Первый самолёт появился именно благодаря созданию двигателя. Таким двигателем, позволившим впервые в истории человечества осуществить реальный пилотируемый полёт, был поршневой двигатель внутреннего сгорания (привычное сокращение: ДВС). В 1903 году был выполнен первый в мире управляемый полёт самолёта «Флайер» братьев Орвилла и Уилбура Райт. А мотор для этого самолёта построил конструктор Чарльз Тейлор — первый в мире авиамеханик.
История создания и принцип работы поршневого мотора
Изобретатели предприняли множество безуспешных попыток создать двигатель, в котором топливо сжигалось бы не вне рабочего объема машины (цилиндров), как у паровых машин, а внутри его. Это должно было резко повысить КПД тепловой машины.
Но только в 1860 году французскому инженеру бельгийского происхождения Этьену Ленуару[1] удалось создать работоспособный двухтактный двигатель внутреннего сгорания с водяным охлаждением, работающий на светильном газе, который применялся в промышленности.
Двигатель Этьена Ленуара
Заметное улучшение характеристик ДВС произошло во второй половине 1870-х, когда немецкий предприниматель, изобретатель-самоучка Николаус Отто создал свой поршневой двигатель. Новинкой стало то, что рабочая смесь перед зажиганием сжималась, а её воспламенение производилось в крайнем верхнем положении поршня.
Изготовленный таким образом двигатель назвали четырехтактным, т. к. процесс в нём совершался в течение четырех ходов поршня:
- I такт: впуск — поршень движется в цилиндре вниз, втягивая воздух и топливо через открытый впускной клапан.
- II такт: сжатие — впускной и выпускной клапаны закрыты, поршень движется в цилиндре вверх, сжимая топливовоздушную смесь.
- III такт: рабочий ход (расширение) — когда поршень в такте сжатия приближается к верхней мертвой точке, система зажигания дает искру на свечах. При этом топливовоздушная смесь поджигается и в процессе сгорания быстро расширяется. Создаваемое расширением давление толкает поршень вниз, а поршень, двигаясь к нижней мертвой точке, вращает коленчатый вал, передающий усилие на воздушный винт.
- IV такт: выпуск — когда поршень достигает нижней мертвой точки, открывается выпускной клапан. Затем поршень снова идет вверх, выталкивая продукты сгорания топливовоздушной смеси из цилиндра.
Схема четырёхтактного двигателя
Одинаковые такты проходят в цилиндрах не одновременно, а последовательно, чтобы в каждый момент времени как минимум один поршень совершал рабочий ход.
Николаус Отто создал в Кёльне завод газовых двигателей Deutz-AG (1872), техническим директором которого стал Готтлиб Даймлер, а главным конструктором — Вильгельм Майбах.
Инженер Карл Бенц, независимо от Отто, Даймлера и Майбаха, создал первый в мире двухтактный бензиновый двигатель — первая модель двигателя была изготовлена в 1878 года, а в 1879 году получен патент.
В 1890 году Даймлер организовал компанию Daimler Motoren Gesellschaft (DMG) по производству небольших мощных двигателей для использования на земле, в воздухе и на воде. Вот почему мы видим на современном логотипе компании Mercedes-Benz трёхлучевую звезду.
Конструкторы Даймлер и Майбах предположили, что топливом для их двигателя должен быть продукт перегонки нефти. В 19 веке таких продуктов было три: масло, керосин и бензин. В качестве топлива был избран наиболее легко воспламеняющийся бензин, который в основном применялся для чистки одежды и продавался в аптеках.
Даймлер и Майбах сконструировали свой первый двигатель в конце 1885 года. В нём было применено особое устройство — карбюратор, в котором бензин испарялся, пары смешивались с воздухом и поступали в цилиндр двигателя.
Первые немецкие конструкторы поршневых двигателей
В Российской империи тоже были свои изобретатели и конструкторы: лейтенант флота Евгений Александрович Яковлев основал в Санкт-Петербурге «Первый русский завод керосиновых и газовых двигателей Е. А. Яковлева».
В 1889 году был изготовлен первый двигатель внутреннего сгорания конструкции Яковлева, работающий на жидком топливе. Все моторы он конструировал сам. В 1893 году двигатели Яковлева были удостоены премии на выставке в Чикаго. Выставочный комитет наградил завод и его владельца бронзовой медалью и почетным дипломом выставки.
Двигатели Е. А. Яковлева поставлялись не только на внутренний рынок, но и за границу. На своем заводе Евгений Александрович старался использовать только отечественное сырье и материалы, хотя не всегда это получалось. Так, из-за того, что российские аналоги не подходили по технологии, уголь и кокс пришлось покупать в Англии.
Наименованием завода «Первый русский» Яковлев хотел показать, что Россия может производить двигатели не хуже, чем в Европе.
Первый в России авиационный многоцилиндровый бензиновый двигатель с водяным охлаждением построил капитан русского флота Огнеслав Степанович Костович.
В оппозитном 80-сильном двигателе конструкции Костовича с горизонтальным размещением цилиндров впервые использовалось электрическое зажигание. К 1883 году двигатель был построен, его испытания и доводка продолжались до 1885 года.
Двигатель Огнеслава Костовича
В начале XX века отдельные российские фирмы брались за разработку и изготовление авиадвигателей собственной конструкции (заводы Лесснера в Петербурге, завод «Мотор» и АО «Русско-Балтийский вагонный завод» в Риге). Известны проекты многих российских инженеров-изобретателей (Ф. Р. Гешвенда, С. С. Неждановского, Б. Г. Луцкого, П. Д. Кузьминского, В. В. Киреева, С. В. Гризодубова, А. Г. Уфимцева, А. В. Нестерова, А. А. Пороховщикова и других, однако дальше изготовления опытных образцов они не были реализованы. Эти опытные конструкции отечественных двигателистов мы постараемся рассмотреть в следующих материалах.
Оригинальные авиадвигатели русских конструкторов (слева-направо): верхний ряд — моторы А.Г. Луцкого, С.В. Гризодубова, нижний ряд — биротативный мотор А.Г. Уфимцева, двигатель А.В. Нестерова.
В этот период авиадвигателестроение в России было сосредоточено на следующих заводах:
- «Мотор» в Риге (в 1909, а с 1915 в Москве);
- «Гном-Рон» в Москве (с 1912);
- «Сальмсон» в Москве (с 1915);
- «Русский Рено» в Петрограде (с 1914 г., этот завод до 1917 года производил автомобильные моторы);
- Авиационное отделение «Русско-Балтийского Вагонного завода» в Петрограде (с 1915);
- АО Ильина в Москве (1916),
- «Дюфлон и Константинович» (ДЕКА – с 1916 г.) в Александровске[2].
На всех русских моторных заводах выпускались двигатели зарубежных конструкций: «Райт», «Гном», «Рон», «Рено» и др. Только Теодор Калеп смог на заводе «Мотор» выпустить несколько моторов собственной конструкции, имевших характеристики лучше зарубежных, однако их производство пришлось сократить из-за ориентации правительства на зарубежные образцы.
Как отмечалось выше, в 1903 году был выполнен первый в мире полёт самолёта «Флайер» братьев Райт, с двигателем конструктора Чарльза Тейлора.
Авиадвигатель для первого самолета «Фрайер» братьев Райт — принцип работы.
Это был ДВС с водяным охлаждением, однорядный четырехцилиндровый с алюминиевым блоком цилиндров. Диаметр и ход поршня — четыре дюйма. Коленчатый вал — алюминиевый, шатуны были изготовлены из труб.
Таким образом, во второй половине XIX века, благодаря изобретениям Отто и Даймлера, было положено начало широкому применению ДВС в летательных аппаратах тяжелее воздуха.
Конструкция поршневого ДВС
Основные элементы ДВС
Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих основных элементов:
- поршень — возвратно-поступательным движением обеспечивает впуск смеси, ее сжатие, получение энергии и дальнейший вывод отработанных газов;
- поршневые кольца выполняют функцию уплотнителей;
- шатун и коленчатый вал осуществляют преобразование возвратно-поступательного импульса в крутящий момент;
- поршневой палец обеспечивает шарнирное соединение поршня и шатуна;
- впускной и выпускной клапаны открывают цилиндр для входа смеси (впускной] и выхода отработанных газов (выпускной), герметизируют цилиндр во время сжатия и воспламенения;
- топливная форсунка обеспечивает распыл топлива;
- свеча зажигания создает искру, которая поджигает топливовоздушную смесь;
- блок цилиндров — силовой корпус, объединяющий цилиндры и обеспечивающий их охлаждение.
Сгорание топлива в поршневом двигателе осуществляется в цилиндрах, где поджигается смесь топлива и воздуха, под действием давления получившихся газов происходит поступательное движение поршня. Образовавшаяся при этом тепловая энергия превращается в механическую. Это движение поршня, в свою очередь, преобразуется во вращательное движение коленчатого вала двигателя через шатун, являющийся связующим звеном между цилиндром с поршнем и коленчатым валом.
Коэффициент полезного действия современных поршневых двигателей не превышает 25-30%, то есть большая часть энергии, получаемой при сгорании топлива, превращается в тепло, которое необходимо отводить из двигателя. Эту функцию выполняет система охлаждения.
Схемы двигателей со временем усложнялись, появились моторы 4-, 6-, 8-цилиндровые; рядные и V-образные; с жидкостным охлаждением[3] или воздушным[4].
Мощность зависела в основном от объёма цилиндров. Но с увеличением объёма цилиндров (или их количества) росла масса двигателя.
Классификация поршневых авиадвигателей
Авиационные поршневые двигатели могут быть классифицированы по различным признакам.
В зависимости от рода применяемого топлива — на двигатели легкого или тяжелого топлива.
По способу смесеобразования — на двигатели с внешним смесеобразованием (карбюраторные) и с внутренним смесеобразованием (непосредственный впрыск топлива в цилиндры).
В зависимости от способа воспламенения смеси — на двигатели с принудительным зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия.
В зависимости от числа тактов — на двухтактные и четырехтактные.
В зависимости от способа охлаждения — на двигатели жидкостного и воздушного охлаждения.
По числу цилиндров — на четырехцилиндровые, пятицилиндровые, двенадцатицилиндровые и т. д.
В зависимости от расположения цилиндров — на рядные (с расположением цилиндров в ряд) и звездообразные (с расположением цилиндров по окружности).
Рядные двигатели, в свою очередь, подразделяются на однорядные, двухрядные V-образные, трехрядные W-образные, четырехрядные Н-образные или Х-образные. Звездообразные двигатели также бывают однорядные, двухрядные и многорядные.
По характеру изменения мощности в зависимости от изменения высоты двигатели подразделяются на высотные, то есть сохраняющие мощность с подъемом самолета на высоту, и невысотные, мощность которых падает с увеличением высоты полета.
По способу привода воздушного винта — на двигатели с прямой передачей на винт и редукторные двигатели.
Поршневые двигатели работают по циклу периодического действия.
Поршневые двигатели воздушного охлаждения имеют преимущества перед двигателями жидкостного охлаждения: меньшая масса, соответственно, большая удельная мощность и более простая, а значит, и более надежная конструкция, высокая эффективность охлаждения. Для лучшего обдува цилиндров воздухом их располагают в виде звезды. Каждый цилиндр отделен от остальных и доступен для ремонта и обслуживания.
В 1909 году Луисом и Лораном Сеген был создан ротативный двигатель «Гном», получивший широкое распространение и применение самолётах времён Первой мировой войны.
В этом звездообразном двигателе вокруг неподвижного коленчатого вала вращался блок цилиндров.
Преимущества ротативных авиадвигателей: в таких двигателях нет необходимости в установке противовесов. Цилиндры постоянно находятся в движении, что создает хорошее воздушное охлаждение. Можно отказаться от применения маховика, т. к. вращающиеся цилиндры и поршни создают вращающийся момент.
Недостатки: отнести плохое маневрирование самолёта, обусловленное гироскопическим эффектом, создаваемым большой вращающейся массой двигателя, а также плохую систему смазки, поскольку инерционные силы заставляют смазочное масло скапливаться на периферии двигателя. Масло приходилось смешивать с топливом для обеспечения надлежащего смазочного эффекта.
Такая конструкция была проще, но самолеты возвращались из полета покрытые толстым слоем касторового масла, которое во время работы такого двигателя разлеталось от вращающегося блока, щедро разбрасывая капли даже на лётчиков. К тому же на вращающиеся цилиндры действовали большие инерционные нагрузки.
Более поздние двигатели содержали привычный неподвижный блок цилиндров и вращающийся коленчатый вал. Но радиальное расположение имело и свои недостатки: высокое лобовое сопротивление и сложность обслуживания двигателя.
Основные типы поршневых двигателей
В истории авиации мотор никогда не был так популярен, как самолёт: широко известны, например, самолёты Первой мировой войны «Фоккер D-7», «СПАД 13», «Бристоль F.2B», но редко слышно о 185-сильном двигателе БМВ, 235-сильном «Испано-Сюиза», 275-сильном «Фалькон» («Роллс-Ройс»). Хотя без надёжного двигателя удачный самолёт не построишь — всё начиналось с мотора.
В 1918 году французский изобретатель Ратье предложил турбонагнетатель.
Конструктивные особенности поршневых двигателей
Авиационные поршневые двигатели имеют большое число цилиндров (от 5 до 24), хорошие экономические характеристики, способны работать в перевёрнутом состоянии и обладают большей надёжностью.
Способ охлаждения – воздушное, или жидкостное — определяет конструкцию двигателя.
В двигателях с жидкостным охлаждением цилиндры объединяют по 4-6 штук в блоки (ряды), они имеют общую рубашку, внутри которой циркулирует охлаждающая жидкость. В одном двигателе может быть несколько (2, 4 или 6) блоков, размещаемых вдоль оси двигателя.
В двигателях с воздушным охлаждением цилиндры располагают в плоскости, перпендикулярной оси двигателя, по 5-9 штук; вместе эти цилиндры напоминают звезду. У мощных двигателей могло быть до четырех звёзд (до 20-24 цилиндров). Цилиндры охлаждаются потоком встречного воздуха, для более эффективного охлаждения наружная поверхность корпусов цилиндров делается ребристой.
Помимо звездообразных двигателей, нашли свое применение в авиастроении и оппозитные двигатели[5]. Их часто устанавливают на легкие и небольшие самолеты, так как их мощности вполне достаточно для полета на высоких скоростях.
Оппозитный поршневой двигатель П-020
К 1942 году поршневые моторы практически исчерпали свои возможности. Пропеллеры по своей конструкции так же достигли высшей точки эффективности.[6] Увеличение числа цилиндров, применение нагнетателей, сложных систем впрыска воды, спирта или химикатов в топливо усложняло конструкцию и давало лишь небольшой эффект.
***
Одним из наиболее удивительных поршневых авиадвигателей, изготовленных во время Второй мировой войны, был американской опытный звездообразный двигатель жидкостного охлаждения «Райт R-2160 Торнадо», в котором 42 цилиндра располагались в семь рядов в шести радиальных блоках. По замыслу конструкторов, «Торнадо», имевший небольшой диаметр, позволял авиаконструкторам разрабатывать фюзеляжи с небольшим поперечным сечением.
Однако «Торнадо» требовалась довольно тяжелая и сложная система радиаторов охлаждающей жидкости, которая сводила на нет любое аэродинамическое преимущество от малого поперечного сечения двигателя.
Источники:
Котельников В. Р., Хробыстова О. В., Зрелов В. А., Пономарёв В. А. Двигатели боевых самолетов России /Под общ. ред. В. В. Горошникова. — Рыбинск : Медиарост, 2017. -616 с.: илл.
ПРИМЕЧАНИЯ- Jean Joseph Etienne Lenoir (1822-1900). [↩]
- В настоящее время — Запорожье. [↩]
- Лидером в разработке авиационных двигателей с жидкостным охлаждением была Германия [↩]
- В постройке двигателей с воздушным охлаждением лидером была Франция [↩]
- Поршневой ДВС, в котором угол между рядами цилиндров составляет 180 градусов, а противостоящие поршни двигаются зеркально по отношению друг к другу и одновременно достигают верхней мёртвой точки. [↩]
- Пропеллер, или винт проектируется под конкретный двигатель. [↩]
Оставьте свой отзыв