Авиационные дизельные двигатели компании Junkers. Часть 2 Предназначен для гражданских целей, используется в военных целях

Содержание:

Предисловие редакции: Авиационный дизельный двигатель Junkers Jumo 204, разработанный для гражданских целей, должен был значительно удешевить полеты и сделать их более пожаробезопасными. Военные были мало заинтересованы в двигателях данного типа. Однако двигатели Jumo 204 как нельзя лучше подходили для полетов на больших высотах. Об авиационных дизельных двигателях компании Junkers рассказывает Хольгер Лоренц.

Благодаря неустанным работам компании Junkers по совершенствованию дизельных двигателей с 1935 года гражданская авиация могла бы получить импульс для беспрецедентного роста, поскольку прямые эксплуатационные расходы сократились почти вдвое. По этой причине авиакомпания Deutsche Lufthansa (DHL) активно участвовала в маршрутных испытаниях нового типа двигателя на нескольких самолетах. Однако Имперское министерство авиации (Reichsluftfahrtministerium – RLM) проявило к этим испытаниям мало интереса, поскольку разработка мощных бензиновых двигателей проверенной

«стандартной конструкции Отто»

обещала дать гораздо более быстрые результаты, чем концепция двигателей Хуго Юнкерса, которая в то время находилась в зачаточном состоянии. Если бы не война и связанная с ней гибель компании Junkers, дизельные двигатели из Дессау, безусловно, определяли бы развитие пассажирского самолетостроения вплоть до 1950-х годов! Возможно, что компания Junkers освоила бы их массовое производство, поскольку преимущества перед бензиновыми двигателями были огромными.

Двигатель Jumo 204 становится на крыло

С авиамотором FO3 образца 1926 года компания Junkers постепенно совершенствовала конструкцию своих авиационных дизельных двигателей: два поршня двигались навстречу друг другу в гильзе цилиндра и управляли процессами газообмена исключительно своим движением, причем нижний поршень регулировал подачу всасываемого воздуха, в то время как верхний поршень регулировал выпуск выхлопных газов. Один коленчатый вал в верхней части и один коленчатый вал в нижней части были соединены друг с другом через редуктор и, таким образом, оба коленчатых вала совместно воздействовали на вал воздушного винта. Несколько цилиндров, расположенных рядом друг с другом, создавали изящную и компактную конструкцию, которая помимо этого обещала еще и очень малую массу. Впервые данная концепция была представлена компанией Junkers мировой общественности в 1928 году на Берлинской авиационной выставке под обозначением FO3, где этот двигатель, естественно, привлек большое внимание.

более ранняя и более поздняя конструкция объединения двух вращательных движений на одном выходном валу. Чертеж Мирко Шиннерлинга

по сравнению с обычным дизельным двигателем конструкции Рудольфа Дизеля двухтактный рабочий процесс с оппозитными поршнями, разработанный Хуго Юнкерсом, представлял собой самостоятельную концепцию и отличался более высокой удельной мощностью и отказоустойчивостью. Чертеж Мирко Шиннерлинга

Однако конструкция пятицилиндрового двигателя FO3 имела свои недостатки: из-за несовершенного баланса масс на критических скоростях возникали сильные вибрации всего двигателя и опорной рамы. Эти вибрации быстро приводили к усталостным изломам в самых разных частях коленчатого вала. По этой причине новый двигатель FO4 (позднее получил обозначение Jumo 204) вновь получил шестицилиндровую компоновку. Однако это означало, что диаметр цилиндра пришлось ограничить от 140 до 120 миллиметров, чтобы не выходить за границы заданного класса производительности.

Первый экспериментальный двигатель FO4 прошел испытания еще в 1928 году, а в следующем году начались летные испытания на одном из самолетов Junkers G 24, у которых количество двигателей было снижено с трех до одного.

Принцип работы двигателя Jumo 204

В отличие от четырехтактного бензинового двигателя, двухтактный дизель с оппозитными поршнями имел совершенно иные конструкцию и принцип работы. Сочетание двухтактного рабочего процесса и дизельной технологии привело к гораздо более высокому среднему эффективному давлению цикла двигателя. Во-первых, при каждый оборот коленчатого вала приводит к одному рабочему такту, а не только к каждому второму, как в бензиновом двигателе. Во-вторых, потому, что в рабочей зоне была достигнута гораздо более высокая разница температур за счет почти в три раза большей степени сжатия. У двигателя Jumo 204 степень сжатия составляла 17, тогда как у бензинового двигателя – всего 6. Однако за это компании Junkers пришлось расплачиваться более высокой прочностью дизельного двигателя, что теоретически должно было привести к увеличению его массы. Однако в компании Junkers была выбрана другая компоновка, чем та, которая использовалась в бензиновых двигателях, которые также изготавливала компания. Используя оппозитные поршни Хуго Юнкерс смог продуктивно устранить это противоречие и открыть новые горизонты.

Однако объем испытаний, который необходимо было для этого провести, был огромен. От созданного в 1892 году первого газового двигателя с оппозитными поршнями до появления Jumo 205 в 1935 году прошло 42 года. Сам Хуго Юнкерс не дожил до серийного производства Jumo 205, так как скончался в том же году в возрасте 76 лет.

На приведенном ниже рисунке двухтактный рабочий процесс двигателя компании Junkers объясняется довольно просто. Нижний поршень (продувочный поршень) имеет входные отверстия, через которые сжатый воздух по спирали поступает в цилиндр. В то же время верхний поршень (выпускной поршень) открывает выпускные окна. При этом оба поршня расположены дальше всего друг от друга. Всасываемый воздух вытесняет отработанный воздух и выталкивает его из расположенных в верхней части цилиндра выпускных окон. Смещение поршней примерно на девять градусов гарантировало, что выпускные окна закрываются с большей вероятностью, чем впускные отверстия для всасываемого воздуха.

Во втором такте движущиеся навстречу друг другу поршни закрывают входные отверстия, с чего начинается сжатие. На третьем такте, незадолго до достижения максимального давления и, следовательно, температуры самовоспламенения, через четыре форсунки впрыскивается мелко распыленное дизельное топливо, которое хорошо смешивается с закрученным воздухом, образуя воспламеняемую смесь. Газовая смесь взрывается и снова разъединяет два поршня, заставляя их выполнять рабочий ход, являющийся центом всего происходящего. И, наконец, на четвертом такте оба поршня снова максимально удаляются друг от друга. Газ расширялся и, таким образом, выполнял заданную ему работу, и когда поршни достигали нижних мертвых точек, они снова открывали входные и выходные отверстия.

двигатель Jumo 204 с тормозной рукояткой на испытательном стенде под открытым небом на экспериментальном заводе компании в Дессау. Снимок Мирко Junkers Шиннерлинга

блочный корпус двигателя Jumo 204 с видом на один из коленчатых валов и на расположенный в правой части снимка редуктор привода вала воздушного винта. Снимок Мирко Шиннерлинга

Таким образом, при использовании этого двухтактного рабочего процесса развиваемая двигателем мощность в два раза выше, чем при использовании четырехтактного рабочего процесса. Кроме того, двухтактному двигателю для плавной работы требуется всего три цилиндра, в то время как четырехтактному двигателю для этого требуется шесть цилиндров. Это означает, что Jumo 204 с его шестью цилиндрами он будет работать так же плавно, как и 12-цилиндровый рядный бензиновый двигатель.

Еще одной отличительной чертой дизельного двигателя конструкции Хуго Юнкерса являются два поршня в одном цилиндре. Обычно на цилиндр приходится только один поршень. Таким образом, Jumo 204 следует более точно описать как шестицилиндровый 12-поршневой двигатель, а более поздний Jumo 223 – как 24-цилиндровый 48-поршневой двигатель. Это показывает, сколько усилий требуется для изготовления размещенных внутри двигателя деталей и узлов. Кроме того, это показывает, что этот двигатель должен характеризоваться большой плавностью хода, поскольку двенадцать поршней довольно успешно преодолевают имеющие склонность к рывкам мертвые точки.

Поршни и гильзы цилиндров

На схеме, приведенной ниже, в центре в разрезе показан поршень внутри цилиндра. На схеме хорошо показана сложная конструкция поршня, изготовленного из легкого сплава. Вследствие высоких термических и сжимающих нагрузок необходимо было дополнительно предусмотреть размещение в верхней части поршня стальная противопожарная пластина с подвижным жаровым поршневым кольцом. Для надежного крепления противопожарной пластины требовались четыре стяжки. Эта дополнительная масса была платой за достижение дизельным двигателем, который должен был безотказно служить в самолете более высоких температуры и давления.

Конструкция гильзы цилиндра также была очень сложной. С одной стороны, это было связано с её длиной, а с другой стороны с тем, что гильзы цилиндров дизельных двигателей в отличие от гильз бензиновых двигателей не могли просто устанавливаться с натягом в корпус двигателя. Конструкторы компании Junkers должны были обеспечить чтобы вода омывала гильзы со всех сторон, чтобы гильза была водонепроницаемой с обоих концов, чтобы оставался свободный доступ к входным и выходным отверстиям и отверстиям соответственно, а четыре крепления топливных форсунок оставались герметичными. Благодаря тонким стенкам и узким пространствам, необходимым для прохождения охлаждающей воды, а также точному соблюдению размеров, каждая гильза была абсолютным шедевром искусства сварки и шлифования.

Но вскоре моторостроители компании Junkers столкнулись с новой проблемой двигателя Jumo 204: он был так называемым быстроходным двигателем с гораздо меньшей длиной хода, чем у его предшественника. Однако в этом сокращенном рабочем объеме образование топливно-воздушной смеси было совершенно другим, чем раньше. Как оказалось, используемые до сих пор спиральные впускные отверстия, форма которых была определена в ходе длительных экспериментов по тщательному смешению капель дизельного топлива и воздуха с целью возгорания, теперь препятствовали именно этому смешиванию. В результате их вращения холодный и, следовательно, более тяжелый всасываемый воздух выталкивался наружу, оставляя в центре цилиндра ядро горячих отработанных газов. Инженеры-испытатели придали отдельным рядам продувочных отверстий различные направления впрыска, так что продувочные отверстия, последние из которых были открыты при движении поршня вниз, продувались непосредственно к центру цилиндра, чтобы удалить последние остатки отработанных газов. Успех этого продувания с переменным направлением впрыска был на удивление хорошим. После предварительного определения наиболее благоприятного времени регулирования, можно было значительно уменьшить количество продувочного воздуха, необходимого для наиболее благоприятного сгорания.

В дизельных двигателях осевой зазор поршневых колец также мог привести к утечке смазочного материала в камеру сгорания дизельного двигателя. Это было заметно на двигателе, когда кто-то заглушал его. Данный двигатель нельзя было отключать сразу и полностью. Он работал с подкачиваемой смазкой на малой мощности до тех пор, пока не была прекращена подача всасываемого воздуха. Жаровое поршневое кольцо, расположенное между поршнем и стальной противопожарной пластиной, не только лучше герметизировало, но и позволяло безопасно выключать двигатель. Данное кольцо также обеспечило превосходную теплоотдачу от камеры сгорания к гильзам с водяным охлаждением.

Разработка материалов

Во всех случаях, когда имели место большие или переменные нагрузки, конструкторы должны были предусмотреть применение износостойких материалов. Некоторые из этих конструктивных материалов пришлось разрабатывать с нуля, не обращая внимания на значительные затраты на создание, широкого спектра производственных возможностей и возможных электрохимических реакций с соседними компонентами из других материалов.

Так, например, коленчатые и распределительные валы, гильзы цилиндров, зубчатые передачи, шатуны, инжекционные агрегаты и стяжные болты были изготовлены из высококачественной легированной нержавеющей стали, в то время как корпус картера, требовавший больших затрат, был изготовлен из силуминового литья. Литье из магниевого сплава электрон использовалось для компонентов, не подвергавшихся большим нагрузкам, таких как крышки, масляные картеры и другие.

блочный корпус двигателя был изготовлен из силуминового литья с содержанием алюминия 85 процентов. Этот материал отлично подходит для литья и при удельной масса (соотношение массы к объему) 2,8 кг/дм³ имеет предел прочности при растяжении как у стали средней прочности – 25 кПа/мм². Кроме того, силумин герметизирует литую конструкцию и устойчив к коррозии, что было необходимо, поскольку в охлаждающей воде были коррозийно-активные добавки. Первоначально на литейном производстве было довольно затруднительно изготовить из легких сплавов такой корпус в блоке с шестью цилиндрами и толщиной стенок в пять миллиметров. Компания Rautenbach из Золингена в течение многолетнего сотрудничества с Хуго Юнкерсом внесла большой вклад в разработку экономичной для серийного производства технологии литья.

Электрон, он же алюминиево-магниевый сплав, имеет удельную массу, составляющую всего две трети удельной массы силумина, но его прочность значительно ниже. Обрабатывать его нужно крайне осторожно, так как при трении, таком как обточка или шлифование, он может легко самовоспламениться.

Стремясь получить как можно меньшую массу двигателя, Хуго Юнкерс предъявлял к инженерам-моторостроителям высокие требования и поощрял их целевыми премиями.

Следует сказать, что компанией Junkers было внедрено абсолютное новшество в проектирование авиационных силовых установок: впервые в истории промышленности узлы двигателя рассчитывались по принципу усталостной прочности, т.е. срока эксплуатации. Это позволило сэкономить материалы, а значит, снизить массу и время изготовления. Дополнительным преимуществом такого метода было знание того, какие детали следует заменить, чтобы двигатель мог оставаться в работоспособном состоянии в течение длительного времени.

Летные испытания

Первый полет двигателя Jumo 204 состоялся 4 февраля 1929 года на одномоторном самолете G-24 и был приурочен к 70-летию Хуго Юнкерса. Измеренная мощность двигателя составляла 520 л.с.. Со временем мощность двигателя была увеличена до 750-800 л.с., а на испытательном стенде – даже до тысячи лошадиных сил!

для проведения летных испытаний Jumo 004 – первого работавшего на тяжелом топливе авиационного двигателя – компания Junkers переоборудовала трехмоторный G 24 (заводской номер 832) под установку одного тестируемого двигателя. Доработанный таким образом самолет впервые поднялся в воздух 4 февраля 1929 года. На тот момент двигатель Jumo 204 во время типовых испытаний развивал мощность 520 л.с. и позднее достиг мощности 800 л.с.. Снимок Мирко Шиннерлинга

В 1935 году каждый из двух гигантских самолетов G 38, получивших собственные имена Deutschland и Hindenburg, был оснащен четырьмя двигателями Jumo 204. Поскольку в этих машинах толщина крыла была очень большой и позволяла проходить внутри него не сгибаясь, то авиамоторы можно было наблюдать, контролировать и регулировать прямо на местах установки во время полета. При этом, разумеется, двигателя на одном самолете давали больше данных, чем один.

Первоначально в 1931 году двигатель Jumo 4 во время типовых испытаний его образца надзорной инстанцией развивал мощность всего 520 л.с.. Дальнейшее повышение производительности было достигнуто за счет конструктивных изменений быстро движущихся компонентов кривошипно-шатунного механизма. В первую очередь это касалось балансировочных грузов, а также за счет изменения их расположения и формы. В результате мощность возросла до 720 л.с., а затем и 800 л.с., что сделало Jumo 204 первым двигателем с удельной мощностью, равной единице.

Однако даже для многомоторных самолетов высота и масса двигателя Jumo 204 были слишком велики. По этой причине в 1931 году началось создание двигателя Jumo 205 с более подходящими параметрами.

Более эффективный Jumo 205

Двигателем Jumo 205 компания Junkers предоставила авиакомпаниям силовую установку с максимальной эффективностью. Данный двигатель которая достигла пика, ранее при удельной мощности всего 0,75 кг/л.с. достиг пикового уровня, который ранее считался невозможным для дизельных двигателей. Для сравнения имеет смысл привести значения удельной мощности ряда бензиновых двигателей того времени: Junkers L2 – 1,63 (1925 год); BMW IX – 1,1 (1930 год), DB F4E – 0,77 (1931 год). Только более новые двигатели 1935 года выпуска достигли значений удельной мощности в диапазоне 0,5-0,6 кг/л.с.. У Jumo 210 данный показатель был равен 0,6 кг/л.с., а у DB 601 – 0,55 кг/л.с.. Двигатель Jumo 223 – последний дизельный двигатель компании Junkers – в 1941 году достиг значения 0,63 кг/л.с., а последний бензиновый двигатель Junkers Jumo 222 C/D достиг значения 0,39 кг/л.с.. Оба упомянутых двигателя относились к классу мощности 3000 лошадиных сил.

гильзы цилиндров двигателя Jumo 205 с их радиальными прорезями и отверстиями были результатом десятилетий очень сложных исследований и практических испытаний. Снимок Мирко Шиннерлинга

разрезанный поршень из легкого сплава с противопожарной пластиной и жаровым поршневым кольцом на Jumo 205. Снимок Мирко Шиннерлинга

внутреннее устройство топливных форсунок двигателя Jumo 205. Чертеж Мирко Шиннерлинга

на данном поперечном сечении двигателя Jumo 205 хорошо показан принцип действия оппозитных поршней. Снимок Мирко Шиннерлинга

особенности контура циркуляции масла двигателей Jumo 204/205: у них не было масляного поддона. Чертеж Мирко Шиннерлинга

часовой расход топлива двигателя Jumo 205. Чертеж Мирко Шиннерлинга

сравнительные технические характеристики дизельных двигателей компании Junkers: Jumo 204, Jumo 205 и Jumo 206. Чертеж Мирко Шиннерлинга

Двигатель Jumo 205 был примерно на 20 сантиметров ниже, чем его предшественник Jumo 204, и на десять сантиметров шире. Масса была снижена с 750 до 520 килограммов. Однако, поскольку скорость полёта увеличилась с 250 км/ч до 400 км/ч, и вместе с этим и увеличилась взлетная масса, это, начиная с середины 1930-х годов, оказало серьезное давление на создателей Jumo 205, развивавшего мощность 600 л.с.. С одной стороны требовалось увеличение развиваемой двигателем мощности, а с другой – использование полностью регулируемых воздушных винтов.

три дизельных двигателя Jumo 205 пассажирского самолета Ju 52 Emil Schäfer развивали общую мощность 1800 л.с., позволяя самолету летать с крейсерской скоростью 250 км/ч. Дальность полета с полной полезной нагрузкой увеличилась с 900 до 1450 километров. С дизельными двигателями прямые эксплуатационные расходы снизились на 40 процентов, а затраты на топливо – на 82 процента. Если бы не разразившаяся Вторая Мировая война, то уже в 1940 году гражданские авиакомпании могли предлагать гораздо более дешевые маршруты с меньшим количеством пересадок. Снимок Мирко Шиннерлинга

кабина пилотов самолета Ju 52, оснащенного тремя Junkers Jumo 205 со взлетной мощностью по 800 л.с. каждый. Снимок Мирко Шиннерлинга

на данных диаграммах убедительно показано, как Junkers Ju 52/3m с двигателями Jumo 205 превзошел Ju 52/3m с двигателями Bramo-132, который использовался в других случаях. Результат: при полете из Берлина в Париж Jumo 205 сэкономил бы около 700 рейхсмарок. Чертеж Мирко Шиннерлинга

Обе разработки привели к появлению в 1940 году высотного двигателя Jumo 207, который устанавливался на способные летать на очень больших высотах самолеты-разведчики Ju 86 P. Благодаря герметичной кабине экипажа и двигателям Jumo 207 самолет мог выполнять разведывательные полеты сначала на высоте двенадцать километров, а затем на высоте 14 километров. Дополнительный турбокомпрессор на той же высоте обеспечивал необходимое давление наддува, а трехлопастные воздушные винты с регулируемым шагом использовались для преобразования мощности двигателей в поступательное движение.

в военном отношении двигатели Jumo 205 в основном использовались на средних бомбардировщиках Ju 86 и на гражданской версии этой машины. Снимок Мирко Шиннерлинга

согласно сообщениям высотные самолеты-разведчики Ju 86 P и Ju 86 J, оснащенные двигателями Jumo 207 A и Jumo 207 B, могли летать на высотах от 14 до 15 километров, что требовалось сложной системы наддува двигателей. Снимок Мирко Шиннерлинга

В целом можно констатировать, что большого военного значения дизельные двигатели компании Junkers не имели, поскольку для этого они изначально не предназначались. Во-первых, это было связано с длительными сроками разработки подобных двигателей, а во-вторых, с изначально низкими характеристиками. Однако самой важной причиной стала особенность дизельного двигателя: он был надежен и часами мог работать на одном режиме, но терпеть не мог каких-либо резких изменений оборотов.

Однако в 1939 году инженеры компании Junkers взялись за решение этой задачи. Дизели с газотурбинным наддувом Jumo 207, Jumo 208 и Jumo 223 должны были свидетельствовать об этом. Рассказ об этих двигателях будет в следующей статье данного цикла.

Данные взяты из «Die Deutsche Luftfahrt, Flugmotoren und Strahltriebwerke», Bernhard & Graefe Verlag Bonn

источник: Holger Lorenz «Junkers Flugdieselmotoren. Zivil konzipiert, militärisch genutzt» «Flugzeug Classic» 2022-08, Seiten 68-75

перевод впервые опубликован — https://vk.com/@710541705-aviacionnye-dizelnye-dvigateli-kompanii-junkers-chast-2