Увеличение мощности авиационных двигателей при помощи дополнительного впрыска

Статья «Leistungssteigerung durch Zusatzeinspritzung» из журнала «Luftfahrt International» 1 была переведена уважаемым коллегой NF и немного доработана мной. Перевод был выполнен в августе 2016 года.

К средствам, которые позволяли кратковременно увеличивать мощность авиационных поршневых двигателей, относится дополнительный впрыск топлива в цилиндры двигателя. Данное средство было изобретено в тридцатые годы и предназначалось для мощных авиационных двигателей производства компании Daimler-Benz AG. Первоначально впрыск топлива был использован на двигателе, продемонстрированном на проходившей в 1937 году в Цюрихе международной авиационной выставке. В то время как в Цюрихе использовались обычные самолёты, на которых только устанавливался более мощный двигатель, позднее стали улучшать и аэродинамику самолётов для того, чтобы с помощью оснащенных подобной системой двигателей улучшить рекорды скорости полёта.

Впрыск дополнительного топлива производился в наддувочный воздух перед нагнетателем двигателя. При этом при испарении с парообразованием топлива достигалось более сильное обратное охлаждение при проходе через систему нагнетателя и спираль нагнетателя нагревающего наддувочного воздуха. Таким образом, в нагнетатель двигателя поступает увеличенное количество топлива и повышается степень сжатия без увеличения конечной температуры нагнетаемого в цилиндры двигателя воздуха и возникновения опасности для него. Таким образом, данный вид впрыска топлива имел полезное свойство, которое приводило к испарению топлива в наддувочном воздухе и при этом еще и к значительному снижению его температуры.

Самолеты, которые должны были развивать высокую скорость на минимальной высоте, например рекордные самолеты Heinkel He 100 V8 и Messerschmitt Me 209 V1, получили так называемые «наземные двигатели» (Bodenmotor). Данные авиадвигатели помимо впрыска обычного авиационного бензина были дополнительно оснащены системой подачи спирта. На данных двигателях, предназначенных для установки на рекордные самолеты, повышение мощности до 150% осуществлялось посредством впрыска топлива и спирта при работе одноступенчатого нагнетателя. Улучшение характеристик «наземных моторов» проводилось без каких-либо серьезных конструктивных изменений по сравнению с серийными моторами.

Упомянутый выше впрыск спирта за счет собственного испарения осуществлял охлаждение наддувочного воздуха, и как следствие значительно увеличивалась степень сжатия топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя. В дополнение к этому также увеличивалась величина развиваемого двигателем максимального числа оборотов; данная механическая концепция подходила к прочной конструкции авиационных двигателей компании Daimler-Benz. С термической точки зрения не возникало каких-либо сложностей, поскольку впрыскиваемый в цилиндры двигателя спирт сгорал очень чисто. Помимо этого испарившийся спирт дополнительно охлаждал камеру сгорания двигателя и все связанные с ней детали (клапаны, свечи зажигания и поршни); данные узлы двигателя не испытывали перегрузок, что позволяло применять к ним сниженные требования.

То, что в цилиндры двигателя помимо бензина впрыскивался еще и спирт, несколько снижало расход основного топлива. Однако с точки зрения удельного расхода топлива на одну лошадиную силу мощности двигателя расход бензина всё же увеличивался, поскольку теплотворная способность спирта была равно только 4700 кКал/кг, в то время как теплотворная способность авиационного бензина сорта В4 с октановым числом 87 была равна 10 350 кКал/кг, а бензина сорта С3 с октановым числом 95–100 – 10 150 кКал/кг.

На больших высотах использование двигателей с одноступенчатым наддувом и дополнительным впрыском спирта давало только небольшой прирост мощности, поскольку температура поступавшего к нагнетателю воздуха была невысокой и не позволяла достичь необходимой высокой испаряемости топлива. Поэтому в данном случае следовало использовать т.н. «высотные моторы» (Höhen-Motor) с многоступенчатыми нагнетателями или дополнительной системой впрыска жидкости, содержавшей в себе много кислорода. Такая система получила обозначение GM 1.

При использовании системы GM 1 в цилиндры двигателя дополнительно поступало большое количество кислорода, которое в камере сгорания позволяло сжигать большее количество топлива, но с другой стороны возрастал вес нагнетателя, а поступающая в цилиндры двигателя топливно-воздушная смесь охлаждалась незначительно.

При использовании многоступенчатых нагнетателей можно было без осложнений использовать впрыск дополнительного топлива, охлаждавшего цилиндры двигателя, при условии, что этот впрыск осуществлялся перед последней ступенью нагнетателя. Такое охлаждение наддувочного воздуха и связанное с ним лучшее наполнение цилиндров двигателя топливно-воздушной смесью имело большее значение в случаях, когда подобное увеличение мощности двигателя было кратковременным и на необходимость охлаждения нагнетаемого воздуха можно было не обращать внимания.

Применение дополнительных устройств

a) Впрыск водометаноловой смеси

Чаще всего использовался впрыск водометаноловой смеси MW-50, состоявшей из 50% метанола (CH3OH), 49,5% обычной водопроводной воды (H2O) и 0,5% антикоррозионной присадки – масла Schutzöl 39. Помимо смеси MW-50 использовались еще и водометаноловые смеси MW-30 и MW-60, в которых использовалось 30% и 60% метанола, 69,5% и 29,5% водопроводной воды и по 0,5% антикоррозионной присадки соответственно. Использовать водометаноловые смеси можно было ниже высоты полного напора (Volldruckhöhe) нагнетателя для увеличения мощности в следующих режимах работы двигателя: на взлёте, на боевом режиме работы и в режиме чрезвычайной мощности в экстремальных случаях. В данном случае охлаждался наддувный воздух, в нагнетателе увеличивалось давление, обеспечивалось хорошее охлаждение цилиндров двигателя изнутри, устранялось детонационное сгорание топлива, а параметры сгорания в цилиндрах двигателя на минимальной высоте при этом увеличивались до таких величин, которые в обычных условиях были неприемлемы. Увеличение мощности при помощи системы впрыска водометаноловой смеси в режиме чрезвычайной мощности на авиационных двигателях компании Daimler-Benz можно было непрерывно использовать в течение 10 минут, затем следовало отключить систему впрыска не менее чем на 5 минут, после чего данную систему вновь можно было использовать. По словам фронтовых пилотов, имели место случаи полёта с включенной системой водометанолового форсирования продолжительностью до 40 минут, и при этом двигатель не выходил из строя. Требовалось лишь через 15–30 часов полёта с использованием водометанолового впрыска менять свечи зажигания двигателей.

b) Впрыск водоэтаноловой смеси

Условия работы и соотношение воды и этанола при работе двигателей с впрыском водоэтаноловой смеси было таким же, как и в системах впрыска водометаноловой смеси. Использовались системы EW-50 или EW-30 с соответствующим содержанием этанола (число соответствовало его процентному содержанию в смеси), воды и антикоррозионной добавки.

c) Впрыск воды

Из-за недостатка спирта, необходимого для водометаноловых систем впрыска, на фронте часто использовали впрыск одной только воды. В данном случае большую отрицательную роль играла коррозия, и потому использование подобных систем ограничивалось несколькими типами двигателей (например, DB-605, DB-603, Jumo-213A и Bramo-323R). Кроме того, впрыск воды можно было использовать только при температуре окружающей среды выше 0°C, поскольку при более низких температурах возникала опасность замерзания воды. После каждых 50 часов полёта с впрыском воды двигатель следовало тщательно осматривать для того, чтобы обнаружить возможные следы коррозии, вызванные работой данной системы. 

d) Система GM 1

При полётах выше высоты полного напора или в «высотных моторах», оснащенных многоступенчатыми нагнетателями, использовалась система впрыска смеси GM 1, содержавшей в себе значительное количество кислорода и улучшавшей сгорание.

В составе смеси, имевшей кодовое обозначение GM 1, был использован в жидком виде под давлением оксид азота (N2O), используемый также в медицине и получивший название "веселящий газ". Сначала эту систему просто называли «HA-HA», но затем в соответствии со своим сокращением GM 1 она получила название «микстура Геринга» (Göring-Mischung), под которым она получила широкую известность. Подача в цилиндры двигателя дополнительного кислорода помимо охлаждения наддувочного воздуха позволяла впрыскивать в цилиндры двигателя дополнительное топливо и при этом улучшать антидетонационные свойства топливно-воздушной смеси и условия сгорания топлива. 

Во время полёта впрыск в двигатель смеси GM 1 можно было использовать в течение 50 минут без снижения механической надёжности силовой установки.

e) Впрыск кислорода

Так же как и при использовании системы GM 1, содержавшей большое количество кислорода, при полётах выше высоты полного напора в целях увеличения мощности двигателя можно было использовать и непосредственный впрыск кислорода. На высотах выше 11 километров данная система позволяла получить заметное преимущество в сравнении с системой GM 1. В дальнейшем преимуществом системы впрыска кислорода по сравнению с системой впрыска смеси GM 1 было использование во всем диапазоне высот. До этого повышение мощности двигателя посредством впрыска кислорода выполнялось в том же диапазоне высот, что и при применении смеси GM 1. Значительным преимуществом системы впрыска кислорода было то, что при таком же количестве жидкости в баках, что и смеси GM 1, при впрыске кислорода продолжительность полёта с работающей системой была на 80% больше. 

f) Дополнительный впрыск топлива

Для того чтобы в полной мере раскрыть все возможные варианты по форсированию двигателей, следовало бы упомянуть о еще одной такой возможности, которая заключалась в дополнительном впрыске авиационного бензина с октановым числом 96 единиц. И в этом случае основным фактором был охлаждающий эффект, который возникал при испарении бензина. Это было необходимо для того, чтобы снизить термические нагрузки, возникавшие в нагнетателе и в цилиндрах двигателя, и устранить детонацию бензина в цилиндрах двигателя. Удельный расход бензина при взлёте в данном случае увеличивался со 100% до 127%, т.е. у двигателя DB 605D удельный расход топлива возрастал с 215 г/л.с.×ч до 273 г/л.с.×ч. 

Heinkel He100V-8 (D-IDGH). На этом самолёте со специально модифицированным рекордным двигателем DB-601, оснащенным дополнительным впрыском, пилот Ганс Дитерли 30.5.1939 года установил мировой рекорд скорости полёта для самолётов с поршневыми двигателями

Схема системы MW-50, применявшейся на двигателях Daimler-Benz DB-605. Схема составлена по чертежу Daimler-Benz 9-605-6136 от 5.6.1944

Увеличение мощности двигателя на минимальной высоте при помощи впрыска в цилиндры двигателя воды: (—-) увеличение мощности двигателя; (- — -) температура наддувочного воздуха

Увеличение мощности двигателя при помощи системы GM-1 или впрыска спирта на высоте 12 км: (—-) увеличение мощности двигателя полученное при впрыске смеси GM-1; (- — -) увеличение мощности двигателя при помощи впрыска спирта

Максимальная скорость полёта истребителя Messerschmitt Me-109 K-4 с высотным двигателем Daimler-Benz DB-605L в режиме набора высоты и на боевом режиме работы: (——) максимальная скорость полёта без использования системы MW-50, (- — -) максимальная скорость полёта с использованием системы MW-50. Схема составлена в соответствии с диаграммой результатов испытательного полета Me 109 K-A/IV/149a/44 от 25.8.1944 г.

При применении системы GM 1 увеличение мощности серийных двигателей Daimler-Benz DB-601N и DB-601Q

Серийный двигатель DB-601 N(1939 год), высота полного напора 4,9 км; согласно отчета 16 18 101 864/5 от 6.5.1941

Серийный двигатель DB-601Q (1941 год), высота полного напора 5,8 км

Увеличение мощности двигателя колебалось в соответствии с несколько различавшимся давлением в баллонах с газом. В среднем увеличение мощности двигателя составляло φ = 2,55 до 2,65 л.с.×с/г (GM 1).

Увеличение мощности двигателя на больших высотах при дополнительном впрыске жидкого кислорода перед нагнетателем серийного двигателя DB-601А на боевом режиме работы и при наборе высоты на границе высотности, которая из-за установки испарителя снизилась до 4,5 км.

Замеренные данные ниже, чем показатели, полученные в DVL при испытаниях двигателя Daimler-Benz DВ-601, но они значительно превосходят показатели, полученные при использовании системы GM 1. Увеличение мощности двигателя при впрыске жидкого кислорода (по сравнению с впрыском GM 1) было отмечено только при полётах на высотах от 11 км и выше. При увеличении показателей выхода летные характеристики возрастут еще больше

Полученные характеристики были указаны в отчете № 18 101 950, Nr. 3 от 15.4.1943 г.

Полёты выполнялись на Me 109G-5/U 2/3, заводской номер 11 00 30, военный номер G3+FX, с двигателем Daimler-Benz DB-605ASM, заводской номер 007 03 156. Крыло самолёта из-за того, что его следовало испытывать на больших высотах, было заменено на крыло большего размаха и площади, предназначавшееся для высотного варианта истребителя Ме 109Н.

Серийные двигатели Daimler-Benz DB 601A, переоборудованные в рекордные путем установки системы впрыска спирта

Развитие двигателей Daimler-Benz DB 601A

Двигатели Daimler-Benz DB-601A в основном использовались в качестве силовых установок на одноместных истребителях Messеrschmitt Me 109.

Специально доработанные двигатели DB-601 Rekordmotor/I устанавливались на рекордных самолётах Messerschmitt Me 109 V7 и He 112 V2, на которых планировалось установить рекорды скорости полёта. В 1937 году на проходившей в Цюрихе международной авиационной выставке истребители Messerschmitt Me 109 и Heinkel He 112 летали со специально доработанными двигателями DB-601/II. Третья рекордная модель двигателя DB-601 также была форсирована и её устанавливали на рекордных самолётах Messerschmitt Me 109 и Heinkel He 112.

Рекордный двигатель DB-601/IV представлял собой предварительный вариант авиамотора, с помощью которого был установлен рекорд скорости полёта самолётов с поршневыми двигателями. Окончательный вариант двигателя, получившего обозначение DB-601/V, сперва был испытан в полете на Heinkel He 100 V3, а затем двигатели данного типа были установлены на Heinkel He 100 V8 и Messerschmitt Me 209 V1. Оба этих самолёта смогли превысить ранее установленные рекорды скорости полёта для самолётов с поршневыми двигателями: сначала это сделал He 100 V8, а затем и Messerschmitt Me 209 V1. Рекорд последнего продержался 30 лет.