Поршневий авіаційний двигун (мотор) внутрішнього згоряння: пристрій і принцип роботи

1. Історія створення і принцип роботи поршневого двигуна
2. Конструкція поршневого ДВС
3. Класифікація поршневих авіадвигунів
4. Конструктивні особливості поршневих двигунів

Наши партнеры ArtmMisto

Перший літак з'явився саме завдяки створенню двигуна. Таким двигуном, що дозволив вперше в історії людства здійснити реальний пілотований політ, був поршневий двигун внутрішнього згоряння (звичне скорочення: ДВС). У 1903 році був виконаний перший в світі керований політ літака «Флаєр» братів Орвілла і Уїлбура Райт. А мотор для цього літака побудував конструктор Чарльз Тейлор - перший в світі авіамеханік.

Історія створення і принцип роботи поршневого двигуна

Винахідники зробили безліч безуспішних спроб створити двигун, в якому паливо спалювалося б не поза робочого об'єму машини (циліндрів), як у парових машин, а всередині його. Це повинно було різко підвищити ККД теплової машини.

Але тільки в 1860 році французькому інженеру бельгійського походження Етьєну Ленуару вдалося створити працездатний двотактний двигун внутрішнього згоряння з водяним охолодженням, що працює на світильному газі, який застосовувався в промисловості.

Двигун Етьєна Ленуара

Помітне поліпшення характеристик ДВС відбулося в другій половині 1870-х, коли німецький підприємець, винахідник-самоучка Ніколаус Отто створив свій поршневий двигун. Новинкою стало те, що робоча суміш перед запалюванням стискалася, а її займання вироблялося в крайньому верхньому положенні поршня.

Виготовлений таким чином двигун назвали чотиритактним, т. К. Процес в ньому відбувався протягом чотирьох ходів поршня:

• I такт: впуск - поршень рухається в циліндрі вниз, втягуючи повітря і паливо через відкритий впускний клапан.
• II такт: стиснення - впускний і випускний клапани закриті, поршень рухається в циліндрі вгору, стискаючи топливовоздушную суміш.
• III такт: робочий хід (розширення) - коли поршень в такті стиснення наближається до верхньої мертвої точки, система запалювання дає іскру на свічках. При цьому топливовоздушная суміш підпалюється і в процесі згоряння швидко розширюється. Створюване розширенням тиск штовхає поршень вниз, а поршень, рухаючись до нижньої мертвої точки, обертає колінчастий вал, що передає зусилля на повітряний гвинт.
• IV такт: випуск - коли поршень досягає нижньої мертвої точки, відкривається випускний клапан. Потім поршень знову йде вгору, виштовхуючи продукти згоряння паливоповітряної суміші з циліндра.

Схема чотиритактного двигуна

Однакові такти проходять в циліндрах не одночасно, а послідовно, щоб в кожен момент часу як мінімум один поршень робив робочий хід.

Ніколаус Отто створив в Кельні завод газових двигунів Deutz-AG (1872), технічним директором якого став Готтліб Даймлер, а головним конструктором - Вільгельм Майбах.

Інженер Карл Бенц, незалежно від Отто, Даймлера і Майбаха, створив перший в світі двотактний двигун внутрішнього згоряння - перша модель двигуна була виготовлена ​​в 1878 році, а в 1879 році отримано патент.

У 1890 році Даймлер організував компанію Daimler Motoren Gesellschaft (DMG) з виробництва невеликих потужних двигунів для використання на землі, в повітрі і на воді. Ось чому ми бачимо на сучасному логотипі компанії Mercedes-Benz трипроменеву зірку.

Конструктори Даймлер і Майбах припустили, що паливом для їх двигуна повинен бути продукт перегонки нафти. У 19 столітті таких продуктів було три: масло, гас і бензин. В якості палива був обраний найбільш легко займистий бензин, який в основному застосовувався для чищення одягу і продавався в аптеках.

Даймлер і Майбах сконструювали свій перший двигун в кінці 1885 року. У ньому було застосовано спеціальний електронний пристрій - карбюратор, в якому бензин випаровувався, пари змішувалися з повітрям і надходили в циліндр двигуна.

Перші німецькі конструктори поршневих двигунів

У Російській імперії теж були свої винахідники і конструктори: лейтенант флоту Євген Олександрович Яковлєв заснував в Санкт-Петербурзі «Перший російський завод гасових і газових двигунів Е. А. Яковлева».

У 1889 році був виготовлений перший двигун внутрішнього згоряння конструкції Яковлєва, який працює на рідкому паливі. Всі мотори він конструював сам. У 1893 році двигуни Яковлєва були удостоєні премії на виставці в Чикаго. Виставковий комітет нагородив завод і його власника бронзової медаллю і почесним дипломом виставки.

Двигуни Е. А. Яковлєва поставлялися не тільки на внутрішній ринок, а й за кордон. На своєму заводі Євген Олександрович намагався використовувати тільки вітчизняну сировину і матеріали, хоча не завжди це виходило. Так, з-за того, що російські аналоги не підходили за технологією, вугілля і кокс довелося купувати в Англії.

Найменуванням заводу «Перший російський» Яковлєв хотів показати, що Росія може виробляти двигуни не гірше, ніж в Європі.

Перший в Росії авіаційний багатоциліндровий бензиновий двигун з водяним охолодженням побудував капітан російського флоту Огнеслав Степанович Костович.

У оппозитном 80-сильному двигуні конструкції Костовича з горизонтальним розміщенням циліндрів вперше використовувалося електричне запалювання. До 1883 року двигун був побудований, його випробування і доведення тривали до 1885 року.

Двигун Огнеслава Костовича

На початку XX століття окремі російські фірми бралися за розробку і виготовлення авіадвигунів власної конструкції (заводи Лесснера в Петербурзі, завод «Мотор» і АТ «Російсько-Балтійський вагонний завод» в Ризі). Відомі проекти багатьох російських інженерів-винахідників (Ф. Р. Гешвенд, С. С. Неждановский, Б. Г. Луцької, П. Д. Кузьмінського, В. В. Кірєєва, С. В. Гризодубова, А. Г. Уфімцева, А. В. Нестерова, А. А. Пороховщикова і інших, проте далі виготовлення дослідних зразків вони не були реалізовані. Ці досвідчені конструкції вітчизняних двигателистов ми постараємося розглянути в наступних матеріалах.

Оригінальні авіадвигуни російських конструкторів (зліва-направо): верхній ряд - мотори А.Г. Луцького, С.В. Гризодубова, нижній ряд - біротатівний мотор А.Г. Уфімцева, двигун А.В. Нестерова.

У цей період авіадвигунобудуванні в Росії було зосереджено на наступних заводах:

• «Мотор» в Ризі (в 1909, а з 1915 в Москві);
• «Гном-Рон» в Москві (з 1912);
• «Сальмсон» в Москві (з 1915);
• «Русский Рено» в Петрограді (з 1914 р, цей завод до 1917 року виробляв автомобільні мотори);
• Авіаційне відділення «Російсько-Балтійського Вагонного заводу» в Петрограді (з 1915);
• АТ Ільїна в Москві (1916),
• «Дюфлон і Костянтинович» (ДЕКА - з 1916 р) в Олександрівську.

На всіх російських моторних заводах випускалися двигуни зарубіжних конструкцій: «Райт», «Гном», «Рон», «Рено» та ін. Тільки Теодор Калеп зміг на заводі «Мотор» випустити кілька моторів власної конструкції, що мали характеристики краще зарубіжних, проте їх виробництво довелося скоротити через орієнтацію уряду на зарубіжні зразки.

Як зазначалося вище, в 1903 році був виконаний перший в світі політ літака «Флаєр» братів Райт, з двигуном конструктора Чарльза Тейлора.

Авіадвигунів для першого літака «Фраєр» братів Райт - принцип роботи.

Це був ДВС з водяним охолодженням, однорядний чотирициліндровий з алюмінієвим блоком циліндрів. Діаметр і хід поршня - чотири дюйми. Колінчастий вал - алюмінієвий, шатуни були виготовлені з труб.

Таким чином, у другій половині XIX століття, завдяки винаходам Отто і Даймлера, було покладено початок широкому застосуванню ДВС в літальних апаратах, важчих за повітря.

Конструкція поршневого ДВС

Основні елементи ДВС

Поршневий двигун внутрішнього згоряння складається з наступних основних елементів:

• поршень - зворотно-поступальним рухом забезпечує впуск суміші, її стиснення, отримання енергії і подальше виведення відпрацьованих газів;
• поршневі кільця виконують функцію ущільнювачів;
• шатун і колінчастий вал здійснюють перетворення зворотно-поступального імпульсу в крутний момент;
• поршневий палець забезпечує шарнірне з'єднання поршня і шатуна;
• впускний і випускний клапани відкривають циліндр для входу суміші (впускний] і виходу відпрацьованих газів (випускний), герметизують циліндр під час стиснення і займання;
• паливна форсунка забезпечує розпил палива;
• свічка запалювання створює іскру, яка підпалює топливовоздушную суміш;
• блок циліндрів - силовий корпус, який об'єднує циліндри і забезпечує їх охолодження.

Згоряння палива в поршневому двигуні здійснюється в циліндрах, де підпалюється суміш палива та повітря, під дією тиску одержані газів відбувається поступальний рух поршня. Новоутворена при цьому теплова енергія перетворюється в механічну. Це рух поршня, в свою чергу, перетворюється в обертальний рух колінчастого вала двигуна через шатун, який є сполучною ланкою між циліндром з поршнем і колінчастим валом.

Коефіцієнт корисної дії сучасних поршневих двигунів не перевищує 25-30%, тобто більша частина енергії, одержуваної при згорянні палива, перетворюється в тепло, яке необхідно відводити з двигуна. Цю функцію виконує система охолодження.

Схеми двигунів з часом ускладнювалися, з'явилися мотори 4 -, 6, 8-циліндрові; рядні і V-подібні; з рідинним охолодженням або повітряним.

Потужність залежала в основному від обсягу циліндрів. Але зі збільшенням обсягу циліндрів (або їх кількості) росла маса двигуна.

Класифікація поршневих авіадвигунів

Авіаційні поршневі двигуни можуть бути класифіковані за різними ознаками.

Залежно від роду застосовуваного палива - на двигуни легкого або важкого палива.

За способом сумішоутворення - на двигуни з зовнішнім сумішоутворенням (карбюраторні) і з внутрішнім сумішоутворенням (безпосереднє уприскування палива в циліндри).

Залежно від способу займання суміші - на двигуни з примусовим запалюванням і двигуни з запалюванням від стиснення.

Залежно від числа тактів - на двотактні і чотиритактні.

Залежно від способу охолодження - на двигуни рідинного і повітряного охолодження.

За кількістю циліндрів - на чотирициліндрові, п'ятициліндрові, дванадцятициліндровим і т. Д.

Залежно від розташування циліндрів - на рядні (з розташуванням циліндрів в ряд) і зіркоподібні (з розташуванням циліндрів по колу).

Рядні двигуни, в свою чергу, поділяються на однорядні, дворядні V-подібні, трьохрядні W-подібні, чотирирядні Н-образні або Х-образні. Зіркоподібні двигуни також бувають однорядні, дворядні і багаторядні.

За характером зміни потужності в залежності від зміни висоти двигуни підрозділяються на висотні, тобто зберігають потужність з підйомом літака на висоту, і невисотні, потужність яких падає зі збільшенням висоти польоту.

За способом приводу повітряного гвинта - на двигуни з прямою передачею на гвинт і редукторні двигуни.

Поршневі двигуни працюють по циклу періодичної дії.

Поршневі двигуни повітряного охолодження мають переваги перед двигунами рідинного охолодження: менша маса, відповідно, більша питома потужність і простіша, а значить, і більш надійна конструкція, висока ефективність охолодження. Для кращого обдування циліндрів повітрям їх розташовують у вигляді зірки. Кожен циліндр відділений від інших і доступний для ремонту і обслуговування.

У 1909 році Луїсом і Лораном Сеген був створений ротативний двигун «Гном», що набув широкого поширення і застосування літаках часів Першої світової війни .

У цьому зіркоподібному двигуні навколо нерухомого колінчастого валу обертався блок циліндрів.

Переваги ротативних авіадвигунів: у таких двигунах немає необхідності в установці противаг. Циліндри постійно знаходяться в русі, що створює гарний повітряне охолодження. Можна відмовитися від застосування маховика, т. К. Обертові циліндри і поршні створюють обертовий момент.

Недоліки: віднести погане маневрування літака, обумовлене гіроскопічним ефектом, створюваним великий обертається масою двигуна, а також погану систему змащення, оскільки інерційні сили змушують мастило накопичуватися на периферії двигуна. Масло доводилося змішувати з паливом для забезпечення належного мастильного ефекту.

Така конструкція була простіше, але літаки поверталися з польоту покриті товстим шаром касторової олії, яке під час роботи такого двигуна розліталося від обертового блоку, щедро розкидаючи краплі навіть на льотчиків. До того ж на обертові циліндри діяли великі інерційні навантаження.

Пізніші двигуни містили звичний нерухомий блок циліндрів і обертається колінчастий вал. Але радіальне розташування мало і свої недоліки: висока лобове опір і складність обслуговування двигуна.

Основні типи поршневих двигунів

В історії авіації мотор ніколи не був такий популярний, як літак: широко відомі, наприклад, літаки Першої світової війни «Фоккер D-7» , «СПАД 13», «Брістоль F.2B» , Але рідко чути про 185-сильному двигуні БМВ, 235-сильному «Іспано-Сюиза», 275-сильному «Фалькон» ( «Роллс-Ройс»). Хоча без надійного двигуна вдалий літак не побудуєш - все починалося з мотора.

У 1918 році французький винахідник Ратье запропонував турбонагнетатель.

Конструктивні особливості поршневих двигунів

Авіаційні поршневі двигуни мають велике число циліндрів (від 5 до 24), хороші економічні характеристики, здатні працювати в перевернутому стані і мають більшою надійністю.

Спосіб охолодження - повітряне, або рідинне - визначає конструкцію двигуна.

У двигунах з рідинним охолодженням циліндри об'єднують по 4-6 штук в блоки (ряди), вони мають загальну сорочку, усередині якої циркулює охолоджуюча рідина. В одному двигуні може бути кілька (2, 4 або 6) блоків, що розміщуються вздовж осі двигуна.

У двигунах з повітряним охолодженням циліндри розташовують в площині, перпендикулярній осі двигуна, по 5-9 штук; разом ці циліндри нагадують зірку. У потужних двигунів могло бути до чотирьох зірок (до 20-24 циліндрів). Циліндри охолоджуються потоком зустрічного повітря, для більш ефективного охолодження зовнішня поверхня корпусів циліндрів робиться ребристою.

Крім зіркоподібних двигунів, знайшли своє застосування в авіабудуванні і оппозітниє двигуни. Їх часто встановлюють на легкі і невеликі літаки, так як їх потужності цілком достатньо для польоту на високих швидкостях.

Опозитний поршневий двигун П-020

До 1942 року поршневі мотори практично вичерпали свої можливості. Пропелери за своєю конструкцією так само досягли вищої точки ефективності. Збільшення числа циліндрів, застосування нагнітачів, складних систем упорскування води, спирту або хімікатів в паливо ускладнювало конструкцію і давало лише невеликий ефект.

***

Одним з найбільш дивовижних поршневих авіадвигунів, виготовлених під час Другої світової війни, був американської досвідчений радіальний двигун рідинного охолодження «Райт R-2160 Торнадо», в якому 42 циліндра розташовувалися в сім рядів в шести радіальних блоках. За задумом конструкторів, «Торнадо», що мав невеликий діаметр, дозволяв авіаконструкторам розробляти фюзеляжі з невеликим поперечним перерізом.

Однак «Торнадо» була потрібна досить важка і складна система радіаторів охолоджуючої рідини, яка зводила нанівець будь-яке аеродинамічний перевага від малого поперечного перерізу двигуна.

джерела:

Котельников В. Р., Хробистова О. В., Зрелов В. А., Пономарьов В. А. Двигуни бойових літаків Росії / За заг. ред. В. В. Горошникова. - Рибінськ: Медіарост, 2017. -616 с .: іл.