Взгляд из Великобритании 1940 года на немецкие боевые самолеты. Часть 5 Авиационный двигатель Daimler-Benz DB 601A

Продолжение цикла интересных винтажных статей, которые были опубликованы в выпусках журнала «Flight» (1940 год) и которые, думаю, заинтересуют читателей и коллег.

САМОЛЕТ ВРАГА — V. ИНВЕРТИРОВАННЫЙ V-ОБРАЗНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Mercedes-Benz DB601A: Гидравлический привод нагнетателя: Регулирование наддува стрелочным механизмом : Роликовые подшипники нижних головок шатуна

Содержание:

Немецкие боевые самолеты, которые наносят бомбовые удары или сражаются с нашими самолетами, теперь оснащаются исключительно бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском топлива, в то время как от карбюраторов в них немецкие моторостроители отказались. Карбюраторы сохраняются в небольших маломощных двигателях, устанавливаемых на учебных самолетах и в некоторых других самолетах небоевых типов. Тем не менее, предпочтение отдается системе непосредственного впрыска топлива. Вероятно, это делается из-за экономии топлива и отсутствия проблем с обледенением. В первые месяцы войны карбюраторы в двигателях боевых самолетов все еще использовались. Система непосредственного впрыска двигателя Junkers Jumo 211A была описана в выпуске журнала «Flight» от 18 января 1940 года (Испытано в Великобритании. Авиационный двигатель Junkers Jumo 211 A).

В качестве названия двигателя DB 601A можно использовать либо Mercedes-Benz, либо Daimler-Benz; они относятся к одной и той же конструкции, изготовленной на разных заводах.

Инвертированный V-образный двигатель, примером которого является 12-цилиндровый авиамотор, очень популярен у немецких авиаконструкторов, но радиальные двигатели воздушного охлаждения также нашли свое применение. Двигатели Bramo Fafnir, которые ранее оснащались карбюраторами, теперь получили систему непосредственного впрыска и устанавливались на бомбардировщики Dornier Do 215. В отличие от DB 601 этот двигатель не имеет гидравлического привода нагнетателя и оснащается двухскоростным нагнетателем.

DB 601A по своей сути аналогичен DB 600, за исключением того, что односкоростной нагнетатель и карбюратор заменены очень интересным гидравлическим приводом и топливным насосом высокого давления. (Двигатель DB 600 вместе с другими немецкими двигателями был описан в выпуске журнала «Flight» от 16 ноября 1939 года.)

на данном чертеже показан нагнетатель двигателя DB 600. Данный двигатель был предшественником DB 601A; он имел такие же размеры, но не оснащался гидравлической муфтой

На конструкцию немецких авиационных двигателей повлияли американские авиамоторы. Отчасти это связано с тем, что радиальный двигатель B.M.W. 132 представлял собой выпускавшийся по лицензии девятицилиндровый двигатель Pratt and Whitney Hornet. Влияние проявляется главным образом в большем удельном объеме, используемом конструкторами обеих стран, по сравнению с британской практикой проектирования.

Показательным является сравнение взлетной мощности нашего двигателя Rolls-Royce Merlin X с его рабочим объемом 27 литров с немецким DB 601A со значительно большим рабочим объемом 33,9 литра. При частоте вращения вала 3000 оборотов в минуту и давлении наддува 5¾ фунта на кв. дюйм (0,404 кг/см²) двигатель Merlin в течение трех минут развивает мощность 1065 лошадиных сил. Двигатель DB 601A в течение одной минуты развивает схожую мощность 1050 лошадиных сил при давлении наддува 5,2 фунта на кв. дюйм (0,366 кг/см²) и частоте вращения вала 2400 оборотов в минуту. Разница в мощности, конечно, наиболее заметна.

Гидравлическая муфта

Несомненно, самой интересной особенностью (и, как считается, уникальной) является гидравлический привод нагнетателя. Эта гидравлическая муфта работает по принципу «гидродинамического сцепления», который хорошо известен в автомобилестроении. В данной системе мощность передается от ведущего элемента к ведомому посредством непрерывной циркуляции масла в изогнутых каналах обоих элементов.

В приводе двигателя DB 601A масло прокачивается по каналу «A», расположенному в валу ведущего элемента (другой конец которого проходит в направляющем подшипнике, не несущем большой нагрузки) и затем выходит через радиальные отверстия вала «B» в радиальные каналы «C» этого элемента. Вращение заставляет масло вытекать наружу, и форма проходов такова, что масло направляется в аналогичные каналы «D» ведомого звена. Поскольку поток имеет тангенциальную составляющую вектора скорости, то он ударяется о лопасти и таким образом начинает вращать ведомый элемент.

гидравлическая муфта, приводящая в действие нагнетатель. Масло подается к гидравлической муфте через отверстие «A», затем выходит из вала «B» и через небольшие отверстия попадает в радиальные каналы «C» ведущего элемента. Под действием центробежной силы масло выбрасывается в каналы ведомого элемента «D» и таким образом приводит его во вращение. Данная конструкция дублируется на другом конце, уравновешивая таким образом осевую нагрузку

Жидкость, переходя от ведущего элемента к ведомому, должна пересекать небольшой зазор между ними, и непрерывно происходит определённая потеря жидкости. Как следствие возникает необходимость в закачке масла в муфту. Проскальзывание между ведущим и ведомым элементами всегда является характеристикой гидравлических муфт, но оно уменьшается с увеличением скорости, а также зависит от количества масла в каналах муфты.

Именно эта последняя характеристика была принята во внимание при использовании гидромуфты в приводе нагнетателя. На «высоте надува» двигателя требуется «непрерывный» привод, и гидромуфта обеспечит это, если маслопроводные каналы останутся заполненными. (Это должно быть оговорено тем, что гидравлический привод никогда не бывает достаточно «непрерывным», а минимальное проскальзывание никогда не бывает ниже 2 или 3 процентов.)

Ниже высоты наддува желательно, чтобы нагнетатель работал на более низких относительно двигателя оборотах, и это достигается за счёт уменьшения подачи масла в гидромуфту.

Двухступенчатый насос питает гидромуфту от напорного масляного фильтра магистрали высокого давления, причём каждая ступень насоса имеет обычную конструкцию в виде зубчатой передачи. Первая ступень является нерегулируемой и подаёт всю свою мощность на гидромуфту, так что в зазорах всегда присутствует некоторое количество масла. Мощность второй ступени регулируется капсулой, которая реагирует на давление на впуске, управляя таким образом поршневым клапаном, который распределяет масло между гидромуфтой и перепускным клапаном обратно в поддон картера двигателя. Вторая ступень начинает подачу масла в гидромуфту на барометрической высоте 4900 футов (1494 м), а полная подача происходит на высоте примерно 11500 футов (3505 м). Таким образом, достигается желаемый результат при использовании привода с регулируемой частотой вращения между двигателем и нагнетателем.

два шестеренчатых насоса подают масло к гидравлической муфте привода нагнетателя. Нижний насос постоянно обеспечивает полную производительность, в то время как верхний насос управляется капсулой, чувствительной к давлению, которое соответствует определённой высоте, и расположенной справа от корпуса насоса

У двигателя Mercedes-Benz гидравлическая муфта является двусторонней, причём ведущий элемент находится внутри с одним ведомым элементом на каждом конце. Тем самым уравновешивается давление на выходе. Внутренние части гидравлической муфты отлиты под давлением из лёгкого сплава. Круговые кольца криволинейного поперечного сечения прикреплены к радиальным лопастям и таким образом способствуют формированию правильной формы маслопроводных каналов; круговые кольца не изготавливаются литьем по давлением. Они изготавливаются отдельно и прикрепляются к лопастям, такая форма конструкции значительно упрощает литьем по давлением оставшейся части.

Зазор между внутренним приводным агрегатом и внешним приводимым корпусом очень близок. Прорези на внутреннем блоке, вероятно, служат для облегчения смазки. Приводимый корпус изготовлен из стали; ребристая наружная поверхность обеспечивает прочность и лёгкость.

Дроссельная заслонка с капсульным управлением регулирует подачу к нагнетателю, а второй дроссель, управляемый пилотом, контролирует подачу воздуха в двигатель и, следовательно, давление в впускном коллекторе. Капсула, управляющая первым дросселем, подвергается воздействию давления между двумя дросселями.

Обращает на себя внимание механизм похожий на часы стрелочный механизм, который позволяет на взлёте всего на одну минуту увеличить наддув. На немецком манометре давление наддува указано не в килограммах на квадратный миллиметр или миллиметрах ртутного столба, а в десятых долях атмосферы. На циферблате указаны значения от 0,6 до 1,8, пределы которых гораздо шире тех, которые могут быть достигнуты. Сообщается, что в двигателе Mercedes-Benz на взлете при частоте вращения вала двигателя 2500 оборотов в минуту давление наддува может увеличиваться до 1,45 атмосферы (+6,3 фунта на кв. дюйм [0,443 кг/см²]). Однако этот показатель представляется очень высоким, а само утверждение необоснованным. Самый высокий показатель, зафиксированный на машине техническими специалистами Министерства авиации, составил 1,4 атмосферы (+5,6 фунта на кв. дюйм [0,394 кг/см²]) двигателя бомбардировщика Heinkel He 111K.

вид сзади на левый борт двигателя DB 601A. Расположение воздухозаборников и отсутствие эжекторных выхлопных устройств указывают на то, что двигатель был снят с бомбардировщика Heinkel He 111K. Официальный снимок Министерства авиационной промышленности. Авторское право Великобритании

на данном снимке с правого борта можно увидеть более подробную информацию о моторной раме двигателя DB 601A. Она представляет из себя поковку из магниевого сплава. В передней части двигателя также можно заметить напорный бак для охлаждающей жидкости

Нагнетатель искусно установлен с левой стороны двигателя так, что его ось находилась под прямым углом к коленчатому валу. Это требует наличия конической передачи для привода (которая имеет передаточное отношение 10,39 к 1), но позволяет обеспечить воздухозаборнику иметь аккуратную конструкцию с одним поворотом под прямым углом и жалюзями на входе чтобы минимизировать потери при вихреобразовании.

Роликовые подшипники нижних головок шатуна

Подшипники нижних головок шатуна демонстрирует значительную изобретательность разработчиков конструкции двигателя, поскольку были использованы роликовые подшипники. Он имеет три направляющие по 24 ролика в каждой и разъёмный корпус из лёгкого сплава. Роликовый подшипник вращается на шатунной шейке и в стальных разъёмных наружных кольцах. Зубчатые соединения используются так, как показано на чертеже. На каждой шатунной шейке имеются вильчатый шатун, вращающийся по кольцу роликового подшипника, и внутренний шатун, вращающийся на свинцово-бронзовом подшипнике вне наружного кольца. На малой головке шатуна установлены бронзовые втулки. На вильчатом шатуне используется необычный тип гайки. Вместо шестигранника гайка имеет круглую форму с многочисленными шлицами. Первое объяснение, что это было сделано для облегчения закручивания гайки на небольшие усилия, кажется неверным, поскольку на болтах другого стержня используются шестигранные гайки. Смазка нижней головки шатуна осуществляется принудительной подачей в роликовые подшипники, а затем в подшипник скольжения.

роликоподшипники (три направляющие по 24 ролика) установлены между вильчатым шатуном и внутренним шатуном. Внутренний шатун оснащен подшипником скольжения, обеспечивающим относительное перемещение между двумя нижними головками шатунов. Зубчатые соединения со шлицами, параллельными роликам, обеспечивают идеальное выравнивание двух половин разрезного кольца. Хотя вильчатый шатун снабжен шлицевыми гайками, внутренний шатун снабжен обычной шестигранной гайкой

Гильзы цилиндров

Гильзы цилиндров «сухого» типа изготовлены из стали. Своим натяжением они удерживают в картере окружающие их блоки цилиндров, которые были изготовлены из лёгкого сплава. Крепление к картеру осуществляется резьбовым соединением с большой кольцевой гайкой. На внешней стороне имеется зубчатое колесо с нешлифованными зубьями, которые входят зацепление с инструментом, используемым для завинчивания гайки. Этот инструмент можно описать как отвёртку с шестерней вместо шлица. Втулка на конце этого инструмента вставляется в отверстие в отливке, и инструмент поворачивается. Это поворачивает кольцевую гайку и таким образом затягивает ее. Затяжка обеспечивает значительный выигрыш в величине прилагаемого усилия, и при необходимости можно использовать два таких инструмента одновременно. Картер представляет собой отливку из лёгкого сплава с хорошо продуманными рёбрами жёсткости. Тонкая верхняя часть из лёгкого сплава соединена шпонками и закреплена многочисленными небольшими шпильками.

«сухая» гильза цилиндра крепится к блоку цилиндров с помощью резьбового соединения. На другом конце гильза удерживается в картере с помощью кольцевой гайки, которая затягивается с помощью одного или двух показанных инструментов. При вращении в отверстиях картера шестерня инструмента входит в зацепление с зубчатой передачей на кольцевой гайке

Описанное выше расположение гильз цилиндров отличается от того, которое принято в двигателе Rolls-Royce Merlin, в котором используются «мокрые» гильзы, а сама гильза не используется в качестве средства скрепления вместе блоков цилиндров и картера. Вместо гильз цилиндров эту функцию выполняют несколько длинных стальных болтов. Конструкция двигателя Merlin представляется более совершенной, поскольку обеспечивает более лёгкий путь, по которому тепло может поступать из цилиндра через «мокрую» гильзу. Это, несомненно, является оной из причин, почему у двигателя Merlin удельная выходная мощность выше.

В отличие от британских разработок, двигатели Daimler-Benz имеют водяное охлаждение. В охлаждающей жидкости двигателей бомбардировщиков гликоль используется в количестве 30 процентов, а остальные 70 процентов охлаждающей жидкости являются водой. В двигателях истребителей гликоль и вода в охлаждающей жидкости используются в соотношении 50 на 50, но рабочая температура из-за этого не повышается. Добавление гликоля, по-видимому, предназначено только для защиты от обледенения.

К каждому блоку цилиндров присоединяется только один распределительный вал. Каждый кулачок управляет двумя клапанами: впускным и выпускным. На каждом цилиндре имеется по два впускных и два выпускных клапана. Между шпилькой на коромысле и концом толкателя расположен плавающий шаровый шарнир. Коромысла оснащены игольчатыми роликоподшипниками, и для регулировки кулачка обеспечивается хороший доступ. В целом клапанный механизм очень хорошо продуман.

нижний клапанный механизм приводится в движение одним распределительным валом, каждый кулачок управляет одним выпускным и одним впускным клапаном, всего по четыре клапана на цилиндр. Игольчатые роликовые подшипники включены в коромысла клапанов. Обратите внимание на крепление патрубков выхлопной системы тремя шпильками. (На данном чертеже двигатель перевернут)

На двигатель DB 601 A установлено магнето Bosch, представляющее собой блок двойного зажигания с двумя электрическими цепями. Однако в нем только один привод от двигателя, и поэтому это не настоящее «двойное зажигание». Это не является универсальной немецкой практикой.

Топливные насосы высокого давления

Перед подачей к насосам высокого давления бензин проходит через деаэратор, который расположен между топливным насосом и топливным насосом высокого давления. Топливные насосы высокого давления относятся к типу Bosch; двенадцать из них расположены аккуратно рядами в четырёх группах по три штуки в каждой. Они работают точно так же, как насос Junkers на Jumo 211A, но устанавливаются для обеспечения более лёгкого доступа.

Форсунки на двигателе DB 601A отличаются от форсунок типа Junkers, которые представляют собой простое сопло, предназначенное для подачи заряда топливно-воздушной смеси в цилиндр в мелкодисперсном состоянии. Однако форсунка типа Mercedes-Benz представляет собой не только сопло; она подпружинена, чтобы действовать в качестве клапана.

инвертированный V-образный 12-цилиндровый рядный двигатель Mercedes-Benz DB 601 A показан на данном снимке в перевернутом положении во время работ по техническому обслуживанию, выполненных на станции Министерства авиации перед проведением испытаний. Обратите внимание на ряд топливных насосов высокого давления, клапанный механизм и нагнетатель

Было обнаружено, что в баках всех немецких двигателей, установленных на боевых самолётах, содержат в баках топливо с октановым числом 92. Этот сорт топлива используется для взлёта и всех других условий полёта. Однако двигатель DB 601A был рассчитан на использование двигателя с октановым числом 87, поскольку топлива более высокого качества, по всей видимости, не хватает.

вид на нижнюю часть поврежденного двигателя Mercedes-Benz DB 601A. Топливные насосы высокого давления расположены между двумя рядами цилиндров. Официальный снимок Министерства авиационной промышленности. Авторское право Великобритании

Немецкий метод крепления воздушного винта к двигателю отличается от параллельного крепления на шлицах, которое в качестве стандарта используется в Великобритании. В немецком методе предпочтение отдаётся креплению на фланце, а не на валу, и привод осуществляется к ступице воздушного винта с помощью двух пластин, соединённых болтами, при этом нагрузка передаётся через радиальные зубцы на поверхностях пластин.

на виде спереди двигателя DB 601A виден шлицевой фланец для крепления ступицы воздушного винта и подковообразный напорный бак под капотом. Воздухозаборник находится справа. Официальный снимок Министерства авиационной промышленности. Авторское право Великобритании

Большое количество немецких двигателей стало трофеями, которые доступны для проведения испытаний и экспериментов в лабораториях авиационных двигателей Министерства авиации. Некоторые из них имели очень мало часов налёта. Были случаи, когда двигатель наработал меньше десяти часов! Многие из двигателей имеют недавнюю дату изготовления, паспортная табличка одного из истребителей Messerschmitt Me 109 указывает, что он был изготовлен в первой половине этого года.

Уровень качества изготовления исследованных деталей двигателей Mercedes-Benz можно охарактеризовать только как превосходный. Кроме того, расположение трубопроводов тщательно продуманное и особое внимание было уделено размещению некоторых элементов вспомогательного оборудования. Но сомнительно, что все это было полностью успешным, поскольку, как описал это один наблюдатель, вспомогательное оборудование выглядело «регламентированным». По своему внешнему виду конструкция двигателя Mercedes-Benz не такая тяжёлая, как у двигателя Junkers.

Конструкторы, по-видимому, стремились к простоте внешнего вида, иногда ценой общего совершенства двигателя. Похоже немецкие авиамоторы не могут сравниться с двигателями компаний Rolls-Royce и Bristol в утонченности и совершенстве конструкции.

Отношение мощности двигателя к его массе

Данный конкретный двигатель не был протестирован на мощность при торможении, но ожидалось, что он выдаст примерно 40 лошадиных сил от номинальной мощности. При взлётной мощности 1050 лошадиных сил и 1610 фунтов (730 кг) отношение мощности двигателя к его массе составит 1,53 фунта на лошадиную силу (0,69 кг/л.с.).

Взлётная мощность в 1050 лошадиных сил ниже величины в 1150 лошадиных сил, принятой ранее и опубликованной в журнале «Flight». Но после тщательного изучения техники Министерства авиации заявляют, что они не могут найти никаких доказательств того, что двигатель на взлёте развивал мощность, превышающую первый показатель.

Другими данными о двигателе являются:

Управление: Единое управление дроссельной заслонкой из кабины пилота.

Диаметр цилиндра и ход поршня: 150 мм × 160 мм.

Рабочий объем: 33,9 литра.

Степень сжатия: 6,9 к 1.

Редуктор: прямозубый цилиндрический, 14 к 9

Упорный подшипник скольжения: обычный шариковый

Ширина: 29,1 дюйма (739 мм). Длина: 67,5 дюйма (1715 мм). Высота: 40,5 дюйма (1029 мм).

Масса: Масляный, с топливным насосом, генератором, гидравлическим насосом, стартером, механизмом управления воздушным винтом, трубопроводами и проводкой к противопожарной переборке; 1610 фунтов (730 кг).

Коленчатый вал: неразъемный, с шестью кривошипами, расположенными под углом 120 градусов, и восемью балансирами, каждый из которых состоит из двух пластин, приклепанных с каждой стороны удлинителя плеча кривошипа. Вращается на семи подшипниках из свинцовой бронзы. Передний конец является шлицевым для крепления шлицевой монтажной втулки шестерни редуктора. Задняя часть оснащена храповиком стартера и приводом вспомогательных агрегатов.

Подшипник нижней головки шатуна: Роликового типа с тремя направляющими по 24 ролика в каждой, вращается на на шатунных шейках и в стальных разъёмных наружных кольцах, с разъёмным корпусом из лёгкого сплава, с зубчатыми соединениями.

Поршни: Из лёгкого сплава, обычной конструкции, с плавающим поршневым пальцем. Три уплотнительных кольца и два маслосъемных кольца.

Клапанный механизм: Коническая зубчатая передача к распределительным валам. Одиночный нижний вал на каждом блоке цилиндров, с одним кулачком, управляющим одним впускным и одним выпускным клапаном, через коромысла с игольчатыми роликоподшипниками.

Клапаны: Полый шток, выпускной клапан с натриевым охлаждением.

Свечи зажигания: по две на цилиндр, установлены снаружи блока цилиндров.

Топливный насос высокого давления: 12-цилиндровый рядный насос Bosch, установлен между блоками цилиндров и управляется чувствительной к давлению диафрагмой впускного коллектора, набором капсул, чувствительных к давлению, которое соответствует определённой высоте, и капсулы, чувствительной к температуре индукционного нагрева. Деаэратор расположен между топливным насосом и топливным насосом высокого давления.

Магнето: сдвоенный агрегат компании Bosch, тип Z.M.12 B.R.4.

Вспомогательное оборудование: Установлено на коробке передач в задней части; топливный насос шестеренчатого типа, генератор напряжением 24 Вольта мощностью 1500 Ватт, шестиплунжерный гидравлический насос с приводом от автомата перекоса (в качестве альтернативы вакуумный насос), центробежный насос охлаждающей жидкости и ручной/электрический инерционный стартер.

Масляные насосы: Шестеренчатый нагнетательный насос, подающий масло через проволочный фильтр. Основная подача масла осуществляется по просверленным каналам картера к опорным подшипникам. Отработавшее масло отводится спереди и сзади к крышкам кулачковых коробок, в каждой из которых установлен шестеренчатый насос.

Мощность:

Взлетная, 1050 л.с. при наддуве 5,2 фунта на кв. дюйм (0,366 кг/см²) и 2400 оборотах в минуту (время ограничено похожим на часы стрелочный механизм величиной в 1 минуту).

В течение 5 минут, на уровне земли, 950 л.с. при наддуве 3,75 фунта на кв. дюйм (0,264 кг/см²) и 2400 оборотах в минуту.

Мощность на высоте 12000 футов (3658 м) 970 л.с. при наддуве 2,4 фунта на кв. дюйм (0,169 кг/см²) и 2300 оборотах в минуту.

Масляный радиатор: Площадь радиатора увеличена на 50 процентов, чтобы рассеивать энергию, не передаваемую гидравлической муфтой нагнетателя при максимальном проскальзывании.

Выхлопная система: Выхлопные патрубки эжекторного типа устанавливаются при монтаже двигателя на истребитель Me 109

источник: «Enemy Aircraft—V. An Inverted Vee Engine» «Flight» November 7, 1940, pages f, g, h, 391

перевод впервые опубликован – https://vk.com/@710541705-vzglyad-iz-velikobritanii-1940-goda-na-nemeckie-samolety-05