Интересная винтажная статья из журнала «Flight» (выпуск от 18 января 1940 года), которая, думаю, заинтересует читателей и коллег.
БЕНЗИНОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КОМПАНИИ JUNKERS С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ВПРЫСКОМ ТОПЛИВА
Система непосредственного впрыска топлива на двигателях трофейных бомбардировщиков Heinkel: подробное исследование
Содержание:
Вступительное примечание
Непосредственный впрыск бензина в цилиндр с помощью механического дозирующего устройства является технической разработкой, которая уже несколько лет привлекает внимание многих авиационных инженеров в разных странах. Двигатели этого типа были созданы и испытаны в Великобритании, а также во Франции и Америке. Кроме того, в настоящее время одноцилиндровые испытательные агрегаты подвергаются интенсивным исследованиям.
Степень интереса к бензиновым двигателям с непосредственным впрыском топлива варьируется в зависимости от знаний о проблемах карбюрации и газораспределения в целом, и можно сказать, что Германия никогда не отличалась своими карбюраторными системами и только недавно прибегла к конструкции, которая была давно разработана и стандартизирована в Великобритании. Возможно, этот факт в сочетании с постоянно существующими трудностями с поставками бензина желаемого качества во время войны, побудил немецких инженеров отказаться от карбюраторов, продвинуться вперед в совершенствовании средств дозирования и использовать их в насосах принудительной подачи, с помощью которых крошечные частицы топлива через форсунки попадают непосредственно в каждый цилиндр двигателя. Одним из преимуществ непосредственного впрыска топлива является устранение проблем с замерзанием, что важно при возможном использовании военной авиации даже в арктических зонах на все возрастающих высотах.
Таким образом, какой бы гениальной ни была система непосредственного впрыска топлива, простая эффективность никоим образом не обязательно была единственным определяющим фактором в решении проблемы, стоявшей перед немецкими инженерами при принятии решения о стандартизации обычной карбюраторной системы или нет.
Несмотря на эти соображения, насос непосредственного впрыска топлива имеет большое значение в качестве технической разработки. До сих пор детали устройства хранились в строжайшем секрете, и вражеские пилоты, когда их сбивали, немедленно уничтожали свои самолеты, стремясь предотвратить утечку технических данных. В результате это подробное описание с приведенной в нем серией рисунков М. А. Миллара (M. A. Millar) является единственным, которое когда-либо было опубликовано в Великобритании или в той или иной стране.
Редакция журнала «Flight» счастлива предоставить возможность опубликовать данный материал. Для британских инженеров неоценимую ценность представляет возможность изучить результаты немецких усилий в этой области исследований и сравнить их с собственными достижениями. Совершенно очевидно, что компоненты насосов для впрыска топлива должны изготавливаться с очень строгими допусками. Было подсчитано, что изготовление описанного устройства обойдется в сумму не менее чем в 300 фунтов стерлингов. Кроме того, хотя при использовании устройств непосредственного впрыска топлива период между капитальными ремонтами удлиняется, работы по их техническому обслуживанию могут выполняться только высококвалифицированными механиками. G. G. S.
–––***–––
Теперь стало возможным раскрыть долгожданные подробности о двигателе компании Junkers, оснащенного насосами непосредственно впрыска топлива. Наши читатели, возможно, помнят, что в конце прошлого года двухмоторный бомбардировщик Heinkel He 111 K Mark V был сбит истребителями Королевских ВВС и, получив повреждения от пулеметного огня, не смог выпустить шасси и совершил посадку с парашютированием на холмы Ламмермур (Lammermuir Hills) у залива Ферт-оф-Форт.
Эта машина была оснащена двумя инвертированными 12-цилиндровыми двигателями Junkers Jumo 211 A, один из которых впоследствии был снят и подвергнут тщательной проверке и калибровочным испытаниям компанией Rolls-Royce Co. Второй двигатель является предметом исследования. Хотя испытания еще окончательно не завершены, благодаря любезности технического отдела Министерства авиации и компании Rolls-Royce Co., представители журнала «Flight» была предоставлена возможность подробно изучить один из двигателей и получить доступ к самому полному объему имеющейся информации и данных.
Двигатель компании Junkers, снятый с бомбардировщика Heinkel 111, получил сравнительно небольшие повреждения в результате вынужденной посадки, и в основном из-за смещения узла впрыска топлива, установленного между цилиндрами и, следовательно, на нижней стороне двигателя. Корпус нагнетателя тоже дал трещину, но дефекты были легко устранены, и в настоящий момент двигатель находится в полном рабочем состоянии на испытательном стенде в одном из цехов по испытанию двигателей.
Несомненно, главным интересом в этом немецком авиационном двигателе является система непосредственного впрыска бензина в каждый цилиндр от специально разработанного насосного агрегата, который напоминает дизельный насос. Номинальная мощность двигателя на высоте 14000 футов (4267 м) составляет 1050 л.с. при частоте вращения коленчатого вала 2300 оборотов в минуту. Диаметр цилиндра и хода поршня составляют 150 мм и 165 мм соответственно, что дает общий рабочий объем 35 литров. На цилиндр приходится два впускных и один выпускной клапан. Угол между блоками цилиндров равен 60 градусов, а масса двигателя со стартером и генератором составляет 1525 фунтов (692 кг).
В двигателе используется двухскоростной нагнетатель, а топливо, взятое из баков бомбардировщика Heinkel 111 и подвергнутое анализу, имело октановое число 87 при содержании свинца 4,4 куб. см на имперский галлон. Характер используемого топлива представляет интерес ввиду определенных предположений о том, что одной из главных привлекательностей для Германии при внедрении двигателей с непосредственным впрыском топлива является возможность успешного использования низкосортного топлива.
Система непосредственного впрыска
Нагнетатель под давлением подает сжимаемый воздух через разветвленный впускной коллектор к двум блокам цилиндров. Нагнетатель управляется дроссельной заслонкой бочкообразного типа, расположенной на стороне подачи. В соответствии с требованиями высоты давление воздуха регулируется не только дроссельной заслонкой, но и двумя скоростями самого нагнетателя. Возникающие в результате изменения давления потока чистого воздуха, поступающего в цилиндры, требуют, как будет показано ниже, сложной и очень интересной системы управления подачей топлива, впрыскиваемого непосредственно в камеры сгорания.
Каждая камера сгорания имеет свою собственную форсунку, и топливо в нее подается под давлением приблизительно 73 фунта (33 кг) от одного из плунжеров двенадцатиплунжерного насосного агрегата, расположенного под двигателем в развале блоков цилиндров. Насос приводится в действие закрытым горизонтальным валом от зубчатой передачи в задней части двигателя. Хотя насосный агрегат скомпонован очень компактно из-за его расположения и компоновки системы впускных трубопроводов доступ к форсункам и свечам зажигания крайне затруднен.
Форсунка
Как видно из рисунка, форсунка ввинчивается непосредственно в камеру сгорания таким же образом, как и свеча зажигания, но в отношении ее головки используется специальная конструкция, позволяющая установить трубу подачи топлива радиально без изгиба трубы, что имеет определенное значение при работе двигателя. Это имеет определенное значение, когда должна быть обеспечена сборка из двенадцати труб. Гнездо «A» на месте расположения относительно корпуса форсунки «B» и «C» имеет рифленую поверхность и удерживается в нужном положении гайкой «D». Штуцер на конце топливопровода «E» удерживается внутри гнезда и прилегает к сферической законцовке внутреннего элемента «F» с помощью накидной гайки «G».
Топливо проходит по впускному трубопроводу, который имеет внутренний диаметр 1,5 мм, к трем подводящим отверстиям в основании внутреннего элемента, а оттуда по трем слегка закрученным спиралью канавкам к отверстию форсунки диаметром 1,1 мм. Форсунка изготовлена из стали, и ее масса в сборе (без трубы) составляет 4 унции (113 г).
Бензин впрыскивается в камеру сгорания в виде веерообразных струй и сразу же вступает в контакт с нагнетаемым воздухом, который был нагрет за счет увеличения давления. Сопло форсунки расположено в головке цилиндра рядом с двумя впускными клапанами и напротив одного большого выпускного клапана, как показано на рисунке ниже. В головку встроены выступы для четырех положений свечей зажигания, но в испытуемом двигателе компании Junkers две свечи зажигания были расположены друг напротив друга в показанном положении. Головки цилиндров изготовлены из легкого сплава со стальными гнездами клапанов.
Впрыск топлива происходит во время такта впуска поршня и всегда начинается в фиксированный момент времени. Точка, в которой впрыск прекращается, определяется продолжительностью впрыска, которая, в свою очередь, регулируется механизмом управления насосом высокого давления. Точное время впрыска топлива по отношению к времени впуска пока неизвестно. Однако представляется, что период впрыска не является критическим вопросом и что допустима некоторая гибкость в настройке времени без последующей за этим результирующей потери мощности.
Топливный насос высокого давления
Двенадцатиплунжерный насос представляет собой горизонтально расположенный агрегат, имеющий два ряда по шесть плунжеров расположенных друг напротив друга с распределительным валом между ними и приводимый в движение с частотой вращения, равной половине частоты вращения коленчатого вала. Блоки плунжеров установлены под углом 15 градусов к горизонтали и имеют диаметр 9 мм и ход 8 мм. И плунжеры, и цилиндры, в которых они скользят, изготовлены из стали и установлены в корпусе насоса, который изготовлен из легкого сплава. Вращение распределительного вала обеспечивает постоянный подъем каждого плунжера с помощью кулачка к толкателю с роликовой оконечностью, который расположен между кулачком и основанием плунжера. Между толкателем и корпусом насоса расположена прочная пружина, которая обеспечивает надежное следование кулачка. Кулачок придает плунжеру быстрое движение при ходе поршня насоса, но при обратном ходе поршня у плунжера сравнительно медленное движение, о чем свидетельствует профиль кулачка.
При вращении самого плунжера изменение или регулирование количества топлива, подаваемого в форсунку, регулируется количеством жидкости, поступающей обратно во впускное отверстие насоса, допускаемым на ходе поршня насоса. Головка плунжера имеет наклонные канавки, образующие выпускной канал для возврата топлива в отсечное отверстие форсунки. Таким образом, поворот плунжера регулирует возврат топлива, и степень поворота плунжера регулироваться зазором между проходом в головке плунжера и отсечным отверстием форсунки. Топливо поступает в цилиндр плунжера в нижней части хода плунжера через впускное отверстие и подается в топливопровод высокого давления через два возвратных клапана, расположенных в головке насоса.
Полный комплект топливных насосов высокого давления снабжается бензином от главного насоса, который приводится в действие от одного из распределительных валов двигателя, а этот насос, в свою очередь, соединен с основными топливными баками. Интересно отметить, что немецкие моторостроители установили сепаратор между двумя насосными агрегатами для сбора любого воздуха, который может приходить вместе с подаваемым топливом и тем самым образовать воздушную пробку в жизненно важной точке системы впрыска.
В целях управления вращение каждого плунжера насоса осуществляется скользящей зубчатой рейкой, проходящей поперек и под каждым блоком плунжеров. В каждом насосе рейка входит в зацепление с шестерней и втулкой, которая вращается снаружи цилиндра плунжера и зацепляется посредством язычка входят в зацепление с внутренним концом плунжера, который примыкает к толкателю. Люфт при таких перемещениях реечной передачи устраняется короткими подпружиненными стойками, установленными с противоположной стороны. Эти подпружиненные рейки взаимодействуют с одной и той же шестерней, осуществляя плавное перемещение без люфта и обеспечивая тем самым точное управление плунжером насоса.
Как показано на рисунке ниже две основные рейки соединены между собой в камере под корпусом насоса зубчатыми секторами, взаимодействующими с поперечной рейкой, которая, в свою очередь, приводится в действие зубчатой рейкой и другой реечной шестерней от гидравлического серводвигателя лопастного типа. Этот двигатель снабжается маслом, подаваемым под давлением от шестерёнчатого насоса, расположенного между распределительным валом насоса и приводным валом двигателя. Основная система смазки двигателя подает масло в этот шестеренчатый насос.
Таким образом, приведение в действие реек и различных подвижных частей механизма управления насосом осуществляется не вручную, а посредством силового привода. Полый шпиндель серводвигателя снабжен отверстиями, которые соединяются со спиральными канавками и центральным золотником двигателя. К золотнику подсоединен шпиндель, который перемещается вперед и назад с помощью капсулы или расширительного устройства, которое двумя патрубками соединено с главным впускным трубопроводом.
Поскольку во впускном трубопроводе давление нагнетаемого воздуха изменяется, капсула расширяется или сжимается, что активирует работу серводвигателя. В свою очередь серводвигатель приводит в действие реечный механизм управления насосами и, тем самым, регулирует топлива, впрыскиваемого индивидуально в камеры сгорания. В канале подачи нагнетаемого воздуха соединение между капсулой и впускным трубопроводом обеспечивается единственной трубой, в которой одно отверстие обращено непосредственно к потоку нагнетаемого воздуха. В обратном направлении воздух идет из капсулы во впускной трубопровод через отверстие, установленное к воздушному потоку приблизительно под углом 90 градусов. Рядом с капсулой находится механизм контроля за превышением граничных значений. Данный механизм соединен тросом с механизмом управления давлением наддува, расположенным рядом с дросселем; в настоящий момент функция этого элемента системы управления окончательно не определена.
Регулировка времени зажигания
Комплектный топливный насос высокого давления приводится в действие горизонтальным валом от двигателя через шлицевую втулку, соединяющую приводной вал двигателя с распределительным валом насоса. Эту втулку можно перемещать вдоль ее шлицев для отсоединения распределительного вала и, таким образом, обеспечивать основное средство синхронизации насосов. Индивидуальная синхронизация каждого плунжера насоса осуществляется путем разделения на сегменты основных зубчатых реек, которые вращают плунжеры насоса, и перемещения каждого сектора по горизонтали с помощью верньерной регулировки на каждой оконечности комплектной зубчатой рейки. Сегменты присоединяются винтами с мелким шагом резьбы либо к центральному шпинделю, либо к телескопическим втулкам, и после поворота, сделанного для регулировки, они фиксируются вместе с помощью шлицевых головок, взаимодействующих со шлицевыми буртиками и стопорными кольцами на законцовках рейки. Регулировка может быть произведена с внешней стороны насосного агрегата после снятия маслоудерживающих колпачков. Существует еще одна форма регулировки зубчатой рейки для увеличения или уменьшения общей величины перемещения реек серводвигателем. Общая масса комплектного насосного агрегата вместе с приводным валом составляет приблизительно 39 фунтов (18 кг).
Наддув
Нагнетатель установлен в задней части двигателя; вал крыльчатки нагнетателя установлен под углом 90 градусов к центральной линии двигателя и приводится в движение двухскоростной передачей с муфтами сцепления и промежуточным валом, вращаемым конической зубчатой передачей от заднего конца коленчатого вала. В конструкции крыльчатки нагнетателя используется не диффузор, а простой спиральный корпус сравнительно небольших габаритных размеров, который направляет воздух к основному впускному трубопроводу. Воздух собирается внешним воздухозаборником и сеткой, расположенными на боковой стороне двигателя, и поставляется к центру крыльчатки, горловина которой снабжена изогнутыми лопатками, которые пропускают воздух в центр крыльчатки.
Крыльчатка необычна тем, что представляет собой полый узел с отверстиями коробчатой формы для выпуска воздуха под действием центробежной силы в спиральный корпус. Если этот агрегат был изготовлен из цельной поковки, то его изготовление, должно быть, было чрезвычайно дорогостоящим по сравнению с производством крыльчатки обычного типа.
Привод крыльчатки
Для обеспечения вращения с двумя разными скоростями две зубчатые шестерни разного диаметра с помощью муфт установлены на промежуточном валу, приводимом в движение от коленчатого вала. Роликовая муфта свободного хода действует как муфта низшей передачи. Эта роликовая муфта установлена в центе зубчатой шестерни меньшего диаметра. Зубчатая шестерня большего диаметра цельностальная многодисковая муфта, которая обеспечивает высокоскоростной привод нагнетателя, и эта муфта управляется вручную из кабины пилота. Диски сцепления вступают в контакт с спиральными шлицами на внутренней ступице под действием рабочего рычага и механизма переключения. Напряжение в механизме управления снимается, как только муфта полностью зацепляется пальцами в механизме ступицы, которые удерживают диски сцепления в полном зацеплении.
Два зубчатые шестерни большого диаметра взаимодействуют с установленными на валу шестернями; данный вал приводит в движение рабочее колесо через небольшую центробежную муфту. Эта муфта, несмотря на небольшой диаметр, передает всю мощность, необходимую для работы нагнетателя, и состоит из четырех небольших бронзовых блоков. Эти блоки, имеющие округлый внешний диаметр, благодаря шлицевому соединению представляю единое целое с концом вала, две шестерни которого приводятся в движение через главные муфты сцепления. По мере того, как при ускорении скорость вала-шестерни увеличивается, бронзовые блоки перемещаются к внешнему концу вала и захватывают стальную ступицу, которая образует один конец вала крыльчатки нагнетателя. Однако эти бронзовые блоки по-прежнему находятся в зацеплении со шлицами на валу-шестерне, поскольку во время передачи крутящего момента на нагнетатель их перемещение к внешнему концу вала остается небольшим.
Вал-шестерня и вал крыльчатки нагнетателя вращаются в двух подшипниках скольжения, установленных в сферических корпусах для обеспечения самовыравнивания. Подшипники с вытеснительной подачей масла через центральный канал в валах; для предотвращения попадания масла в крыльчатку на подшипниках вала крыльчатки установлены четыре сальниковых уплотнения типа поршневое кольцо. Роликовые подшипники установлены на главном фрикционе и приводном валу, который соединен с коленчатым валом зубчатой передачей с передаточным отношением 30 к 16. Передаточные отношения между коленчатым валом и крыльчаткой на первой передаче составляет 7,853 к 1, на второй передаче – 11,375 к 1.
Дроссель цилиндрического типа расположен на выходной стороне корпуса нагнетателя, который в свою очередь соединен фланцем с главным воздуховодом, ведущим к расположенной между блоками цилиндров системе впуска. Управление дроссельной заслонкой осуществляется пилотом в обычном режиме, но её регулировка в соответствии с давлением наддува в системе впуска осуществляется автоматическим устройством, расположенным в механизме дроссельной заслонки. Таким образом, эта система регулирования устраняет аномально высокое давление наддува и перенапряжение двигателя. Главный трубопровод от нагнетателя подает воздух в систему сварных труб с четырьмя патрубками, соединенных с коллекторами из легкого сплава. Коллекторы соединены болтами на внутренних поверхностях каждого ряда цилиндров. В целях запуска ручной впрыск осуществляется пилотом через трубопровод и ниппель, которые наполняют впускной коллектор бензином.
Вкратце говоря, система впрыска и наддува, которая включает в свой состав нагнетатель, который нагнетает чистый воздух в цилиндры в объеме, регулируемом крыльчаткой (на первой или второй передаче) и настройкой дроссельной заслонки. Давление воздуха, или наддув, автоматически регулирует подачу бензина в цилиндры, и таким образом качество топливовоздушной смеси для сгорания в цилиндрах поддерживается автоматически. Очевидно, что поддержание качества топливовоздушной смеси имеет огромное значение для экономичной работы и предотвращения эффектов обедненной смеси. В конечном итоге будет интересно узнать, как резкие движения дроссельной заслонки влияют на качество топливовоздушной смеси в системе в целом.
Заключительный комментарий
Хотя в данной статье в основном рассматриваются детали сложной системы впрыска, необходимо сделать еще несколько замечаний относительно самого двигателя.
Внутренняя отделка двигателя в том, что касается рабочих поверхностей подшипников, шестерен, опорных поверхностей и т.д., находится на высоком уровне, но внешний вид не соответствует высоким стандартам британского авиационного моторостроения. Разумеется, чистота обработки деталей и общий уровень мастерства не сравнимы с совершенством, например, двигателя Rolls-Royce Merlin.
Основная часть картера и кожухи водяного охлаждения цилиндров обоих блоков отлиты как единое целое из легкого сплава, что свидетельствует о передовой технологии литейного производства. Собственно цилиндры представляют собой тонкие корпуса, прикрепленные к камере сгорания из обычного сплава с помощью ряда длинных шпилек. Одна головка с набором корпусов цилиндров образует блок цилиндров. На каждой головке установлен один верхний распределительный вал, который приводит в действие двойные впускные клапаны и одиночные выпускные клапаны через коромысла, оснащенные толкателями с роликовыми кулачками.
Уравновешенный коленчатый вал соединен с валом воздушного винта, обеспечивая передаточное число 0,648 к 1. Сам двигатель в четырех точках с помощью резиновых амортизаторов установлен на аккуратно отлитые несущие балки моторной рамы. Воздушный винт V.D.M. оснащен электрическим приводом из кабины пилота и установлен на валу ступицы, который фланцем с радиальным рифлением крепится к фланцу на валу редуктора.
Для охлаждения двигателя используется вода с 40-процентным содержанием гликоля в качестве антифриза. Единственный насос, расположенный в задней части двигателя, обеспечивает циркуляцию воды, проводящей из выдвижного радиатора через кожухи водяного охлаждения цилиндров. Расширительный бак выполнен в виде круглого элемента, прилегающего к корпусу редуктора воздушного винта. Седловидный маслорадиатор небольшой высоты установлен над картером в задней части двигателя.
В ходе испытаний было определено, что двигатель работает на холостом ходу и хорошо работает на различных степенях открытия дроссельной заслонки и что его характеристики сравнимы с характеристиками обычных наддувных двигателей, оснащенных карбюраторами.
источник: M. A. M. «The Junkers petrol injection engine» «Flight» January 18, 1940, pages 45-50
перевод впервые опубликован – https://vk.com/@710541705-ispytano-v-velikobritanii-junkers-jumo-211a