«Маленький» четырехугольный дизельный авиационный двигатель Jumo-223. Германия

Эпитет «маленький» в отношении авиационного дизельного двигателя Jumo-223 следует понимать в сравнении его с еще большим двигателем такого же типа. Дизельный двигатель Jumo-223 по своим размерам и развиваемой мощности был равен бензиновому 24-цилиндровому двигателю Jumo-222. B конце 1930-х годов Jumo-223 был самым большим авиационным дизельным двига­телем. Со своими 24 цилиндрами он в то время достиг своего рода границы возможностей авиационных двигателей данного типа.

Оригинальное прямоугольное исполнение этого двигателя представляло собой агрегат из 4 соеди­нённых вместе 6-цилиндровых двигателей со встречно движущимися поршнями. Данная разра­ботка была выполнена ранее фирмой Junkers. В каждом из 4 углов двигателя Jumo-223 распола­гался коленчатый вал, соединённый при помощи шатунов с 12-ю цилиндрами двух примыкающих к нему 6-цилиндровых моторных блоков. Таким образом, получился авиационный двигатель до сих пор никем не применявшегося исполнения – с 4-мя коленчатыми валами, 24-мя цилиндрами и 48-ю поршнями. В центре двигателя располагался соединяющий коленчатые валы понижающий редуктор.

Профессор Юнкерс в начале 30-х годов начал исследования по разработке мощного авиационного дизельного двигателя, который предполагалось использовать в дальнейшем на разрабатывавшихся фирмой Junkers проектах пассажирских самолётов. Стремление профессора разрабатывать подоб­ные двигатели диктовалось необходимостью обеспечения воздушных сообщений на транс­океан­ских маршрутах и на прочих перелётах на большие расстояния между различными континентами. Разработка мощного и надёжного дизельного авиационного двигателя в этих условиях была логичной и экономически оправданной, поскольку позволила бы получить очень хорошие техни­че­ские характеристики. Решающей стала идея использовать оба коленчатых вала одного моторного блока двигателя вместе с коленчатыми валами соседнего моторного блока. Таким образом, фактически на один коленчатый вал работали бы 12 цилиндров, принадлежащих двум соседним моторным блокам, что позволило бы использовать наработки по части кинематики, полученные на более ранних разработках фирмы 12-цилиндровых двигателей L55 и L88. Благодаря этому имелась возможность получить двигатель небольшого размера, у которого количество коленчатых валов и картеров было бы сокращено в 2 раза за счет наличия большого количества небольших по размеру цилиндров и возможности получения высоких оборотов двигателя.

Окончательный вид данное предложение фирмы Junkers обрело в 1935 году. Первый раз чертежи данного двигателя опубликовал доктор Гастерштадт (Gasterstädt) в 1936 году. Он и может считаться автором данной идеи. Имелись изображения с 3-мя или с 6-ю моторными блоками. Вариант подоб­ного двигателя с 3-мя моторными блоками после 1945 года продолжали развивать в Англии, разработав на фирме Napier двигатель Deltic. Данный двигатель использовался на торпедных катерах и локомотивах. Разработка в 30-е годы идеи применения «многоугольных» двигателей с большим количеством валов и встречно движущимися поршнями открыла перед авиационными моторостроителями далеко идущие перспективы. Дальнейшие уже вполне целенаправленные работы по сделанному ранее предложению привели к разработке на моторостроительном пред­приятии в городе Дессау окончательно сформированного проекта двигателя, получившего обоз­на­чение P2000. Из документации фирмы Junkers следует, что 4.04.1938 года по распоряжению RLM обозначение двигателя Р2000 было заменено на Jumo-223. Jumo-223 стал первым четырёхуголь­ным двигателем с 4-мя коленчатыми валами.

По своим размерам, развиваемой мощности и весу этот двигатель был близок к бензиновым двига­телям с аналогичными показателями (с более низким расходом топлива).  Под общим руко­вод­ством профессора Мадера (Mader) и, к сожалению, слишком рано умершего (в 1937 году) инициа­тора данной идеи доктора Гастерштадта, а также Х. Беркнера (H. Berkner) и П. Якоба (P. Jakob) (разработка конструкции), доктора Бека (Beck) (расчеты), А. Гимма (A. Gimm) (испытания) при всё большем участии М. Герлаха (M. Gerlach) в 1937 году начали испытания одноцилиндрового варианта этого двигателя. Далее перешли к испытаниям 6-цилиндрового варианта. В конце 1939 года приступили к испытаниям нормального полностью укомплектованного 24-цилиндрового вари­анта. Параллельно велись работы и по бензиновому 24-цилиндровому авиационному двигателю нового поколения Jumo-222. Этот двигатель изначально предназначался для новых значительно более совершенных средних и тяжелых бомбардировщиков, работы над которыми также уже велись какое-то время и значительно опережали разработки двигателей Jumo-222.

Несмотря на существенные отличия в конструкции обоих этих двигателей, оба они представляли собой принципиально новые разработки и при их доводке, как и ожидалось, возник ряд серьёзных проблем. Большое количество цилиндров с одной стороны значительно усложняло конструкцию, с другой – позволяло получить сравнительно небольшой рабочий объём одного цилиндра и, в связи с этим, близкое к оптимальному протекание рабочих процессов в цилиндрах. Расчеты и исследо­ва­ния показали, что размеры цилиндров нового дизельного двигателя могут быть еще меньшими, чем у Jumo-206: диаметр цилиндра всего 80 мм при ходе поршня 120 мм. Полный рабочий объём 24-цилиндрового двигателя составлял 28,95 литра. Это позволило бы получить высокие максимальные обороты – до 4400 об/мин! Таких высоких максимальных оборотов и средней скорости поршня (17,6 м/сек) в то время не имел ни один многоцилиндровый двигатель. Максимальная расчетная взлёт­ная мощность двигателя 2500 л.с. (1840 кВт). Столь высокие показатели предполагалось получить за счет двойного нагнетателя, включая турбокомпрессор (ATL), и охлаждения нагнетаемого воздуха. Подобные двигатели были бы весьма ценным приобретением для 4-6-моторных самолётов, способ­ных совершать беспосадочные перелёты на большие расстояния. В 1940 году началось проекти­ро­вание подобного самолёта Junkers EF-100 со взлётным весом в 80 тонн, который с 6-ю двигателями Jumo-223 смог бы совершать 15-часовые беспосадочные перелёты, развивая скорость до 500 км/ч.

В 1941 году фирма Messerschmitt приступила к разработке варианта стратосферного дальнего бомбардировщика Me-264 с 4-мя двигателями Jumo-223, который, как ожидалось, мог бы развивать максимальную скорость до 700 км/час, достигать высоты 14-15 км и без дозаправки выполнять полёты продолжительностью в 50-60 часов. В протоколе фирмы Jumo от 11.04.1941 года отмечались особенности двигателя Jumo-223 и вопросы, касающиеся подготовки его серийного производства:

• 4-x-угольный с 4-мя коленчатыми валами дизельный 2-тактный 24-цилиндровый двигатель со встречно движущимися 48-ю поршнями;
• во внутреннем пространстве по центру между цилиндрами спереди расположен понижающий редуктор. Там же сзади по центру расположен приводимый через редуктор нагнетатель;
• в конструкции двигателя использованы обычные технологические решения фирмы Jumo, раз­работанные для 6-цилиндровых двухтактных дизельных двигателей;
• в перспективе для данной силовой установки предусматривались винты противоположного вращения. При испытаниях на стенде устанавливался обычный винт;
• двухступенчатый нагнетатель, состоявший из турбокомпрессора и приводимого через редуктор обычного нагнетателя. Данное решение из за прекращения работ по двигателю не было реализовано;
• двигатель предназначался для полётов на малых и больших высотах;
• исполнение элементов питания, смазки и охлаждения, традиционных для фирмы Jumo.

В теории ожидалось получить быстроходный дизельный двигатель с высокими оборотами, низким уровнем вибрации и высокими эксплуатационными показателями. На практике не все эти решения были в полной мере реализованы до вынужденного прекращения работ по этому двигателю. Имелся ряд проблем, вызванных высокими оборотами, с протеканием газообменного процесса, образованием топливо-воздушной смеси, характеристиками впрыска и протеканием процесса сгорания, поскольку размеры камер сгорания нового двигателя были меньше, чем у ранее разра­бо­танных и эксплуатировавшихся двигателей, а также время на доводку двигателя было меньше, чем на доводку ранее созданных двигателей. Для устранения имевших место проблем и внесения необходимых изменений необходимо было провести многочисленные испытания на стендах и исследования и подобрать правильное направление ведения дальнейших работ. Для этих целей необходимо было иметь в необходимом количестве оборудованные всем необходимым испыта­тель­ные стенды, мастерские, различные материалы и опытный персонал.

В условиях всё более ухудшающегося военного положения, ограниченности имевшихся в стране ресурсов и несмотря на все перспективы, которые сулило внедрение Jumo-223, было принято решение сосредоточить все усилия на крайне необходимом для перспективных средних и тяжелых бомбардировщиков бензиновом Jumo-222. Первый двигатель Jumo-223V1 поступил на испыта­тель­ный стенд в начале декабря 1939 года. «Холодный» двигатель во время испытания, состоявшегося 6.01.1940 года, приводился во вращение от постороннего источника мощности в виде электро­двигателя мощностью 300 кВт. При этом развивались 1200 об/мин. В ходе испытаний не возникало каких-либо неполадок. «Горячий» двигатель, работавший самостоятельно, начали испытывать 27.02.1940 года. Все испытания проводились только с использованием нагнетателя двигателя, поскольку единственный изготовленный к тому времени для Jumo-223 турбокомпрессор (ATL) во время возникшего в ходе испытаний пожара пострадал и не мог далее использоваться по назна­чению. Следовало принимать во внимание, что развиваемая двигателем в ходе испытаний мощ­ность при наличии в процессе проведения испытаний полноценного наддува, включавшего, как уже упоминалось, и турбокомпрессор, должна была быть более высокой, чем была получена в ходе испытаний не полностью укомплектованного двигателя.

Целью этих испытаний в начальной стадии на стенде было просто установить, будет ли работать двигатель при небольших нагрузках, и только затем по мере получения первых результатов и внесения, если потребуется, каких-либо доработок постепенно переходить к полномасштабным испытаниям с нагрузкой, соответствующей условиям, в которых двигателю приходилось бы работать в реальном полёте. Первые неполадки, связанные с износом стенок и днища поршня, возникли из-за очень высокой температуры доходящей до 1400 ºС. Об этом упоминается в матери­алах доклада от 13.06.1940 года. Эти проблемы пытались решить, варьируя форсунки и процессы газообмена в цилиндрах. Долгое время все предпринятые попытки оставались безуспешными. Как выяснилось, проблемы возникали от того, что форсунки из соображений удобства монтажа/демон­тажа и технического обслуживания располагались вне моторного блока, и при впрыске топлива конусообразная струя топлива попадала в камеры сгорания несимметрично относительно продоль­ной оси цилиндра.

Моторный блок четырёхугольной формы был очень компактным, но в то же время эта компактность имела недостаток, заключающийся в том, что доступ во внутреннее пространство между блоками двигателя и к внутренним стенкам был невозможен без демонтажа части установленных в этом пространстве агрегатов. Эта особенность имела место у всех высокооборотистых дизельных двигателей фирмы Junkers с большим показателем мощности, развиваемой одним цилиндром.

В ходе испытаний проведённых в 1940-м году при работе двигателя на малых оборотах и соответ­ственно не большой нагрузке был выявлен и затем устранён ряд недостатков. После этого было решено провести испытания полностью в комплекте собранного двигателя на режимах больших нагрузок без использования турбокомпрессора. В начале февраля 1941 года приступили к первым 100-часовым испытаниям Jumo-223 V2. 7.02.1941 года в ходе испытания двигатель развил мощ­ность 1830 л.с. при 3810 об/мин. 20.03.1941 года при 3980 об/мин была достигнута мощность 2040 л.с. И в ходе этих испытаний проявился целый ряд серьёзных дефектов. 16.05.1941 года после 87 часов непрерывной работы произошел обрыв 8-ми направляющих штифтов 4-го коленчатого вала, что в свою очередь на 93-м часу испытаний привёло к разрушению коленвала. После установки нового коленчатого вала на 13-м часу испытания вновь произошло его разрушение. Это свиде­тель­ствовало о наличии значительной вибрации при резонансных явлениях, проявлявшихся в течение долгого промежутка времени при работе на режимах большой нагрузки. Устранение этих явлений потребовало приложения значительных усилий специалистов и длилось довольно долго.

При испытаниях следующего по счету опытного образца двигателя Jumo-223 V3 7.10.1941 года испытатели умышленно не давали больших нагрузок двигателю, и в ходе 100-часовых испытаний он развивал всего лишь 1500 л.с. Вновь были отмечены многочисленные неполадки цилиндров, коленчатого вала, подшипников и системы впрыска топлива. 23.12.1941 года на доработанном Jumo-223 V2 была достигнута максимальная известная мощность 2380 л.с. при 4200 об/мин. Проектные параметры, заложенные в конструкцию Jumo-223, в ходе испытаний еще не были достиг­нуты, хотя и полученные результаты уже были близки к желаемым величинам.

В первые месяцы 1942 года при испытаниях Jumo-223 V1 проводились измерения торсионных колебаний и подбирались способы их устранения. Проблемы создавало то, что соотношение массы к мощности Jumo-223 оказалось довольно велико. Принятое при проектировании двигателя реше­ние по сокращению вдвое количества картеров и коленчатых валов нового двигателя с целью значительного снижения сухой массы двигателя в целом оказалось менее удачным, чем рас­счи­ты­вали получить, когда принимали такие решения в самом начале работ по двигателю. В докладах, датированных 2.04.1942 года и 19.11.1942 года, была сделана попытка проанализировать данную ситуацию. Было отмечено, что высокие показатели средней скорости поршня и среднего эффек­тивного давления улучшали соотношение развиваемой двигателем мощности к массе двигателя. Больший ход поршня в данном случае был бы нежелателен, так как он снижал эти показатели.

Для объективной оценки двигателя имело смысл сопоставить массу двигателя с его рабочим объемом. В этом плане удельная масса, приходящаяся на один литр рабочего объёма, у Jumo-223 была более чем в 2 раза выше, чем у бензиновых двигателей. Поршни были в 3 раза тяжелее, картер – в 4, a редуктор – в 5 раз (!) тяжелее чем у бензиновых двигателей. В то же время удельная мощ­ность, получаемая с одного литра рабочего объёма, у дизеля была выше. Высокое давление в цилиндрах, большие пути передачи мощности, большие картеры для размещения отверстий, необ­ходимых для протекания процесса газообмена, стали причиной большого веса ряда деталей двига­теля. Таким образом, проанализировав конструкцию данного двигателя, специалисты выявили еще ряд недостатков такой схемы расположения цилиндров у 4-х-угольного двигателя. В завершающей фазе работ над этим двигателем всё же удалось добиться снижения удельного веса до 0,64 кг/л.с. (0,87 кг/кВт). Это было самым высоким показателем из того, что до тех пор удавалось получить на дизельных авиационных двигателях.

Из-за описанных выше проблем стендовые испытания Jumo-223 затянулись. Ход войны требовал поставок как можно быстрее и в большом количестве двигателей, уже доведенных до стадии, позволяющей организовать серийное производство. На предприятии фирмы Jumo, расположенном в городе Дессау, в то время параллельно разрабатывался ряд авиационных двигателей, которые были крайне необходимы для Люфтваффе. На разработку и доводку этих двигателей всё большее влияние оказывали тяжелое военное положение, нехватка специалистов и необходимых высоко­качественных материалов. В ходе совещания, состоявшегося 28.05.1942 года между предста­ви­телями RLM и моторостроителями, на котором присутствовал и ведущий специалист фирмы Jumo профессор Мадер, RLM напомнило, что параллельная разработка сразу 2-х типов близких по мощ­ностным показателям двигателей – Jumo-222 и Jumo-223 замедляет работы по этим двигателям и отвлекает и так недостаточные ресурсы. Также высказывалось мнение, что разработка двигателя Jumo-208 замедляет ход работ по куда более перспективному двигателю Jumo-223 и по новейшему, еще более мощному и большему дизельному двигателю Jumo-224 с 4-х-угольным расположением цилиндров, который разрабатывался на базе Jumo-207.

Постепенно разработчики двигателей и представители фирмы Jumo стали склоняться к тому, что все усилия и ограниченные ресурсы по разработке новых дизелей разумнее сосредоточить на более мощном и перспективном Jumo-224, а Jumo-223 использовать как своего рода испытательный стенд для обкатки ряда нововведений, которые можно было бы затем использовать для дальней­шего развития Jumo-224. Окончательное решение по этому вопросу последовало несколько позднее – летом 1942 года, но исследования на базе этого двигателя, мощность которого ограничили 2000 л.с., продолжались.

Целью данных исследований было устранение в первую очередь поломок и вибрации коленчатого вала. Подобное предложение было изложено в письме профессора Мадера от 20.10.1942 года, направленном в RLM. Исследования на Jumo-223 с ограниченной до 2000 л.с. мощностью должны были быть использованы для доведения Jumo-224 до состояния, позволявшего приступить к его серийному производству. Исследования было решено проводить на 6-ти опытных двигателях Jumo-223. Еще 2 двигателя этого же типа, которые тоже предполагалось использовать в данных исследо­ваниях, находились в стадии сборки. В январе 1943 года было принято окончательное решение по прекращению работ над Jumo-223. 23.02.1943 года в присутствии проф. Мадера было проведено последнее испытание на стенде Jumo-223 V8, при этом кратковременно была достигнута мощность в 2200 л.с. Во время этого последнего испытания Jumo-223 Мадер уже в полной мере представлял себе, с какими трудностями возглавляемому им коллективу придётся столкнуться при доведении до работоспособного состояния вдвое более мощного Jumo-224.

Интерес к Jumo-223 возродился уже после окончания войны, когда его приметили совет­ские специалисты, внима­тельно осматривавшие предприятие фирмы Jumo в Дессау. Столь пристальное внимание высокопоставленных советских специалистов и Министерства авиационной промыш­лен­ности к приостановленной в ходе войны разработке стало причиной того, что Jumo-223 V8 вновь начали испытывать на испытательных стендах в Dessau. В течение 3.03.1946 года двигатель трижды запускали, и он отработал в общей сложности 35 минут. Затем 4.04.1946 года в присутствии советской делегации во главе с маршалом Жуковым двигатель вновь отработал на стенде еще 73 минуты. После этих испытаний 2-й поршень был разрушен. Jumo-223 произвёл на советскую делегацию положительное впечатление. На этом история разработки авиационного дизельного двигателя Jumo-223 завершилась.

Рис. 1. Один из первых известных чертежей двигателя Jumo-223

Рис.1A, 2, 2A. Схемы двигателя Jumo-223

Рис.3, 4, 4A, 4B. Двигатель Jumo-223

Рис. 5. «Открытый» Jumo-223

Рис.6, 6A. На испытательном стенде в Dessau первый из вариантов Jumo-223 V1 испытывался в 1939-1940 гг. с обычным 4-лопастным винтом большого диаметра, который в дальнейшем планировалось заменить на 2 воздушных винта противоположного вращения.

Рис. 6С. Завершение первого этапа испытаний Jumo-223. Перед лопастью винта М. Герлах, справа от него П. Якоб, слева В. Кариус (W. Karius).Спереди предпоследний слева доктор Шайбе (Scheibe). Фото сделано Г. Кришером (G. Krischer)

Рис. 7, 8. Кинематика Jumo-223

Рис. 9, 10. Для совершения трансатлантических перелётов фирма Junkers в конце 30-х – начале 40-х годов начала разрабатывать проект пассажирского самолёта EF-100 со взлётным весом порядка 80 тонн. В качестве силовых установок предполагалось использовать 6 дизельных двигателей Jumo-223

Рис.11, 12. Двигатели Jumo-223 также рассматривались как возможные «кандидаты» для установки на средний бомбардировщик Ju-288 вместо бензиновых Jumo-222

Рис. 13. В начале войны прорабатывался вариант дальнего тяжелого бомбардировщика Ме-264 с двигателями Jumo-223, дальность полета которого позволяла бы наносить бомбовые удары по находящимся на большом удалении объектам противника, включая западное побережье США

Источник: Reinhard Müller «Junkers Flugtriebwerke», AVIATIC Verlag, 2006