Содержание:
Предисловие редакции: Авиационные дизельные двигатели компании Junkers сегодня практически забыты. Тем не менее, они представляли собой беспрецедентный новаторский шаг, поскольку дизельный двигатель, в первую очередь из-за воспламенения дизельного топлива при сжатии, был тяжелым и инерционным в эксплуатации. Однако эти недостатки дизельных двигателей попили крови у Хуго Юнкерса и Отто Мадера. Об авиационных дизельных двигателях компании Junkers рассказывает Хольгер Лоренц (Holger Lorenz).
В 1880 году – спустя примерно сто лет после того, как Джеймс Ватт в 1778 году изобрёл паровой двигатель – пришло время обеспечить быстрорастущую экономику более эффективным источником энергии. В ходе развития паровых двигателей постоянно совершенствовались рабочие втулки цилиндров, поршни, поршневые кольца, поршневые пальцы, шатуны и различные типы кривошипно-шатунных механизмов. Если бы вместо водяного пара использовался горючий газ, то можно было бы избавиться от огромного парового котла, расположенной под ним топки и необходимых запасов угля. Таким образом можно было удалить весь балласт, включая кочегаров, что открывало для такого двигателя совершенно новые возможности для применения.
В то время в Германии над созданием подобных двигателей работали более десятка профессиональных инженеров и профанов в этой области техники. В их числе был Николаус Отто, который еще в 1867 году на Всемирной выставке представил свой газовый двигатель, а в 1884 году разработал названный в его честь двигатель. Этот двигатель работал на бензиновой смеси и оснащался электрическим зажиганием. В свою очередь, в 1892 году Рудольф Дизель зарегистрировал патент на двигатель с воспламенением от сжатия. И, наконец, Хуго Юнкерс – третий в этой группе – в 1892 году изготовил первый газовый двигатель с оппозитными поршнями.
Тот факт, что именно в Германии в годы после основания в 1871 году Германской империи были достигнуты такие революционные успехи в области двигателестроения, также связан с так называемой Эпохой грюндерства (Gründerzeit). В финансовом отношении она базировалась на огромной военной контрибуции – почти шести миллиардов франков, которые Франция должна была выплатить Германии. Деньги часто направлялись в школы, университеты и на учреждения компаний.
Второй причиной было само объединение страны, которое привело к унификации систем измерения и различных диалектов немецкого языка. Немцы стали более тщательно изучать свой собственный язык. Это сделало его более точным с точки зрения понятий, что дало неожиданный импульс научным исследованиям, в которых вместо слов стали использоваться точные и недвусмысленные термины.
Все дороги ведут в Рим
В период между 1880 и 1895 годами в многие направления области создания двигателей внутреннего сгорания были все еще покрыты туманом. Никто толком не знал, как должен выглядеть такой двигатель, чтобы одновременно быть безопасным и эффективным. В принципе, было ясно только то, что газовый двигатель, который в основном работает на светильном газе, не имеет большого будущего. Прежде всего, он хорошо подходил для исследования процессов газообмена, но, с другой стороны, не имел большого потенциала развития для практической работы. У двух других типов двигателей, а именно бензинового (двигатель Отто) и мазутного (двигатель Дизеля) двигателей, преимущества и недостатки были тесно связаны. В первую очередь все сводилось к цели использования, вне зависимости от того, хотите ли вы использовать в качестве источника питания бензин или тяжелое топливо. Тем не менее, бензиновые двигатели и двигатели, работавшие на тяжелом топливе, еще не могли быть четко разделены.
Когда в 1888 году молодой 29-летний инженер Хуго Юнкерс перешел из Высшей технической школы Шарлоттенбурга в расположенную в Дессау компанию Deutsche Continental Gasgesellschaft директора Вильгельма фон Эхельхойзера (Wilhelm von Oechelhäuser), он уже заработал репутацию чрезвычайно изобретательного экспериментатора в области двигателестроения. Вильгельм фон Эхельхойзер хотел построить большой стационарный газовый двигатель, который подходил бы для многих задач и, возможно, в качестве судовой силовой установки.
В 1892 году двигатель был готов и представлял собой мотор с оппозитными поршнями. Данная конструкция, запатентованная Хуго Юнкерсом, была характерна для более поздних двигателей компании Junkers, работающих на тяжелом топливе. В том же году Хуго Юнкерс основал собственную компанию под названием Hugo Junkers, Zivilingenieur Dessau (Junkers). Предпосылкой для этого решения были собственные патентные заявки на разработку газовых двигателей в компании фон Эхельхойзера.
Теория и практика
В то время Хуго Юнкерс хотел заниматься исследованиями и разработками в тех областях, которые интересовали в первую очередь его самого. Продав свои патенты, он надеялся полностью посвятить себя исследованиям. Когда в 1896 году в качестве награды за выдающиеся успехи в создании двигателей внутреннего сгорания Юнкерс получил должность профессора Высшей технической школы Аахена, казалось, что он был совершенно прав.
Однако реальность, а именно то, что его патенты не продаются, привела Хуго Юнкерса к осознанию того, что регистрация патента не означает продвижения технического прогресса вперед хотя бы на миллиметр. Или, другими словами, то, что в теории очевидно, на практике не обязательно должно заинтересовать какого-либо производителя, особенно если это что-то совершенно новое. Короче говоря, Хуго Юнкерс должен был сам обеспечить воплощение своих идей в жизнь. Только он сам мог сделать это с необходимыми энергией и настойчивостью.
Хуго Юнкерс решил свою финансовую проблему, сам став учредителем. Он основал несколько подразделений, как сегодня называют этот тип корпоративной структуры. Используя свой патент на калориметр, Хуго Юнкерс основал компанию по производству газовых колонок, которые обеспечивали человечество проточной теплой водой из-под водопроводного крана. Это сформировало финансовую основу всех последующих начинаний Юнкерса и, кроме того, обеспечило ему свободу исследований, что позволило стать мировым лидером в таких разнообразных областях, как строительство решетчатых крыш, двигателей, мебели, тракторов, станков, гидродинамические тормоза и наконец, и самолеты.
Бензин, дизельное топливо или и то, и другое?
Научно-исследовательский институт профессора Юнкерса, основанный в 1897 году, стал сердцем его компании. В течение этих лет научно-исследовательский институт работал над проектами различных типов композитных газовых двигателей, чтобы получить фундаментальные знания в области двигателестроения. Эти проекты включали в себя кинематические исследования редукторов с повышающими частоту передачами, исследования внутренних процессов газообмена в цилиндрах, таких как смешивание воздуха и топливного газа, промывка цилиндров, определение соответствующих температуры и давлений и влияние температуры сгорания на конструктивные элементы двигателей. В свою очередь, все эти исследования проводились в сочетании с различными газообразными продуктами сгорания, сортами бензина и тяжелого жидкого топлива.
Эти систематические исследовательские работы в конечном итоге привели к выводу, что, хотя газовые двигатели могут работать как на бензине, так и на мазуте, для этого необходимы различные дополнительные приспособления, такие как карбюраторы, топливоподкачивающие насосы или дополнительные нагнетатели продувочного воздуха. Однако смешивание обоих типов двигателей всегда приводило к снижению производительности, увеличению массы, снижению срока службы и так далее. Поэтому с самого начала было лучше выбрать либо принцип Николаса Отто (т.е. бензиновый двигатель), либо принцип Рудольфа Дизеля (т.е. дизельный двигатель). По этой будущая компания Junkers Motoren GmbH (Jumo) была разделена на два подразделения: авиационные двигатели с принудительным воспламенением рабочей смеси и двигатели на тяжелом топливе. Но это не означало, что нужно было идти разными путями, потому что области часто пересекались, и взаимный обмен результатами исследований был желательным.
Путь к Jumo 204
Идеальный авиационный двигатель представляет собой баланс между наивысшей удельной мощностью и наименьшими габаритами. Однако, прежде чем достигнуть этого баланса необходимо было доскональным образом изучить конструкцию двигателей внутреннего сгорания. Только после этого можно было увеличить мощность, снизить массу и уменьшить габариты. Каждый из этих трех этапов требует огромного количества исследований и испытаний, именно поэтому разработки в этой области требуют очень много времени, а моторостроительной компании потребуются десятилетия, чтобы вывести на рынок продукцию высшего качества. Так было и с Хуго Юнкерсом и его компанией Jumo GmbH. С 1892 по 1920 год Хуго Юнкерс и компания Jumo GmbH заложили технические основы для создания еще более сложных авиационных двигателей, разработав различные проекты двигателей для стационарной эксплуатации, для судовых силовых установок, строительной техники, самосвалов и многого другого. Кроме того, в эти годы были заложены технические основы для создания технически более сложных авиационных двигателей.
С 1923 года, после отмены закрепленного Версальским договором запрета на строительство самолетов, в Германии вновь стали возможными разработка и производство авиационных двигателей. Это привело к тому, что в подразделении бензиновых двигателей прошли путь от относительно маломощных двигателей Junkers L.1 (1919 год) и L.5 (1925 год) до Jumo 222/225 (1945 год), а в подразделении дизельных двигателей от FO-3 (1926 год) до Jumo 223/224 (1945 год).
Однако обе серии разработок начались с двухтактного легкого дизельного двигателя с оппозитными поршнями MO3 образца 1914 года, который должен был достичь такой высокой удельной мощности, чтобы соответствовать высоким требованиям, предъявляемым к авиационным двигателям.
Предварительные работы по созданию двигателя MO3 начались еще в 1912 году. В конструкцию двигателя был внедрен ряд инновационных решений с целью максимального снижения его массы. В дополнение к уже проверенной компанией Junkers компоновке с оппозитными поршнями в конструкцию двигателя был внедрен «безвоздушный» впрыск. Компания Jumo добилась этого, разработав топливный насос и специальные топливные форсунки вместо смешивания сжатого воздуха во впускном тракте. Вторым нововведением была двухвальная конструкция, в которой каждая сторона поршня приводила в движение коленчатый вал, который затем можно было снова объединить через пары зубчатых колес в один приводной вал. Третьим нововведением была способность работать на больших оборотах – 2400 об/мин. Ранее разработанная спиральная промывка обеспечивала хорошее заполнение цилиндра. Результатом стало резкое снижение отношения массы двигателя к вырабатываемой им мощности до 1,4 кг/л.с., т.е. при развиваемой мощность 180 л.с. масса двигателя составляла 250 кг. Пиковый показатель для дизельного двигателя 1914 года, когда разделение между бензином и дизельным топливом еще не было завершено!
Однако рабочий цикл Дизеля вызвал массу проблем с двигателем. При максимальном давлении сгорания 100 атм. техническая реализация исполнение системы впрыска дизельного топлива представляла собой сложную задачу. Данную задачу невозможно было решить на этапе разработки. При таком высоком противодавлении в цилиндре и при существовавших на тот момент технологий впрыск дизельного топлива во временно интервал от одной пятисотой до одной тысячной доли секунды оказался невозможным. В данной ситуации по-прежнему требовались обширные исследования, и Хуго Юнкерс решил найти промежуточное решение, которое должно было быстрее привести к практически пригодным для использования решениям. Этим промежуточным решением стал двигатель FO2, работавший на легком нефтяном топливе.
Стоит отметить, что двигатель MO3 имел горизонтальную конструкцию, что позволяло горизонтально размещать двигатель внутри крыла крупного самолета.
Экспериментальный двигатель FO2
Когда в 1916 году компания Junkers построила первые в мире цельнометаллические самолеты J.1 и J.2, которые должны были использоваться в качестве истребителей, той же компанией был создан первый авиационный двигатель Junkers FO2, который развивал мощность 450 л.с.. В те годы это были фантастические характеристики ля авиационного двигателя! Особенностью экспериментального двигателя было использование закрытого корпуса (Kapselgehäuse) вместо более раннего продувочного насоса поршневого типа для подачи всасываемого воздуха, а также шестицилиндровая конструкция, как в более позднем Jumo 204.
Двигатель запитывался бензином, и поэтому мотор нуждался в системе впрыска топлива. Таким образом, компания Junkers уже в 1916 году могла продемонстрировать двигатель с впрыском топлива – за 20 лет до того как свет увидел сверхсекретный Jumo 210 G. Однако впрыск бензина с помощью гидравлики (топливный насос высокого давления) осуществлялся иначе, чем в дизельном двигателе, потому что бензин впрыскивался в поток всасываемого воздуха на этапе наддува в конце выпускного хода поршня.
Все изготовленные двигатели типа FO2 считались пригодными к эксплуатации в 1918 году, но после окончания Первой Мировой войны в соответствии с условиями Версальского договора были отправлены на слом. По этой же причине компания Junkers прекратила производство двигателей до 1923 года.
Новое начало в 1923 году
С 1923 года компания Jumo возобновила изготовление стационарных силовых установок в виде дизельных двигателей с оппозитными поршнями. Продажи газовых колонок и первого в мире пассажирского самолета F 13 позволили найти средства для возобновления дорогостоящей разработки двигателей.
В 1926 году в Дессау на испытательном стенде компании Junkers с помощью гидродинамического тормоза было протестировано недавно разработанное авиационное дизельное топливо. В этом двигателе, получившем обозначение FO3, компания Хуго Юнкерс отказался от базовой горизонтальной конструкции. Вертикальный двигатель теперь был отлит в виде единого блока и объединял в себе пять гильз цилиндров. Закрытый корпус двигателя FO2 был заменен на турбонагнетатель. Задняя цапфа коленчатого вала приводила в движение нагнетатель, направляя всасываемый воздух в гильзы по обе стороны от впускных отверстий. Прямой предшественник двигателя Jumo 4 (с 1934 года Jumo 204) при частоте вращения вала 1200 об/мин развивал мощность 830 л.с.. В 1927 году с помощью FO3 компания Jumo смогла завершить предварительную разработку авиационного дизельного двигателя конструкции Хуго Юнкерса.
Двухтактный рабочий процесс Jumo
Двигатель компании Junkers, работающий на тяжелом топливе, отличался сочетанием двухтактного рабочего процесса с оппозитными поршнями. Это привело к появлению двигателя с золотниковым газораспределением, управляемым самими поршнями. Помимо этого, двигатель отличался компактной и простой конструкцией без сложной головки блока цилиндров, распределительного вала, качающихся рычагов, клапанов и трудно герметизируемых седел клапанов. В то время на подобные работы в гражданской сфере был способен только независимый и очень хорошо оснащенный конструкторский отдел, поскольку он финансировался за счет прибыли завода по производству газовых колонок компании Junkers. Только массовое перевооружение, начавшееся в 1933 году, создало новые источники финансирования.
Однако ко времени начала перевооружения двигатель компании Junkers, работавший на тяжелом топливе и несший обозначение Jumo 204, был полностью разработан. Все, что было создано после этого, было основано на двигателе Jumo 204. Сюда входят совершенно новые разработки в области наддува, в конструкции наполнительного отверстия плунжера топливного насоса высокого давления, выбора и сочетания материалов, а также других вспомогательных агрегатов, таких как впрыск водо-метанольной смеси или оборотное охлаждение наддувочного воздуха.
Самобытный тип двигателя
Работавший на тяжелом топливе двигатель компании Junkers представляет собой самобытную конструкцию – отдельную как от бензиновых, так и от дизельных двигателей. Он был создан потому, что компания Junkers с 1892 по 1945 год благодаря неустанным разработкам создавала все более мощные двигатели собственных конструкции и производства. В противоположность совершенствование конструкции двигателей двух других типов проводилось по всему миру различными моторостроительными компаниями при поддержке самых разных научных институтов и высших учебных заведений.
Хотя компания Junkers продала лицензию на авиадвигатель Jumo 205 в Англию, Францию и СССР, но зарубежные моторостроительные компании не изготавливали дизельные двигатели компании Junkers. Несмотря на приобретение лицензии им просто не хватало практического опыта.
Итак, как же на самом деле функционировал работавший на тяжелом топливе двигатель компании Junkers и какие преимущества он имел по сравнению с другими типами двигателей? Ответ на этот вопрос весьма обширен, поэтому за этой статьей последует вторая часть, в которой объясняется принцип работы Jumo 204 и его преемников. В третьей части будут рассмотрены возможности применения таких двигателей.
гигантский самолет Junkers G 38 отлично подходил в качестве летающей лаборатории по испытанию новых двигателей, поскольку элементы силовой установки оставались доступными даже во время полета. Снимок Мирко Шиннерлинга (Mirko Schinnerling)
двигатель Jumo 204 дебютировал в составе силовой установки первого самолета Junkers G 38, который был назван Deutschland (Германия). В августе 1935 года этот G 38 на своих четырех дизельных двигателях достиг максимальной высоты 6000 метров. Снимок из коллекции Хольгера Лоренца
двухтактный рабочий процесс двигателя компании Junkers, работающего на тяжелом топливе. В отличие от четырехтактного двигателя при той же частоте вращения двигатель компании Junkers имеет в два раза больший крутящий момент и, как следствие, вдвое большую полезную мощность. Снимок Мирко Шиннерлинга
G 38 был изготовлен компанией Junkers всего в двух экземплярах. Цель заключалась не просто в создании самого большого в мире самолета наземного базирования, но и в качестве предшественника 1000-местного самолета аэродинамический схемы «летающее крыло», которая практически не создает вредного сопротивления, а только индуцированное и поверхностное сопротивление. Снимок из коллекции Хольгера Лоренца
любая разработка гражданского самолета должна начинаться с таких сравнений, как эти: Какие преимущества может предложить самолет по сравнению с железнодорожным и морским транспортом? Какие меры позволят сделать новый самолет конкурентоспособным по сравнению с существующими? Снимок из коллекции Хольгера Лоренца
корневая часть самолета G 38 Deutschland имело толщину два метра, и бортмеханик мог стоять внутри крыла не сгибаясь. Даже двигатель Jumo 204 высотой 1,52 метра, установленный вертикально, вписывался в габариты крыла. Длинный вал позволял сделать «узкую» моторную гондолу. Снимок Мирко Шиннерлинга
пионер авиации Хуго Юнкерс рано осознал огромные преимущества дизельного двигателя для гражданской авиации, а именно низкую пожароопасность, надежность, большие дальность и высоту полета. Снимок из коллекции Хольгера Лоренца
редкий снимок двигателя Junkers MO3 – первого двигателя, работавшего на легком нефтяном топливе. Данный двигатель имел отношение массы к вырабатываемой мощности 1,4 кг/л.с. и развивал 180 л.с. . Снимок из коллекции Хольгера Лоренца
также в годы Первой Мировой войны в компании Junkers был разработан первый в мире двигатель с впрыском топлива. Чертеж из коллекции Хольгера Лоренца
схема с четырьмя тактами обычного дизельного двигателя. Чертеж из коллекции Хольгера Лоренца
таким образом мощность разделялась на два коленчатых вала. Чертеж из коллекции Хольгера Лоренца
на снимке изображена основная группа, члены которой занимались разработкой авиационного двигателя FO4, работавшего на сырой нефти. Снимок был сделан 9 сентября 1930 года у испытательного стенда. На переднем плане конструктор двигателей FO4 и Jumo 204 Йоханнес Гастерштадт (Johannes Gasterstädt), позади него ответственный за испытательный стенд Альфред Гимм (Alfred Gimm), сидит рядом с ним Отто Мадер. После ранней смерти Гастерштадта в 1937 году Манфред Герлах (Manfred Gerlach; слева в белом халате) возглавил испытания двигателей Junkers, работающих на тяжелом топливе. Снимок из коллекции Хольгера Лоренца
помимо разработки двигателей Хуго Юнкерсу также пришлось создать технико-математическое оборудование. На данном снимке показан фототрансформатор, который преобразовал вращающиеся вибрации, зарегистрированные торсиографом из внутренней полярной диаграммы, в легко читаемые диаграммы. Снимок из коллекции Хольгера Лоренца
на этих двух диаграммах четко показаны основные преимущества дизельного двигателя перед бензиновым с точки зрения расхода топлива, массы и размеров. В совокупности они обеспечивают 85-процентную экономию средств по сравнению с бензиновым двигателем. Что касается графиков, то обратите внимание, что в качестве сравнения приведены бензиновые двигатели 1920-х годов, которые имели отношение массы к вырабатываемой им мощности около 1,5 ег/л.с.. Такая экономия была очень заманчивой для авиакомпаний. Чертежи из коллекции Хольгера Лоренца
FO3 образца 1926 года был экспериментальным двигателем на тяжелом топливе с пятью цилиндрами рядного типа и ротационным нагнетателем для продувки цилиндров. FO3 был очень похож на Jumo 204. Снимок из коллекции Хольгера Лоренца
четыре двигателя Jumo 204 со взлетной мощностью по 800 л.с. каждый готовы для установки в гигантский самолет Junkers G 38 Deutschland. Снимок из коллекции Хольгера Лоренца
источник: Holger Lorenz «Junkers Flugdieselmotoren. Eine deutsche Pioniertat» «Flugzeug Classic» 2022-06, Seiten 68-75
перевод впервые опубликован — https://vk.com/@710541705-aviacionnye-dizelnye-dvigateli-kompanii-junkers-chast-1
