Часть 1

Стационарный двигатель на катере обладает целым рядом преимуществ перед подвесными моторами. Экономичность, надежность, долговечность, возможность отбора большого количества электроэнергии, горячей и холодной воды - вот далеко не полный перечень преимуществ автомобильных конвертированных двигателей. Кроме того, имеется целый ряд не ярко выраженных, но в то же время важных достоинств, проявляющихся в критических ситуациях, а именно - удобный и быстрый пуск двигателя электростартером, защищенность его от волны, дождя и т.п. 

Однако реализовать эти преимущества можно только при правильной эксплуатации и выборе температурного режима конвертированного двигателя. В процессе проектирования и доводки автомобильного двигателя зазоры в сопряжениях, толщины деталей, материалы и т. д. выбирают исходя из нормальной температуры охлаждающей воды, равной 80-90°, при этом разность температур на входе и выходе из рубашки двигателя не превышает 10°. Такой температурный режим следует поддерживать и у конвертированного для установки на катер двигателя. Особенно нежелательна работа двигателя с пониженной температурой охлаждающей поды, так как увеличивается механический износ деталей цилиндро-поршневой группы вследствие смывания смазки со стенок цилиндров за счет плохого испарения топлива и коррозионный износ. Последнее, объясняется тем, что при температуре охлаждающей воды менее 60-70° температура стенок цилиндров может оказаться ниже 80-90°, т. е. ниже точки "росы", что приводит к конденсации паров воды, содержащихся в продуктах сгорания. Растворение сернистых газов, также содержащихся в продуктах сгорания, в этом конденсате, приводит к образованию пленки электролита, что также способствует интенсивному коррозионному износу. 

Попадание конденсата в масло увеличивает образование липких отложений (шлама), забивающего масляные фильтры и каналы, вплоть до полного прекращения циркуляции. Пониженная температура двигателя снижает экономичность и мощность двигателя за счет неполного сгорания топлива, увеличения затрат мощности на преодоление сил трения, связанных как со смыванием смазки, так и с увеличением вязкости масла. Так, при температуре охлаждающей воды, равной 50-55°, интенсивность износа увеличивается в 2 раза, а удельный расход топлива увеличивается на 5-10%; при температуре же охлаждающей воды 25-20° интенсивность износа увеличивается в 6 раз! В этом случае моторесурс автомобильного двигателя оказывается ниже, чем у подвесных моторов, хотя условия охлаждения у них (по температуре воды) будут одинаковыми.

Такой вроде бы парадоксальный результат объясняется тем, что разность температур между стенкой цилиндра и охлаждающей жидкостью у п.м. с двухтактным двигателем значительно больше, чем у стационарного четырехтактного. Это связано с большими литровыми мощностями и, следовательно, с большими удельными тепловыми потоками. Если у нефорсированных автомобильных двигателей величина этой разности составляет 65-15° (большие значения относятся к верхней части цилиндра), то у п.м. эти цифры выше (80-160°), т.е. температура поверхности цилиндра, как правило, будет больше температуры точки "росы" и, следовательно, коррозионный износ будет отсутствовать.

Следует отметить, что особенно заметно падает экономичность и мощность с понижением температуры у двигателей, имеющих подогреваемый водой впускной коллектор ("Москвич-407" и "-412"). Поэтому конвертированные двигатели, в отличие от п.м., совершенно не приспособлены для охлаждения непосредственно забортной водой.

Повышение температуры охлаждающей воды за счет уменьшения ее расхода приводит к большим перепадам температур на входе и выходе из двигателя. Эта разность может достигать 60° против 5-10° при эксплуатации двигателей па автомобиле. При этом из-за низкой температуры воды на входе отдельные участки двигателя будут все-таки оставаться переохлажденными. С другой стороны, большой перепад температур охлаждающем воды приводит к деформациям деталей двигателя, их взаимному перекосу и, следовательно, повышенному износу.

При нагреве охлаждающей воды соли, растворенные в ней, выпадают в осадок, причем часть из них прочно пристает к стенкам блока. Наиболее интенсивно накипь образуется в местах, где температура охлаждающей воды максимальна, что еще более увеличивает температурные деформации, а следовательно ,и износ двигателя.

В несколько лучших условиях на первых порах будет работать двигатель, охлаждаемый забортной водой от штатной водяной помпы при наличии у пего термостата и сохранении перепускного канала (малого круга).

При прогреве двигателя термостат закрыт и вода циркулирует по малому кругу, пока не нагреется до требуемой температуры.После нагрева часть воды через приоткрывшийся термостат сольется за борт, а ее место займет холодная вода, которая и понизит температуру циркулирующей воды. При работе охлаждения по такой схеме тепловой режим в начальный период эксплуатации будет близок к оптимальному, однако интенсивное и неравномерное образование накипи приводит, так же как и в предыдущем случае, к тепловом деформациям гильз двигателя и, следовательно, повышенному износу. В дальнейшем, по мере увеличения толщины слоя накипи, которая, как известно, имеет очень низкую теплопроводность, двигатель начнет перегреваться и внешне на первых норах это будет не очень заметно, так как температура охлаждающей воды будет по-прежнему оставаться и норме (она в данном случае определяется характеристиками термостата).

Однако при увеличении толщины слоя накипи на стенках цилиндров до 1,5-2,5мм температура внутренних зеркал цилиндров в верхней части повысится со 150° до 250-300°- т. е. достигнет предельно допустимой. При этом износ двигателя усиливается за счет разжижения масла, увеличения газовой коррозии и появляется вероятность его поломки из-за заклинивания и обрыва поршней, задиров зеркала цилиндров, поломки колец и т.п. 

Определить, перегревается ли двигатель на катере, можно по следующим признакам: при резком открытии дроссельной заслонки при движении катера малым ходом детонационные "позванивания" прогретого двигателя проявляются значительно сильнее, чем холодного. При выключении зажигания двигатель продолжает в течение некоторого времени неустойчиво работать за счет самовоспламенения рабочей смеси от перегретых поверхностей поршня, головки цилиндра и свечи (правда, аналогнчные явления могут иметь место и при чрезмерном отложении нагара, но у двигателей, длительно работающих с перегревом, нагаробразование невелико), число оборотов двигателя несколько уменьшается по мере его перегрева и одновременно звук выхлопа делается более глухим. Если в этот момент резко скинуть газ до холостых оборотов, двигатель, имеющий нормальные зазоры между цилиндром и поршнем, как правило, глохнет и температура воды, находящейся в блоке, в течение 1-2 минут после остановки будет повышаться и может достичь даже температуры кипения, в то время как при нормальном тепловом режиме такое повышение температуры, как правило, невелико. Естественно, что последнее справедливо только для таких схем охлаждения, в которых охлаждающая вода остается в двигателе после его остановки. И, наконец, у двигателя, постоянно работающего с перегревом, часто пригорают кольца.

Принимая во внимание вышесказанное, одноконтурную схему охлаждения забортной водой с термостатом можно применять для водоизмещающих катеров, у которых двигатель работает на частичных нагрузках. У двигателей глиссирующих судов, которые работают на более напряженных режимах, термостат должен быть удален, а температура охлаждающей воды (~60°) будет поддерживаться при помощи регулирующего крана. Во всех случаях воду перед входом в двигатель необходимо предварительно подогревать, пропуская ее последовательно через охлаждаемый глушитель, коллектор, водо-масляный холодильник, и только после этого подавать на вход в штатный водяной насос. 

При одноконтурной схеме охлаждения необходимо тщательно следить за толщиной накипи на стенках головки и цилиндров, удаляя ее по мере необходимости, как это рекомендуется в инструкции к двигателю. На интенсивности образования накипи влияет н жесткость забортной воды. Расчеты показывают, что при средней жесткости воды и температуре, равной 90°, слой накипи толщиной 1,5мм может образоваться за 100-200 часов работы двигателя, а в соленой воде в несколько раз быстрее.

Несмотря на то что одноконтурные системы из-за своей простоты получили широкое распространение в любительской практике, их применение, на наш взгляд, не может быть рекомендовано, поскольку при этом не реализуются основные преимущества стационарного двигателя. В отличие от них, в замкнутой системе охлаждения пресная вода циркулирует так же, как и в двигателе, установленном на автомобиле, что позволяет обеспечить оптимальный тепловой режим.  

Принципиальные схемы двухконтурных систем охлаждения:
[схема 1] - схема с использованием центробежного насоса большой производительности и водо-водяным холодильником
[схема 2] - схема с использованием скоростного напора для увеличения надежности работы центробежного насоса и водо-водяным холодильником
[схема 3] - схема с забортным холодильником и использованием скоростного напора для охлаждения водо-масляного холодильника
[схема 4] - схема с забортным холодильником и самовсасывающим насосом забортной воды малой производительности.

пунктирная линия - трубопроводы внутреннего контура.
непрерывная линия - трубопроводы забортной воды.

Могут быть предложены различные схемы замкнутой системы охлаждения для двигателей мощностью 70-80л.с., имеющие некоторые различия между собой. Они дают определенные преимущества при использовании двигателя на судах с различными режимами движения, как водоизмещающего, так и глиссирующего. Общее для этих схем - наличие двух контуров охлаждения; замкнутого внутреннего и разомкнутого внешнего (забортной воды) и применение для снятия тепла с внутреннего контура специального теплообменника - водо-водяного холодильника. 

Водо-водяные холодильники по конструктивному исполнению могут быть разделены на две группы: внутренние, размещенные внутри корпуса катера, и забортные, расположенные снаружи. Конструктивные размеры внутреннего холодильника выбираются из расчета обеспечения 45-55см2 поверхности теплообмена на 1л.с. мощности двигателя. Холодильник для двигателя мощностью 70-80л.с. ("ГАЗ-51","ГАЗ-21") изготовлен из 30 метров медной или латунной трубки O6х1 или 6х0,5.

[схема 5]
Водо-водяной холодильник. Площадь теплообмена 0,37 м², число трубок 122 шт.

Корпус холодильника может быть изготовлен из любых доступных листовых материалов - сталь, медь, латунь, сплав АМг и пр. и соединяется сваркой, пайкой твердым припоем ПМЦ или ПОС. Учитывая, что отверстия н трубки необходимо облудить, диаметр отверстий необходимо сделать на 0,1-0,2мм больше наружного диаметра трубки. В случае изменения диаметра или числа трубок их следует располагать таким образом. чтобы суммарный боковой зазор "В" у всех рядов был бы, по возможности, одинаков. Увеличение величины "В" уменьшит скорость протекания воды внутреннего контура и приведет к ухудшению теплообмена. Уменьшение же зазора ведет к увеличению гидравлического сопротивления внутреннего контура, а следовательно, к уменьшению расхода и увеличению перепада температур входящей и выходящей воды. По этой же причине минимальный диаметр трубопровода внутреннего контура не следует выбирать меньше чем d=0,35N?¯N см, а при длине трубопровода более 0,5м d=0,4 N¯N(здесь N.-мощность в л.с.). Проходное сечение трубного пространства холодильника для пресной воды можно определить как F=(0,2-0,3)N см². Тогда размер "В" может быть найден по следующей зависимости: 

       (0,2-0,3)N(z+1) 
В=——————————,
                   L 
где z - число перегородок; L - длина трубок холодильника в см. 

В целях улучшения теплоотдачи располагать трубки следует в шахматном порядке. Отверстия под трубки во фланцах и в перегородках сверлятся совместно. При пайке следует применять электрические паяльники мощностью не менее 250Вт. После облуживания трубки вставляют в перегородки и фланцы, затем полученную трубчатую секцию помещают в корпус без прокладки 8 и выравнивают положение нижнего фланца 17,который должен выступать на (b+1)мм, где b-толщина прокладки, и производят пайку трубок припоем ПОС. Учитывая высокую теплопроводность трубок, место пайки желательно дополнительно прогревать паяльной лампой или, что еще лучше, пламенем газовой горелки.

Простейшую газовую горелку можно сделать, используя обычную кухонную газовую плиту. Для этого необходимо снять металлическую крышечку с горелки и плотно вставить в горелку резиновый шланг с внутренним диаметром не менее 12мм. На конце шланга укрепляется металлическая трубка длиной 200-300мм, выполняющая функции переносной горелки.

С целью получения более чистого шва место пайки периодически смачивают травленой соляной кислотой, удаляя темно-коричневую соль, которая получается при этом, торцом деревянной палочки. После припайки фланцев трубчатая секция вынимается и производится припайка перегородок к трубкам в 3-4 местах перегородок. Далее устанавливаются прокладка 8, крышка 3 и все это соединяется болтами 4. После этого производится подгонка буртика фланца (дет.17) под размер 0,5мм с притуплением острых кромок, чтобы обеспечить надежную герметизацию нижнего соединения.

Конструкция забортных холодильников существенно проще встроенного, однако установка такого холодильника имеет свои особенности. С точки зрения технологичности, эффективности работы, неуязвимости, удобства обслуживания и ремонта можно рекомендовать следующие места их установки:

[схема 6]
1. На глиссирующих катерах забортные холодильники целесообразно выполнять в виде плит, способствующих улучшению выхода на глиссирование катеров с удельной нагрузкой 25-35 кг/л.с

Транцевые плиты - холодильники. 1-петли крепления плиты к транцу; 2-регулируемый раскос; 3-соединительный шланг; 4-дренажная пробка; 5-верхний лист (b=0,5-1,5мм); 6-разделигельное ребро (длина 530 мм); 7-штуцер, 8-нижний лист (b=1,5-2 ми); 9-подводящий шлаш, 10-отводящий шланг, 11-воздушник.

[схема 7]
2. На водоизмещающих катерах забортный холодильник целесообразно конструктивно совместить с пером руля схема 7, имеющим обычно достаточно большую площадь. Здесь же следует отметить, что замена пластинчатого руля обтекаемым увеличивает и упор винта на 5-10% за счет контрпропеллерного эффекта и уменьшает радиус циркуляции на 30-40%. Ввиду того, что скорость воды в струе от винта значительно больше скорости движения катера, такой холодильник обеспечивает надежное охлаждение даже при таких режимах, как буксировка или швартовный.

Руль - забортный холодильник.1-передняя обечайка b=1,0-2,0мм; 2-ребро (b=1,0); 3-шайба верхняя (b=1,0-2,0); 4-подводящий шланг; 5-баллер руля; 6-отводящий шланг; 7-штуцер; 8-ребро (4шт.,b=3); 9-задняя обечайка (b=1,0-2,0мм);10-ребро (b=1,0); 11- шайба нижняя (b=2,0); 12 - полка лонжерона (b=3,0);12-лонжерон (b=2,0).

[схема 8]
3. На относительно тихоходных катерах с водометными движителями большого диаметра (280-320мм) забортный холодильник целесообразно совместить с корпусом спрямляющего аппарата путем наварки на него дополнительно рубашки схема 8. Таким образом получается простой и надежный теплообменник достаточной площади. Следует отметить, что холодильник, установленный на корпусе водомета глиссирующего катера, будет иметь недостаточную теплообменную поверхность в связи с малым диаметром ротора. Расчет поверхности охлаждения, площади проходного сечения производится по нижеприведенным соотношениям для транцевых плит.

Спрямляющий аппарат - двухходовой холодильник. 1-штуцер; 2-корпус спрямляющего аппарата; 3-лопастная система; 4-корпус подшипника гребного вала; 5-кожух рубашки охлаждения; 6-дренажная пробка; 7-разделительное ребро; 8-окно в ребре 7 для разворота и направления потока во второй ход холодильника.

Забортные холодильники - транцевые плиты, показанные на схеме 6, обеспечивают охлаждение двигателей мощностью 70-80л.с. При изменении формы холодильников или мощности двигателя площадь транцевых плит - холодильников выбирается из расчета 45-50см² на одну л.с. (55-65 см², если выхлопной коллектор включен в замкнутый контур охлаждения). Высоту плит выбирают равной 10-15мм, перегородки в плитах располагаются таким образом, чтобы площадь поперечного сечения полученных каналов (в см²) удовлетворяла следующему соотношению F=0,2N(л.с.). По аналогии с водо-водяным холодильником уменьшение площади сечения ведет к уменьшению расхода охлаждающей жидкости, а увеличение - к уменьшению скорости прохождения воды и к ухудшению теплопередачи. 

Для изготовления таких транцевых плит целесообразно применять некорродирующие материалы толщиной 0,5-1,5мм (нержавеющую сталь, медь, латунь, алюминиевые сплавы АМг, АМц). Соединение отдельных деталей можно производить при помощи сварки, пайки припоями ПМЦ, ПОС или даже на заклепках. В последнем случае для обеспечения герметичности плиту можно оклеить 1-2 слоями тонкой стеклоткани на эпоксидной смоле - тонкий слой (0,5мм) пластика не оказывает заметного влияния на теплопроводность стенки. 

Конструкция совмещенного с рулем холодильника, показанная на схема 7, предназначена также для двигателей мощностью 70-80л.с. При другой мощности двигателя проходные сечения и поверхность могут быть пересчитаны по вышеприведенным зависимостям. Несколько слов о форме руля.

Максимальное увеличение упора винта обеспечивает руль, имеющий профиль с относительной толщиной ß_max/B=0,15-0,20. Распределение толщины для симметричного профиля с такой толщиной NACA-0015 - приведено в таблице 1.

Минимальный радиус циркуляции обеспечивает серия профилей, разработанных специально для судовых рулей. Угол перекладки таких рулей должен быть увеличен до 60°. В таблице 2 приводится распределение толщины для профиля IfS63TR25(Z).

Руль собирается из силового лонжерона 13-12, двух обечаек 1, 9, внутрь которых предварительно ввариваются или впаиваются ребра 2, 10, верхняя 3 и нижняя 11 шайбы. Руль аналогичной конструкции можно выклеить из стеклопластика толщиной 2-3мм. Однако площадь такого руля следует увеличить на 40-50% в связи с меньшей чем у металла теплопроводностью стеклопластика.

Часть 2