Авиация Второй мировой

Авиация Второй мировой

На главную Поиск на сайте English
Flight 12 1940 The Aircraft Engineer

Авиационный инженер

Двухтактные дизельные двигатели

14 марта 1881 года сэр Дугалд Клерк подал патентную заявку «Улучшения в двигателе, работающем на горючем газе или паре». Это было датой рождение двухтактного двигателя. Несмотря на некоторые очевидные преимущества, только в последние годы двухтактный цикл был тщательно изучен. В 1932 году сэр Дугалд Клерк писал: «Двухтактный двигатель заслуживает особого внимания, и лучший тип будет в виде двигателя на тяжёлой нефти с воспламенением от сжатия». Мнения сэра Дугальда Клерка имеет большой вес, и в настоящее время быстро растет убежденность, что двухтактный двигатель слишком долго игнорируется.

Г-н W.S. Burn, в своей лекции «Применение двухтактного двигателя на тяжёлой нефти для авиации», прочитанной в начале года в Институте инженеров и судостроителей Северо-Восточного побережья в Ньюкасл-он-Тайн, определенно встает на сторону двухтактного цикла. В начале своей статьи он излагает потенциальные преимущества двухтактного двигателя на тяжелой нефти над четырехтактным бензиновым двигателем. В своем резюме автор высказывается, что снижение веса двигателя принципиально возможно, и что среди преимуществ двухтактных: более высокая надежность; меньший риск пожара; больший радиус действия; уменьшение эксплуатационных расходов; отсутствие электрического воспламенения и соответственно отсутствие радиопомех; нет проблем с карбюрацией; большая простота управления; более легкий капитальный ремонт, облегченное охлаждение; большая мощность для заданного веса; более высокая производительность на высоте и более надежный запуск.

Внушительный перечень преимуществ, который отнюдь не разделяется теми, кого г-н Бэр называет страдающими «от особо сильного бензинового комплекса».

Накопленный опыт

Можно выделить следующие важнейшие вехи в развитии дизельного двигателя: Junkers Jumo; Packard; Deschamps; Guiberson ; Clerget; Coatalen , Salmson ; Talhot; Zod ; Beardmore ; Bristol Phoenix ; Rolls-Royce Condor и различные британские экспериментальные типы рукавных клапанов*. Главные разработки были сделаны за рубежом, и наибольший прогресс был достигнут на двухпоршневом двигателе Юнкерса, единственным коммерческим двигателем.

Подвергались экспериментам практически все авиационные, в основном четырехтактные, двигатели в диапазоне мощностей от 250 до 1000 л.с. Двигатель обычно считался неперспективным в диапазоне от 2(1/4) до 3 lb./b.h.p., а расход топлива составлял около 0,38 lb./b.h.p./hr. (фунта при эффективной мощности -brake horsepower- л.с./час), хотя утверждается, что двигатель Coatalen имеет расход всего 0,3 lb./b.h.p./hr.

Автор указал на интересную разработку в двигателе «Юнкерса», а именно: уменьшение общего отношения длины хода до 5:1 в двигателе Jumo 206 (последний тип), 6:1 в Jumo 205 и 7:1 в Jumo 204. Снижение коэффициента избыточного воздуха, как утверждается, сократилось с 1,6 до 1,3; b.m.e.p. при его увеличении до 135 фунтов/кв.дюйм. Поскольку сам дизельный двигатель является тяжелым типом, из-за наличия в конструкции двух коленчатых валов и картеров, достигнутый прогресс заслуживает особого внимания.

«Исследование дизельных авиаконструкций на сегодняшний день, по-видимому, указывает, - сказал г-н Берн, - что главная неадекватность была в точном впрыске топлива и, возможно, в отсутствии движения или турбулентности, контролируемого воздушным движением, - чтобы дать регулируемое и полное сгорание с высокой скоростью, низким максимальным давлением и хорошим потреблением топлива. Почти неограниченное количество воздуха обеспечит только высокое среднее давление при низком расходе топлива».

Морское развитие

«Любопытно, - отмечает автор, - что в то время как в течение нескольких лет четырехтактный морской дизельный двигатель почти полностью заменен одиночными двухтактными или двигателями двойного действия по причинам снижения веса, стоимости и потребления топлива, авиадвигатель неуклонно продвигался на своем неэкономичном четырехтактном бензиновом курсе, с постепенным улучшением до минимально возможного потребление 0,44 фунта/баррель на л.с./час. В течение 15 лет размеры цилиндров коммерческих авиадвигателей увеличились не менее чем в три раза, что почти идентично показателю некоторых известных крупных маломощных судовых дизельных двигателей. Но в то время как в первом случае улучшение связано с увеличением b.m.e.p. и r.p.m. (среднее давление и обороты), в случае с морским двигателем, изменение, главным образом, связано с изменением его типа, среднее давление и обороты остаются почти одинаковыми из-за ограничений теплового напряжения и оборотов гребного винта соответственно.

«Очевидная потребность в подходящем двигателе на тяжелой нефти очень четко иллюстрируется цифрами на примере большого трансатлантического воздушного судна, приведенного в лекции г-на Гужа», - сказал г-н Бум. «С шестью двигателями мощностью 1300 л.с. и экономической крейсерской скоростью 237 миль в час и общим весом 163 000 фунтов составляет:

Двигатели 23,320 lb. Оборудование 8,700 lb.
Топл. баки 2,670 lb. Топливо 62,350 lb.
Конструкция 54,110 lb. Комм. загрузка и экипаж 11,850 lb.

«Рассматривая эти цифры, - продолжил автор, - только взглянув на вес топлива, очевидно, что первостепенное значение имеет улучшение расхода топлива. Вес двигателя, по-видимому, при этом будет почти вторичным. Еще одна поразительная особенность - большая мощность, необходимая для создания такой небольшой полезной нагрузки. Что касается веса двигателя, то существует тенденция требовать гораздо большей надежности и снижения объема технического обслуживание, а также вдвое увеличить удельные выходные данные. Таким образом, становится все труднее получить уменьшение веса. Все еще остаются значительные возможности для улучшения аэродинамической эффективности, но наибольший выигрыш можно получить при радикальном сокращении лобового сопротивления двигателя и улучшении потребления топлива за счет использования C.I. двухтактного цикла, оттока выхлопа и даже охлаждения силовой установки. Чистая передняя кромка крыла и использование интегральных топливных баков позволит перейти к более экономичной структуре крыла». Г-н Берн подытожил вышеупомянутые улучшения, которые могут быть достигнуты при улучшении в восьми направлениях, первым из которых является то, что двигатель полностью находится внутри крыла, чтобы устранить интерференцию и облегчить использование толкающих винтов.

прим. админ. - C.I. - compression-ignition - воспламенение от сжатия

Junkers Jumo engine

Фиг. 1. Junkers Jumo оппозитный поршневой двухвальный двигатель на тяжелой нефти.

Г-н Берн всегда там, где волшебники авиационных двигателей по-прежнему, с величайшей осмотрительностью, не только обсуждают, какой должен быть правильный базовый тип двигателя, но приступают к разработке такого двигателя. Учитывая многие типы двигателей, находящихся в эксплуатации, изменения существующих конструкций указывает на широкие возможности и отображают новый курс, ориентированный на фундаментальные принципы, а не на практику.

«Предложение о том, что какая-то из форм плоского двигателя станет окончательным решением, становится все более и более очевидным .... Нынешняя тенденция увеличения количества цилиндров свидетельствует о том, что этот двигатель получит развитие.

«Обзор всей гаммы типов бензиновых двигателей показывает, что даже из соображений веса необходимо оставить систему бензинового двигателя и принять еще одну систему сжигания, которая не имеет ограничений по размеру цилиндров по причинам удельной производительности и экономии топлива. Таким образом, тренд типа будет состоять в воспламенении от сжатия, двухтактном цикле и наименьшем числе горизонтально расположенных оппозитных цилиндров ... Любой линейный тип может быть адаптирован к «плоскому» типу оппозитных цилиндров, который предавался бы тщательному контролю впрыска топлива, как это было, например, в двигателе Coatalen».

Различные типы клапанов

Различные типы клапанов

На рисунке 2 показан тип тарельчатого клапана с одним выпускным клапаном, сочетающим хороший поток газа с изолированной камерой сгорания с двойной турбулентностью в крышке цилиндра и все же обладающий разумным газовым потоком для выхлопа. Короткий поршень и короткая длина цилиндра будут иметь малый вес. На этом рисунке также показан однопоршневой двухпоточный очиститель от отработанных газов, столь популярный в морских двигателях, что не следует исключать. Важно отметить, что подобная конструкция был запатентована Юнкерсом. Для сравнения приведена конструкция оппозитного поршня с дифференциальным ходом, показывающая очень простую конструкцию цилиндра.

Г-н Берн сказал: «Я предложу то, что, по моему мнению, является совершенно новым типом двигателя для авиационного мира, даже если он и имеет в качестве основы тип, хорошо известный в судоходной отрасли, а именно оппозитный поршневой двигатель. Это будет отступлением от моды в двигателестроении и стремлении дать конструктору самолета только то, что он хочет, - двигатель, который не будет мешать его стремлению к совершенным аэродинамическим формам».

Автор полагает, что самолет будущего будет с толкающим винтом, а из этого следует, что двигатель должен быть не только полностью расположен в крыле без гондол, но и с самым свободным ходом воздушного винта, т. е. должен находиться в задней части крыла, ближе к задней кромке, насколько это возможно. Следовательно, двигатели должны быть не только горизонтальной формы, но и как можно меньшей длины.

Аргумент, используемый для обоснования использования гондолы двигателя, заключается в том, что в случае высокопланового моноплана они обеспечивают место для убирающейся ходовой части, как у D.H. Flamingo, но, несомненно, будут найдены другие средства для этого. Одним из предложений, позволяющих эффективно расположить ходовой двигатель, является его размещение в небольшом разрезе с низкой частотой вращения, как показано на фиг. 4, когда некоторый полезный и контролируемый подъем достигается с относительно небольшим сопротивлением, в то же время устраняя все интерференционные помехи на главных крыльях.

D.H. Flamingo

Доступность двигателя

Самый толстый участок крыла должен быть зарезервирован в более крупном самолете в качестве прохода, чтобы получить доступ к двигателям. Поскольку с тянущим винтом на передней кромке крыла его передняя кромка составляет около 25% диаметра самого винта, установка двигателя по задней кромке крыла и использование толкающих винтов в конечном итоге позволяет использовать короткий вал и тем самым уменьшает вес силовой установки. После того, как будет решена проблема установки в крыле двигателей с толкающими винтами, в дальнейшем следует стимулировать разработку моноплана с высорасположенным крылом (высокоплана).

Основное преимущество дизельного двигателя заключается в том, что он не налагает никаких ограничений на размер цилиндра, и поскольку имеется достаточный диапазон крыльев, дизельный двигатель может иметь почти неограниченную длину в горизонтальной плоскости. «Я твердо придерживаюсь мнения, - сказал автор, - что, как только будет принято решение отказаться от нынешней концепции аэродинамического двигателя, являющегося либо компактным радиальным, либо рядным типом с минимальным миделем, и начать самое полное использование одного измерения, которое дает неограниченный объем, то есть горизонтальную длину, дизельный двигатель для самолетов быстро завоюет признание.

«Двигатель, который я собираюсь предложить для мощности в 2100 л.с., будет иметь только шесть оппозитных цилиндров, по три с каждой стороны коленчатого вала, но, конечно, будет всего двенадцать поршней, шесть управляют забором воздуха и шесть выхлопными газами. Диаметр предлагаемого цилиндра составляет 7 дюймов, а комбинированный ход 12 дюймов при вышеуказанной мощности, b.m.e.p. - 150 фунтов на кв. дюйм, а обороты r.p.m. - 2000».

Bristol Phoenix diesel engine

Фиг. 3. Дизельный двигатель Bristol Phoenix установил мировой рекорд, достигнув высоты 27 450 футов (8 367 м).

Продувка цилиндров

В ходе подробного описания предлагаемой конструкции автор заявил: «Самой важной проблемой двухтактного цикла является полное удалениея выхлопных газов и их пополнение чистым воздухом. Движение воздуха в цилиндр должно быть выполнено с минимальными затратами, поэтому маршрут движения воздуха должен быть как можно прямее и короче. Эти и другие требования наилучшим образом достигаются за счет использования портов в отверстии цилиндров, всецело расположенных по всей его окружности. Предлагаемое горизонтальное расположение цилиндров дает наибольшее преимущество для двухтактного типа цилиндра, поскольку существует полная свобода использования двух высокопроизводительных выхлопных труб большой площади на цилиндр с превосходным газовым потоком. Поскольку полное объемное сгорание является фундаментальной необходимостью любого дизельного двигателя, оно должно быть организовано главным образом с точки зрения получения наилучшего распределения топлива и воздуха. Проблема заключается в том, чтобы получить идеальное пространство для сжигания и систему продувки цилиндров, не подвергая поршни или отверстия цилиндра воздействию чрезмерного нагрева. Это неизбежно требует применения конструкции с двумя поршнями.

"На Фиг. 5 и 6 показано горизонтально расположенное в линию устройство. Шести- или восьмицилиндровые двигатели «оппозитного типа» имеют определенные преимущества в балансировке (над двенадцатицилиндровым и девятицилиндровым радиальным).

Очевидно, что для такого двигателя потребуется совершенно другие технические решения: а именно, шатуны и подшипники, направляющие штока, втулки, поршневые гильзы цилиндров с масляным охлаждением, композитные поршни с масляным охлаждением, высокотемпературные камеры сгорания, коленчатый вал с тремя совершенно разными компонентами, специальное оборудование для впрыска топлива, воздушные насосы для выталкивания воздуха и измененная технология выхлопа. Замечателен сам факт разработки ремонтопригодного двигателя, чьи части могут легко обновлены и заменены по частям, вместо замены самого двигателя, что должно изменить саму концепцию проектирования.

Поршни дизельного двигателя имеют ряд конструктивных решений, требующих совершенно иной обработки по сравнению с применяемой в бензиновом двигателе. Например, короны поршня должны быть как можно более высокими, чтобы уменьшить потери тепла и поддерживать максимальную температуру воспламенения. Рассматриваемый поршень является составной конструкцией, корона и юбка из легированной стали представляют собой одно спрессованное целое, вокруг центральной части из легкого сплава, в которой располагаются внутренние подшипники. Колпачок из жаростойкой стали предохраняет от тепла, распространяющегося вниз по внешней стороне, на которой удерживаются поршневые кольца. Все три поршня удерживаются вместе одним центральным болтом из-за возможного дифференциального расширения. Это показано на рисунках 5 и 6, тогда как на Рис. 7 дается сравнение с конструкцией Юнкерса .

«Конструкция эффективного насоса продувки цилиндров является наиболее сложной особенностью любого двухтактного двигателя, поэтому для начала необходимо, чтобы давление выброса и требуемый избыточный объем были как можно ниже».

Г-н Берн указал, что есть некоторые сомнения в том, соответствуют ли требования к воздухозамещению и давлению центробежного нагнетателя (который обычно используется) с изменениями скорости. Преимущество центробежного нагнетателя заключается в том, что в течение нескольких лет он непрерывно развивается, в качестве нагнетателя может создавать давление до 15 или 20 фунтов/кв. дюйм. Однако следует иметь в виду, что потребление топлива и мощность Junkers Jumo до недавнего времени серьезно ухудшались из-за неэффективного центробежного нагнетателя, а в настоящее время получили развитие как радиальные, так и осевые вентиляторы потока, давая определенный стимул для разработки простейшего центробежного насоса взамен поршневого. Даже самый эффективный тип нагнетателя Rolls-Royce, эффективность которого как считается, составляет 73 процента, не так хорош, что легко можно получить с помощью простых деталей из насоса объемного типа, который имеет эффективность от 85 до 90 процентов. Шум и полная зависимость от двигателя - другие недостатки такого насоса. Поворотные нагнетатели постоянного давления типа Rootes, даже после многих лет разработки, потребляют чрезмерную цифру в 15 процентов от общей мощности, вырабатываемой двигателем. Нормальная цифра для большого морского дизельного двигателя не превышает 4-5%, используя обычные поршневые нагнетатели с автоматическими или механическими клапанами. Предлагаемая конструкция насоса обеспечит: -

(1) Нагнетатель максимальной эффективности, с помощью заслонки обеспечивающий, насколько это возможно, равномерное движение воздуха и в то же время, полностью используя кинетическую энергию самого столба воздуха.

(2) Простейшая из возможных система движущихся частей. Сам клапан или тип поршня выбираются так, чтобы использовать самые маленькие и легкие рабочие шатуны с минимальными трением или смазочными поверхностями.

(3) Приоритет подачи воздуха.

Расположение двигателя в крыле показано на рисунке 8. Г-н Берн суммирует ожидаемые преимущества предлагаемого двигателя по сравнению с принятыми бензиновыми двигателями следующим образом:

1. Достигнутая экономия топлива на испытательном стенде не менее 25 процентов, и еще большая экономия в обслуживании.

2. Геометрическая форма двигателя, подходящая для эффективных аэродинамических конструкций.

3. При значительно уменьшенных оборотах и средних давлениях получение небольшого веса двигателя, без больших максимальных давлений, в конечном счете, получение намного большей надежности, как следствие меньшие эксплуатационные расходы и более продолжительные срока службы.

4. Гораздо более высокая степень тяги от выхлопных газов, чем у любого существующего типа двигателя.

5. Снижение потерь на охлаждение и как следствие более эффективная работа масляного радиатора.

6. Динамически полностью сбалансированный двигатель.

7. Почти незагруженные основные подшипники.

8. Все шатунные подшипники однонаправленно загружены, чтобы обеспечивает бесшумную работу и отсутствие вибраций, даже в случае износа подшипника.

9. Отличная доступность, не имеющая аналогов в современных авиационных двигателях.

10. Уменьшенный вес конструкции крыла и топливного бака.

Дискуссия

Дискуссия была открыта мистером K. O. KELLER. Он не мог не почувствовать, что технические знания автора превзошли практические трудности. Должно быть понятно, что низкое потребление топлива легче получить в низкооборотном, чем в высокоскоростном двигателе, и по этой причине ему пришлось уменьшить мощность двигателя, чтобы достичь потребления 0,32 фунта на единицу мощности в л.с. В двигателе, предлагаемом автором, очищающий воздух всего на 10 процентов превышает объем камеры сгорания. Он рискует утверждать, что в этом случае всего на несколько процентов увеличится потребление топлива. Автор утверждает, что обеспечит максимальную эффективность сгорания при низком давлении сжатия. Практический опыт показывает, что дело обстоит с точностью до наоборот.

DR. T. W. F. BROWN не согласился с тезисами автора о том, что дизельный двигатель для самолетов может быть разработан по аналогии с крупными морскими дизелями. 10-процентный наддув для b.m.e.p. в 150 фунтов на кв. дюйм является слишком низким. Необходим очень тщательный эксперимент для обеспечения того, чтобы форма пространства сжатия позволила получить разумные запаздывания воспламенения, в противном случае нет никакой надежды на получение топлива, которое было бы лучше, чем в настоящее время является бензин для бензинового двигателя. Автор заявил, что чем меньше количество цилиндров на единицу объема цилиндра, тем меньше вес. Это, по логическому завершению, означало бы двигатель в один цилиндр, что является абсурдным.

MR. JOHN NEILL отметил, что дизельный авиационный двигатель Junkers Jumo на то время был самым передовым в своей стране. Следует отметить, что первый немецкий бомбардировщик, сбитый вблизи Эдинбурга, был оснащен бензиновыми двигателями Junkers Jumo.

MR. A. ORTON был уверен, что автор находится на правильном пути и обратил внимание на двухтактную систему каденации. Двигатели этого типа с b.m.e.p. в 142 фунтов на кв. дюйм и оборотами 1500 r.p.m. постоянно работали без использования воздушного наддува. С воздухом при умеренном наддуве было получено значение в 200 фунтов на квадратный дюйм. Он сомневался в предлагаемом увеличении размера цилиндра и уменьшении r.p.m. По сравнению с существующей практикой авиадвигателей он считал, что это приведет к уменьшению значений b.h.p. на литр и b.h.p. на единицу веса.

MR. S. CAMM полностью поддержал дело, в котором была высказана необходимость в интенсивной программе исследований и разработок для успешной разработки дизельного, двухтактного двигателя. Он согласился с размером предлагаемого двигателя, считал предлагаемую форму превосходной, хотя было бы отлично, если бы его можно было сделать еще более меньшим. Он полностью поддерживал внешнее охлаждение двигателя и считал, что это будет совершенно необходимо. Однако он считал, что предлагаемый масляный радиатор неадекватен, и предположил, что воздушная система охлаждения, используемая на нынешних самолетах, вероятно, будет лучше всего.

MR. A. GOUGE также полагал, что автор выдвинул очень хорошие идеи для дизельного двигателя и что исследования по этому вопросу должны быть активно продолжены. Потребление современного бензинового двигателя находилось в районе 0,42 lb./b.h.p./hr., в то время как для современного дизельного двигатель этот расход составлял около 0,38 lb./b.h.p./hr. При увеличении веса последнего коэффициент усиления оказался небольшим.

При высоких нагрузках на крыло взлет является чрезвычайно важным. Увидел ли автор возможность увеличения взлетной мощности у дизельного двигателя, как это было возможно с бензиновым двигателем?

Он думал, что предложение по установке двигателя полностью в крыло окажется чрезвычайно сложным. У толкающих винтов был свой недостаток, возможно, самым серьезным из которых был Joss**, в случае четырехмоторных самолетов, забирающих примерно 15-30 процентов, от подъемной силы при взлете.

DR. F. W. LANCHESTER полностью не соглашался с доводами автора о том, что чем меньше цилиндров (в определенных пределах) на единицу общего объема цилиндра, тем меньше вес двигателя на единицу мощности (л.с.). Но д-р Ланчестер действительно полагал, что дизель выиграет часть своего поля, во всяком случае, в конечном счете, и что переход на двухтактный цикл был неизбежен.

Выводы из полной и оживленной дискуссии заключались в том, что в целом было достигнуто общее согласие в отношении того, что двухтактный дизель заслуживает более интенсивных исследований, но автор недооценил механические и другие трудности, которые необходимо преодолеть, прежде чем успешный результат может быть получен.

Поскольку автор строит двигатель, который он защищает, следует надеяться, что лекарство, которое ему придется принимать в пути, не будет столь неприятным, как многие из выступавших в дискуссии, предположили, что это будет так.

Bristol Beauforts

HANDELS SCHIFF HUNTERS: Торпедоносцы Бристоль Бофорты наносят самые тяжелые удары по немецких торговым судам.

Дата размещения на сайте 12 августа 2017 г.

прим админ * - Название двигателя произошло от тонкостенных гильз, которые скользят вверх-вниз во время работы. В гильзах на разной высоте сделаны отверстия, которые в определённые моменты времени совмещаются и позволяют выходить отработавшим газам или поступать воздуху.
Такой двигатель позволяет достигнуть большего сжатия и соответственно большей мощности.

** - вероятно речь идет о реактивном моменте воздушного винта и закручивании струи ВВ...

2014 08 13

Общеизвестно, что с наши дизелями в авиации так и не смогли решить проблемы надежности:

Авиационные дизели для Ер-2

В общем по авиационным дизелям все логично обозначено у Александра Ильина в своей статье:

Эволюция четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания

Некоторые вопросы форума про ДВС: О двигателях внутреннего сгорания / Михаил Соколон

Все про моторы на сайте здесь: Двигатели внутреннего сгорания

Представляет интерес ветка форума: Самолет и двигатель -> Двигатели

2014 08 15

Перевод статьи вероятно не удовлетворит специалистов. В этом случае рекомендуется перейти вверху по сслыке "Eng" и посмотреть исходник.

Во всяком случае, обоснования применения оппозитного двухтактного дизельного двигателя с толкающим винтом, расположенного в крыле по его заднему лонжерону заслуживает внимания и рекомендуется для просмотра.

Вячеслав