Описание авиационного поршневого двигателя

Поршневой авиационный двигатель.

Работа радиального поршневого двигателя.

Сегодня начинаем серию статей о конкретных типах авиационных двигателей. Первый движок, который удостоится нашего внимания – это поршневой авиационный двигатель. 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 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).

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).

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 самолеты ЯК-55 и СУ-26.

Читайте также:  Образец формуляра на двигатель

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…

Источник

Поршневой авиационный двигатель (мотор) внутреннего сгорания: устройство и принцип работы

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:

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.

Читайте также:  Расчет глушителя четырехтактного двигателя

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:

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:

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.

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.

Читайте также:  Перечень ошибок в двигателе

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.

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:

Источник