История поршневых двигателей насчитывает на несколько десятилетий больше, чем история самой авиации . Они сдвинули с места первый автомобиль, подняли в небо первый самолет и первый вертолет, прошли две Мировые войны и до сих пор используются в 99.9% автомобилей мира. Однако в авиации на сегодняшний день поршневые двигатели практически полностью вытеснены газотурбинными двигателями и используются исключительно в малоразмерных персональных либо спортивных самолетах.
Это произошло по причине того, что даже самый простой и неэффективный газотурбинный двигатель имеет большую удельную мощность (единица мощности на единицу массы двигателя), чем самый современный поршневой, а в авиации масса – исключительно важный параметр. Кроме того, газотурбинный двигатель более универсальный и может двигать самолет за счет реактивной струи, исключительно этот факт позволил самолетам достичь скоростей в 2, 3 или даже 4 раза выше скорости звука.
Но вернемся к поршневым двигателям. Как же они устроены? На схеме продемонстрировано устройство цилиндра четырехтактного бензинового двигателя воздушного охлаждения: 1 – впускной патрубок (подача топливно-воздушной смеси в цилиндр), 2 – стенка цилиндра (в данном случае ребристая с внешней стороны, для повышения охлаждаемой площади, поскольку цилиндр имеет воздушное охлаждение), 3 – поршень (возвратно-поступательным движением обеспечивает впуск смеси, ее сжатие, получение энергии и дальнейший вывод отработанных газов), 4, 5 – шатун и коленвал (преобразование возвратно-поступательного импульса в крутящий момент), 6 – свеча зажигания (дает искру, которая поджигает смесь), 7 – выхлопной патрубок (вывод отработанных газов), 8 – впускной и выпускной клапаны («открывают» цилиндр для входа смеси (впускной) и выхода отработанных газов (выпускной), герметизируют цилиндр во время сжатия и воспламенения. Следует отметить, что изображен лишь пример конструкции, но ее вариации могут быть значительными, к примеру цилиндры дизельных двигателей не имеют свечей зажигания, а если двигатель жидкостного охлаждения – отсутствуют «ребра», но присутствуют каналы для прогона охлаждающей жидкости и т.д. По количеству тактов (действия, происходящие поочередно в цилиндре двигателя) различают 3 типа двигателя – двухтактный, четырехтактный и шеститактный. Наиболее широко используемым является четырехтактный двигатель, четыре его такта показаны на схеме.
Коэффициент полезного действия самых современных поршневых двигателей не превышает 25-30%, т.е. реально около 70% всей энергии, получаемой во время сгорания топлива, превращается в тепло, которое необходимо выводить из двигателя. Система охлаждения очень важный компонент в силовой установке и во многом определяет ее характеристики. По типу вывода тепла (иначе охлаждения) двигатели подразделяются на воздушный и жидкостный тип.
И если в автомобилях воздушное охлаждение практически не используется, из-за своей низкой эффективности на малых скоростях и ее полного отсутствия при остановке, то в поршневой авиации двигатели воздушного охлаждения очень и очень широко используются, ведь имеют ряд преимуществ перед двигателями жидкостного охлаждения. А именно меньшая масса, соответственно большая удельная мощность и более простая, а значит и более надежная конструкция. Кроме того, из-за большой силы набегающего потока во время полета, эффективность охлаждения обычно достаточна для нормальной работы двигателя.
Большинство поршневых двигателей – многоцилиндровые, это необходимо для повышения мощности и общей их эффективности. В связи с этим их классифицируют по расположению цилиндров относительно коленвала. В пик своего развития, авиационные двигатели имели до 24 цилиндров, а некоторые, несерийные экземпляры и более. И основными, наиболее широко используемыми вариантами расположения цилиндров является V-образное, рядное и звездообразное.
Различить их нетрудно, ведь если смотреть спереди они и выглядят как буква V в первом случае, один ряд (колонна) – во втором случае, и звезда (или при наличии большого количества цилиндров - скорее блюдечко) в третьем. Традиционно два первых типа используют систему жидкостного охлаждения, в то время как последний – воздушного. Соответственно кроме вышеназванных преимуществ и недостатков двигателей по типу их охлаждения, можно еще добавить, что рядные двигатели компактные, могут быть установлены в перевернутом положении, но при наличии большого количества цилиндров, они получаются очень уж длинными.
V-образные имеют 2 цилиндра в ряду, соответственно они имеют в два раза меньшую длину, чем рядные, но зато менее компактны, хотя также могут быть установлены в перевернутом положении, имеют большее фронтальное сечение, а значит и большее лобовое сопротивление. Звездообразные, или радиальные двигатели, имеют цилиндры, распложенные вокруг коленвала, соответственно они наиболее громоздкие, имеют просто таки огромное фронтальное сечение и лобовое сопротивление, но благодаря этому могут эффективно охлаждаться набегающим потоком и имеют очень незначительные показатели длины.
Одним из основных факторов развития двигателестроения является перевод большей части двигателя на альтернативные виды топлива, в том числе замена легкого топлива на тяжелое.
Добыча и переработка, а также доставка к местам потребления и хранения дизельного топлива по сравнению с высококачественными светлыми нефтепродуктами проще и рентабельнее.
Дизельный двигатель в условиях эксплуатации значительно экономичнее бензинного.
Присущие быстроходным дизелям недостатки заключаются в следующем: производство их значительно сложнее, удельные веса больше, двигатели малооборотны, т.е. требуют при той же мощности затраты большего количества металла.
У дизельного двигателя степень сжатия находится в пределах 16-20 единицы по сравнению с 9-10 у бензиновых двигателей, что обеспечивает более высокий КПД. Кроме того, у дизеля регулирование рабочей смеси в основном качественное, т.е. вне зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки в цилиндры подается практически одинаковое количество воздуха, а количество используемого топлива увеличивается с нагрузкой. Но даже при полной мощности масса впрыскиваемого топлива в 1,5- 1,7 раза меньше, чем у бензинового двигателя такого же рабочего объема. Это означает, что действительная степень сжатия, т. е. давление и температура конца сжатия, не зависит от нагрузки, а рабочая смесь по сравнению с бензиновым двигателем всегда очень бедная. Эти факторы обеспечивают дизелю высокую эффективность сгорания и последующего расширения и на частичных нагрузочных режимах.
В условиях эксплуатации стабильность мощностных показателей и расхода топлива зависит в первую очередь от сопротивления воздухоочистителя, которое влияет на наполнение цилиндров воздухом (в том числе и двигателей с турбонаддувом), угла опережения впрыска топлива, давления начала подъема иглы форсунки (давления начала впрыска), качества распыла топлива форсунками, а также от характера (закона) подачи топлива топливным насосом высокого давления.
Следует отметить, что стабильность регулировочных параметров системы подачи топлива у дизельных двигателей выше, чем у бензиновых. Однако в процессе эксплуатации нужно строго контролировать качество очистки воздуха и топлива, а также исключить возможность перегрева двигателя, что незамедлительно повлияет на работу форсунок и поршневой группы.
Дизельные двигатели более долговечны, чем бензиновые, что объясняется более прочным и жестким выполнением блока цилиндров, коленчатого вала, деталей цилиндро-поршневой группы, головки блока цилиндров и применением дизельного топлива, которое в отличие от бензина в известной степени также является смазочным материалом.
К недостаткам дизельных двигателей следует отнести большую массу, меньшую литровую мощность, повышенный шум из-за высокого давления сгорания и затрудненный пуск при отрицательных температурах окружающего воздуха, особенно у автомобилей прошедших 100 000 км и более. В процессе эксплуатации изнашиваются плунжерные пары топливного насоса высокого давления, нарушается герметичность посадки иглы форсунки, что приводит на низких оборотах при пуске (70-90 оборотов в минуту) к плохому распылению топлива. В то же время в результате появившегося износа цилиндро-поршневой группы на такой частоте вращения заметно увеличивается прорыв сжимаемого воздуха в картер, а значит, давление и температура не достигают значений, необходимых для воспламенения распыленного топлива.
Звездообразные (радиальньные) двигатели позволяют компенсировать ряд недостатков присущих дизельным двигателям. Радиальные двигатели имеют небольшой вес при высокой мощности, поскольку на один кривошип коленчатого вала приходится несколько цилиндров, а картер достаточно компактен. Небольшое число движущихся деталей, возможность обеспечения воздушного охлаждения, повышают надежность и ремонтопригодность звездообразных двигателей.
В данной работе была предпринята попытка создать двигатель, который бы объединил лучшие качества дизельных и звездообразных двигателей.
В дипломном проекте поставлена задача разработки дизельного звездообразного двигателя для городского автобуса, исходя из поставленной задачи, была произведена патентная проработка.
Патентный поиск проводился с использованием фондов Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, а также по некоторым источникам зарубежных стран. Была произведен поиск по патентной документации за последние восемьдесят лет (1930 - 2010).
Работа радиального поршневого двигателя.
Привет, друзья!
Сегодня начинаем серию статей о конкретных типах авиационных двигателей. Первый движок, который удостоится нашего внимания – это . Он имеет полное право быть первым, потому что он – ровесник современной авиации. Один из первых самолетов, поднявшихся в воздух был Флайер-1 братьев Райт (я думаю вы читали об этом :-)). И на нем стоял поршневой двигатель авторской разработки, работавший на бензине.
Долгое время этот тип движка оставался единственным, и только в 40-е годы 20-го века началось внедрение двигателя совсем иного принципа действия. Это был турбореактивный двигатель . Из-за чего это произошло читайте . Однако поршневой движок, хоть и утратил свои позиции, но со сцены не сошел, и теперь в связи с достаточно интенсивным развитием так называемой малой авиации (или же авиации общего назначения) он просто получил второе рождение. Что же из себя представляет авиационный поршневой двигатель ?
Работа двигателя внутреннего сгорания (тот же рядный поршневой двигатель).
Как всегда:-)… В принципиальном плане ничего сложного (ТРД значительно сложнее:-)). По сути дела – это обычный двигатель внутреннего сгорания (ДВС ), такой же, как на наших с вами автомобилях. Кто забыл, что такое ДВС, в двух словах напомню. Это, попросту говоря, полый цилиндр, в который вставлен цилиндр сплошной, меньший по высоте (это и есть поршень). В пространство над поршнем в нужный момент подается смесь из топлива (обычно это бензин) и воздуха. Эта смесь воспламеняется от искры (от специальной электрической свечи) и сгорает. Добавлю, что воспламенение может происходить и без искры, в результате сжатия. Так работает всем известный дизельный двигатель . В результате сгорания получаются газы высокого давления и температуры, которые давят на поршень и заставляют его двигаться. Вот это самое движение и есть суть всего вопроса. Далее оно передается через специальные механизмы в нужное нам место. Если это автомобиль, значит на его колеса, а если это самолет, то на его воздушный винт. Таких цилиндров может быть несколько, точнее даже много:-). От 4-х до 24-х. Такое количество цилиндров обеспечивает достаточную мощность и устойчивость работы двигателя.
Еще одна схема работы одного ряда цилиндров.
Конечно авиационный поршневой двигатель только принципиально похож на обычный ДВС. На самом деле здесь обязательно присутствует авиационная специфика. выполнен из более совершенных и качественных материалов, более надежен. При той же массе, он значительно мощнее автомобильного. Обычно может работать в перевернутом положении, ведь для самолета (особенно истребителя или спортивного) пилотаж – обычное дело, а автомобилю это, естественно, не нужно.
Двигатель М-17, поршневой, рядный, V-образный. Устанавливался на самолеты ТБ-3 (конец30-хгодов 20 в.)
Двигатель М-17 на крыле ТБ-3.
Поршневые двигатели могут различаться как по количеству цилиндров, так и по их расположению. Бывают рядные двигатели (цилиндры в ряд) и радиальные (звездообразные ). Рядные двигатели могут быть однорядные, двухрядные, V-образные и т.д. В звездообразных цилиндры расположены по окружности (в виде звезды) и бывает их обычно от пяти до девяти (в ряду). Эти двигатели, кстати, тоже могут быть многорядными, когда цилиндры блоками стоят друг за другом. Рядные двигатели обычно имеют жидкостное охлаждение (как в автомашине:-), они и по виду больше похожи на автомобильные), а радиальные – воздушное. Они обдуваются набегающим потоком воздуха и цилиндры, как правило, имеют ребра для лучшего теплосъема.
Двигатель АШ-82, радиальный, двухрядный. Устанавливался на самолеты ЛА-5, ПЕ-2.
Самолет ЛА-5 с двигателем АШ-82.
Авиационные поршневые двигатели часто имеют такую особенность, как высотность. То есть с увеличением высоты, когда плотность и давление воздуха падают, они могут работать без потери мощности. Подвод топливно-воздушной смеси может осуществляться двумя способами. Здесь полная аналогия с автомашиной. Либо смесь готовится в специальном агрегате, называемом карбюратором и потом подается в цилиндры (карбюраторные двигатели), либо топливо непосредственно впрыскивается в каждый цилиндр в соответствии с количеством поступающего туда же воздуха. На автомобилях такого типа двигатели часто обзывают «инжекторными».
Современный поршневой радиальный двигатель ROTEC R2800.
Более мощный R3600 (большее количество цилиндров).
В отличие от обычного автомобильного ДВС, для самолетного поршневого движка не нужны громоздкие (ну и, естественно, тяжелые:-)) передаточные механизмы от поршней к колесам. Все эти оси, мосты, шестерни. Для самолета ведь вес очень важен. Здесь движение от поршня сразу через шатун передается на главный коленчатый вал, а на нем уже стоит вторая важная часть самолета с поршневым двигателем – воздушный винт . Винт – это, так сказать, самостоятельная (и очень важная) единица. В нашем случае он является «движителем» самолета, и от его корректной работы зависит качество полета. Винт – это не часть двигателя, но работают они в тесном сотрудничестве:-). Винт всегда подбирается или проектируется и рассчитывается под конкретный двигатель, либо же они создаются одновременно, так сказать комплектом:-).
Радиальный двигатель М-14П. Устанавливается на спортивные СУ-26, ЯК-55.
СУ-26 с двигателем М-14П.
Принцип работы винта – это достаточно серьезный (и не менее интересный:-)) вопрос, поэтому я решил выделить его в , а сейчас пока вернемся к «железу».
Я уже говорил, что сейчас поршневой авиационный двигатель опять «набирает обороты». Правда состав авиации использующей эти двигатели теперь другой. Соответственно изменился и состав применяемых двигателей. Тяжелые и громоздкие рядные движки практически отошли в прошлое. Современный поршневой двигатель (чаще всего) – радиальный с количеством цилиндров 7-9, с хорошей топливной автоматикой с электронным управлением. Один из типичных представителей этого класса, например, двигатель ROTEC 2800 для легких самолетов, создан и производится в Австралии (между прочим выходцами из России:-)). Однако о рядных двигателях тоже не забывают. Таков, например, ROTAX-912. Так же хорошо известен двигатель отечественного производства М-14П, который устанавливается на ЯК-55 и СУ-26.
Двигатель Rotax-912, рядный. Устанавливается на легкие спортивные самолеты Sports-Star Max
Спортивный самолет Sport-Star Max c двигателем Rotax-912.
Существует практика применения дизельных двигателей (как разновидность поршневых) в авиации, еще со времен войны. Однако широко этот двигатель пока не применяется из-за существующих проблем в разработке, в частности в области надежности. Но работы все равно ведутся, особенно в свете грядущего дефицита нефтепродуктов.
Вообще еще рано списывать со счетов:-). Ведь, как известно, новое – это хорошо забытое старое… Время покажет…
Известно, наверное, всем, кто имеет отношение к двигателям. На заре развития воздухоплавания их одними из первых стали устанавливаться на самолеты всех мыслимых схем. Таким вот был таким двигатель М11 (Рис.1) - первенец отечественного моторостроения.
Да и сегодня вся «кукурузная авиация» до сих пор летает на двигателях построенных по схеме - звезда. Классический пример: девятицилиндровый двигатель «М14-В26» (рис.2), он устанавливается на вертолетах серии КА.26 , и питается только низкооктановым бензином. Среди наиболее известных звездообразных двигателей необходимо особо отметить отечественный двигатель АШ-82 конструкции А.Д. Швецова (Рис.3), зарекомендовавший себя, как один из лучших авиадвигателей Великой Отечественной войны,… к сожалению, опыт постройки таких моторов уже полностью утрачен. А вместе с тем и полностью забыто, что еще в конце тридцатых годов прошлого века на этих, и им подобным двигателях, одними из первых в мире был осуществлен непосредственный впрыск легкого топлива в камеру сгорания.
Это та тема, которую сегодня средства массовой информации при активной поддержке моторостроительных фирм пытаются представить как новейшее достижение человеческой мысли начала ХХІ века... изобретено и внедрено у нас почти 80 лет назад! Из того, что сказано, уже можно сделать кое какие выводы: на самом деле только сегодня автомоторостроительная промышленность западных стран достигла уровня авиационной промышленности, существовавшей в нашей стране более полувека назад. Неплохо бы вспомнить, и где находится сегодня наш Автопром - он слепо следует в кильватере далеко не лучших производителей автомобилей. А ведь еще в 1962 году в ЦНИТА (Институт топливной аппаратуры) была разработана документация и изготовлены опытные образцы топливных насосов высокого давления для бензиновых двигателей, развивающих давление до 400 атмосфер. Все испытания впрысковых систем проводились на базе автомашины «Волга» М21. Как говорится, внедряй, не хочу…. По этим чертежам сорокалетней давности! уже в наши времена для наших «английских друзей» в ЦНИТА были изготовлены опытные партии насосов, наверное, для развития науки, только уже не отечественной. Сегодня же в системах топливоподачи всех затмила фирма «Bosch», почти все, даже лодочные двухтактные моторы оборудуются ее системами впрыска топлива. А мы до сих пор пользуемся в основном карбюраторами, доля же выпуска последних составляет в мире не более 7% от всего числа выпускаемых автомобилей. В эти проценты попадают только самые отсталые в техническом плане страны, такие как Россия, Румыния….
Другой пример. Старшее поколение должно помнить автомобиль ГАЗ 52 с форкамерным двигателем. На этом двигателе для своего времени были получены прекрасные результаты по снижению расхода топлива доходящего до 15 %, повышенный моторесурс цилиндропоршневой группы, и как в продолжение темы выпуск Газ 31 (Волга) с форкамерным двигателем. В серию двигатель пошел настолько обезображенный в угоду производственникам, что в наши дни о нем уже никто не вспоминает…, а кто и вспоминает, то только недобрыми словами.
На этом экскурс в историю мы закончим, так как сильно отклонились от первоначально заданной темы.
Любой звездообразный тип мотора при сопоставимых с рядным двигателем мощностях в полтора, а то и в два раза легче - и все это из-за особенностей его кинематической схемы. В двигателе при большом числе цилиндров (от трех до девяти) присутствует всего одна шатунная шейка.
Но, как и любой двигатель, он имеет свои ограничения, Звездообразные двигатели очень сложно эксплуатировать в наземном варианте, а в привычной комплектации их практически невозможно использовать на автомобилях. Надо учесть, что горизонтальное расположение коленчатого вала просто гипнотизирует конструкторов практически всех моторостроительных фирм. Этому способствует и незыблемость традиций, где продольно установленный двигатель, за которым стоят сцепление, коробка, кардан, дифференциал, колеса, считается непревзойденной классикой. Для переднеприводных машин в отличие от описанной только классической компоновки автомобиля все тоже самое, только двигатель располагается поперек автомобиля. Да и распространение на автомобилях переднеприводные схемы получили сравнительно недавно, в основном из-за стремления получить максимальный объем салона, как в микролитражных автомобилях, так и в автомобилях среднего класса. Хотя справедливости ради надо сказать, что первая самодвижущая паровая повозка Кюньо как раз и была переднеприводной. Раз уж начали перечислять компоновочные схемы автомобилей, то надо упомянуть и о заднемоторных автомобилях, их довольно многочисленное семейство появилось в тридцатые - сороковые годы 20 века из-за потребности в недорогих автомобилях - для семей с малым достатком. Эта схема обеспечивала самую благоприятную компоновку микроавтомобиля при минимальной его длине и весе, например по такой схеме собирался «Фольцваген - Жук», и наш «Запорожец». Сегодня этот класс автомобилей возрождается вновь, но уже с более высоким уровнем комфорта и конечно ценой. Казалось бы, больше и добавить нечего, да и какое отношение имеют звездообразные двигатели к автомобилям?
В наше время в условиях жесточайшей конкуренции автомобильных фирм в их нелегкой борьбе за покупателя основные предпочтения отдаются росту количества кнопок в салоне, скоро машину, на которой Вы ездите, можно будет, например, попросить почесать Вам спину, или приготовить салат из крабовых палочек. Открывая же капот автомобиля, редко увидишь под ним совершенно новый двигатель, обычная картина - какой нибуть модернизированный силовой агрегат, базовая версия которого была запущена на конвейер еще в пятидесятые годы прошлого века. Главный показатель - топливная экономичность автомобилей, достигается, прежде всего, за счет «всеобщей дизелизации» автопарка, снижения веса самого автомобиля путем широкого использования в нем пластмасс. Ну и оптимизация рабочего процесса двигателя с помощью всевозможных электронных следящих и управляющих систем. Сегодня уже почти все, даже дизельные версии двигателей управляются от бортового компьютера автомобиля. При выходе из строя, какого нибуть индуктивного датчика такой автомобиль без надлежащего сервиса становится со временем просто обузой для своего патрона. Для России с ее огромными просторами и бездорожьем, прежде всего, нужен автомобиль с минимальным количеством электроники. Механика, эта та область, в которой у нас разбирается каждый второй гражданин, вот с учетом такого «менталитета» и хотелось бы, что бы по дорогам нашей страны бегали автомобили, не уступающие лучшим зарубежным «аналогам», но с нашим национальным уклоном. Проектов отвечающих «нашим» требованиям достаточно много. Вот только один пример:
«Звездообразный дизельный двигатель с вертикальной осью вращения в моноблоке с коробкой передач и дифференциалом - основа трансмиссии легкового переднеприводного автомобиля, … например автомобиля Ока». (Рис.4). Такой, или ему подобный двигатель-трансмиссию мог бы спокойно освоить флагман отечественного дизелестроения - Санкт-Петербургский завод «Звезда». Ему это вполне по силам. Трехлучевая звезда прекрасно вписывается в объем моторного отсека. И для этого не надо перепрофилироваться, или искать, чем загрузить невостребованные мощности завода. Надо просто захотеть.
Да и надеяться все равно больше не на кого, уже фактически не существует головных институтов таких как, например ЦНИДИ (Центральный научно-исследовательский дизельный институт), который как раз и был призван для того, что бы своевременно решать подобные задачи. Сегодня во всем институте по пальцам пересчитать оставшихся специалистов, «старая школа» вся ушла, а нового поколения, увы, нет…и так по всей России. Конечно, подобные истории плохо увязываются с научными темами, но это тоже реалии нашего времени. Поступательное движение вперед возможно только тогда, когда известно на чем «замешена экономика», на которую приходится опираться. Остается только надеться, что здравый смысл, и в нашем вопросе, все равно победит и наступит то завтра, когда придет новое поколение специалистов, которое не будет сомневаться, в каком направлении развивать двигателестроение, в нем обязательно найдется место и звездообразным двигателям с вертикально установленным коленчатым валом.
Тем более, что при такой компоновке общий вес трансмиссии автомобиля снижается в 1.5-2.0 раза. Объединение в одном моноблоке двигателя, коробки передач и дифференциала, да еще с общей системой принудительной смазки (Рис 5) сделает эту схему четвертым типом трансмиссии от рождества…. автомобиля, но первой по своим потенциальным возможностям. Да и как иначе, вся трансмиссия может собираться по принципу матрешки, двигатель к коробке и дифференциалу можно крепить даже карабинами! Отличный доступ ко всем системам и агрегатам. Заглядывая под капот автомобиля с такой компоновкой можно также смело заглянуть и под двигатель,… слегка его приподняв! Ведь никого же не удивляет, что уже полвека все лодочные моторы строятся по схеме с вертикальным коленчатым валом, пора начинать осваивать и автомобили. Плоский как блин мотор отлично уместится под капотом автомобиля, оставляя много места для фантазии разработчикам передней подвески автомобилей.
На Рис.6 представлена одна из возможных компоновочных схем моторного отсека на базе звездообразного двигателя с несколько необычной комплектацией силового механизма и его вспомогательных систем. Для этой компоновки проработан принципиально новый тип газораспределения - посредством шторкового механизма, как разновидности гильзового газораспределения системы «Рикардо», сама же схема была «вымучена» автором на основе длительного анализа существующего положения вещей в этой области, и заслуживает отдельного разговора на эту тему.
В этом силовом механизме, в отличие от традиционной звезды количество шатунов превышает вдвое количество цилиндров. Необычность конструктивного решения продиктована соображениями обеспечения симметричности рабочего процесса по цилиндрам двигателя. Все существующие звездообразные моторы строятся по схеме с одним главным шатуном, на него навешиваются и все остальные шатуны, отсюда и их название - прицепные шатуны. Последнее обстоятельство накладывает определенные трудности по обеспечению рабочего процесса, как по его неравномерности вращения, так и уравновешиванию двигателя. Разработанную кинематическую схему можно отнести к классу двигателей только с прицепными шатунами, они обеспечивают центральной втулке плоскопараллельное вращение идеально подходящее для этого класса двигателей, нельзя скидывать со счетов и полную взаимозаменяемость деталей цилиндропоршневой группы. Сама же схема «звезда» позволяет при определенных условиях построить двигатель с переменной степенью сжатия, а изменения в силовой схеме двигателя будут при этом весьма и весьма незначительными.
Сегодня уже предпринимаются, в том числе и на западе первые робкие попытки построить двигатель с вертикально стоящим коленчатым валом на базе пока классических двигателей. Очень неплохие результаты можно получить по компоновке моторного отсека с оппозитными цилиндрами. Наконец, вертикально установленные бесшатунные двигатели отлично компонуются в моторном отсеке, как в оппозитном исполнении, так и построенные по схеме «крест».
Интересную разработку на эту тему предлагает и руководитель Минской творческой лаборатории - Владимир Голубев. В одном из его проектов, плоский двигатель - "шайба", предолагается устанавливать на автомобили аналогично, с вертикальным коленчатым валом. Далее как и обычно следует сцепление, планетарная коробка передач и главная передача. В своей разработке Автор опирался на опыт фирмы "Guiberson", строившей для американской армии с 1942 года легкие танки с трехсотсильными звездообразными двигателями воздушного охлаждения.
Хотя, если еще немного глубже заглянуть в историю, то можно вспомнить, что звездообразные двигатели прилаживали до этого еще и на автомобили, и порой вполне успешно. Так еще в 1935 году был построен гоночный автомобиль "Trossi-monako", где впервые в мире под руководством президента компании Карло Феличе Тросси (Karlo Felice Trossi) в переднем свесе автомобиля установили 16-цилиндровый звездообразный двигатель. Однако поставили его почему-то как и всегда горизонтально.
Нам же, рядовым пользователям дорог и интернета, простым автолюбителям остается только надеяться на то, чтобы пробить брешь в сознании « наших» автопроизводитетелей, которые надеемся, когда нибуть начнут выпускать современные, в том числе и «звездные» автомобили, не пытаясь при этом догнать запад.
Работа радиального поршневого двигателя.
Привет, друзья!
Сегодня начинаем серию статей о конкретных типах авиационных двигателей. Первый движок, который удостоится нашего внимания – это . Он имеет полное право быть первым, потому что он – ровесник современной авиации. Один из первых самолетов, поднявшихся в воздух был Флайер-1 братьев Райт (я думаю вы читали об этом здесь ). И на нем стоял поршневой двигатель авторской разработки, работавший на бензине.
Долгое время этот тип движка оставался единственным, и только в 40-е годы 20-го века началось внедрение двигателя совсем иного принципа действия. Это был турбореактивный двигатель. Из-за чего это произошло читайте тут. Однако поршневой движок, хоть и утратил свои позиции, но со сцены не сошел, и теперь в связи с достаточно интенсивным развитием так называемоймалой авиации (или же авиации общего назначения) он просто получил второе рождение. Что же из себя представляет авиационный поршневой двигатель ?
Работа двигателя внутреннего сгорания (тот же рядный поршневой двигатель).
Как всегда … В принципиальном плане ничего сложного (ТРД значительно сложнее ). По сути дела – это обычный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), такой же, как на наших с вами автомобилях. Кто забыл, что такое ДВС, в двух словах напомню. Это, попросту говоря, полый цилиндр, в который вставлен цилиндр сплошной, меньший по высоте (это и есть поршень). В пространство над поршнем в нужный момент подается смесь из топлива (обычно это бензин) и воздуха. Эта смесь воспламеняется от искры (от специальной электрической свечи) и сгорает. Добавлю, что воспламенение может происходить и без искры, в результате сжатия. Так работает всем известный дизельный двигатель. В результате сгорания получаются газы высокого давления и температуры, которые давят на поршень и заставляют его двигаться. Вот это самое движение и есть суть всего вопроса. Далее оно передается через специальные механизмы в нужное нам место. Если это автомобиль, значит на его колеса, а если это самолет, то на его воздушный винт. Таких цилиндров может быть несколько, точнее даже много . От 4-х до 24-х. Такое количество цилиндров обеспечивает достаточную мощность и устойчивость работы двигателя.
Еще одна схема работы одного ряда цилиндров.
Конечно авиационный поршневой двигатель только принципиально похож на обычный ДВС. На самом деле здесь обязательно присутствует авиационная специфика. Двигатель самолета выполнен из более совершенных и качественных материалов, более надежен. При той же массе, он значительно мощнее автомобильного. Обычно может работать в перевернутом положении, ведь для самолета (особенно истребителя или спортивного) пилотаж – обычное дело, а автомобилю это, естественно, не нужно.
Двигатель М-17, поршневой, рядный, V-образный. Устанавливался на самолеты ТБ-3 (конец30-хгодов 20 в.)
Двигатель М-17 на крыле ТБ-3.
Поршневые двигатели могут различаться как по количеству цилиндров, так и по их расположению. Бывают рядные двигатели (цилиндры в ряд) и радиальные(звездообразные). Рядные двигатели могут быть однорядные, двухрядные, V-образные и т.д. В звездообразных цилиндры расположены по окружности (в виде звезды) и бывает их обычно от пяти до девяти (в ряду). Эти двигатели, кстати, тоже могут быть многорядными, когда цилиндры блоками стоят друг за другом. Рядные двигатели обычно имеют жидкостное охлаждение (как в автомашине , они и по виду больше похожи на автомобильные), а радиальные – воздушное. Они обдуваются набегающим потоком воздуха и цилиндры, как правило, имеют ребра для лучшего теплосъема.
Двигатель АШ-82, радиальный, двухрядный. Устанавливался на самолеты ЛА-5, ПЕ-2.
Самолет ЛА-5 с двигателем АШ-82.
Авиационные поршневые двигатели часто имеют такую особенность, как высотность. То есть с увеличением высоты, когда плотность и давление воздуха падают, они могут работать без потери мощности. Подвод топливно-воздушной смеси может осуществляться двумя способами. Здесь полная аналогия с автомашиной. Либо смесь готовится в специальном агрегате, называемом карбюратором и потом подается в цилиндры (карбюраторные двигатели), либо топливо непосредственно впрыскивается в каждый цилиндр в соответствии с количеством поступающего туда же воздуха. На автомобилях такого типа двигатели часто обзывают «инжекторными».
Современный поршневой радиальный двигатель ROTEC R2800.
Более мощный R3600 (большее количество цилиндров).
В отличие от обычного автомобильного ДВС, для самолетного поршневого движка не нужны громоздкие (ну и, естественно, тяжелые ) передаточные механизмы от поршней к колесам. Все эти оси, мосты, шестерни. Для самолета ведь вес очень важен. Здесь движение от поршня сразу через шатун передается на главный коленчатый вал, а на нем уже стоит вторая важная часть самолета с поршневым двигателем – воздушный винт. Винт – это, так сказать, самостоятельная (и очень важная) единица. В нашем случае он является «движителем» самолета, и от его корректной работы зависит качество полета. Винт – это не часть двигателя, но работают они в тесном сотрудничестве . Винт всегда подбирается или проектируется и рассчитывается под конкретный двигатель, либо же они создаются одновременно, так сказать комплектом .
Радиальный двигатель М-14П. Устанавливается на спортивные СУ-26, ЯК-55.
СУ-26 с двигателем М-14П.
Принцип работы винта – это достаточно серьезный (и не менее интересный ) вопрос, поэтому я решил выделить его в отдельную статью, а сейчас пока вернемся к «железу».
Я уже говорил, что сейчас поршневой авиационный двигатель опять «набирает обороты». Правда состав авиации использующей эти двигатели теперь другой. Соответственно изменился и состав применяемых двигателей. Тяжелые и громоздкие рядные движки практически отошли в прошлое. Современный поршневой двигатель (чаще всего) – радиальный с количеством цилиндров 7-9, с хорошей топливной автоматикой с электронным управлением. Один из типичных представителей этого класса, например, двигатель ROTEC 2800 для легких самолетов, создан и производится в Австралии (между прочим выходцами из России ). Однако о рядных двигателях тоже не забывают. Таков, например, ROTAX-912. Так же хорошо известен двигатель отечественного производства М-14П, который устанавливается на спортивные самолетыЯК-55 и СУ-26.
Двигатель Rotax-912, рядный. Устанавливается на легкие спортивные самолеты Sports-Star Max
Спортивный самолет Sport-Star Max c двигателем Rotax-912.
Существует практика применения дизельных двигателей (как разновидность поршневых) в авиации, еще со времен войны. Однако широко этот двигатель пока не применяется из-за существующих проблем в разработке, в частности в области надежности. Но работы все равно ведутся, особенно в свете грядущего дефицита нефтепродуктов.
Поршневой авиационный двигатель вообще еще рано списывать со счетов . Ведь, как известно, новое – это хорошо забытое старое… Время покажет…
