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…
Поршневой двигатель воздушного охлаждения М-62 разработан в ОКБ А.Д.Швецова в 1933 году. За основу был взят американский двигатель Wright «Cyclone» R-1820 F3. В конструкции применён ряд оригинальных решений: двухдемпферный коленчатый вал, элестичная шестерня газораспределения, боковое уплотнение главного шатуна, фланкирование зуба неподвижной шестерни редуктора (на АШ-62ИР). Серийное производство организовано в 1937 году на заводе № 19 в Перми, позже - на Воронежском механическом заводе. М-62 (АШ-62) представляет собой поршневой, 9-цилиндровый, однорядный, звездообразный двигатель. Охлаждение воздушное. Карбюратор типа АКМ-62ИРА оснащён автоматической регулировкой высотного газа. Запуск двигателя осуществляется от электростартера РИМ-У-24ИР или вручную путём раскрутки маховика стартера. Вал двигателя вращается по часовой стрелке, если смотреть со стороны задней крышки картера. В качестве топлива используется авиационный бензин марки Б-70 (Б-91). Топливо подаётся топливным насосом типа БНК-12БК. Зажигание осуществляется от магнето типа БСМ-9. Для смазки применяется моторное масло марок МК-22, МС-20. Двигатель АШ-62ИР снабжён планетарным редуктором со степенью редукции 11:16. Двигатель АШ-62ИР стал самой массовой модификацией М-62: всего было построено более 3500 моторов. Начиная с 1942 года, АШ-62ИР стал единственной модификацией М-62, находящейся к тому времени в производстве. Двигатель имел 12 серий и достиг ресурса в 600 часов. Модификация АШ-62ИР выпускалась по лицензии в Китае (HS5) - не менее 2600 экз. и в Польше (ASz-62) - 25106 экз. До сих пор эксплуатируется на самолёте Ан-2. Мотор серийно производился в СССР и России более 50 лет. Модификации двигателя: М-62 (АШ-62) - базовый. Применялся на самолётах И-153, И-16 (типы 18 и 27), И-207, КОР-2 (Бе-4), Р-10 (ХАИ-5), ХАИ-52. АШ-62ИР - редукторный. Разработан в 1938 году. Применялся на Ан-2, Ли-2, ГСТ, ПС-35, БШ-1. АШ-62М - доработанный. Применялся на Ан-2М. М-62Р - высотный. Отличался 2 турбокомпрессорами ТК-19. HS-5 - китайский вариант АШ-62ИР. Выпускается на авиаремонтном заводе в Сучжоу. Изготовлено не менее 2600 двигателей. ASz-62 - польский вариант, выпущено 25106 двигателей. Технические характеристики: Длина, мм: 1328 Диаметр, мм: 1380 Количество цилиндров: 9 Рабочий объем цилиндров, л: 29,87 Степень сжатия: 6,4 Сухой вес, кг: 560 Мощность на взлетном режиме, л.с.: 1000 Мощность у земли, л.с.: 820 Мощность на высоте 1500 м, л.с.: 840 Удельный расход топлива, г/(л.с. час), -эксплуатационный: 260-290 -земной номинальный: 280-300 -высотный номинальный: 280-300 -взлетной мощности: не менее 300 Частота вращения, об/мин: 2200 Расход масла: 4% от расхода топлива Турбонаддув: крыльчатый нагнетатель Плюсы и минусы радиального поршневого двигателя. К единственному недостатку таких двигателей относят возможность попадания масла в нижние цилиндры двигателя при стоянке самолета. Это может привести к мгновенному гидроудару и соответственно к поломке всего кривошипно-шатунного механизма. Чтобы избежать подобного срача, перед запуском двигателя, постоянно необходимо проверять нижние цилиндры на отсутствие в них масла. Из плюсов радиального двигателя стоит отметить его сравнительно небольшие размеры, простоту в эксплуатации и приличную мощность (часто устанавливают на спортивные самолеты).
Устройство и принцип работы звездообразного двигателя - видео
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ НА САЙТЕДвигатель ЗМЗ 4062.10 выпускался в нескольких вариантах и комплектациях. Силовой агрегат имеет высокие технические характеристики, но при этом достаточно простой в ремонте и обслуживании. Наиболее частыми проблемами становятся выход со строя термоста... Двигатель ВАЗ 11183 представляет собой продукт модернизации известного мотора 2111. Как и все предшествующие модели, двигатель ВАЗ 11183 – это классический четырехтактный, рядный, 4-х цилиндровый силовой агрегат с верхним расположением распределитель... Все модификации дизельного двигателя «Д-245» Минского моторного завода – это 4-х тактные поршневые четырехцилиндровые моторы. Расположение цилиндров в них рядное, вертикальное, впрыск дизтоплива непосредственный, с воспламенением от сжатия. Первонач... Мой хороший знакомый, очень уважаемый мною моторист и бывший мотогонщик когда то сказал фразу о двухтактном моторе, которая мне очень запомнилась: "Жизнь двухтактного мотора как у бабочки, очень яркая, но недолгая". Эта фраза мне вспомнилась после то... |
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.
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.
Долгое время, с конца XIX века и до середины XX, поршневой авиационный двигатель оставался единственным мотором, который обеспечивал полеты самолетов. И только в сороковых годах прошлого века он уступил свое место двигателям с иными принципами работы - турбореактивным. Но, несмотря на то, что поршневые моторы и утратили свои позиции, они не исчезли со сцены.
Современные области применения поршневых моторов
В настоящее время авиационные поршневые двигатели применяют в основном на спортивных самолетах, а также на малых летательных аппаратах, изготовленных по персональным заказам. Одной из главных причин того, что моторы этого типа используются крайне мало, является то, что соотношение единицы мощности к единице массы поршневого двигателя существенно меньше по сравнению с газотурбинными. Поршневые по скоростным показателям не выдерживают никакой конкуренции с иными моторами, применяемыми в авиастроении. Более того, КПД их не превышает 30 %.
Виды поршневых авиамоторов
Поршневые авиационные двигатели имеют различия в основном по порядку расположения цилиндров по отношению к коленвалу. Вследствие этого имеется достаточно большое количество разнообразных видов поршневых моторов. Наиболее широкое применение получили следующие:
- двигатели, у которых V-образное расположение цилиндров;
- поршневой радиальный двигатель, где цилиндры расположены звездообразно;
- оппозитный двигатель, у него цилиндры располагаются рядно.
Двигатели с V-образным расположением цилиндров
Они являются самыми известными и применяемыми типами в авиастроении и не только. Их название связано с характерным расположением цилиндров по отношению к коленвалу. При этом они имеют различный уровень наклона по отношению друг другу. Он может составлять от 10 до 120 градусов. Такие моторы работают по тем же принципам, как и иные двигатели внутреннего сгорания.
К достоинствам двигателей с V-образным расположением цилиндров относится относительная их компактность при сохранении мощностных показателей, а также возможность получать приличный крутящий момент. Конструкция позволяет достигать значительных ускорений вала вследствие того, что инерция, создаваемая при работе, значительно выше, чем у иных типов двигателей внутреннего сгорания. По сравнению с другими типами, эти отличаются наименьшей высотой и длиной.
Моторы этого вида имеют высокую жесткость коленвала. Это обеспечивает большую конструктивную прочность, что увеличивает сроки службы всего двигателя. Рабочие частоты таких моторов отличаются большими диапазонами. Это позволяет быстро набирать обороты, а также устойчиво работать на предельных режимах.
К недостаткам поршневых авиационных двигателей с V-образным мотором относят сложность их конструкции. Вследствие этого они стоят значительно дороже других типов. Более того, они отличаются достаточно большой шириной двигателя. Также V-образные моторы характеризуются высоким уровнем вибрации, сложностями при балансировке. Это приводит к тому, что приходится специально утяжелять различные их части.
Радиальный авиационный поршневой двигатель
В настоящее время радиальные опять стали востребованы в авиации. Они активно применяются в спортивных моделях самолетов, либо в изготовленных по персональным заказам. Все они малых размеров. Устройство авиационного поршневого двигателя радиального вида, в отличие от иных моторов, заключается в том, что его цилиндры расположены вокруг коленвала через равные углы, как радиальные лучи (звездочки). Это и дало ему название - звездообразный. Такие моторы оборудуются выхлопной системой, которая расходится радиальными лучами. Более того, двигатель этого типа может иметь несколько звезд - отсеков. Это возможно вследствие того, что коленвал увеличивают в длину. Как правило, радиальные двигатели изготавливают с нечетным количеством цилиндров. Это позволяет подавать искру в цилиндр через один. Но делают и радиальные моторы с четным числом цилиндров, однако их количество должно быть больше двух.
Самым большим недостатком двигателей радиального типа является возможность проникновения масла к нижним цилиндрам мотора, когда самолет находится на стоянке. Эта проблема достаточно часто приводит к возникновению мгновенного гидроудара, что влечет поломку всего кривошипно-шатунного механизма. Для недопущения таких проблем перед пуском мотора требуется постоянная проверка состояния нижних цилиндров на предмет отсутствия проникновения к ним масла.
К достоинствам двигателей радиального типа относят их малые габариты, простоту эксплуатации и приличную мощность. Обычно их устанавливают на моделей.
В настоящее время оппозитные авиационные моторы начинают переживать свое второе рождение. Вследствие того, что они обладают небольшими размерами и сравнительно малым весом, их ставят на легкие спортивные самолеты. Они способны развивать достаточную мощность и обеспечивают очень высокие скорости.
Оппозитные двигатели имеют несколько типов конструкций:
1. Мотор, изготовленный по методу «боксер» (Subaru). В таких двигателях поршни цилиндров, расположенных против друг друга, двигаются равноудалено. Это приводит к тому, что в каждом цикле один находится в верхней мертвой точке, а противоположный - в нижней.
2. Двигатели, снабженные устройством ОРОС (Opposed Piston Opposed Cylinder). В таких моторах цилиндры по отношению к коленвалу, расположены горизонтально. В каждом из них находится по два поршня, которые при работе двигаются навстречу. Дальний поршень связан с коленвалом специальным шатуном.
3. Двигатель, сделанный на основании принципа, примененного в советском В таком изделии поршни передвигаются навстречу друг другу, работая попарно в каждом отдельном цилиндре. При достижении обоих поршней верхней мертвой точки между ними впрыскивается топливо. Двигатели такой разновидности могут функционировать на горючем различных видов, от керосина до бензина. Для увеличения мощности оппозитных моторов их снабжают турбонаддувом.
Главное достоинство в двигателях оппозитного типа - это компактность, малые габариты. Их можно применять на самолетах очень маленьких размеров. Мощность их достаточно высока. В настоящее время они находят все большее распространение в спортивных летательных аппаратах.
В качестве основного недостатка отмечается высокий расход топлива и особенно моторного масла. По отношению к двигателям других типов оппозитные моторы расходуют горюче-смазочные материалы в два раза больше. Они требуют постоянной замены масла.
Современные авиадвигатели
Современные поршневые авиационные двигатели - это очень сложные системы. Они оснащены современными узлами и агрегатами. Их работу обеспечивают и контролируют современные системы и приборы. Вследствие применения передовых технологий весовая характеристика двигателя существенно снижена. Мощности их возросли, что способствует широкому применению в легкомоторной - спортивный авиации.
Авиационные масла
Масло в поршневых авиационных двигателях работает в достаточно сложных условиях. Это высокие температуры в зонах поршневых колец, на внутренних частях поршней, на клапанах и иных узлах. Поэтому для качественного обеспечения работы мотора в условиях значительных температур, давления, нагрузок, в них используют высоковязкие масла, которые подвергают специальной очистке. Они должны обладать высокой смазочной способностью, оставаться нейтральными к металлам и иным конструктивным материалам двигателя. Авиационные масла для поршневых моторов должны быть стойкими к окислению при воздействии высоких температур, не терять своих свойств при хранении.
Отечественные поршневые авиационные моторы
История производства поршневых моторов в России начинается с 1910 года. Массовый выпуск начался в годы Первой мировой войны. В Советском Союзе советские поршневые авиационные двигатели собственной конструкции стали создавать с 1922 года. С ростом промышленного производства, в том числе авиационного, страна стала массово выпускать поршневые моторы 4-х производителей. Это были двигатели В. Климова, А. Швецова, завода № 29, А. Микулина.
После войны начинается процесс модернизации авиации СССР. Проектируются и создаются авиадвигатели для новых самолетов. Активно развивается реактивное самолетостроение. В 1947 году вся военная авиация, работающая на высоких скоростях, переходит на реактивную тягу. Поршневые авиадвигатели применяются только на учебных, спортивных, пассажирских и военно-транспортных самолетах.
Самый большой поршневой авиадвигатель
Самый мощный поршневой авиационный двигатель был создан в США В 1943 году. Он назывался Lycoming XR-7755. Это был мотор с тридцатью шестью цилиндрами. Его рабочий объем составляла 127 литров. Он был способен развить мощность в 5000 лошадиных сил. Предназначался для самолета Convair B-36. Однако в серию не пошел. Был создан в двух экземплярах, в качестве прототипов.