Водномоторные поиски и находки

ЛЕНИНСКИЙ ПРИНЦИП В ТЕОРИИ ПОДВЕСНОГО МОТОРА
(Универсальная внешняя характеристика)

Дорогой читатель! Не спеши крутить пальцем у виска - автор в здравом уме. А наш Ленин (для справки: Игорь Михайлович) - это профессор Московского автомобильно-механического института, автор одного из первых учебников по теории двигателей внутреннего сгорания (Ленин И.М., Автомобильные карбюраторные двигатели, Машгиз, 1948). Образно говоря, такой двигатель является «головой» подвесного мотора, приставленной к его «ноге» - дейдвудной подводной части с гребным винтом. И для теории подвесного мотора нужно, как минимум, знать внешнюю характеристику его двигателя, т.е. зависимость мощности от частоты вращения на полном газу.

Теоретический расчет такой характеристики достаточно сложен (см., напр., книгу «Теория двигателей внутреннего сгорания» под. ред. Н.Х.Дьяченко, Машиностроение, 1965), поскольку зависит от параметров многих, зачастую еще трудно доступных для изучения процессов в двигателе (газообмен при впуске-продувке-выпуске, образование и сгорание топливной смеси в цилиндре двигателя, теплообмен, внутренние потери энергии).

В практических расчетах часто пользуются полуэмпирическими уравнениями внешней характеристики с коэффициентами, полученными экспериментальным путем (см., напр., книгу «Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчет процессов» под ред. Б.А.Шароглазова, Челябинск, Изд.ЮУрГУ, 2005). В этом случае внешняя характеристика приближенно описывается, например, формулой кубического трехчлена с коэффициентами, постоянными для данного двигателя [напр., книга А.С.Литвинова и Я.Е.Фаробина, Автомобиль. Теория эксплуатационных свойств, Машиностроение, 1989):



где относительная (нормированная) мощность = N/Nmax; относительная частота вращения = n/nmax; N и N_max -соответственно данная (текущая) и максимальная (паспортная) мощности для данной n и максимальной nmax частот вращения.

В наиболее общем случае в довольно сложное выражение для нормированной мощности входят коэффициенты приспосабливаемости двигателя к внешней нагрузке по крутящему моменту и по частоте вращения (книга под ред. Б.А.Шароглазова). Эти коэффициенты характеризуют «выпуклость» внешней характеристики, от чего зависит, например, способность мотора преодолевать возросшее буксировочное сопротивление судна с минимальной потерей оборотов.

В более простой формуле учитывается связь только с крутящим моментом (книга Ф.Л.Хлыстова, Тяговые расчеты гусеничных и колесных автомашин, ОНТИ, 1937). Частный случай этого выражения - «классическая» формула С.Р.Лейдермана, в которой для карбюраторных двигателей все коэффициенты равны единице (книга Г.В.Зимелева, Теория автомобиля, Воениздат, 1957). Наконец, автор последней книги предложил другую простую формулу, в которой коэффициенты А = 1,5; В = 0; С =0,5.

Профессор Ленин пошел по принципиально иному пути, основанному на статистическом обобщении внешних характеристик однотипных двигателей. Результаты такой статистической оценки он представил в виде таблицы, связывающей относительные величины мощности с относительными же значениями частоты вращения .

Например, по его данным для двигателей с внешним смесеобразованием, при снижении оборотов под нагрузкой до уровня 80% от максимальных (паспортных), мощность падает до 92% от максимальной. Несколько позже аналогичные таблицы были построены для четырехтактных мотоциклетных двигателей (книга С.Ю.Иваницкого и др., Мотоцикл. Конструкцция, теория и расчет, Машиностроение, 1971). У этих двигателей, например, при снижении оборотов до 80% уровня мощность падает уже до 90% от максимальной.

На основании такого «ленинского» статистического подхода известный «водномотор-ный» автор В.А.Баснин получил для внешней характеристики двухтактных подвесных моторов более простую, чем кубический трехчлен, формулу («Катера и яхты», № 59,1976):



График этой зависимости приведен на рис.1.

К настоящему времени в архиве автора оказалось почти два десятка внешних характеристик отечественных и зарубежных подвесных моторов различной мощности. Это и двухтактные (отечественные - «Вихрь-30», «Вихрь-М», «Нептун-23», «Привет-22», «Москва-30», «Москва-25», «Ветерок-12», «Ветерок-8»; зарубежные -«Selva-30», «Mercury SeaPro-60», «Mercury SeaPro-75», «Suzuki DT-65C», «Evinrude E-TEC-90», «Evinrude E-TEC-150»), и четырехтактные («Suzuki DF-70», «Honda BF-135», «Honda BF-150», «Yamaha-150»).

Результат статистического, «по-ленински», усреднения внешних характеристик отечественных моторов приведен на рис.1. Как оказалось, при заводском допуске на паспортную мощность в 10% усредненная внешняя характеристика статистически, как говорят специалисты, «репрезентативно» представляет внешние характеристики наших двухтактных моторов в диапазоне относительных частот вращения = 0,75 +1,0. При этом она практически совпадает с кривой по формуле Баснина. Между прочим, у «Вихря-30», например, допуск на паспортную мощность равен 13% («Справочник по малотоннажному судостроению» под ред. Б.Г.Мордвинова, Судостроение, 1987).

Несколько иначе обстоит дело с внешними характеристиками технически более «продвинутых» иномарок. У них более совершенны процессы газообмена при впуске-выпуске, более жесткий контроль качества смесеобразования, что, как известно, влияет на вид кривой внешней характеристики (см., напр., упомянутую книгу под ред. Н.Х.Дьяченко). Она становится более выпуклой и, главное, приобретает четко выраженную «полочку» в области частот вращения, близких к заявленной паспортной мощности.

Этим, в частности, объясняется то, что у таких моторов максимальная паспортная мощность указывается для некоторого интервала частот вращения. Среди упомянутых выше иномарок это двухтактные «Evinrude», «Mercury», «Suzuki» и четырехтактные «Yamaha», «Suzuki». Для таких моторов естественно в качестве «нормирующей» принимать частоту, соответствующую нижней границе упомянутого интервала, поскольку уже на этой частоте достигается паспортная максимальная мощность.

Оказывается, усредненные кривые относительных внешних характеристик, построенные с учетом сказанного, для рассматриваемых двух- и четырехтактных зарубежных моторов практически тоже совпадают с кривой, соответствующей формуле Баснина (см. рис.1). Если вернуться к «ленинскому», табличному, принципу представления внешней характеристики, то для прикидочных расчетов такую «универсальную» внешнюю характеристику можно представить в виде таблицы



Выделены цифры для сравнения с упомянутым выше «ленинским» первоисточником.




Отсутствие внешних характеристик - не единственное «белое пятно» в техническом описании зарубежных подвесников. Еще хуже обстоит дело с гидродинамическими характеристиками, в частности с реальными кривыми действия, учитывающими не только взаимодействие гребного винта с подводной частью (редуктором) мотора, но и ее буксировочное сопротивление. Его влияние на ходовые качества резко растет с увеличением скорости движения. По крайней мере, автору не удалось найти никаких сведений о работе гребных винтов этих моторов ни в «свободной воде», ни «встроенных» в ногу мотора.

Приходится судить об этих характеристиках косвенно, на основании статистической обработки результатов драйв-тестов (ходовых испытаний), опубликованных, например, в «Катерах и яхтах» или в Интернете. Иными словами, здесь мы снова обращаемся к «ленинскому принципу».

Конечно, «ленинский», т.е. статистический, подход дает ориентировочные, приближенные оценки. Во многих случаях, как говорится, спасибо и за это. Но иногда результаты драйв-тестов все же позволяют получить более точные данные о гидродинамических характеристиках, на основании чего можно судить о точности «ленинского принципа».

Так, например, автор, сам того не подозревая, в свое время воспользовался этим принципом для создания виртуального, т.е. воображаемого, тестового корпуса мотолодки. Зависимость гидродинамического качества такого корпуса от скорости хода была получена в результате статистического усреднения данных для определенного класса отечественных прогулочных мотолодок («КиЯ», № 168 за 2000 г., а также книга автора «Толкач на транце», Киев, Изд-во «Сталь», 2010).

Среди этих корпусов была и мотолодка «Крым», для которой в «КиЯ» № 198 (2005г.) приведены результаты драйв-теста с 30-сильным мотором «Yamaha». Это позволяет, например, получить представление о «размахе» оценки «по-ленински» для пропульсивного КПД этого мотора.

Напомним, что такой КПД равен отношению тяговой мощности на транце мотолодки к мощности на гребном валу (упомянутая выше книга автора). Драйв-тест позволяет оценить часовую транспортную работу судна (т.е. буксировочную мощность), которая больше тяговой мощности «толкача на транце» на множитель, равный величине гидродинамического качества корпуса.

Так что расхождение в оценках гидродинамического качества говорит о точности «ленинского принципа» при расчете пропульсивного КПД. Увы, при скорости около 40 км/час усредненная «по-ленински» статистическая оценка гидродинамического качества корпуса «Крым» с водоизмещением 580 кг (центровка, т.е относительное расстояние центра тяжести от транца в интервале 0,32 - 0,37) существенно - на 23-39%, - занижена (там же).

Попутно по результатам упомянутого драйв-теста можно оценить и саму величину пропульсивного КПД мотора «Yamaha-30». Например, при линейной интерполяции данных драйв-теста, для корпуса «Крыма» водоизмещением 580 кг скорость хода составила 39,5 км/ч - при частоте вращения 4760 об/мин (мощность на гребном валу - 30 л.с). На этой скорости чистое буксировочное сопротивление корпуса равно 81 кгс. Соответствующая величина гидродинамического качества - 7,2, а пропульсивного КПД - 0,395.

При диаметре штатного гребного винта у мотора «Yamaha-30НМН» 9-7/8 дюйма (0,25 м) и передаточном отношении редуктора 2,00 такая величина пропульсивного КПД соответствует относительной поступи, равной 1,11. Для сравнения: наш «одноклассный» мотор - «Вихрь-30», - «толкает» этот же корпус со скоростью около 37 км/ч при частоте вращения 4950 об/мин и фактической мощности на гребном валу 28 л.с. («механический» КПД -0,935). Хотя у «Вихря-30» (при относительной поступи, равной 0,89) такая же величина пропульсивного КПД как у «Yamaha», он уступает ей 6-7% скорости хода.