. (2)

A titre d'exemple, utilisons cette méthode pour construire les caractéristiques externes du moteur RMZ-640.

Puissance efficace maximale déclarée en usine :

N_max= 27 l. Avec. à 5250 tr/min.

On accepte le rendement mécanique η_м=0,87, alors la puissance de l'indicateur N₁=N_max/η_м\u27d 0,87 / 31 \uXNUMXd XNUMX l. Avec.

Pouvoir de frottement : N_tr=N₁-N_max=31-27=4l. Avec.

Déterminons par les formules (1, 2) N₁', N_tr', N_e', préalablement spécifié par une série de valeurs de vitesse n tr/min, et résumer les résultats dans le tableau. 2. Sur la base de ces données, nous construisons la caractéristique externe N_e=f(n) (Fig. 1).

Tableau 2

Riz. 1. Caractéristiques externes du moteur RMZ-640

Il existe une puissance maximale (ou décollage), nominale et opérationnelle. Puissance maximale N_max obtenu lorsque le moteur tourne à plein régime au sol. Ce mode est stressant pour le moteur et est limité à 3 à 10 minutes. Une puissance inférieure au maximum de 10 à 15 % est appelée nominale (N_{e nom}). Vous pouvez l'utiliser pendant une durée longue mais limitée, pas plus de 1 à 1,5 heures. Puissance de fonctionnement (N_{e ex}) est inférieur au maximum de 25 à 30 %, la durée de fonctionnement du moteur à cette puissance n'est pas limitée.

Les révolutions correspondant aux types de puissance sont dites maximales, nominales et opérationnelles. La puissance du moteur en elle-même n'indique pas ses mérites, puisqu'elle doit être corrélée à sa masse (voir colonne 2).

Le poids en vol d'une installation à hélice comprend le poids de toutes les unités nécessaires au vol, avec les réservoirs remplis d'huile et de carburant.

Le poids en vol en tant que critère objectif de la qualité pondérale d'un moteur est peu pratique car il prend en compte les charges consommables (carburant, huile), en fonction de la destination et du type d'avion. La masse totale de ces composants n'est pas facile à déterminer, de sorte que la masse du moteur est caractérisée par un concept de masse sèche moins complet, mais défini plus précisément.

La colonne 3 montre une évaluation comparative des moteurs de différentes puissances par masse spécifique.

g=G_dv/N_emax,

où G_dv - poids à sec du moteur, kg ; N_max - puissance maximale, l. Avec.

Lors du calcul de la densité spécifique, en règle générale, la masse sèche du moteur est liée à la puissance maximale. La densité spécifique est l'un des indicateurs les plus importants de la qualité d'un moteur d'avion.

La densité spécifique des moteurs à combustion interne occidentaux modernes pour les SLA est de 0,5 à 0,6 kg/l. s., chez les meilleurs représentants 0,25-0,4 kg/l. Avec. Par exemple, la densité des moteurs à combustion interne à deux temps pour les SLA de la société américaine « Kolbo Corp » :

g kg/l. Avec.             N_max l. de.

0,32 6

0,25 18

0,23 25

Le meilleur indicateur est celui du moteur compétitif M-18 : g=0,34 kg/l. s., pire 2,04 kg/l. Avec. le moteur Dnepr MT-10.

De la théorie de la similarité, on sait que pour des moteurs géométriquement similaires, la masse est proportionnelle au cube du diamètre du cylindre et la puissance est proportionnelle au carré du diamètre, c'est-à-dire

g=G_dv/N_max=A*(D³/D²)=AD.

En pratique, cette relation n'est pas observée, car une stricte similitude géométrique entre des pièces de même nom de tailles différentes est impossible car les sections transversales de nombreuses pièces sont spécifiées par les conditions de production ; épaisseur de coulée, rigidité, conditions d'installation, etc., ces tailles de section peuvent donc être considérées comme constantes. Alors : G_dv=ANNONCE². Les statistiques montrent que les moteurs de moyenne et grande taille suivent bien cette relation, ainsi :

g=G_dv/N_max=A*(D²/D²)=A=const.

Cette dépendance est violée dans la région du petit D dans le sens d'une masse croissante et s'explique non seulement par les raisons technologiques énumérées ci-dessus, mais aussi par le fait que la masse des unités de service - magnétos, bougies d'allumage, carburateurs, etc. - cela dépend peu de la cylindrée du moteur. La masse relative de ces pièces, insignifiante pour les grosses cylindrées, augmente avec la diminution du volume du moteur (Fig. 2).

Riz. 2. Dépendance de la gravité spécifique du moteur sur la cylindrée

La colonne 4 montre les valeurs de puissance en litres, cette valeur est un paramètre important pour la perfection du moteur.

Comme vous le savez, la puissance du moteur :

N_max=(P_e*V_s*n_max)/(225*i), où

P_e - pression effective moyenne, kg / cm²,

V_s - cylindrée du moteur, cm³,

n - vitesse de rotation, rpm,

je - tact.

A partir de là, la puissance du litre sera exprimée :

N_л=N_max/V_л, l. s./l.

Avec une augmentation de la puissance en litres, les dimensions du moteur et son poids diminuent. En termes de puissance en litres, les chiffres les plus élevés concernent le moteur à deux temps IZH-Sport, N_л=91,5 l. s./l, le plus petit pour le moteur à deux temps Skoda - 39 litres. s./l. Environ 80 % des moteurs présentés ont N_л de 46 à 63 l. s./l.

Les moteurs à deux temps pour drones, largement utilisés en Occident, « Rotaps », « Hirt », « Kyun », « Kawasaki », ont Nl = 80...105 ch. s./l. Ainsi, les moteurs présentés au rallye disposent de réserves de boost.

De la théorie de similarité, on sait que la puissance en litre est inversement proportionnelle au diamètre du cylindre, c'est-à-dire :

N_л=A/D, tandis que

f_cool=F_cool/U_s=D²/D³=A/D

où f_cool - rapport entre la surface de refroidissement et le volume du cylindre,

F_cool - surface de refroidissement,

U_s est le volume du cylindre,

autrement dit, à mesure que le diamètre du cylindre diminue, la surface de refroidissement par unité de volume augmente, ce qui améliore le refroidissement d'un cylindre de petit diamètre, augmente la perte de chaleur et réduit l'efficacité thermique η_t, mais en même temps cela permet d'augmenter le taux de compression et de compenser la baisse de η_t, c'est-à-dire qu'il ne faut pas s'attendre à une augmentation de l'efficacité thermique.

Essayons de décider quel moteur est le plus adapté au drone - à quatre temps ou à deux temps. Commençons par les niveaux de consommation de carburant. Pour un moteur à combustion interne à deux temps, elle est de 400 à 450 g/ch/h, pour un moteur à combustion interne à quatre temps, elle est de 200 à 250 g/ch/h, c'est-à-dire la consommation spécifique d'un moteur à deux temps. est en moyenne 2 fois supérieure à celle d'un moteur quatre temps. Mais cette dernière peut s'avérer moins bénéfique pour un SLA en raison de sa plus grande masse et de sa plus grande résistance à l'air, puisqu'une partie de la puissance effective sera dépensée pour déplacer un moteur plus lourd dans l'air et vaincre sa résistance nocive. Par conséquent, l’efficacité des vols est principalement caractérisée par la consommation de carburant par tonne-kilomètre.

Cet indicateur, en plus de l'efficacité, prend également en compte la résistance de l'air de l'installation hélice-moteur, l'efficacité de l'hélice et un certain nombre d'autres indicateurs, en un mot, l'ensemble des facteurs qui déterminent le degré de perfection de l'avion.

L'utilisation de nouveaux matériaux, technologies et profils pour la fabrication de drones conduira à l'émergence d'une conception avec une faible masse de cellule. Dans ce cas, la masse relative du VMG augmentera encore plus. Les moteurs à quatre temps auront un avantage indéniable sur les moteurs à deux temps sur les vols longue distance, lorsque la consommation spécifique de carburant devient déterminante.

Nous avons déjà parlé de l'effet du volume du cylindre (voir tableau 1) sur la densité et la puissance en litres. Examinons maintenant l'effet des dimensions du cylindre sur l'efficacité de l'indicateur. Rappelons que l'indicateur efficacité η_і - le rapport de l'énergie thermique transformée en travail à l'ensemble fourni au moteur.

Ainsi, le rendement thermique des petits moteurs à combustion interne sera relativement faible et leur consommation spécifique de carburant sera plus élevée.

Le tableau 1 montre les dimensions du cylindre, du piston et sa course relative S/D. Ces paramètres sont étroitement liés les uns aux autres, nous les considérerons donc ensemble.

L'indicateur suivant est la vitesse du piston

V_cf.=(S*n)/30, où

S -course du piston, m ; n - vitesse de rotation du vilebrequin, tr/min. La vitesse moyenne des pistons pour les moteurs présentés dans le tableau est de 8,4 m/s à 17 m/s. Cet indicateur affecte sérieusement la charge dynamique des pièces du moteur, le remplissage des cylindres et la quantité d'énergie dépensée pour le frottement des pistons et des roulements. La vitesse moyenne des pistons des moteurs spéciaux pour drones est de 12 à 15 m/s.

La vitesse de rotation du vilebrequin (voir tableau 1) des centrales électriques considérées est de 4500 8000 tr/min à XNUMX XNUMX tr/min. On sait que la puissance d'un moteur à combustion interne dépend de sa vitesse. Cependant, la suralimentation s'accompagne d'une forte augmentation (proportionnelle au carré de la vitesse) des forces d'inertie des masses en rotation et en translation des pièces du moteur et, par conséquent, d'une augmentation des pertes par frottement, ce qui nécessite une augmentation de la résistance mécanique. des pièces du moteur et modifier les conditions de fonctionnement des roulements. En revanche, l'augmentation de la vitesse est limitée par le refroidissement de la culasse, du piston, des bougies, car avec l'augmentation de la vitesse l'évacuation de la chaleur du cylindre augmente. De plus, la vitesse de rotation est limitée par la vitesse moyenne du piston, avec une augmentation dans laquelle les pertes hydrauliques lors de la purge augmentent fortement (proportionnellement au carré de la vitesse du piston), ce qui réduit le remplissage et réduit la puissance du moteur. Dans le même temps, augmenter la vitesse de rotation jusqu'à une certaine limite améliore η_і.

Le tableau 1 montre également la pression effective moyenne et le taux de compression. D'après la formule de puissance, il est clair qu'il existe deux directions principales pour augmenter la puissance : l'augmentation de la vitesse et de la pression P._e. Nous avons examiné plus tôt l'effet de la vitesse sur la puissance. Voyons comment nous pouvons augmenter R_e.

Ceci peut être facilement réalisé en augmentant le taux de compression E (pour les moteurs à deux temps, le taux de compression effectif est utilisé).

E_eff= (V_eff+V_kc)/V_kcOù

E_eff - volume effectif décrit par le piston depuis le bord supérieur de la lumière d'échappement jusqu'au PMH, V_kc - volume de la chambre de combustion (voir tableau 3).

Tableau 3

Graphique de l'effet de l'augmentation du taux de compression (lignes pleines) et du boost (lignes pointillées) sur la pression en fin de combustion. P._z et consommation spécifique de carburant C_e (En%)

Cette méthode est bonne car elle est simple et, en plus d'augmenter la puissance, elle entraîne une réduction de la consommation de carburant. Cependant, cela présente également des inconvénients.

Une augmentation de E s'accompagne d'une augmentation de la température et de la pression en fin de course de compression, provoquant une forte augmentation de la pression de combustion P_e, et crée donc un besoin de pièces plus durables et renforce les exigences en matière de carburant et d'huile. Cependant, l’effet de l’augmentation de la puissance due à l’augmentation de P_e a des limites physiques - de plus de 15 à 20 %, la puissance ne peut donc pas être augmentée. Avec des taux de compression de 10 à 12, l'augmentation de puissance est déjà insignifiante. Jusqu'où peut-on augmenter le taux de compression du point de vue des avantages pratiques ? Ascenseur P_z et η_t peut être tracé à mesure que E augmente de 4 à 8. En omettant le côté calcul, nous présentons le résultat.

Des rapports de compression E égaux à 4, 5, 6, 7, 8 correspondent à des pressions de combustion P_z 25,3kg/cm², 34kg/cm², 44,0kg/cm², 54,2kg/cm² et 65,5 kg/cm². Cela montre que lorsque E augmente de 7 à 8, on gagne en efficacité η_t seulement 4,6 %, tandis que la pression de combustion augmente de 54,2 à 65,5 kg/cm20, soit de XNUMX %. Par conséquent, en pratique, un compromis doit être fait entre le taux de compression optimal et η_t (voir graphique).

Pour une utilisation pratique, nous pouvons recommander les valeurs des taux de compression maximaux bénéfiques lorsque l'on travaille avec du carburant qui n'explose pas en toutes circonstances.

Une autre façon d'augmenter R_e consiste à augmenter la pression du mélange à l’entrée.

Pour les moteurs à deux temps, une augmentation de P_e est obtenu en utilisant des tuyaux résonants sur l'admission et l'échappement (l'effet Cadenasi, découvert par lui en 1903 et mis en œuvre pour la première fois sur un moteur Humo en 1923, lorsqu'une augmentation de puissance de 60 % a été obtenue). Un système d'échappement réglé, par exemple, augmente la puissance jusqu'à 30 à 40 % sans augmentation importante du poids du moteur, et améliore également son efficacité.

Augmenter P_e les moteurs à quatre temps sont associés à des difficultés beaucoup plus grandes. Même un simple changement dans le calage des soupapes représentera pour le concepteur une tâche technologique et de conception sérieuse consistant à fabriquer l'arbre à cames, à percer les sièges et à installer de nouvelles soupapes, etc.

Nos statistiques donnent le P suivant_e: pour moteurs thermiques quatre temps de 9,5 à 10 kg/cm², deux temps ont de 3,6 à 6,6 kg / cm², dans 40% des moteurs deux temps P_e varie de 5,1 à 6,5 kg/cm², ce qui est un bon indicateur. Dans le même temps, le moteur RMZ-640 (l'un des plus répandus sur le rallye) est doté de R_e n'est que de 3,6 kg/cm², qui indique des réserves pour augmenter sa puissance. Ayant amené R_e jusqu'à 5 kg / cm², c'est-à-dire à la valeur moyenne des moteurs à combustion interne à deux temps, nous augmenterons N_max de 30 à 35%, après avoir reçu 38 à 40 litres. Avec.

L'auteur a travaillé pour améliorer ce moteur. La modification consistait à réaliser quatre canaux de purge supplémentaires avec des phases 2-3° inférieures aux principales, une fenêtre dans le piston et une augmentation de E_eff. Cette modification a permis de supprimer 84 kg de poussée sur une hélice Ø = 1,08 m, avec un pas de H = 0,5 m, contre 70 kg avant la modification.

À l'aide du tableau 1, vous pouvez également voir la valeur de la réduction de la vis. On sait que l'efficacité d'une hélice dépend du pas dynamique :

λ=V/n_c*D, où

V - vitesse de vol, m/s ; n_c - nombre de tours d'hélice par seconde ; D - diamètre de la vis, m.

L'efficacité de la vis a un maximum à λ = 1-1,5 ; Avec des valeurs de λ plus élevées et plus faibles, l'efficacité de la vis diminue. Cela montre que la vitesse de vol et le nombre de tours de l'hélice doivent être dans un certain rapport.

Près de la moitié des moteurs du SLA ont une réduction d'hélice de 0,38 à 0,7, ce qui entraîne une augmentation de la poussée statique de 80 à 100 %.

Ainsi, l’utilisation d’un réducteur sur les moteurs à grande vitesse installés sur les drones à basse vitesse est hautement souhaitable.

Le tableau 1 montre l'effet de l'hélice D sur la poussée statique.

Poussée de l'hélice Р=L a*р*n_c²*D⁴, où a est le coefficient de poussée ; p - densité de la masse d'air ; n_c - nombre de tours d'hélice, s ; D - diamètre de la vis, m.

Arrêtons-nous brièvement sur les solutions possibles pour les moteurs à combustion interne des drones. Il semble y avoir deux manières. Le premier est la création de nouveaux moteurs utilisant les dernières technologies prometteuses, avec une optimisation des paramètres du processus de travail ; la seconde est leur développement sur la base de ceux déjà existants et prouvés par une pratique à long terme, à travers les modifications nécessaires.

La deuxième méthode est associée à moins de risques techniques et peut être mise en œuvre dans un délai nettement plus court. La base initiale pour la création de moteurs peut être les Vikhr, RMZ-640, Neptune et Privet produits par notre industrie et largement utilisés par les amateurs. Ces machines sont compactes, ont un petit "front", sont équilibrées dynamiquement, ont un couple uniforme et une faible vitesse de rotation du vilebrequin.

Concernant les caractéristiques de conception des moteurs, on peut noter que la majorité des moteurs à combustion interne (78 %) avaient une vitesse de rotation du vilebrequin de 5000 6500 à 0,4 0,6 tr/min, ce qui peut être considéré comme optimal. En appliquant une réduction sur une vis 8000-0,14, il est possible d'obtenir une boîte de vitesses compacte (courroie trapézoïdale ou engrenage simple). Avec l'augmentation de la vitesse, la réduction sur l'hélice augmente, ce qui nécessitera une transition vers des poulies multi-courroies en raison d'une diminution de l'angle de couverture de la poulie d'entraînement pour la transmission par courroie trapézoïdale, ce qui « tirera » une augmentation de la longueur et le diamètre de la console de l'arbre d'hélice (et, par conséquent, le poids de l'installation) ou nécessitera le passage à un engrenage planétaire (moteur V. Frolov, avec n=0,15 tr/min). La densité spécifique d'un réducteur à engrenages bien conçu et fabriqué pour les moteurs à combustion interne de petit volume est de XNUMX à XNUMX kg/l. s., et à des régimes moteur élevés, il peut « engloutir » tout le gain de densité spécifique.

L'auteur présente une autre solution pour un moteur à combustion interne à deux temps pour drones. En gardant à l'esprit que la densité du moteur est inversement proportionnelle au diamètre du cylindre, vous pouvez augmenter le volume du moteur à 1,5-2,0 litres en limitant la vitesse de rotation du vilebrequin à 2400-2600 tr/min. Des vitesses moyennes de piston modérées (7-8 m/s) auront un effet bénéfique sur l’efficacité mécanique. Dans un tel moteur, il est plus facile d'organiser la dynamique des gaz, ce qui entraînera une augmentation du taux de remplissage des cylindres. Le système d'injection directe de carburant basse pression placera un tel moteur au même niveau que les machines à quatre temps en termes de consommation spécifique de carburant. L'utilisation de cylindres sans revêtement avec revêtement en nicosil ou en céramique réduira encore davantage la densité. Un tel moteur peut s'avérer plus léger qu'un moteur à combustion interne à haut régime de même puissance avec boîte de vitesses.

En conclusion, on note un autre problème posé aux concepteurs de drones pour les futurs rallyes, lié à la suppression du bruit d'échappement. 87 % du parc de moteurs du rallye fonctionnait sans silencieux. La pression acoustique de l'échappement des moteurs à combustion interne à deux temps sans silencieux à une distance de 2 m de la découpe de la fenêtre d'échappement atteint 130-140 dB, ce qui correspond au seuil de douleur des sensations. Être exposé à un son d’une telle puissance est très fatigant et nocif. Pour les moteurs à combustion interne à deux temps, un silencieux réglé est même souhaitable, car il augmente la puissance et l'efficacité.

Sur la base de ce qui a été discuté, nous pouvons formuler une approche générale pour la création de moteurs à combustion interne pour les drones :

• petites dimensions,
• faible densité g≤0,5 kg/l. Avec.,
• équilibre dynamique,
• bonne réponse de l'accélérateur (1-2 sec),
• rentabilité élevée, pas plus de 200 g. s/h
• haute fiabilité et durabilité (1000-1500 h),
• facilité d'installation et de démontage,
• Facilité d'entretien,
• faible niveau de bruit (pas plus de 100 d,),
• faible coût unitaire dans la production de masse.

Auteur : V. Novoseltsev

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