Конвейерное зажигание и модернизация мотора "Вихрь" для достижения высокой скорости на лодке "Казанка" в 1970 году

Смирнов Владимир Фёдорович, Россия, Тверская обл., г. Кимры, E-mail: svfru@ya.ru          Web-sait: http://smirnov.ucoz.com

В 1968 году по случаю окончания школы родители подарили мне лодку "Казанка" и мотор "Вихрь. После обкатки у мотора мало мощности и, естественно, возникает задача по её наращиванию. Первое, что удаётся установить – слабая искра. Методом сравнения элементов магнето двух моторов выявлена причина: искрогасящие конденсаторы увеличили свою ёмкость до 0,38 и 0,47 мкФ, вместо положенных 0,17...0,25 мкФ. Эти конденсаторы имеют негерметичную конструкцию. Их диэлектрик – пропитанная специальным составом бумага, в которую и набирается вода. Диэлектрическая проницаемость воды равна 81, что почти в 20 раз превосходит данный параметр кондиционного диэлектрика конденсатора. Увеличение ёмкости искрогасящими конденсаторами – широко распространённая причина плохой работы обычного зажигания. Прежнее значение ёмкости можно вернуть, если конденсаторы проварить в автоле при температуре немногим (!) более 100°С. Процедуру необходимо продолжать до тех пор, пока из конденсаторов не прекратят выходить пузырьки испаряющейся воды. Другая причина сбоев искрообразования – плохая «земля» на плате магнето. Для её устранения необходимо предусмотреть отдельный провод, соединяющий «массу» магнето с корпусом мотора.

Обычно после устранения указанных причин моторы начинают заводиться и работать как новые. Однако на моём моторе улучшений нет, и я вынужден продолжить поиск.

Из литературы я узнаю, что кроме обычного зажигания существуют транзисторная и тиристорная (конденсаторная) системы электронных зажиганий, отличающиеся более мощной искрой. В первой энергия будущего искрового разряда накапливается в индуктивности, а во второй – в ёмкости накопительного конденсатора. Тиристорная система представлялась наиболее заманчивой, т. к. она не чувствительна к качеству высоковольтных трансформаторов (бобин) и свечей.

Однако тиристоры достать не удаётся, возникает мысль смоделировать их работу путём замены штатного кулачка, размыкающего контакты прерывателя, новым – замыкающим. Он должен быть выполнен в виде втулки, чуть более 180° окружности которой имеет радиус на несколько миллиметров больше остальной (рис. 1). Новый кулачок должен быть снабжён лапкой с прорезью для регулирования по углу установки на маховике.

Данное техническое решение, как станет ясно позднее, выгодно отличается очевидными преимуществами:

1. ® Позволяет обойтись без тиристоров, что, учитывая их высокую чувствительность к импульсным помехам, является великим благом: работа конденсаторной системы зажигания становится спокойной и надёжной, а сложность снижается;
2. ® Напряжение на накопительных ёмкостях максимально при запуске двигателя, что улучшает условия искрового пробоя топливной плёнки в зазоре свечи;
3. ® В отличие от тиристоров, включенное состояние которых определяется прямым направлением тока в момент искрообразования (сотни микросекунд), новый кулачок обеспечивает длительное замыкание прерывателя. В результате, искрообразование происходит не только в первом периоде колебаний, возникающих при разряде накопительной ёмкости через бобину. Это повышает энергию искры;

4. ® Новый кулачок реализует конвейерный принцип поочерёдного заряда и разряда (искрообразования) накопительных ёмкостей от одного преобразователя. При этом отсутствуют состояния, когда оба прерывателя замкнуты одновременно, а значит, преобразователь, не имея замыканий выхода, работает в непрерывном стабильном режиме. Это повышает КПД, увеличивает частоту искрообразования и мощность искры.

Справа на рис. 1 изображён новый кулачок и штатные прерыватели, каждый из которых – подпружиненный рычаг. Текстолитовые подушки прерывателей скользят по поверхности кулачка, "читая" величину его радиуса: если радиус большой – контакты прерывателя разомкнуты, если маленький – замкнуты.

Существуют два очень коротких угловых момента, непосредственно предшествующих искрообразованию, когда контакты обоих прерывателей разомкнуты. Один из таких моментов представлен на рис. 1, другой наступит через 180°. В эти моменты лишь одна из ёмкостей полностью заряжена. В следующий момент кулачок поворачивается, и прерыватель, связанный с заряженной ёмкостью, оказывается на поверхности меньшего радиуса. Его контакты замыкаются, и заряженная ёмкость оказывается подключенной к первичной обмотке бобины соответствующего цилиндра. Начинается колебательный процесс с частотой в несколько килогерц, во время которого во вторичной обмотке бобины возникает высокое напряжение, инициирующее искрообразование в свече связанного с ней цилиндра. С этого момента, т. к. контакты прерывателя другого цилиндра остаются разомкнутыми, начинается зарядка накопительной ёмкости другого цилиндра. Таким образом, реализуется конвейерный принцип поочерёдного заряда накопительных ёмкостей от одного преобразователя. При этом отсутствуют состояния, когда оба прерывателя замкнуты одновременно, а значит, преобразователь не имеет замыканий выхода, когда генерация срывается и через транзисторы течёт значительный пусковой ток, вызванный резисторами R1.1 и R1.2.

Трансформатор преобразователя выполнен на ферритовом сердечнике трансформатора строчной развёртки телевизора. Несколько худшие результаты показали стальной Ш16х16 и пермаллоевые сердечники, включая торы. Магнитопровод во время работы должен насыщаться, поэтому зазора быть не должно. Хотя в некоторых случаях, например для увеличения напряжения при запуске, зазор может быть даже полезен. Число витков я определял экспериментально. Обычно обмотки имели: 1.1 и 1.2 – по 8 витков ПЭВ 0,31мм; 2.1 и 2.2 – по 12 витков ПЭВ 1,0мм; 3 – 300 витков ПЭВ 0,2мм. Источник питания – аккумулятор 6 В. Преобразователь хорошо работал со всеми сердечниками, но частоты отличались. Был изготовлен простейший стенд, где с помощью микродвигателя имитировалась работа нового кулачка с прерывателями. Искры получались мощные. В ходе последующих экспериментов не удалось выявить какого-либо ухудшения воспламеняющей способности искры в случае уменьшения ёмкостей конденсаторов С1 и С2 до 0,25мкФ. Объясняется это тем, что конденсаторы меньшей ёмкости успевают зарядиться от выбросов на фронтах "меандра" до большего напряжения U, которое в квадратной зависимости входит в выражение для энергии конденсатора W = CU²/2. Внимание!!! Напряжение на свечах при подключенном аккумуляторе может достигать 1000 вольт, даже если мотор не работает!!! В целях безопасности не забывайте отключать аккумулятор!!!

Когда зажигание было установлено на мотор, то по неведомой причине искра вдруг потеряла мощность. Тем не менее, я решил провести испытание. Отрегулировав и проверив всё ещё раз, мы (в лодке находилось ещё три человека) отчалили. По моей команде подсоединили аккумулятор, зажигание запищало. Мотор завёлся непривычно легко. Я сразу дал полный газ, по привычке ожидая, что мотор всё равно будет медленно набирать обороты. Но то, что произошло дальше, невозможно передать словами. Эффект был ошеломляющий!!! Мотор сразу же набрал полные обороты – будто не было нагрузки, и начался разгон, во время которого возникло невиданное ускорение, а сзади лодки образовался высокий бурун – как у торпедного катера. Послышались крики восхищения, мотор работал как взбешённый. С речки Кимрка мы выскочили на Волгу, где стали обгонять всех, кто попадался. Эмоции зашкаливали! Такого воздействия электронного зажигания мне не пришлось наблюдать больше никогда!

Чтобы избавиться от аккумулятора я ввёл выпрямитель тока катушки питания зажигания (рис. 1). Первые моторы «Вихрь» имели в маховике 6 магнитов, поэтому достаточно было легко повернуть маховик, чтобы появилось напряжение более 3 вольт. При этом промежутки времени между искрообразованиями большие, и накопительные ёмкости успевают зарядиться до 300 вольт и более – за счет выбросов на импульсах. Впоследствии я так отрегулировал мотор, что стартёр стал не нужен – мотор легко запускался ладонями за маховик. Ещё у мотора появились сверхнизкие обороты, на которых он работал без дыма и очень тихо. Со стороны возникало впечатление, что лодка движется за счёт какой-то неведомой силы.

Через некоторое время мне всё же повстречался конкурент по скорости. Он рассказал, что на его моторе подрезан блок головок цилиндров и стоят кольца первого ремонта. Как оказалось, он работал в мастерской по ремонту моторов. По его мнению – у меня на моторе плохая компрессия, и он берёт числом оборотов за счёт электронного зажигания. Я прокатился на его лодке. Мне не понравилось – мотор работал очень тяжело, сильно вибрировал и был зажат по числу оборотов.

"Подрезать" мотор я не стал, но вскоре приобрёл такие же кольца, поставил и обкатал их. (Кстати, разбирать мотор и чистить кольца в то время приходилось почти каждую неделю, т.к. они непрерывно залегали на всех «Вихрях». Это был их непреодолимый недостаток, ведь моторы перегревались.) У моего мотора появилась компрессия, что увеличило мощность и обороты, однако заводить руками за маховик стало трудно и стартёр пришлось вернуть на место.

Наконец-то феномен ослабления искры на моторе удалось раскрыть. В свечах 14-7RZ чешского производства оказались помехоподавляющие резисторы. Такие же резисторы находились и в свечных колпачках – на высоковольтных проводах. С большим трудом удалось развинтить хвостовую часть каждой свечи, извлечь изнутри резистор и, растянув пружину, чтобы заполнить возникший разрыв, вновь собрать. Аналогичную операцию я проделал и с колпачками. Из каждого вывинтил по винтовому острию, за которым находились резистор и пружина. Удалил резисторы, растянул пружины и вновь собрал. В общей сложности из цепи каждой свечи было удалено по 12 килоом сопротивления.

Искра стала яркой и с характерным треском – как на стенде. Увеличив зазоры в свечах до 3 мм – чтобы поджигалось больше смеси, я приступил к испытаниям. Мощная искра преобразила работу мотора – сгорание топливной смеси стало происходить быстрее, а значит и полнее. Это повысило как максимальную мощность, так и холостые обороты. Обнаружился странный феномен. В цилиндрах и на торцах свечей (откуда выходят боковые электроды) стало присутствовать чистое масло. Я применял тогда бензин А-72 и автол АС-8 в соотношении 20:1, но после этого решил уменьшить количество масла до 0,6.

На этой смеси обороты ещё возросли, но возникла серьёзная проблема – мотор провернул резиновый амортизатор в гребном винте. Пришлось выбросить родной винт. Купил новый, но и его мотор тут же провернул. После этого ничего не оставалось, как приобрести ещё один винт. Я просверлил в нём 3 отверстия, нарезал в них резьбу М8 и жёстко соединил шпильками центральную бронзовую втулку с литой частью. Новый винт я доработал. Удалил непроизводительные участки, закручивающие воду, придал обтекаемую форму, а затем отполировал. Это уже был не винт, а произведение гидродинамического искусства – лопасти стали более тонкими, приобрели профиль, уменьшающий сопротивление. Затем этот винт мне тайком отбалансировали на местном заводе авиапромышленности. Новый гребной винт позволил увеличить мощность мотора и скорость по принципу: «Лучший источник энергии – её экономия!»

Обратив внимание на то, что лодка трётся всем днищем о воду, придумал и тут же испытал изменение угла установки мотора на транце так, чтобы струя воды от винта была направлена немного вверх (это легко достигается перестановкой опор амортизаторов в отверстиях кронштейнов подвески мотора). В результате, в момент старта нос лодки задирается кверху. Затем по мере разгона и увеличения выталкивающей силы на конец днища, нос опускается. При этом почти весь корпус оказывается в воздухе, а в воде остаётся лишь небольшая часть кормы. Таким образом, площадь соприкосновения и торможения резко уменьшается, и скорость увеличивается. Это противоречило паспортной инструкции по установке мотора на лодке, и приводило к захвату винтом воздуха при резких поворотах, но это – мелочь, по сравнению с выигрышем в скорости. Сегодня все импортные моторы снабжены тримом– электромеханическим устройством для плавного управления углом установки мотора. Эффект роста скорости от указанного изменения угла установки мотора на судне очень велик!

Внимание! На многих лодках «Казанка» внутрь носового поплавка откуда-то набирается вода, необходимо открыть люк и вычерпать её! У себя на лодке я удалил более 2 вёдер воды. У меня была самая лёгкая из «Казанок» – Воронежская.

Затем я решил подобрать размер главного жиклёра. Его съёмная часть имела калиброванное отверстие диаметром 1,6 мм. Токарь изготовил мне 9 таких частей с диаметрами от 1.1 мм до 2,0 мм. Их подбор по максимуму скорости лодки на мерном отрезке пути показал, что когда главный жиклёр имеет калиброванное отверстие в 1,2 мм, скорость значительно увеличивается. Эффект роста скорости и экономичности мотора от подбора калиброванного отверстия главного жиклёра очень велик!

Устранял и другие «топорные» недоработки мотора. Точно подогнал по диаметру прокладку карбюратора. Уменьшил толщину оси, в которой закреплена заслонка карбюратора. В глушителе подогнал окна так, чтобы они не заслоняли окна цилиндров. В поддоне подогнал окна под глушитель. На выходе из глушителя удалил дроссель, благодаря которому он наполнялся водой и охлаждался (много раз потом обжигал руки об него, но зато стало меньше препятствий в системе охлаждения).  Диаметр мелких отверстий водозабора в систему охлаждения увеличил в 1,5 раза. Отпилил у сапога небольшую часть выхода выхлопной трубы так, чтобы газы лучше высасывало убегающим потоком воды. В редукторе применил жидкую смесь из нигрола и автола: 30% на 70%. В магнето были оставлены (Рис. 1) штатные конденсаторы, чтобы в случае чего можно было перейти на штатное зажигание.

После всех модернизаций решил измерить скорость: на время преодолеть 19 км – расстояние от пристани г. Кимры до пристани г. Белый городок (эта цифра была указана на карте маршрутов теплоходов). В один из осенних дней 1970 года втроём мы, зафиксировав время, отправились в путь. (Точка старта была выбрана метров на 600-800 ближе к финишу).

Нос лодки привычно поднялся вверх, опустился, мотор перешёл зону максимальных оборотов обычных моторов и его звук стал напоминать турбину. Я срезал все изгибы, выбирая наиболее короткий путь. Впереди – две точки, которые постепенно превращаются в "Казанки" с моторами «Вихрь». Мы их стремительно догоняем и обходим. У водителей удивлённые лица, но видно, как они переводят взгляд на мотор и показывают знаками друг другу, что это ведь «Красный Вихрь» (Во время экспериментов под капотом случился пожар, и я был вынужден покрасить мотор, но многие этого не знали и считали, что – для форса). Стремительно удаляемся, и эти лодки исчезают вдали. Прямо по курсу – ещё группа лодок. Их так же лихо обходим. Лодку дико трясёт от волн – словно это не водная поверхность, а нетёсанная "каменка". Тяжело держать румпель, он непрерывно сильно тянет в сторону и рука устаёт, но если отпустить – мгновенно окажемся в воде, и вращающаяся волчком лодка, может всех порезать винтом (Современные моторы имеют предохраняющее устройство на этот случай). Ну, вот мы и у цели. Время в пути – 18 минут. 18 километров за 18 минут – скорость 60 км/час.

Сидим на берегу, вижу приближающуюся «Ракету», решаю посоревноваться с ней в скорости в одиночку. Вот она догоняет меня, даю полный газ и начинаю её медленно обгонять. Ехать одному страшно – лодку очень сильно дёргает взад-вперёд. Чтобы не вылететь распираюсь в неё со всей силой. Вдруг «Ракета» начинает обходить, это капитан заметил меня и увеличил скорость, а мне он показывает задранный вверх большой палец. Попытки соревноваться с другим судном на подводных крыльях – «Метеором» обречены, его крейсерская скорость 70 км/час.

Необходимо отметить, что сверхвысокие обороты создают большие инерционные нагрузки на поршни и цилиндры. На моём моторе очень скоро выработались эллипсы в цилиндрах, но, несмотря на это, "Красный Вихрь" оставался самым быстрым. По описанной выше методике я усовершенствовал несколько моторов "Вихрь" и, хотя электронное зажигания не использовалось, эффект всегда был неизменным – высокая скорость. Почти на всех лодках возникало, как сейчас принято говорить, «дельфинирование». На моей лодке это явление возникало только на волнах определённой длины. Сегодня для борьбы с этим проявлением неустойчивости используют транцевые плиты, которые, однако, не всегда помогают.

Неизменным спутником высокой скорости было то, что нагрузки на корпус лодки "Казанка" возросли, и вблизи транца стали возникать течи, для устранения которых приходилось подтягивать заклёпки.

Однажды осенью пришлось ехать тёмной ночью. Колпак был снят, и оглянувшись, я увидел, что свечные провода светятся. Множество микроскопических разрядов бегали по ним и создавали какое-то призрачное сияние. Это зачаровывало, но было ясно, что происходит бесполезная утечка электричества. Изоляция высоковольтных проводов была резиновая, и я решил заменить их более современными. Через некоторое время выбор пал на… телевизионный кабель. Его оплётку я соединил с корпусом. Эффект оказался поразительным: мощь искры субъективно усилилась многократно. Я проверил влияние отрезков телевизионного кабеля длиной 75 см на разные виды зажиганий. Оказалось, что обычное (батарейное) и транзисторное зажигания резко теряют в качестве воспламенения – искра у них чахнет. Конденсаторное – совсем другое дело: искра становится очень яркой и громкой, но качество воспламенения – под вопросом. И тогда пришла мысль аттестовать воспламеняющую способности искры с помощью бумажки, помещённой в зазор свечи. Критерий прост: если искра способна хорошо воспламенять топливную смесь, то она должна прожигать в бумаге отверстие, края которого обуглены. Очень яркая и громкая искра, возникающая из-за телевизионного кабеля, пробивала в бумажке отверстие с рваными, лохматыми краями (для рассмотрения нужна лупа), но со слабым обугливанием. Стал понятен механизм возникновения таких искр – взрыв плазменного шнура, возникающий при разряде ёмкости телевизионного кабеля. Это навело на мысль создать плазменно-взрывное зажигание. Спустя много лет – в 90-е я его испытал. Самый первый вариант имел преобразователь напряжения мощностью 80 ВА и высоковольтные ёмкости 390 pF х 30 кV. При демонстрации искры оказывалось устрашающее воздействие – яркие молнии и грохот (или резкий вой) такой силы, что чувствовалось, как сокращаются мышцы, натягивающие барабанные перепонки в ушах. Шофёры и даже преподаватель института, которые присутствовали на демонстрации, пришли в ужас от увиденного и выразили мнение, что применять такое зажигание нельзя – мотор взорвётся. Это временно заставило меня перенацелиться на создание зажигания, основанного на дуговом разряде.

1971-1973 годы – армия. "Красный Вихрь" и "Казанку" пришлось продать. После дембеля мать подарила мне лодку «Крым». На следующий год я купил мотор «Нептун-23», надеясь его усовершенствовать. Однако кулачок на маховике данного мотора несъёмный и единственный вариант – электронное зажигание с тиристорами. Начинаются мучения. Я не могу сделать ни одного надёжного зажигания, все они мне не нравятся. Очень часто с теплотой вспоминаю легендарное зажигание 1970 г. На «Нептун-23» нечего совершенствовать. Мотор надёжный, тихий, экономичный, спокойный. Максимальная скорость, которую удалось выжать – 36 км/час, если в лодке два человека. Кстати, в этом тоже есть своя прелесть – имеется больше времени, чтобы наслаждаться красотой необыкновенных волжских пейзажей.

Однажды мне удалось повстречать "мою" "Казанку" и "Красный Вихрь". Новый хозяин, не зная – кто я, поведал, что мотор "шёл в разнос", поэтому в мастерской с него сняли всю "фигню", заменили "голову", винт и отрегулировали. Ни о какой скорости после этого, естественно, речи быть не могло, а жаль. Одно из моих достижений, частица юности и движения души – навсегда остались только в воспоминаниях...

P.S. Кимрский мост через Волгу — ночь 2006 г. (2,75 МБ)