Основные принципы и конструкции авиационных. двигателей

1. Тепловые двигатели

Двигатели, использующие тепловую энергию для превращения ее в механическую, называются тепловыми. К ним относятся паровые ма­шины и двигатели внутреннего сгорания. Современные образцы двига­телей внутреннего сгорания значительно превосходят паровые машины своей экономичностью, компактностью, малым габаритом и относительно малым весом. Поэтому в авиации используют пока исключительно двига­тели внутреннего сгорания, называемые так потому, что сгорание топлива нрои£Ход;ит внутри двигателя в отличие от тепловых двигателей с внеш­ним сгоранием топлива, как например, в топке котла паровой машины.

2. Устройство авиационного двигателя внутреннего сгорания (рис. 36)

Авиационный двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих главных частей:

а) цилин д ров, в которых происходит сгорание, взрыв смеси и находятся (движутся во время работы) плотно пригнанные к ци­линдрам поршни;

б) п о р ш н е й, имеющих назначение воспринимать давление рас­ширяющейся при горении взрывчатой смеси газов и посредством шатуна, соединенного с ним, преобразовывать своо возвратно­поступательное движение п непрерывное вращательное движение вала;

в) коленчатого вала, воспринимающего работу поршней и передающего ее на винт, превращающий эту работу в силу тяги:

г) картера, внутри которого помещается коленчатый вал двига­теля и на котором крепятся и соединяются все цилиндры двигатели в одно целое; с помощью картера крепится сам двигатель к само­лету; кроме того па картере устанавливаются все вспомогательные агрегаты; иногда картер служит также резервуаром длп масла.

Кроме отих главных частей, составляющих единое целое, при каждом моторе имеются приспособления:

а) д л я к а рД5 ю р а ц к и (карбюратор), т. е. дли смешения в оп­ределенной пропорции воздуха и паров легкого жидкого топлива в горючую смесь;

б) для зажигания смеси (магнето, аккумуляторы, свечи);

в) для охлаждения мотора; если система охлаждения жид­костная или испарительная, то эти приспособления сложны н имеют много деталей (радиаторы или конденсаторы, рубашки цилиндров, шланги, бачки, пароотводные трубки, жалюзи, помпы и пр.);

г) для смазки мотора (помпы, шланги и пр.);

д) для питания г о р ю ч и м ив баков, расположенных на неко­тором удалении от мотора.

3. Двигатели быстрого сгорания

Авиационные двигатели, относящиеся исключительно к двигателям быстрого сгорания, работают преимущественно по четырехтактному циклу.

Эти четыре такта следующие: 1) всасывание; 2) сжатие; 3) горение и рас­ширение продуктов сгорания (рабочий ход) и 4) выхлоп или выпуск отра­ботанных газов. Последовательность чередования четырех тактов упро­щенно сводится к следующему. При поворачивании вала каким-либо внешним усилием (от руки за винт, сжатым воздухом, пыскачем и т. д.) поршень начинает двигаться вниз к НМТ (нижней мертвой точке) и образует за собой в цилиндре разреженное пространство. В это про­странство при открытии впускного клапана, вследствие разности дав­ления снаружи и внутри цилиндра, через особый всасывающий трубопро­вод поступает приготовленная карбюратором смесь паров горючего с воз­духом; мотор работает на легком жидком топливе. Так будет продолжаться до прихода поршня к НМТ, после чего впускной клапан закрывается.

В дальнейшем, если движение вала не прекратилось, поршень ста­нет двигаться и I3MT (верхняя мертвая точка). Чтобы засосанная горю­чая смесь не уходила на цилиндра, оба клапана должны быть закрыты. Поступившая, засосанная в цилиндр горючая смесь будет сжиматься поршнем, поднимающимся кверху. Сжатие продолжается до прихода поршня в ВМТ. Когда поршень подойдет к ВМТ, воспламеняем сжатую смесь электрической искрой (через электрическую свечу), в результате чего она чрезвычайно быстро сгорает в камере сгорания. Температура и давление газов в цилиндре сильно возрастают и газы, стремясь расши­риться, производят давление на поршень. Давление это достигает вели­чины 30—45 кг/смг н поршень, опускаясь под действием этого давления в НМТ, двигает шатун и кривошип, заставляя вращаться коленчатый вал. Это будет продолжаться до прихода поршня к НМТ (рабочий ход). После этого давление газов на поршень уже использовать нельзя и, открыв выпускной клапан и вращая вал, мы заставим поршень двигаться вверх к ВМТ. Во время этого хода поршень будет уже выталкивать (через открытый выпускной клапан) продукты сгорания через выхлопное отвер­стие, очищая цилиндр для всасывания новой порции горючей смеси. Когда поршень подойдет к ВМТ, опять откроется впускной клапан, начнется всасывание свежей смеси и таким образом такты начнут повторяться.

В таком двигателе требуется, следовательно, 4 хода поршня, или 2 пол­ных оборота коленчатого вала, для выполнении всего цикла работы; из 4 ходов поршня лишь третий ход является рабочим, полезным, в смысле воздействия на вал. Остальные три хода являются подготовительными и в многоцилиидрозых двигателях совершаются за счет вращения вала рабочим ходом других цилиндров.

В одноцилиндровом двигателе подготовительные хода совершаются под действием инерции насаженного на вал маховика. Ход^ поршня, во время которого происходит какой-либо характерный процесс, называют т а к – т о м. Схематически эти такты можно изобразить так:

Таблица 19 Оборот вала Такт Действия в цилиндре ( 1-й такт Всасывание; поршень идет вниз; открыт 1-Й оборо-’’ ( 2-й такт впускной клапан. ‘.’жати е; поршень идет вверх; оба клапана 1 1 8-й такт закрыты. Расширение йли рабочий ход; поршень 2-й оборот < 1-Й такт идет вниз; оба клапана закрыты. В ы п у с к; поршень идет вверх; отк: ыт вы- 1 пусі спой клапан. 4. Двигатели с воспламенением от сжатия

Основные конструктивные элементы двигателей с воспламенением от сжатия, работающих на тяжелом топливе, те же, что н двигателей быст­рого сгорания, работающих на легком топливе с небольшим сжатием смеси. Отличие их в том, что через впускной клапан или впускное окно поступает не смесь горючего с воздухом, а чистый воздух; вместо карбюра­тора имеется форсунка, через которую непосредственно в цилиндр впры­скивается топливо, которое само воспламеняется в среде горячего от сжатия воздуха. Форсунка представляет собой деталь с небольшим отвер­стием, иногда закрытым игольчатым клапаном с пружиной; клапан откры­вается в момент впрыска. Впрыск осуществляется или под давлением сжатого воздуха, или под давлением насоса, подающего топливо. В по­следнем случае двигатель называется бескомирессорным.

У таких двигателей потребность в магнето и свечах отпадает.

Двигатели с воспламенением от сжатия работают на тяжелом, плохо испаряющемся топливо. Производство опытных авиационных двигателей, работающих на тяжелом топливе, началось с 1915 г. (Юнкере Юмо-1). В последнее время ряд типов таких моторов доведен до серийного произ­водства (Юнкере, Паккард).

Преимущества таких двигателей следующие:

а) опасность пожаров в полете при попадании зажигательных снарядов в баки сведена к минимуму, так как тяжелое топливо, в отличие от легкого, трудно воспламеняется с поверхности большого объема; кроме того безо­пасность в пожарном отношении увеличивается благодаря отсутствию источника электрической искры (при ударе о землю и попадании тяжелого топлива па горячий мотор пожар ие исключен);

б) меньший примерно на 25—50% расход горючего, чем увеличивается радиус действия самолета;

в) возможность потребления для нужд авиации большей части топлив, перегоняемых из нефти, удешевляет авнатоплива и выгодна в мобилиза­ционном отношении;

г) отсутствие карбюратора и электрозажигання увеличивает надеж­ность работы мотора и упрощает его эксплоатацию (правда нефтенасосы п форсунки авиадизелей тоже сложны в эксплоатацин);

д) отсутствует вредное влияние системы важиганпя па радиоприборы самолета и отпадает возможность остановки мотора радиовоздействием на электрозажигание;

е) судя по опытам, потеря мощности с высотой меньше у авиадизеля, чем у авиадвигателя с карбюратором.

Не следует во всех случаях отождествлять авиадвигатели тяжелого топлива с авиаднзелями (принцип воспламенения от сжатия). Существуют авиадвигатели на тяжелом топливе с карбюрированием его и электроза­жиганием (например Роллс-Ройс «Пестрел», переведенный на тяжелое топливо проф. Рикардо). Не следует также думать, что процесс сгорания в авиадизелях (также авто) похож на таковой в тихоходных дизелях. Пер­вые имеют обороты в минуту 1 000—2 500, а вторые—от самых малых до 9 000 и это резко отличает процессы сгорания в тех и других. Исходя из условий авиационного веса, авиадизели, новидимому, будут развиваться только как 2-тактные, при рабочем ходе, приходящемся на каждый обо­рот вала. В дальнейшем на 2-тактный цикл перейдут, вероятно, и двигатели на легком топливе, что требует непосредственного впрыскивания легкого топлива в цилиндр, наполненный чистым воздухом, при сохранении в них электрозажигання, что по мере улучшения качества легк го топлива также отпадает.